Твердотельные фотоэлектрические преобразователи

В настоящее время в телевидении нашли широкое применение твердотельные ФЭП на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Основой ПЗС является конденсатор МОП – структуры (металл-оки­сел-полупроводник). Одной обкладкой конденсатора является метал­лический электрод, а второй – полупроводник. Диэлектриком между этими обкладками служит тонкий слой окисла полупроводника (рис. 2.4).

Если между электродом и полупроводниковой подложкой, напри­мер p-типа, приложить напряжение +U, то в результате действия элек­трического поля дырки (основные носители) полупроводника, нахо­дящиеся под электродом, отойдут в толщину слоя полупроводника. При этом под электродом образуется область, обедненная основными носителями, – потенциальная яма. Изменяя величину напряжения +U можно управлять глубиной потенциальной ямы.

В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление не­основных носителей электронов, которые могут образовываться как за счет полезного эффекта (например фотоэмиссии), так и за счет термоэлектронной эмиссии.

Рис. 2.4. Конденсатор МОП – структуры: 1 – полупроводниковая подложка

(р – проводимости); 2 – окисел; 3 – металлический электрод;

4 – неосновныеносители; 5 – обедненная область; 6 – основные носители

Термоэлектронная эмиссия – это про­цесс генерирования неосновных носителей, обусловленных темпера­турой, под которой находится полупроводник. Накопление термогенерированных носителей является паразитным процессом. Если ввес­ти ограничение на максимальное значение заряда термоэлектронной эмиссии, то тем самым можно определить и максимальное время, от­водимое для накопления и хранения полезного заряда.

Рассмотрим принцип организации ПЗС–линеек. ПЗС–линейка – это устройство для хранения и передвижения зарядовых пакетов вдоль нее. Линейка состоит из последовательно расположенных элек­тродов на общей подложке (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Линейка из МОП–конденсаторов: 1 – зарядовые пакеты; 2 – электроды

Расстояние между электродами настолько мало, что обедненная область под одним электродом практически простирается до соседних электродов. Поэтому если под одним из n–x электродов, к которому приложен потенциал +U, будет накоплен заряд, образованный, на­пример, фотоэлектронной эмиссий, то передвинуть его в соседнюю n +1 ячейку можно, если потенциальную яму n +1 ячейки сделать глубже, чем у n–й ячейки. Вслед за этим потенциал п–й ячейки умень­шают до значения, близкого к нулевому, а потенциал п + 1 ячейки де­лают таким же, какой был раньше у n–й ячейки +U. Зарядовые пакеты изначально вводятся в линейку через два электрода. Это обеспечивает их сохранность при передвижении вдоль линейки, что следует из рас­смотрения динамики перемещения зарядов (рис. 2.6).

Передвижение зарядовых пакетов обеспечивается циклическим изменением потенциалов электродов. Проследить за передвижением пакетов при изменении потенциалов на управляющих шинах можнопо рис. 2.6.

В настоящее время преобразователи свет-сигнал на базе ПЗС на­ходят широкое применение в технике телевидения. Рассмотрим неко­торые из них.

Устройство линейного преобразователя приведено на рис. 2.7.

Рис. 2.6. Перемещение зарядовых пакетов R ПЗС–линейке: а – линейка; б –эпюры напряжений на управляющих шинах, обеспечивающих перемещениезарядов;

U1 – напряжение на первой шине; U2 – на второй; U3 – на третьейшине;

а, б, с – уровни напряжений

Рис. 2.7. Линейный преобразователь на ПЗС: 1 – секция накопления;

2 – затвор переноса; 3 – секции переноса; 4 – устройство считывания зарядов

В секции накопления 1 светочувствительные элементы накапли­вают зарядовые пакеты за время активной части строки. Затем накоп­ление прерывается, и с помощью механического или электрического затвора 2 зарядовые пакеты вводятся параллельно в секцию переноса 3 за время обратного хода развертки по строке. После закрытия затворa вновь происходит накопление зарядов в секции 1, а из секции 3 за­рядовые пакеты через устройство считывания 4 выводятся из преоб­разователя.

Широкое распространение в телевидении получили матричные ФЭП. Такие преобразователи бывают двух видов: с покадровым переносом зарядов и преобразователи с межстрочным переносом(рис. 2.8).

В преобразователях с покадровым переносом (рис. 2.8, а) поверх­ность экрана образована секцией накопления 1, накопление зарядо­вых пакетов осуществляется в светочувствительных ячейках этой сек­ции во время прямого хода развертки по кадру. После завершения на­коплении в течение короткого промежутка времени (обратный ход по кадру) через открывшийся затвор переноса кадра 2 зарядовые пакеты переносятся в секцию хранения 3. Секция хранения защищена от све­та и имеет такую же структуру, как и секция накопления. Во время прямого хода кадровой развертки режим накопления в секции 1 во­зобновляется. В это же время информация из секции хранения по­строчно передается в секцию переноса заряда – сдвиговый регистр 5. Сдвиг в секцию переноса осуществляется во время обратного хода развертки по строкам через затвор переноса 4. Зарядовые пакеты из секции переноса выводятся поэлементно в устройство считывания за­рядов 6 за время прямого хода строчной развертки.

Рис. 2.8. Матричный преобразователь на ПЗС:

а – с покадровым переносом зарядов; б – межстрочным переносом зарядов;

1 – секции накопления; 2, 4 – затворы переноса; 3 – секции хранения;

5 – секция переноса; 6 – устройстве считывания зарядок

Аналогично происходят накопление и считывание зарядов в мат­ричных преобразователях с межстрочным переносом (рис, 2.8, б). В этих преобразователях столбцы 1, в которых происходит накопле­ние зарядов, располагаются рядом со столбцами хранения 3. Перено­сом зарядов из столбцов накопления в столбцы хранения управляют затворы переноса по кадру 2. Считывание из столбцов хранения в секцию переноса 5 осуществляется через затвор переноса строки 4.

В настоящее время промышленностью выпускаются ФЭП на ПЗС для видимой, инфракрасной и других частей спектра электромагнит­ного излучения. ФЭП на ПЗС обладают большой разрешающей спо­собностью, малой инерционностью и высокой чувствительностью.

Вопрос№4