Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы. История развития

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к классу твердотельных полупроводниковых приемников.

Первыми приемниками такого типа были фотодиоды и уже на заре своего появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации световых потоков и изображений. Достаточно упомянуть в качестве примера удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте в 1911 году.

С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их основной недостаток — одноканальность, все же не позволил им найти широкого применения. С конца 30-х годов среди светоприемников начали появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой области.

Было разработано сравнительно много приборов различных типов: ортиконы, изоконы, секоны, видиконы, плюмбиконы (в телевизионном вещании трубки с обратным пучком), кремниконы и суперкремниконы, диссекторы (специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью) и т.д.

Все они имели ряд серьезных недостатков: большие размеры, низкую квантовую эффективность (на уровне 5-10%), малый динамический диапазон и т.д.

Революционное изменение ситуации произошло с появлением твердотельных полупроводниковых приемников нового поколения. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95-98%, т.е. практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100% вероятностью.

В 1970 году были созданы первые приборы с зарядовой связью, в которых технология твердотельных приемников проявилась особенно успешно.

Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов, матриц фотодиодов. С наибольшим успехом ПЗС-матрицы регистрировали слабые световые потоки в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика.

С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприёмников. А в 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.

Долгое время широкому применению ПЗС-приемников в телевизионной технике препятствовали недостатки в технологиях изготовления светочувствительных элементов — кристаллических основ необходимого размера. Светоприемная область была неоднородна по квантовому выходу, наблюдалась заметная геометрическая нестабильность (плавающее низкое разрешение), присутствовали разного рода шумы как на малых масштабах (от пиксела к пикселу), так и на больших пространственных масштабах (на шкалах 10-100 пиксел).

Фото 1. Фото одной из первых советских пзс матриц (размер светочувствительной области 20х2 пиксела)

Только с развитием и совершенствованием технологии создания ПЗС и с существенным скачком в развитии сопутствующих электронных средств и, прежде всего, с увеличением мощностей и быстродействия АЦП, стало возможным более широкое применение ПЗС.

Поставив на конвейер производство изначально дорогих чипов, многие фирмы добились резкого снижения их себестоимости. Удешевление телевизионных камер на основе ПЗС, уменьшение их габаритов и веса, низкое энергопотребление, простота и надежность в эксплуатации позволили применять их не только в профессиональных студиях, в научных исследованиях, в дорогостоящих системах военного назначения. Сегодня телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пиксела в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микровидеотехники.

Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими фирмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. Хотелось бы поставить в один ряд с этими мастодонтами и российскую фирму — Научно-производственное предприятие “Силар” (бывший отдел по разработке твердотельных приемников изображения ЦНИИ “Электрон”) из Санкт-Петербурга, которая является единственным в России производителем ПЗС-матриц, применяемых в научных, охранных и других целях.