3.4.4. Полная передаточная функция пи

Чувствительную площадку ПИ можно представить в виде набора элементарных чувствительных площадок , обладающих определенной чувствительностью и определяющих общий аддитивный сигнал. Чувствительность каждой элементарной площадки зависит от:

1. координат ее центра ;

2. длины волны;

3. постоянной времени или частоты модуляции ;

4. величины фоновой засветки.

Следовательно, спектральная вольтовая чувствительность элементарной площадки в общем виде может быть записана как . Обычно при расчетах принимают следующие допущения:

1. зависимость чувствительности от длины волны;

2. и постоянная времени каждой площадки считаются одинаковыми;

3. спектральная чувствительность линеаризуется и зависит от уровня фоновой засветки:

(3.62)

Величину можно представить как , где – максимальное значение чувствительности ПИ при потоках, близких к пороговым; – коэффициент, учитывающий падение чувствительности от редуцированного фонового потока ( ).

При засветке ПИ фоновым потоком интегральная вольтовая чувствительность определяется как (по аналогии с (3.55), стр. 197)

, (3.63)

Сравнивая выражения (3.55) и (3.63), получим

. (3.64)

Зависимости для некоторых ПИ приводятся в [18, 38]

В соответствии с (3.62) ПИ можно представить в виде линеаризованной модели, показанной на рис. 3.20. Она состоит из:

1. ПЧФ 1, описываемого зависимостью или ;

2. оптического спектрального фильтра 2 по длинам волн, задаваемого зависимостью (ЧВФ для Гц);

3. преобразовательного безынерционного звена 3, характеризуемого выражением ;

4. ЧВФ 4 в виде апериодического звена, описываемого зависимостью или ;

5. генератора шума 5 со спектральной плотностью шума , который воспроизводит частотно-временной спектр мощности реального ПИ.

Следует отметить, что шум аддитивен по отношению к полезному сигналу. Представленную линеаризованную модель можно описать соответственно передаточной и полной передаточной функциями:

ПФ по и по :

(3.65)

Полная ПФ по , , , :

(3.66)

Зависимость (3.62) равна модулю (3.65).

В настоящее время в различных классах ОЭП широко используют линейки и матрицы ПИ:

1) без накопления;

2) с накоплением зарядов.

1) К приемникам излучения без накопления зарядов относятся:

1. структуры с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов (ЧЭ);

2. устройства с внутренними электрическими связями ЧЭ.

1) Структуры первого типа формируются путем набора из отдельных фоточувствительных элементов или выделения отдельных ЧЭ на подложке методами фотолитографии или резки монокристалла. Между чувствительными элементами существует полная электрическая развязка, каждый ЧЭ ПИ имеет свой канал обработки сигнала и регулируемым коэффициентом усиления. При применении наборной матрицы из отдельных элементов не может быть обеспечена высокая плотность размещения ЧЭ в матрице.

Общим недостатком структур такого типа является наличие большого числа выводов (2n, где n – число ЧЭ), что накладывает существенные ограничения на число элементов в структуре. Реализация такого принципа построения ПИ для большого числа элементов при малом шаге между ними сопряжена со значительными технологическими и схемотехническими трудностями.

2) Более перспективными являются линейные и матричные структуры. Простейшими из этой группы являются структуры, у которых от каждого элемента имеется лишь по одному выводу, а вторые выводы запараллелены. Общее число выводов такой структуры n + 1, где n – число ЧЭ.

Наиболее распространенными являются структуры с взаимно ортогональными шинами, позволяющие резко сократить число внешних коммутационных соединений [10]. Такой матричный ПИ включает два электрода, состоящих из изолированных друг от друга токопроводящих полосок и расположенного между ними однородного токопроводящего слоя. Полоски одного электрода перпендикулярны полоскам другого и в процессе сканирования выполняют функции адресных шин (рис. 3.21). Переход от одного из электродов к фотослою осуществляется через блокирующие диоды, расположенные в местах пересечения полосок. К горизонтальным и вертикальным шинам подаются от специальных сдвигающих регистров строчные и кадровые коммутирующие импульсы, при совпадении которых соответствующие блокирующие диоды открываются и через нагрузочный регистр протекает ток сигнала.

2) В настоящее время среди твердотельных фотопреобразователей с накоплением заряда основное место занимают приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС представляет собой регулярную МДП (или МОП) структуру, состоящую из отдельных близко расположенных ячеек. Каждая ячейка образует накопительный конденсатор, одной из обкладок которого служит металлическая пленка, а второй обкладкой является подложка из полупроводника с p- (или n-) типом проводимости. Между подложкой и металлическим электродом наносят диэлектрик. Толщина пленки диэлектрика равна ~ 0,1 мкм. Принцип действия ПЗС основывается на принципе накопления и хранения зарядов в потенциальных ямах и переносе этих зарядов в выходное устройство с образованием сигнала. Потенциальная яма – это обедненная для основных носителей область в полупроводниковой подложке под металлическим электродом, возникающая при подаче на него напряжения соответствующей полярности. Для полупроводника дырочного типа напряжение должно быть положительным, для электронного типа – отрицательным. Заполнение потенциальных ям неосновными носителями зарядов происходит под действием падающего на подложку потока излучения, при этом заряд оказывается в широких пределах пропорционален потоку излучения. Кроме того, в потенциальную яму будут попадать также неосновные носители, образующиеся в результате термогенерации. Эти носители создают паразитный фоновый заряд. Время хранения зарядов в потенциальных ямах определяется временем подачи напряжения на металлический диод.

Процесс переноса зарядов рассмотрим на примере ПЗС трехфазного типа, каждый элемент которого образован тремя независимыми ячейками. Все одноименные электроды объединены шинами, на которые подается трехфазное импульсное напряжение U (рис. 3.22д). Электроды 1-3 в каждом элементе необходимы для того, чтобы осуществить направленный перенос зарядов. Пусть в момент времени высокий потенциал подан на фазу 2, а на фазах 1,3 потенциал низкий (рис. 3.22а). После накопления зарядов под электродами фазы 2 высокий потенциал с нее снимается и подается на фазу 3, при этом под электродами фазы 3 образуются потенциальные ямы, в которые начнут перемещаться накопленные ранее заряды (рис. 3.22б,в). Под электроды фазы 1 заряды попадать не будут, так как под ними по-прежнему остается низкий потенциал. Вслед за этим высокий потенциал подается на электроды фазы 1 и заряды перемещаются так, как показано на рис. 3.22г. Таким образом, изменяя уровни потенциалов на электродах, можно последовательно осуществлять направленное перемещение зарядов в матрице ПЗС. Направленность переноса зарядов дополнительно обеспечивается так называемыми стоп-каналами, которые не дают растекаться зарядам в стороны, т.е. в поперечном направлении. Стоп-каналы представляют собой высоколегированные области полупроводника, в которых не образуются потенциальные ямы.

В матричных ПЗС может осуществляться либо последовательный перенос зарядов, либо координатная выборка – в приборах с инжекцией заряда (ПЗИ). Матричные ПЗС с последовательным переносом зарядов могут иметь как разделенные, так и неразделенные области накопления и переноса. Разделение областей осуществляется двумя основными способами: с переносом кадра в область хранения (рис. 3.22а) и со строчно-кадровым межстрочным переносом (рис. 3.22б).

В матрицах с переносом кадра половина фоточувствительных элементов защищена от оптического излучения и образует область хранения (памяти). В фоточувствительной области 1 (рис. 3.22а) происходит накопление оптической информации обычно в течение полукадра. По окончании периода накопления происходит параллельный сдвиг накопленных зарядов в область памяти 2, в течение следующего полукадра в освободившейся фоточувствительной области идет накопление, а в области хранения происходит построчный перенос зарядовых пакетов в регистр и затем последовательный вывод строки через выходное устройство 3.

В матрицах с строчно-кадровым переносом область накопления состоит из вертикальных столбцов, между которыми вставлены защищенные от излучения вертикальные сдвиговые регистры (рис. 3.23б). Заряды в фоточувствительных элементах 4 накапливаются в течение кадра и затем параллельно переносятся в соседние ячейки сдвиговых регистров. В период накопления зарядов следующего кадра в фоточувствительных элементах зарядовые пакеты из сдвиговых регистров выносятся в выходной регистр и в выходное устройство 3.

В ПЗИ в отличие от ПЗС перенос заряда происходит лишь между электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу (рис. 3.24). Основу ПЗИ составляет матрица с координатной выборкой, в каждой ячейке которой имеются два смежных МОП конденсатора. Один из них подсоединен к горизонтальной шине 1, другой – к вертикальной 2. на горизонтальные шины подаются импульсы частоты строк, а на вертикальные – частоты опроса элементов. Все ЧЭ окружены стоп-канальной областью, что надежно предохраняет накапливаемые заряды от растекания.

На емкости горизонтальных шин ПЗИ подается высокий потенциал, в результате чего на них происходит накопление зарядов. Емкости вертикальных шин заряжены до напряжения опорного источника и после отклонения от него находятся под плавающим потенциалом. Считывание информации начинается после снятия с помощью элемента регистра II смещения с коммутируемой строки, в результате чего происходит переход зарядов во всех ячейках строки в емкости вертикальных шин. При этом потенциалы указанных емкостей изменяются в зависимости от величины перешедших зарядов. Результирующие изменения потенциалов считаются поочередно с помощью регистра I, образуя выходной сигнал .

Подготовка к новому циклу работы заключается в снятии потенциалов с емкостей вертикальных шин с помощью ключей опорного напряжения, в результате чего заряды инжектируются в подложку. Технология изготовления таких матриц намного сложнее, чем матриц ПЗС, вследствие чего они не получили широкого распространения.

Рассмотрим основные параметры и характеристики ПЗС. Спектральная характеристика определяется используемыми материалами. Имеются ПЗС, работающие в видимой и ИК-области спектра. Разрешающая способность составляет 20 – 30 лин/мм, динамический диапазон, ограничиваемый насыщением потенциальной ямы, – 1000:1.

Дифференциальное уравнение для напряжения накопления заряда элементом матрицы имеет вид [10]

, (3.67)

где С – емкость элемента матрицы.

Для типовых параметров ПЗС зарядовый ток

, (3.68)

где е – заряд электрона; – число квантов с длинами волн в пределах спектральной чувствительности ПЗС, упавших на единицу фоточувствительной площадки за одну секунду;  – квантовый выход (эффективность) э/квант; – площадь элемента.

Характеристика накопления ПЗС, отсчитываемая от уровня незаряженных элементов, при условии

. (3.69)

При из (3.69) получим характеристику излучение – сигнал

, (3.70)

где – выходная мощность ПЗС.

В случае и без учета потерь зарядов при переносе

. (3.71)

Полагая квантовый выход  приблизительно постоянным в пределах спектральной чувствительности ПЗС от до , зависимость (3.71) можно представить в виде

, (3.71)

где – энергетический поток излучения; h – постоянная Планка; – скорость света; – относительная спектральная плотность потока излучения.

Из полученных соотношений следует, что характеристика поток – сигнал ПЗС вплоть до насыщения потенциальной ямы строго линейна.

Пример 3.6. Определим величину выходного сигнала при , , . Согласно (3.71) имеем . Собственные шумы ПЗС складываются из нескольких составляющих: шумы, связанные с процессом формирования оптического изображения (фотонные, темнового тока, переноса заряда); шумы предварительного усилителя.

Природу фотонного шума составляют флуктуации квантов в потоке излучения. За фотонный шум можно принять среднеквадратическое значение числа фотоэлектронов , накопленных на элементе за полное время накопления . Тогда в расчете на один зарядный пакет

. (3.72)

Темновой ток, являющийся результатом термической генерации носителей заряда, заполняющих обедненную область, сопровождается дополнительными дробовыми шумами, уровень которых в расчете на зарядный пакет можно определить как

, (3.73)

где – темновой ток; – токовая частота.

Источниками шумов переноса являются флуктуации зарядов, захватываемых ловушками. Уровень шумов переноса определяется как

, (3.74)

где n – число p-фазовых переносов зарядного пакета. Очевидно, что величина будет максимальной для пакетов, наиболее удаленных от выходного регистра.

Тепловой шум входной цепи предварительного усилителя зависит от ее емкости, являющейся одновременно выходной емкостью ПЗС . Тогда

, (3.75)

где – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура ПЗС.

Суммарное среднеквадратическое шумовое напряжение с учетом перечисленных явлений на основании формул (3.72) – (3.75)

. (3.76)

Шумы входного каскада усилителя, выполненного на МОП-транзисторе, складываются из тепловых шумов канала и поверхностного шума, спектральная плотность которых

, (3.77)

где – шумовое сопротивление транзистора; .

Соответственно дисперсия шума

.

Пример 3.7. Определим шумы ПЗС при следующих параметрах: , , , , , , , , . Далее получим , , , , и , откуда следует, что шумами входного каскада можно пренебречь, а основную роль играют шумы переноса. В рассматриваемом примере отношение сигнал/шум .