Преобразователи "свет-сигнал" на основе ПЗС.

В качестве преобразователей изображений наибольший аффект был получен при использовании приборов с переносом заряда (ППЗ). Принцип действия таких преобразователей (1) заключается в следующем.

Основой любого преобразователя на базе ППЗ является конденсат тор со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП-конденсатор). Цепочкаиз связанных друг с другом МОП-конденсаторов обладает способностью под воздействием управляющих напряжений передавать пакеты зарядов на выход, где они преобразуются в выходной сигнал изображения. К достоинствам преобразователей на базе ППЗ-структур следует отнести: возможность непосредственного преобразования светового потока в пакеты зарядов и их хранения; способность направленной передачи пакетов зарядов ж преобразованияих в сигнал изображения; высокое быстродействие; высокую плотность компоновки, малые потребляемую мощность к габаритные размеры; высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным воздействиям, надежности и большой срок службы.

Рис. 3. Элементарная ячейка МОП-структуры: 1 - область стоп-диффузуу, 2 - электрод 3 - слой оксида 4 - подложка

На рис. 3 показана ячейка, включающая в качестве основы подложку 4 из кремния Р-типа. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида 3, на который наносится металлический электрод 2. Если на электрод 2 подать положительное напряжение Us относительно подложки 4, то под действием электрического поля под этим электродом образуется зона, обедненная основными носителями заряда (штриховая линия), в рассматриваемом случае для дырок. Если ячейка освещена, то у поверхности полупроводника образуются пары носителей заряда электрон-дырка. Электроны заполняют потенциальную яму, причем заряд, накопленный за определенное время, пропорционален освещенности. Распространение области потенциальной ямы вдоль границы раздела полупроводник-оксид ограничивается областями полупроводника Р-типа со степенью легирования на несколько порядков выше, чем в основной массе подложки, так называемыми областями стоп-диффузии. В областях стоп-диффузии поверхностный потенциал на границе раздела оксид-полупроводник близок нулю.

На основе элементарных ячеек строятся линейные и матричные ППЗ преобразователи. В приборах используется временное или про-страдственвое разделение процессов накопления и считывания. Линейный преобразователь с разделением во времени показан на рис. 4. Здесь секции накопления 1 и считывания 3 разделены затвором переноса 2. После завершения накопления заряды, сформированные в светочувствительных элементах 1, параллельно переносятся в несветочувствательный регистр сдвига (затвор 2 открывается). Далее, после закрытия затвора, параллельно происходят процессы накопления в секции 1 и считывания в секции 3. По завершении считывания процессы повторяются.

Накопление и передача зарядовых пакетов к выходу в таком преобразователе осуществляется одними и теми же элементами ППЗ-структуры. Регистр считывания подобен рассмотренному на рис. 5. На заштрихованных элементах происходит накопление. Затем накопление прерывается с помощью механического или электрического затвора и происходит проталкивание зарядовых пакетов к выходу устройства путем манипуляции потенциалов U1 - Ua. Структура работает как трехфазный регистр сдвига. После считывания сигнала строки изображения возобновляется процесс накопления.

Для повышения разрешающей способности преобразователя число светочувствительных элементов может быть увеличено вдвое при той же длине линейки путем организации билинейного считывания (рис. 6). В этом случае прибор представляет собой две структуры, вставленные одна в другую. Линейные преобразователи, приведенные на рис. 4, 6, могут быть скомпонованы в матрицу.

Наибольшее распространение получили ППЗ-преобразователи с покадровым переносом (рис. 7). Секции накопления 1 и хранения накопленной информации 2 разделены. После завершения периода накопления в течение короткого времени (обратный ход по кадру) заряд переносится в секцию хранения. Затем режим накопления возобновляется, а в это время в соответствии с принятыми параметрами разложения происходит считывание информации через регистр считывания 3. Аналогично происходит накопление и считывание в приборах с межстрочным переносом.