Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 11 )

РИС193085

уст используется для стирания информации. подаётся импульс, отпирающий VT1 при этом на переходе устанавливается обратное напряжение, близкое к напряжению источника питания. При считывании на х подаётся импульс отпирающий ВТ2. Такое считывание можно производить многократно.

Фотоприёмные устройства на основе ПЗС матриц

Эти устройства относятся к многоэлементным фотоприёмным устройствам с внутренней коммутацией и последовательным выводом информации. Принцип действия основан на формировании и переносе зарядовых пакетов в МОП структурах. Имеется матрица фоточувствительных элементов (моп-конденсатор). в потенциальных ямах под затвором происходит накопление заряда, который пропорционален освещённости и времени экспонирования.

рис279

элемент ПЗС матрицы. Представляет собой кремниевую подложку р-типа с каналом n-типа. над каналами создаются затворы (2) из поликристаллического кремния, которые сформированы на диэлектрической плёнке оксида кремния 4. Каждый из затворов подключен с помощью металлического проводника 3 к системе перемещения зарядового пакета (см. л. по пзс линейкам). 1 – светофильтр.

В простейших матрицах ПЗС строки матрицы образуют регистры ПЗС.

рис281

структура простейшей матрицы

Считывание фототоков ПЗС матрицы осуществляется с помощью последовательных регистров сдвига, которые преобразуют линейку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Серия импульсов на выходе представляет собой аналоговый сигнал, который поступает на усилитель. Последовательный регистр сдвига ПЗС матрицы реализуется с помощью ПЗС линеек, работа которых базируется на способности приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ям. После экспонирования производится последовательный построчный вывод информации путём перемещения зарядов вдоль строк от одного электрода к другому. В результате оптическое изображение преобразуется в последовательность видеоимпульсов.

Недостатки простейшей матрицы ПЗС:

- вывод  информации занимает много времени, в течении которого свет не должен подаваться на кристалл. Для получения видео изображений суммарное время экспонирования и время вывода информации ограничено временем кадра (20-40 мс). При большом числе элементов (порядка 106) вывод займёт почти всё время кадра и практически не остаётся времени на экспонирование. а при отсутствии механического затвора время экспонирования различных элементов будет сильно отличаться.

рис282

недостатки можно устранить, если использовать матрицу с буферизацией кадров. Эта матрица содержит 2 секции: секцию накопления (область экспонирования) и секцию памяти (темновая область). Строки секции образуют ПЗС регистр, причём строки секции памяти продолжают строки секции накопления. Секция памяти закрыта от света. После экспонирования осуществляется перенос зарядо из секции экспонирования в секцию памяти (перенос кадров) и занимает малое время. Затем информация выводится из секции памяти по тому же алгоритму, что и в простейшей версии ПЗС матрицы. При этом одновременно в секцию накопления проецируется следующий кадр.

+ время экспонирования практически равно времени кадра

- для каждой ПЗС линейки время экспонирования верхнего и нижнего освещённого элемента будет разным.

Существуют т. н. матрицы с буферизацией столбцов.

рис 283

Специально для видеотехники был разработан специальный вид матрицы с буферизацией столбцов, в которой интервал между экспонированиями минимизирован. При этом с каждым столбцом, на который происходит экспонирование, располагается ПЗС линейка, закрытая от света. разу после экспонирования зарядовые пакеты перемещаются слева направо и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр. В дальнейшем информация передаётся как и в двух предыдущих случаях.

+ максимальное разделение экспонирования и переноса информации.

- буферные регистры занимают определённую площадь. В результате каждому пикселю достаётся порядка 30% светочувствительной области, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область достигает 70%.

рис 284

Для увеличения светочувствительности, поверх каждого пикселя располагается микролинза. Такое устройство покрывает практически большую часть ПЗС элемента и собирает падающую на его поверхность фотоны и фокусирует на светочувствительную область пикселя. Микролинза используется не только в матрицах с буферизацией столбцов, но и в полнокадровых матрицах.

Матрицы с обратной засветкой

рис285

Для увеличения чувствительности ПЗС матрицы за счёт исключения прохождения светового потока через поликремний, используется матрица с обратной засветкой. Поликремний шлифуется с обратной стороны до толщины 10..15 мкм.

+ высокая чувствительность

- большая цена, хрупкость.

В качестве системы светофильтров используется т. н. фильтр Байера (RGGB) в которых количество зелёных светофильтров в 2 раза больше, чем красных и синих.

рис 286

Для получения изображения в профессиональных камерах используется 3х-матричная система, в которых с помощью призмы свет делится на 3 основных цвета. Каждый из этих пучков направляется на свою матрицу.

- такие системы дорогие

- большие габариты

- требуют точной юстировки и соблюдения цветов

+ выше разрешение

+ выше светочувствительность

+ возможность цветокоррекции постановкой дополнительных светофильтров перед отдельными матрицами.

В высококачественных видеокамерах используется охлаждение ПЗС матриц вплоть до криогенных температур. Чем ближе температура к 0К, тем выше темновой ток поликремния.

ПЗС матрица по-английски CCD (Charge … Device)

КМОП – CMOS.

Достоинства и недостатки КМОП и ПЗС матриц

Преимущества КМОП систем:

+ низкое энергопотребление в статическом режиме. Такие матрицы применяются в составе энергонезависимых устройств типа датчиков движения в системах видеонаблюдения.

+ обладают единством технологии с остальными цифровыми элементами аппаратуры. Это позволяет достаточно безболезненно на кристалле КМОП матрицы располагать другие цифровые системы обработки сигналов, в том числе и микропроцессорное управление для обработки этого сигнала. Это служит основой для миниатюризации камер и снижению их стоимости ввиду отказа от дополнительных микросхем.

+ с помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселей (т. н. механизм кадрирования). Это позволяет в принципе увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС матрицами, поскольку в ПЗС матрице для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию.

+ использование дополнительных усилительных схем внутри каждого элемента позволяет повысить чувствительность матрицы.

+ цена меньше, чем у ПЗС.

- фотодиод в ячейке занимает существенно меньшую площадь по сравнению с ПЗС (до 2007г.).

- наличие на матрице большого объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства, что приводит к возрастанию теплового шума.

- параметры каждого элемента матрицы зависят не только от параметров собственного фотодиода, но и параметров дополнительных транзисторов. Следовательно разброс параметров транзисторов увеличивает суммарный разброс светочувствительности ячеек.

Светодиоды

1. Физические основы полупроводниковых излучателей

Физической основой является люминесценция. Люминесценция – электромагнитное не тепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний, следовательно не требуется нагрева тела. Люминесценция продолжается некоторое время после отключения возбуждающей энергии, иначе говоря, поглощённая энергия на некоторое время задерживается в рабочем теле, частично превращается в тепло, частично – в световое излучение. Люминесценция, которая продолжается больше, чем 10-3 с называется фосфоресценцией, а время меньшее, чем 10-3 с – флюоресценция. В зависимости от вида энергии, возбуждающей люминесценцию:

- фото-

- электро-

и др. люминесценция

Люминесцировать могут твёрдые, жидкие и газообразные вещества

Используется люминесценция примесных полупроводников с широкой запрещённой зоной.

Люминесценция включает в себя 2 этапа:

1) происходит генерация носителей заряда

2) генерированные носители заряда рекомбинируют на центрах рекомбинации. Выделяющаяся при рекомбинации энергия превращается либо в оптическое излучение, либо в теплоту.

GaAs – арсенид галия

GaAlAs – галлий алюминиум арсениум

GaAsP – галлий арсениум фосфор

Каждая рекомбинация сопровождается излучением фотонов, длина волны которого определяется соотношением:

л – длина волны, мкм

е – ширина запрещённой зоны

Для работы в видимом спектре необходимы полупроводники с шириной запрещённой зоны от 1,5 до 3 эВ, что исключает использование кремния и германия в оптическом диапазоне. Поэтому осуествляется переход к материалам А3 B5, а также к некоторым другим случаям, рассмотренным ниже.

2. Механизм излучения светодиодов

В полупроводниках используется инжекционная электролюминесценция. Подразумевает под собой генерацию оптического излучения в p-n переходе с объединением двух процессов: инжекции носителей зарядов и собственно электролюминесценция.

рис287

Наличие контакта однородных полупроводников с разными типами электропроводности приводит к образованию потенциального барьера. Основная масса дырок из р-слоя диффундирует в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер. Электроны р-слоя свободно движутся в n-область и создают дрейфовый ток. Навстречу им из n-области движутся электроны, обладающие большей энергией. В случае приложения напряжения потенциальный барьер понижается и появляются диффузионные токи как дырок, так и электронов и происходит увеличение инжекции неосновных носителей: дырок в n-область, электронов в р-область. Обычно инжектирующей является одна из легированных областей р-n перехода (на рисунке это р-область). Для этого в n-область вводят больше донорной примеси, чем акцепторной в р-область. В полупроводниковых материалах с широкой запрещённой зоной значительно и даже преобладающим является рекомбинационный ток, вызванный процессами рекомбинации в области p-n перехода. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем больший потенциальный барьер и тем значительнее рекомбинация электронов. Рекомбинация обычно происходит в центрах люминесценции. Полезные компоненты тока, обеспечивающие излучательную рекомбинацию в р-область, является электронный ток, инжектируемый в n-область.