Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
Число носителей, уходящих из зарядового пакета на поверхностные состояния за один перенос в расчете на единицу площади поверхности ФПЗС, определяется выражением
iV= kTNn. с In (Кп0 + 1),
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; ^п.с—плотность поверхностных состояний на один электрон-
184
вольт; К— число фаз управления; п0— число нулевых (пустых) потенциальных ям, предшествующих первому сигнальному заряду в ПЗС-структуре.
Вследствие случайного характера распределения ловушек вдоль поверхности полупроводника, а также процессов захвата и повторной генерации носителей возникают случайные искажения зарядового рельефа, которые можно рассматривать как шум переноса.
Одним из методов снижения искажений сигнала при переносе является предварительное (до начала переноса) введение небольшого фонового заряда в каждую накопительную ячейку. Вводимый фоновый заряд заполняет поверхностные состояния (ловушки). При этом из-за устанавливающегося динамического равновесия между числом носителей, захватываемых из сигнального пакета, и числом носителей, возвращаемых с поверхностных состояний, результирующие искажения зарядового пакета снижаются. Искусственное введение фонового заряда наиболее эффективно, когда ФПЗС работает в режиме малых освещенностей (например, при наблюдении участка звездного неба в ночное время). В этом случае фоновый заряд позволяет повысить не только эффективность передачи сигнального заряда, но и чувствительность ПЗС-камеры, а также и ее разрешающую способность. Оптимальное значение искусственно вводимого фонового заряда зависит от характера анализируемого изображения. Обычно оно не превышает 10% от заряда насыщения. Если ФПЗС работает в режиме больших освещенностей при наличии естественного фона, то вводить фоновый заряд практически не требуется.
Фоновый заряд в ПЗС-структуру можно вводить двумя способами: оптическим и электрическим.
Первый способ заключается в равномерной фоновой засветке фоточувствительной площадки специально предусмотренным в конструкции оптико-электронного прибора источником излучения (например, светодиодом). Второй — в электрической инжек-ции фонового заряда через входное устройство ФПЗС. Иногда комбинация этих способов дает наибольший эффект. В любом случае при разработке конструкции желательно предусмотреть возможность регулировки вводимого фонового заряда для адаптирования оптико-электронного прибора к реальным условиям функционирования. Излишний уровень фонового заряда уменьшает рабочий динамический диапазон ФПЗС и увеличивает уровень шумов.
Другой метод снижения искажений при переносе — чисто технологический. Он заключается в смещении самого канала переноса зарядовых пакетов от поверхности в глубь полупроводниковой подложки. С этой целью при изготовлении ФПЗС вводят специальный слой вблизи границы раздела окисел — полупроводник. Тип проводимости вводимого слоя должен быть противоположен типу проводимости подложки (рис. 6.14). За счет
Рис. 6.14. Фрагмент структуры ПЗС-фотоприемника со скрытым каналом переноса
Выходной контактной разности потенциалов диод на границе раздела полупроводников р- и п-типов потенциальная яма, возникающая при подключении внешнего электрического поля, смещается в глубь полупроводниковой подложки. Такие ФПЗС получили названия ФПЗС с объемным или скрытым каналом переноса. Существенное снижение искажений зарядового рельефа при переносе в ФПЗС со скрытым каналом объясняется значительно меньшей концентрацией объемных состояний (ловушек) по сравнению с концентрацией поверхностных состояний.
На рис. 6.15 показаны зонные энергетические диаграммы, поясняющие принцип формирования и заполнения потенциальных ям ФПЗС со скрытым каналом. Отметим, что ФПЗС со скрытым каналом допускают большую скорость вывода сигнала и обладают меньшим уровнем шумов переноса, чем ФПЗС с поверхностным каналом. Однако технология их изготовления значительно сложнее. По этой причине в настоящее время используют структуры обоих типов.
Детектирование зарядовых пакетов. На рис. 6.16 показана схема узла детектирования зарядов и формирования выходного сигнала, реализованная на кристалле ПЗС. Передаваемые за-
а)
б)
Энергия
электрона
V Расстояние от поверхности б)
Рис. 6.15. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие принцип накопления зарядов в ПЗС-струк-туре со скрытым каналом: а — при отсутствии потенциала обеднения;
б — при наличии потенциала обеднения в начале цикла накопления; в — после накопления
Рис. 6.16. Схема выходного устройства ПЗС (а); временная диаграмма, поясняющая процесс считывания заряда в выходном устройстве (б)
ряды на выходе ПЗС детектируются выходным диодом VI и выделяются на емкости элемента С/. Исходный потенциал, создающий обратное смещение на диоде, устанавливают на емкости С1 после замыкания транзисторного ключа V2. При размыкании ключа на емкости сначала появляется спадающий импульс напряжения, вызванный прохождением тактового импульса в транзистор сброса (рис. 6.16, б), затем в выходной диод поступает зарядовый пакет, который снижает его обратное смещение, затем снова замыкается ключ V2, и цикл работы детектирующего узла повторяется (иногда разрядный ключ замыкается один раз за период считывания строки). Следует иметь в виду, что разрядный ключ, устанавливающий определенное значение потенциала детектирующего узла, вносит определенный «установочный шум». Этот шум в отличие от других составляющих шумов, генерируемых в ПЗС (геометрического шума, шума темнового тока, шума переноса, шума поверхностных состояний), можно устранить схемой поэлементной (или построчной) фиксации сигнала (см. ниже). При использовании схемы построчной фиксации удается избавиться также от составляющей сигнала, вызванной наличием фонового заряда в регистре ПЗС, поскольку рабочим элементам регистра предшествует несколько «холостых» элементов, содержащих только фоновый заряд.
