Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
На последней диаграмме показаны строчные ССИ и кадровые КСИ синхроимпульсы.
§ 6.3. Многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой инжекцией
В приборах с зарядовой инжекцией (ПЗИ) накопление зарядового рельефа, адекватного распределению освещенности по рабочей площадке, осуществляется точно так же, как и в ПЗС. Однако в таких приборах не производится перенос зарядов вдоль подложки к одному общему выходу. Сигнальные заряды считываются с помощью электродов тех же самых ячеек, в которых они были накоплены (рис. 6.24).
Детектирование зарядов в ПЗИ может быть организовано путем их инжекции в подложку при снятии напряжения обеднения (хранения) с электродов соответствующих накопительных ячеек. При этом накопленные заряды рекомбинируют в подложку, а выходной сигнал регистрируется в виде тока в цепи подложки или изменения электростатического потенциала в адресной шине.
Такой способ считывания наиболее прост. Однако процесс рекомбинации довольно длителен, он может продолжаться несколько микросекунд, существенно ограничивая допустимую скорость опроса многоэлементного фотоприемника. Кроме того, в процессе инжекции неосновные носители могут частично собираться в потенциальных ямах соседних ячеек, снижая разрешающую способность прибора.
В современных ПЗИ, чтобы устранить указанные недостатки, используют подложки, содержащие специальную диффузионную
a) UX=10B иу~0 б) Ux~-58 Uy--WB В) их=о гmm и<Г° Г7шЛ
м+ \±J [ \ть ^ \ Г^- + У + + А I 71 1 я <Г\\
Рис. 6.24. Принцип работы накопительной ячейки ПЗИ-фотоприемника: накопление заряда в потенциальной яме под левым электродом (а); перетекание заряда в правую, более глубокую потенциальную яму (б); инжекция заряда в подложку при снятии напряжений обеднения с управляющих электродов ячейки (в)
202
область p-типа, расположенную под электродами хранения. Образованный таким образом эпитаксиальный р—n-переход, будучи обратно смещенным (подобно запертому фотодиоду), служит хорошим коллектором инжектированных зарядов неосновных носителей. Введение эпитаксиального слоя повышает разрешающую способность, снижает постоянную времени процесса инжекции, но в некоторой степени снижает чувствительность, поскольку часть неосновных носителей, генерированных оптическим потоком, в зазорах между электродами коллектирует в р—n-переход, не попадая в потенциальные ямы.
Существует также способ многократного неразрушающего считывания зарядов в ПЗИ. Для его реализации в каждой накопительной ячейке используют не менее двух управляющих электродов. Сигнальный заряд в каждой ячейке определяется измерением наведенного электростатического потенциала в шине, связанной со вторыми электродами ячеек. Наведенный потенциал возникает вследствие перетекания накопленных зарядов из потенциальных ям первых электродов в потенциальные ямы вторых электродов при снятии напряжения хранения с первых электродов ячеек. В дальнейшем на первые электроды вновь можно подать такой потенциал хранения, который обеспечивает перетекание сигнального заряда обратно под первые электроды, и цикл опроса элементов ПЗИ может быть повторен много раз. Чтобы стереть зарядовый рельеф, перед новым циклом накопления со всех электродов ячеек одновременно снимают потенциал хранения, при этом происходит параллельная инжекция всех накопленных зарядов в подложку.
На основе ПЗИ-структур могут быть реализованы однострочные и многострочные (матричные) фотоприемники.
На рис. 6.25 показан фрагмент типичной структуры матричного ПЗИ-фотоприемника с координатной адресацией.
Каждая ячейка образована парой смежных МОП-конденсато-ров. Управляющие электроды ячеек через коммутирующие ключи на МОП-транзисторах связаны с регистрами горизонтальной и вертикальной разверток, реализованными на том же кристалле. Сигнальные заряды могут накапливаться под любым из Электродов ячейки1 либо одновременно под двумя электродами. Возможен также перенос зарядов в пределах ячеек. Инжекция заряда выбранной ячейки осуществляется снятием потенциала хранения одновременно со строчной и столбцевой шин, связанных с электродами данной ячейки.
В зависимости от способа подключения к такой структуре усилительных каскадов, а также ключей установки исходного потенциала (ключей сброса) можно реализовать различные методы детектирования сигнальных зарядов. Некоторые из них подробно описаны в литературе. Чтобы улучшить основные параметры и характеристики фотоприемного устройства, предварительные каскады усилителей и ключи сброса на МОП-транзисторах часто
203
Рис. 6.25. Фрагмент структуры матричного ПЗИ-фотоприемника с координатной адресацией
выполняют в едином технологическом цикле на одном кристалле с ПЗИ-структурой.
В отличие от ПЗС в ПЗИ возможен опрос элементов в произвольном порядке, а также неразрушаемое считывание сигналов. Это является важнейшим достоинством ПЗИ, которое облегчает задачу их сопряжения с современными микропроцессорными средствами обработки сигнала. Благодаря отсутствию передачи заряда от ячейки к ячейке вдоль поверхности к одному выходу в фотоприемных устройствах на ПЗИ не искажается зарядовый рельеф, а также отсутствуют шумы переноса, характерные для ПЗС. В остальном системы параметров и характеристик ПЗС и ПЗИ совпадают (см. § 6.2).
