Загальна будова та принципи роботи.

Типова будова ПЗЗ (рис.): на напівпровідниковій поверхні знаходиться тонкий (0.1-0.15 мкм) шар діелектрика (зазвичай оксиду), на якому розташовуються смужки провідних електродів (з металу або полікристалічного кремнію). Ці електроди утворюють лінійну або матричну регулярну систему, причому відстані між електродами настільки малі, що істотними є ефекти взаємного впливу сусідніх електродів. Принцип роботи ПЗС заснований на виникненні, зберіганні і спрямованої передачі зарядових пакетів в потенційних ямах, що утворюються в приповерхневому шарі напівпровідника при прикладанні до електродів зовнішніх електричних напруг.

Якщо до якогось електроду прикласти позитивну напруга U, то в МДП-структурі виникає електричне поле, під дією якого основні носії (дірки) дуже швидко (за одиниці пікосекунд) йдуть від поверхні напівпровідника. В результаті в поверхні утворюється збіднений шар, товщина якого становить частки або одиниці мікрометра. Неосновні носії (електрони), генеровані в збідненому шарі під дією яких-небудь процесів (наприклад, теплових) або потрапили туди з нейтральних областей напівпровідника під дією дифузії, будуть переміщатися (під дією поля) до межі розділу напівпровідник-діелектрик і локалізуватися в вузькому інверсномушарі. Таким чином, у поверхні виникає потенційна яма для електронів, в яку вони скочуються зі збідненого шару під дією поля. Генеровані в збідненому шарі основні носії (дірки) під дією поля викидаються в нейтральну частину напівпровідника. Протягом заданого інтервалу часу кожен піксель поступово заповнюється електронами пропорційно кількості попавшого в нього світла. Після закінчення цього часу електричні заряди, накопичені кожним пікселем, по черзі передаються на "вихід" приладу і вимірюються.

Рис. Принципове влаштування ПЗЗ-матриці.

Розмір світлочутливого пікселя матриць становить від одного-двох до декількох десятків мікрон. Розмір же кристалів галоїдного срібла в світлочутливому шарі фотоплівки коливається від 0.1 (позитивні емульсії) до 1 мікрона (високочутливі негативні).

Одним з основних параметрів матриці є, так звана, квантова ефективність. Ця назва відображає ефективність перетворення поглинутих фотонів (квантів) в фотоелектрони і схоже фотографічному поняттю світлочутливості. Оскільки енергія світлових квантів залежить від їх кольору (довжини хвилі), неможливо однозначно визначити скільки електронів народиться в пікселі матриці при поглинанні їм наприклад потоку зі ста різнорідних фотонів. Тому квантова ефективність зазвичай дається в паспорті на матрицю як функція від довжини хвилі, і на окремих ділянках спектра може досягати 80%. Це набагато більше, ніж у фотоемульсії або очі (приблизно 1%).

Класифікація ПЗЗ матриць за способом буферизації

Матриці з повнокадровим переносом

Сформоване об'єктивом зображення потрапляє на ПЗЗ-матрицю, тобто промені світла падають на світлочутливу поверхню ПЗЗ-елементів, завдання яких-перетворити енергію фотонів в електричний заряд. Відбувається це приблизно так:

Для фотона, що впав на ПЗЗ-елемент, є три варіанти розвитку подій-він або «зрикошетив» від поверхні, або буде поглинений в товщі напівпровідника (матеріалу матриці), або «проб'є наскрізь» її «робочу зону». Очевидно, що від розробників потрібно створити такий сенсор, в якому втрати від «рикошету» і «прострілу навиліт» були б мінімізовані. Ті ж фотони, які були поглинені матрицею, утворюють пару електрон-дірка, якщо відбулося взаємодію з атомом кристалічної решітки напівпровідника, або ж тільки електрон (або дірку), якщо взаємодія була з атомами донорних або акцепторних домішок, а обидва перерахованих явища називаються внутрішнім фотоефектом . Зрозуміло, внутрішнім фотоефектом робота сенсора не обмежується - необхідно зберегти «відібрані» у напівпровідника носії заряду в спеціальному сховищі, а потім їх рахувати.

Даний тип сенсора є найбільш простим з конструктивної точки зору і іменується повнокадровою ПЗЗ-матрицею (full-frame CCD - matrix). Крім мікросхем «обв'язки», такий тип матриць потребує також механічному затворі, перекриває світловий потік після закінчення експонування. До повного закриття затвора зчитування зарядів починати не можна - при робочому циклі паралельного регістра зсуву до фотоструму кожного з його пікселів додадуться зайві електрони, викликані попаданням фотонів на відкриту поверхню ПЗС-матриці. Дане явище називається «розмазування» заряду в повнокадровій матриці (full-frame matrix smear).

Таким чином, швидкість зчитування кадру в такій схемі обмежена швидкістю роботи як паралельного, так і послідовного регістрів зсуву. Також очевидно, що необхідно перекривати світловий потік, що йде з об'єктива, до завершення процесу зчитування, тому інтервал між експонуванням теж залежить від швидкості зчитування.

Рис. Матриця з повнокадровим переносом