Прибор с зарядовой связью

Содержание

1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)

2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

5 Строчные (линейные) ФСИ на ПЗС

6 Матричные (плоскостные) ФСИ

7 Перспективы развития ФСИ на ПЗС

Литература

1 Общие сведения о приборе с зарядовой связью (ПЗС)

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой ряд простых МДП-структур (металл — диэлектрик— полупроводник), сформированные на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски металлических электродов образуют линейную или матричную регулярную систему, в которой расстояния между соседними электродами достаточно малы (рис.1). Это обстоятельство обусловливает тот факт, что в работе устройства определяющим является взаимовлияние соседних МДП-структур (1—3).

Рис.1. Структура ПЗС

Принцип действия ПЗС заключается в следующем. Если к любому металлическому электроду ПЗС приложить отрицательное напряжение*), то под действием возникающего электрического поля электроны, являющиеся основными носителями в подложке, уходят от поверхности в глубь полупроводника. У поверхности же образуется обедненная область, которая на энергетической диаграмме представляет собой потенциальную яму для неосновных носителей — дырок. Попадающие каким-либо образом в эту область дырки притягиваются к границе раздела диэлектрик — полупроводник и локализуются в узком приповерхностном слое.

Если теперь к соседнему электроду приложить отрицательное напряжение большей амплитуды, то образуется более глубокая потенциальная яма и дырки переходят в нее. Прикладывая к различным электродам ПЗС необходимые управляющие напряжения, можно обеспечить как хранение зарядов в тех или иных приповерхностных областях, так и направленное перемещение зарядов вдоль поверхности (от структуры к структуре). Введение зарядового пакета (запись) может осуществляться либо p-n-переходом, расположенным, например, вблизи крайнего ПЗС элемента (электрод 1 на рис.1), либо светогенерацией. Вывод заряда из системы (считывание) проще всего также осуществить с помощью p-n-перехода (электрод п на рис.1.). Таким образом, ПЗС представляет собой устройство, в котором внешняя информация (электрические или световые сигналы) преобразуется в зарядовые пакеты подвижных носителей, определенным образом размещаемые в приповерхностных областях, а обработка информации осуществляется управляемым перемещением этих пакетов вдоль поверхности. Очевидно, что на основе ПЗС можно строить цифровые и аналоговые системы. Для цифровых систем важен лишь факт наличия или отсутствия заряда дырок в том или ином элементе ПЗС, при аналоговой обработке имеют дело с величинами перемещающихся зарядов.

Естественно, что заряд, введенный в МДП-структуру, не может храниться в ней неограниченно долго. Процесс термогенерации электронно-дырочных пар в объеме полупроводника и на границе раздела диэлектрик — полупроводник ведет к накоплению в потенциальных ямах паразитных зарядов и, следовательно, к искажению зарядовой информации, а с течением времени и к полному ее «стиранию». Это время может достигать сотен миллисекунд и даже десятков секунд, но, тем не менее, оно конечно и определяет существование нижней граничной частотьг. Таким образом, работа прибора основана на нестационарном состоянии МДП-структуры, и ПЗС являются элементами динамического типа.

Устройство и физика работы ПЗС определяют целый ряд очень интересных и полезных (а нередко и уникальных) особенностей этих приборов.

К числу важнейших функциональных особенностей ПЗС относятся возможность хранения, зарядовой информации; возможность направленной передачи зарядов вдоль поверхности полупроводникового кристалла; возможность преобразования светового потока в электрический заряд и последующего его считывания (сканирования). Достоинством ПЗС является малая потребляемая мощность (5—10 мкВт/бит в режиме передачи информации и практически полное отсутствие затрат энергии в режиме хранения), что обусловлено МДП-структурой этих устройств. Простота конфигурации и регулярность системы элементов в ПЗС ведет к тому, что быстродействие этих приборов может быть очень высоким (у специально сконструированных образцов предельные тактовые частоты лежат в гигагерцевом диапазоне).

Пожалуй, еще более важными являются конструктивно-технологические достоинства ПЗС, основными из которых являются технологическая ясность и простота (малое число фотолитографических, термодиффузионных и эпитаксиальных процессов при изготовлении прибора) — обязательное условие при создании качественных многоэлементных (с числом элементов 104—106) устройств; высокая степень интеграции (превышающая 105 элементов на одном кристалле) и высокая плотность упаковки (более 105 бит/см2); малое количество внешних выводов, что является определяющим при построении высоконадежных систем; отсутствие p-n-переходов (немногочисленные p-n-переходы ПЗС выполняют «подсобные» функции и к ним предъявляются достаточно «слабые» требования), что, в частности, открывает широкие возможности для использования наряду с кремнием других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия).

Все эти свойства открывают широкие перспективы для разнообразных применений ПЗС.

Для цифровой техники интересны сдвиговые регистры, оперативные запоминающие устройства, логические схемы. Линии задержки аналоговых сигналов на ПЗС по техническим характеристикам значительно превосходят свои акустические и магнитные аналоги.

В оптоэлектронной технике преобразования изображений ПЗС открывают принципиальные новые возможности для создания безвакуумных полупроводниковых формирователей видеосигналов. Присущее им самосканирование позволяет избавиться от громоздких и ненадежных высоковольтных вакуумных трубок со сканированием электронным лучом. ПЗС являются уникальными аналогами ЭЛТ, позволяющими одновременно с уменьшением массы, габаритных размеров, потребляемой мощности повысить надежность и качество формирователей видеосигналов. Дополнительное достоинство фотоприемников на основе ПЗС заключается в принципиальной возможности использовать разнообразные полупроводниковые материалы, что позволит перекрыть широкую область электромагнитного спектра (включая и ИК область).

Создание передающих телевизионных камер на основе ПЗС приведет в будущем не только к оснащению техники надежным «электронным глазом» (отметим, что в проекте создания средств искусственного зрения для человека ориентация делается также на ПЗС), но и к действительно широкому использованию средств телевидения в быту.

Если на многоэлементный или матричный ПЗС направить световой поток, несущий изображение, то в объеме полупроводника начнется фотогенерация электронно-дырочных пар. Попадая в обедненную область ПЗС, носители разделяются и в потенциальных ямах накапливаются дырки (причем величина накапливаемого заряда пропорциональна локальной освещенности). По истечении некоторого времени (порядка нескольких миллисекунд), достаточного для восприятия изображения, в матрице ПЗС будет храниться картина зарядовых пакетов, соответствующая распределению освещенностей. При включении тактовых импульсов зарядовые пакеты будут перемещаться к выходному устройству считывания, преобразующему их в электрические сигналы. В результате на выходе получится последовательность импульсов с разной амплитудой, огибающая, которых дает видеосигнал.

На этой основе создаются, учитывающие устройства для фототелеграфа, а также, передающие камеры (вплоть до камер полноформатного цветного телевидения). В будущем ПЗС найдут применение в качестве удобных матричных фотоприемников в сверхпроизводительных оптоэлектронных вычислительных машинах с параллельной обработкой информации.

Появление ПЗС (1969 г.) явилось результатом исследований в области физики и технологии МДП-приборов. Разработка этого нового направления полупроводниковой техники занимаются многие научные коллективы в разных странах мира и уже достигнуты весьма заметные результаты.

Созданы быстродействующие однокристальные ЗУ на ПЗС емкостью 8192, 16384 и 65536 бит с временем выборки 64—200 мкс и скоростью выдачи информации 1—5 МГц; на базе кристаллов емкостью 16 К (килобит) сконструировано ЗУ емкостью 1 Мбит с блочной выборкой по 256 бит. Разработана широкополосная линия задержки аналоговых сигналов емкостью 128 разрядов, предназначенная для использования в системах цветного телевидения; опробован коррелятор на ПЗС, позволяющий одновременно обрабатывать 40 000 дискретных значений сигнала с общей погрешностью менее 1%.

Имеются многочисленные сообщения о начале промышленного выпуска рядом фирм США (в первую очередь Bell и RCA) передающих телекамер с числом элементов разложения 200X200 и 500x500.

В то же время нельзя не заметить, что на пути широкого использования ПЗС стоит еще много нерешенных проблем — и в первую очередь технологическая: проколы диэлектрической пленки и закоротки электродных шин все еще не позволяют уверенно с высоким процентом выхода получать бездефектные ПЗС достаточно большой информационной емкости. Важнейшей технологической проблемой создания больших ПЗС с однослойной металлизацией является проблема получения узких (2—3 мкм) зазоров между электродами; основной технологический брак в таких структурах — закоротки. В структурах с многослойными кремниевыми затворами трудно получить высококачественный изолирующий диэлектрик между всеми уровнями поликремния.

В заключение хотелось бы отметить, что создание устройств на приборах с зарядовой связью, в особенности оптоэлектронных, является важным этапом в развитии больших интегральных схем и одним из первых реальных шагов по пути к функциональной микроэлектронике.

2 Физические основы работы и конструкции приборов с зарядовой связью

Динамику перемещения зарядовых пакетов в ПЗС проследим на примере трехкратного сдвигового регистра (рис.2).

В этой схеме каждый третий электрод подключается к соответствующей шине тактовых импульсов. В исходном состоянии (рис.2,а) под напряжением хранения

Рис.2. Схема трехтактного сдвигового регистра на ПЗС:

а - хранение информации в элементах 1. 4. 7; б – передача информации; в - хранение информации в элементах 2. 5, 8.

Uхр. =-U2 находятся электроды 1, 4, 7, а все остальные — под напряжением – U1 (U1U2) и заряды перетекают от ПЗС1 (строго говоря, в данном случае следует использовать термин «ПЗС-элемент» или «МДП-структура», так как речь идет об одном элементе прибора с зарядовой связью. Однако для сокращения здесь и в дальнейшем (если из контекста ясно, что речь идет об элементе) используется термин «ПЗС», а слово «элемент» опускается.) к ПЗС2 и от ПЗС7 к ПЗС8 (рис.2,б).

Рис. 3. Зонная диаграмма для ПЗС-элемента в режиме хранения информации: а - в первый момент после включения; б - в стационарном состоянии; 1 - металл; 2- диэлектрик; 3- обедненная область; 4- нейтральная область полупроводника.

На следующем такте на электродах устанавливаются напряжения в соответствии с рис.2,в и начинается фаза хранения зарядовой информации в элементах 2, 5, 8.

Таким образом, для ПЗС характерны два режима работы: хранение и передача зарядовых пакетов. В режиме хранения ПЗС эквивалентен МДП-емкости. Зонная диаграмма поверхности полупроводника для режима хранения приведена на рис.3,а. Величина поверхностного потенциала, характеризующая изгиб зон и глубину потенциальной ямы, в начальный момент максимальна. При инжекции пакета дырок их положительный заряд экранирует подложку от поля, в результате чего происходит перераспределение внешнего напряжения: увеличивается часть напряжения, падающего на слое диэлектрика, поверхностный потенциал уменьшается (по абсолютной величине), и обедненная область сужается. С течением времени потенциальная яма заполняется до насыщения термогенерируемыми дырками и у поверхности образуется стационарный инверсный слой (рис.3,б). Величина поверхностного потенциала уменьшается (по абсолютной величине) до потенциала инверсии поверхности полупроводника φ0

В нестационарном состоянии поверхностный потенциал φ зависит от напряжения на затворе U3, плотности (на единицу поверхности) заряда дырок Qp и от электрофизических характеристик диэлектрической пленки и подложки:

 (1)

где U'3 = U3 - UП3 = U3 - Uo - φ0 + UВ - напряжение плоских зон; - коэффициент подложки; UB = BOC ; Сд = εдε0хд - удельная емкость диэлектрика затвора толщиной хд . В (1) и последующих выражениях используются абсолютные значения потенциалов и зарядов, что делает их применимыми для р- и n-канальных ПЗС.

Зависимости φ(QP) для разные значений напряжений затвора приведены на рис.4.

При увеличении заряда дырок Qp от нуля до стационарного значения поверхностный потенциал уменьшается по абсолютной величине до потенциала инверсии φ0. Из графиков рис.4 видно, что зависимости φ(QP) практически линейны. Аппроксимированное выражение для φ имеет вид:

φ=(U'3-QP/Cд)(1+x), (2)

где х=0,1—0,2 — линеаризованный коэффициент подложки.

Максимальный заряд QPM, который может быть помещен в потенциальную яму при заданном напряжении U3, определяется из (1) при условии насыщения потенциальной ямы, т. е. при φ=φ0,

Рис.4. Зависимость поверхностного потенциала от величины локализованного в потенциальной яме заряда при разных напряжениях затвора:

N_д=5-10¹⁴ см^-3, U_o=3.8 В.

Рис.5. Зависимость Q_PΣ = Q_P + Q_{P пар} от времени хранения для различных значений информационного заряда Q_P. Штриховой линией показаны составляющие заряды, накопленные за счет генерации в обедненной области (1) и на поверхности (2); Q_p=0 (3); Q_p /С_д= 3В (4).

QPM = Сд (U3, — U0) (3)

Обычно QPM= (1—5) 10-3 пКл/мкм2.

Наглядным представлением потенциальной ямы ПЗС может служить прямоугольный сосуд с жидкостью. Максимальная глубина потенциальной ямы соответствует высоте пустого сосуда; но мере заполнения сосуда жидкостью его эффективная глубина уменьшается. Допустимое время хранения заряда определяется процессами, приводящими к накоплению паразитного заряда QP. В основном это термогенерация электронно-дырочных пар в обедненном слое и на поверхности, а также до некоторой степени диффузия неосновных носителей из объемной нейтральной области.

Расчет показывает, что при малых значениях накапливаемого паразитного заряда QP его зависимость от времени близка к линейной, в дальнейшем кривые становятся сублинейными, приближаясь к постоянному значению QPM, определяемому соотношением (3).

На рис.5 приведены расчетные кривые для U3 = 10 В, Nд=5·1014 см-3, U0=3,8 В, тепловая скорость υт=107 см/с, сечение захвата σv = 2,2-10-16 см2, плотность объемных центров Nоб=l,8·1014 см-3, плотность поверхностных центров Nпов=6·1010 см-2. При этих параметрах и при QP = 0 время накопления паразитного заряда, составляющего 1 % от QpM, равно 20 мс (для многоэлементных ПЗС, и в особенности для аналоговых устройств, большее накопление паразитного заряда недопустимо).

Максимальное время хранения можно определить и экспериментально, измерив время релаксации МДП-емкости, сформированной в тех же условиях, что и ПЗС, и включаемой таким же импульсом напряжения. Приближенно время накопления паразитного заряда, равного по величине информационному, на порядок меньше времени релаксации МДП-емкости. Опыт показывает, что в зависимости от качества обработки поверхности кремния и совершенства структуры подложки время релаксации лежит в пределах 1—60 с и соответственно время накопления паразитного заряда составляет 0,1— 6 с. Задаваясь требуемым соотношением между величинами информационного и паразитного зарядов, нетрудно рассчитать максимальное время хранения информации в ПЗС. При соотношении 100: 1 это время составляет десятки миллисекунд.

Еще раз отметим, что процессы накопления паразитного заряда определяют максимальное время хранения и минимальную частоту работы цифровых и аналоговые устройств на ПЗС, а также темновые токи в фотоприемных ПЗС. Передача заряда из элемента в элемент осуществляется приложением к соседнему электроду большего по амплитуде напряжения записи Uзап (рис.6). В зазоре между электродами (обозначим его длину через l) возникает тянущее поле, под действием которого дырки перетекают в более глубокую потенциальную яму.

Рис.6. Схема передачи заряда в ПЗС

По мере перетекания зарядов поверхностный потенциал в ПЗС1 увеличивается (по абсолютной величине), а в ПЗС2 уменьшается, в результате чего поле в зазоре уменьшается.

Очевидно, что напряжение записи Uзап должно превышать напряжение хранения Uхр тем значительнее, чем больше расстояние между электродами и чем сильнее легирована кремниевая подложка (рис.7). Из рисунка видно, что практически для работоспособных ПЗС ширина зазора не должна превышать l = 2-3 мкм, a Nд≤1015 см-3. Минимальная амплитуда импульса записи Uзап линейно увеличивается при возрастании UXP и QP.

Рассмотрим динамику переноса заряда из одного элемента (ПЗС1) в другой (ПЗС2) (рис.6). В режиме хранения к ПЗС1 приложен потенциал UXP, к ПЗС2 - нулевой потенциал. Заряд дырок плотностью Qp равномерно локализован в ПЗС1. После приложения к ПЗС2 потенциала записи Uзап>Uхр в зазоре между ячейками устанавливается тянущее поле, причем обычно напряженность его столь высока, что дырки, находящиеся вблизи левой границы ПЗС1, практически мгновенно переходят в ПЗС2. Концентрация дырок вблизи правой границы ПЗС2 очень быстро спадает до нуля (т. е. поле зазора действует аналогично полю обратного смещенного коллекторного p-n-перехода в транзисторе). Резкое изменение равномерности распределения дырок в ПЗС1 вызывает их интенсивный дрейф и диффузию внутри потенциальной ямы слева на право. Если положить l<

Рис.7. Зависимость минимальной амплитуды импульса записи от напряжения хранения (а), длины зазора (б) и концентрации примеси в подложке (в).

где L — длина затворов (электродов) ПЗС;

μрэ—поверхностная эффективная подвижность.

Очевидно, что коэффициент пропорциональности в (4) зависит от того, какой коэффициент эффективности передачи  требуется получить. Обычно для многоэлементных ПЗС этот уровень очень высок и составляет

 = QРППЗС2/ QРП ПЗС1 = 0,99-0,9999,

где QPП — полный заряд в одной ячейке.

Рис.8. Зависимость нормализованного заряда Q=1- времени передачи для приборов с параметрами: L=6мкм, μ_рэ=180 см²/В·с; численный расчет; _приближенное аналитическое решение.

По мере перетекания заряда из ПЗС1 в ПЗО2 концентрация дырок в ПЗС1, а следовательно, и дрейфовая составляющая тока уменьшаются и процесс передачи, определяемый только диффузией, замедляется -«хвост» переходного процесса всегда более затянут по сравнению с начальной фазой (рис.8). Чем больше начальная плотность заряда Qp, тем большая его часть «вытечет» за время первой быстрой стадии и тем меньше (при заданном допустимом значении ) будет время передачи tпер. Эпюры распределения плотности Заряда дырок в различные моменты времени представлены на рис.9. Через левую границу ПЗС1 потока дырок нет, поэтому на графиках рис.9 в любой момент времени градиент концентрации дырок в этой точке равен нулю.

Рис.9. Эпюры распределения Qp(y) в различные моменты процесса передачи

Наглядной аналогией процесса передачи заряда является вытекание вязкой жидкости из прямоугольного сосуда, торцевая стенка которого (соответствующая правой границе потенциальной ямы ПЗС) отодвинута так же, как и в ПЗС, чем больше начальный уровень жидкости, тем быстрее выльется заданная ее часть.

Рис.10. Зависимости коэффициента потерь ε₁ от времени передачи для ПЗС с разной длиной электродов.

Для большинства реальных структур ПЗС размеры L и l соизмеримы и очень малы; при этих условиях; становится существенным эффект проникновения краевого поля Еkр (которое мы выше считали полностью сосредоточенным в зазоре) в область ПЗС1, что оказывает определяющее влияние на перетекание оставшейся части зарядового пакета.

Рассмотрим важнейшую характеристику ПЗС — эффективность передачи заряда , представляющую собой часть заряда дырок, перешедшую из ПЗС1 в ПЗС2 за время передачи. При заданном допустимом уменьшении ^зарядового пакета значение  определяет максимальное количество элементов, через которое информация может быть передана без восстановления. Часто оказывается удобнее использовать понятие потери (неэффективности) передачи ε =1—. При конечном времени передачи потери заряда обусловлены, во-первых, тем, что за t=tnep часть заряда ε1 просто не успевает перетечь в соседнюю ячейку и, во-вторых, захватом части носителей ε2 поверхностными ловушками. Составляющая ε1 определяет потери передачи на высоких частотах, ε2—на низких и средних частотах работы.

Рассмотрим подробнее захват носителей поверхностными ловушками. Если, например, в ПЗС1 поступает информационный пакет, то часть дырок захватывается

границей раздела диэлектрик — полупроводник. На следующем такте зарядовый пакет перетекает в ПЗС2, равновесие между инверсным слоем и поверхностными ловушками нарушается, и они начинают разряжаться. Те носители, которые освобождаются ловушками за t=tnep, успевают вернуться в зарядовый пакет, остальные образуют потери передачи ε2 . Потери ε2зависят не только от плотности поверхностных ловушек и величины зарядового пакета, но и от характера предшествующей зарядовой информации, передаваемой через данный элемент. Если передается серия логических 1 (которой соответствуют большие зарядовые пакеты), то потери ε2 будут максимальны в первом зарядовом пакете и будут уменьшаться в последующих, так как часть ловушек, захвативших заряды от первого пакета, не успеет разрядиться к приходу следующего и эти ловушки не будут участвовать в захвате носителей. Наихудшим случаем с точки зрения потерь ε2 является передача чередующейся последовательности логических 1 и 0. В этом случае выражение для ε2 имеет вид:

 (5)

где Nл — плотность поверхностных ловушек; т = 2, 3 ... — количество управляющих тактов; Сд(U3—U0) — величина зарядового пакета. В типичных структурах ε2=(2—3) 10-3 и в первом приближении не зависит от тактовой частоты.

Влияние поверхностных состояний может быть уменьшено, если в цепочку ПЗС (в каждый зарядовый пакет) ввести некоторый фоновый заряд, заполняющий поверхностные ловушки. В результате потери информационного заряда при передаче уменьшаются. Неполное устранение влияния ловушек объясняется рядом причин, главными из которых являются краевой эффект и захват носителей не только при хранении, но и во время протекания зарядового пакета через ПЗС и зазор.

Краевой эффект возникает из-за двумерности распределения электрического поля в реальных ПЗС, что делает потенциальные ямы не прямоугольными, а закругленными. Следовательно, площадь поверхности занимаемая пакетом, будет зависеть от величины заряда и всегда будет больше площади, занимаемой меньшим по величине фоновым зарядом. Поэтому поверх постные ловушки, расположенные у краев электрода, где фонового заряда нет, будут пустыми и смогут захватывать носители из зарядного пакета. Потери заряда or этого эффекта составляют (4-5)10-4.

Захват носителей в процессе передачи главным образом связан с тем, что в зазоре фонового заряда нет и поэтому ловушки не заполнены. Обусловленная этим неэффективность составляет (2—3) 10-4. Таким образом, введение фонового заряда не позволяет выполнить условие ε2→0, но в несколько раз уменьшает потери передачи, обусловленные захватом носителей поверхностными ловушками.

В заключение рассмотрим фоточувствительность ПЗС. Одним из факторов, определяющих фоточувствительность, является коэффициент поглощения , который характеризует интенсивность поглощения фотонов (с образованием электронно-дырочных пар). Коэффициент поглощения  резко уменьшается при увеличении длины волны l падающего света. Поэтому область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в информационные заряды (называемая областью спектральной чувствительности) ограничена. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница составляет 0,4—0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в узком приповерхностном слое, в котором интенсивно происходит рекомбинация фотогенерируемых носителей.

Если считать, что все возбужденные носители собираются ПЗС, то зарядный пакет Qpn, накапливаемый за время генерации (интегрирования) ta под действием светового потока Нш, может быть рассчитан по следующему приближенному выражению:

QPП = qHизθtи·Aэ , (6)

где θ — квантовый выход; Аэ — часть площади элемента, воспринимающая свет. Для ПЗС θ=1, этому соответствует фоточувствительность порядка 500 мкА/лм. Пороговая чувствительность, при которой сигнал превышает шумы примерно в 2 раза, составляет для ПЗС около 10-4 лк·с. Фотоприемное устройство на ПЗС можно освещать со стороны затворов (электродов) или с обратном стоны.

3 Приборы с зарядовой связью в оптоэлектронике

Одним из важнейших направлений развития оптоэлектроники является создание телевизионной системы на базе интегральных схем, начиная от передающей системы и кончая экраном.

Основой телевизионной передающей системы (рис.11) является формирователь сигналов изображений (ФСИ), называемый также формирователем видеосигналов (ФВС). ФСИ преобразует изображение в адекватную ему последовательность электрических импульсов. Большинство телевизионных передающих камер основано на использовании видикона, представляющего собой электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), на торцевую поверхность которой нанесена мишень в виде слоя высокоомного фотопроводника. Сканирование осуществляется электронным лучом.

Передаваемое изображение с помощью объектива проецируется на мишень, отдельные участки которой заряжены электронным лучом до определенного потенциала. Сопротивление каждого участка фотопроводящего слоя зависит от его освещенности. Поэтому в интервале между двумя последовательными подзарядками участки с различной освещенностью разряжаются по-разному и при последующем сканировании ток электронного луча, создающий видеосигнал, изменяется в соответствии с изображением.

Рис.11. Структурная схема телевизионной передающей системы:

1 - объект; 2-линза; 3-формирователь сигналов изображений; 4 - усилитель; 5 - блок хранения сигнала: 6 - блок считывания сигнала; 7 -формирователь видеосигнала; 8- видеоусилитель

Основной недостаток видиконов (а также их разновидностей: плюмбиконов, кремниконов и т. д.) связан с необходимостью использовать высоковольтные вакуумные системы. Это обусловливает низкие долговечность и надежность устройств, значительные габаритные размеры и массу, невысокую механическую прочность и другие недостатки, присущие всем вакуумным приборам.

При создании твердотельных формирователей сигналов изображений для обеспечения сканирования пытаются использовать (но пока безуспешно) различные физические эффекты: эффект Суля, дрейф неосновных носителей заряда, движение доменов сильного поля и др.

Формирователи сигналов изображений на ПЗС по сравнению с ЭЛТ различного устройства характеризуются конструктивной и технологической простотой, малыми габаритными размерами и массой, значительной долговечностью и надежностью и малой потребляемой мощностью. Эти преимущества обусловлены самосканированием (передача зарядовых пакетов на выход ФСИ осуществляется с помощью самих ПЗС-элементов). Имение это конструктивно-технологическое интегрирование функций фоточувствительных и сканирующих элементов в одном приборе позволяет считать ПЗС наиболее перспективными для создания полностью твердотельных ФСИ.

4 Фотоприемные характеристики ПЗС

ПЗС-элементы в формирователе сигналов изображений работают в трех режимах: восприятие (интегрирование) изображения, т. е. преобразование светового потока в зарядовые пакеты; хранение зарядовых пакетов; передача (сканирование) зарядовых пакетов на выход устройства. В режиме восприятия изображений световой поток от объекта падает на поверхность ФСИ и вызывает генерацию электронно-дырочных пар в полупроводниковой подложке. В областях кристалла, соответствующих потенциальным ямам ПЗС, носители разделяются, в результате чего в ФСИ накапливается «картина» зарядовых пакетов, соответствующая воспринимаемому образу.

Основными фотоприемными характеристиками ФСИ являются светочувствительность, пороговая светочувствительность, область спектральной чувствительности, разрешающая способность, время интегрирования, частотно-контрастная характеристика, шумы, динамический диапазон. Часть этих .характеристик (светочувствительность, область спектральной чувствительности, время интегрирования) относится к одному ПЗС-элементу и рассмотрена в гл. 1. Другие характеристики зависят or количества передач зарядовых пакетов, от шумов, от вида выходных устройств и т. д., т. е. от способа организации ФСИ.

Разрешающая способность R определяется максимальным количеством линий (отнесенных к одному миллиметру), которое еще может быть воспринято данным ФСИ без их слияния в одно целое. Очевидно, что в ПЗС максимальная разрешающая способность определяется длиной одного светочувствительного элемента L3 и равна

Rмакс=1/LЭ. (7)

Для трехтактных ПЗС LЭ=3(L + l), где L — длина электрода; l — длина зазора между электродами. Минимальным значением L = 3 мкм и l=3 мкм соответствует разрешающая способность Rмакс≈50 линий/мм. Под разрешающей способностью иногда также понимают общее количество элементов изображения, воспринимаемых всем ФСИ (например, 500x500 элементов).

Реальная разрешающая способность ПЗС ниже рассчитанной по формуле (4). При малых уровнях освещенности в светочувствительных ПЗС-элементах накапливаются малые зарядовые пакеты и большую роль начинают играть шумы. В этом случае минимальный размер светочувствительного элемента определяется не технологией, а условием получения требуемого отношения сигнал/шум ks/N = 3-5.

Шумы в ПЗС можно разделить на две группы: шумы, обусловленные процессом восприятия изображения, и шумы, связанные с режимом передачи зарядовых пакетов. К первой группе относятся белый шум в потоке падающих фотонов (флюктуации плотности потока) и флюктуации фонового заряда.

Шумы фонового заряда зависят от способа его введения. Если фоновый заряд накоплен за счет термогенерации, то его флюктуации характеризуются белым шумом. К шумам, возникающим при сканировании, относятся шумы, обусловленные неполной передачей зарядов, и шумы, обусловленные захватом носителей и перезарядом быстрых поверхностных состояний при прохождении зарядовых пакетов. Еще одним возможным источником шумов является выходной усилитель фотосигналов(Сус).Шумы этого вида являются основным фактором, ограничивающим разрешающую способность в кремниконах, так как при их использовании усилитель выполнен на отдельном кристалле и за счет этого его входная емкость достигает 10—20 пФ. В ФСИ на ПЗС выходной усилитель может быть сформирован а том же кристалле (что исключает монтажные емкости и емкость корпуса), и его входная емкость складывается из емкости «плавающей» диффузионной области и емкости затвора МДП-транзистора. В этом случае Сус = 0,2—0,5 пФ и поэтому шумы, связанные с выходным усилителем, незначительны.

Разрешающая способность ПЗС при низких уровнях освещенности ограничена главным образом шумами в фоновом заряде и шумами процесса захвата носителей. Зависимости рис.12 показывают, что разрешающая способность ограничена шумами при Hизtи<108—109 см-2 (что соответствует величине 10-4- 10-3 лк·с).

Рис.12. Расчетная зависимость разрешающей способности ФСИ на ПЗС емкостью 500X500 элементов от уровня освещенности при разных источниках шумов: 1- неполная передача зарядов; 2 -быстрые поверхностные состояния; 3 - тепловой шум в фоновом заряде; 4 - экспериментальная кривая для кремнекона А_ъ=25X25 мкм², С_из=0,2. t_и=0.1 с, k_S/N=5

Минимальная площадь одного элемента значительно превышает минимальную «технологическую» и составляет около Аэ≈400 мкм2. Выше уровня 109 см2 разрешающая способность определяется минимальными геометрическими размерами светочувствительных элементов. Приведенная на этом же рисунке экспериментальная кривая для кремнекона наглядно демонстрирует преимущество ПЗС при низких уровнях освещенности.

Реальное изображение характеризуется непостоянным потоком Низ(у, z) в плоскости ФСИ. За счет искажений, вносимых ФСИ в процесс преобразования светового потока в «картину» зарядовых пакетов и последующего сканирования зарядов на выход, минимальный размер элемента передаваемого изображения будет больше размера ПЗС-элемента, определяемого шумами или технологией.

Для объективной оценки разрешающей способности ФСИ используется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ)( MTF(madulation transfer function).), описывающая изменение амплитуды светового сигнала и сдвиг по пространственной фазе на выходе системы (например, на экране телевизионного приемника) при изменении пространственной частоты входного гармонического сигнала. Любое реальное изображение Hиз может быть разложено в ряд Фурье по пространственным частотам. Так как амплитуды и фазы отдельных гармоник будут искажаться по-разному, то на выходе системы получится искаженное изображение. Поэтому с помощью ЧКХ можно определить искажения, вносимые ФСИ при передаче реального изображения. Частотно-контрастная характеристика определяет передающую систему с точки зрения качественности передачи информации от объекта до наблюдателя. Различные устройства (оптические, фотоэлектронные, электронные, механические и т. д.), вводящие в телевизионную систему, вносят искажения в передаваемую информацию. Частотно-контрастная характеристика и учитывает эти искажения. Аналогией ЧКХ в электронных система