Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
Максимальное число накапливаемых в потенциальной яме зарядов определяется приближенным выражением
Nшах » ивАэлС'0К/е = UBAaB З&в-,
Ьиок
7*
179
где Ua — напряжение иа металлическом электроде относительно подложки в режиме накопления; Лэл — площадь электрода; Сок — удельная емкость пленки окисла; е — заряд электрона; е0—диэлектрическая постоянная; еоК —диэлектрическая проницаемость окисла; d0K —толщина пленки окисла.
Повышая напряжение накопления i/H, можно увеличить максимальное число накапливаемых зарядов, а следовательно, и динамический диапазон работы ФПЗС. Однако напряжение можно увеличивать лишь до некоторого предела, при котором еще не наступает пробой пленки окисла. Таким образом, предельный заряд, который может быть накоплен в ячейке ФПЗС, определяется выражением
N шах шах ^эл^о^ок^пюх/б,
где Етах — предельно допустимое значение напряженности электрического поля в пленке окисла.
Если в качестве подложки выбран полупроводник p-типа, то полярность напряжения накопления следует изменить на противоположную. При этом в образовании сигнальных зарядов будут участвовать электроны, а не дырки.
Если на фоточувствительную поверхность ФПЗС спроецировать изображение, то в многоэлементной структуре за время накопления Тн будет сформирован зарядовый рельеф Q (xif yj), адекватный пространственному распределению освещенности,
Xi+dl2 y+d'/1
Q(xt,yj)—k J j E(x, y)<bcdy, (6.19)
*?—d/2 y—d'!2
где xu y} — соответственно координаты центра изображения элемента t-ro столбца и /-й строки матрицы; dud' — соответственно размеры элемента вдоль направления строк и столбцов матрицы; k — коэффициент пропорциональности, который при фиксированном времени накопления Тв и заданном спектральном составе оптического излучения можно рассматривать как интегральную чувствительность элементов ФПЗС.
Выражение (6.19) справедливо, если в первом приближении распределение чувствительности по площадке накопительного элемента считать постоянным. Следует помнить, что ФПЗС — приемник с накоплением энергии, поэтому сигнальный заряд, накапливаемый в ячейке, пропорционален экспозиции оптического излучения
>
Qc ч-Я0 = J E(t)dt,
о
где Нс —экспозиция оптического излучения, лк-с; Тв —время экспонирования, с.
180
Тиact Тнаог THacJ н Ehoci Енасг Enacjr
Рис. 6.11. Характеристики накопления ПЗС-фотоприемника
Очевидно, что при постоянной во времени освещенности Е (t) = = Е значение накапливаемого заряда, соответствующего полезному сигналу, пропорционально времени накопления и уровню освещенности: QC4-?TH.
Однако указанная линейная зависимость остается справедливой, пока ФПЗС не достигнет уровня накопления, близкого к режиму насыщения Qc -< 0,7-^-0,8QHac (рис. 6.11).
Чтобы сохранить структуру зарядового рельефа в процессе последующего переноса, необходимо на этапе накопления потенциальные ямы формировать не под каждым электродом, а только под одним или под двумя электродами каждой накопительной ячейки, как показано на рис. 6.12. Таким образом, потенциальные ямы должны быть разделены потенциальными барьерами, препятствующими «перемешиванию» зарядов как в процессе накопления, так и в процессе переноса. При этом одну накопительную ячейку образуют три электрода А, В и С, подключенные к различным управляющим шинам Ф1, Ф2 и ФЗ.
За счет явления тепловой генерации носителей в течение времени Тв в каждой ячейке накапливается также определенный темновой заряд QT, который складывается с сигнальным зарядом Qc. Среднее значение темнового заряда, накапливаемого в ячейке, определяется выражением Выходной
затдор выходной диод
QT = 1тАэлТв, ® ?зо
где tT — средняя плотность темнового тока накопления заряда, характерная для данного полупроводникового ма- , терИала при рабочей темпе-ратуре кристалла; Лэл —
Площадь электрода, под ко-' торым осуществляется накопление.
Вследствие неоднородно- Рис. 6.12. Фрагмент структуры ПЗС-фо-сти полупроводникового ма- топриемника (а), распределение потен-J г - циалов вдоль поверхности ПЗС-структу-
териала значение t, неоди- ры (б)
181
наково во всех точках поверхности кристалла, а является случайной функцией пространственных координат х и у. Поэтому накапливаемые за время Тн темновые заряды будут различны в различных ячейках ФПЗС, и, следовательно, зарядовый рельеф Q (хи у}), формируемый на этапе накопления, определяется не только рельефом освещенности Е (х, у), но и случайным рельефом плотности темновых токов. В конечном итоге это приводит к искажениям полезного сигнала, формируемого ФПЗС. Величина искажений зависит от соотношения сигнального и темнового зарядов.
Среднеквадратическое отклонение средних значений темновых зарядов, накапливаемых в различных ячейках ФПЗС за фиксированное время Тв, представляет собой количественную характеристику так называемого геометрического шума
Or =
где QT — среднее по кристаллу значение темнового заряда; #г — коэффициент относительного разброса темновых токов по кристаллу ФПЗС, значение #г может достигать 10—15%.
Один из способов уменьшения геометрического шума — охлаждение кристалла. Зависимость темнового тока от температуры может быть аппроксимирована следующим выражением:
