Твердотельные датчики

Одно из перспективных направлений создания твердотельных ФЭП связано с развитием приборов с зарядовой связью. Представим себе структуру МДП-транзистора, например на я-подложке , в котором затвор разделен на большое число секций (рис. 11.19, а). Выделим первую секцию затвора 31 и последнюю 32, а остальные соединим между собой через две секции так, чтобы образовались за-параллеленные триады. Подадим на шину 1, соединяющую первые элементы триад, отрицательный потенциал U1 = - U _хр, а на две другие шины — нулевой потенциал относительно заземленной подложки. В этом случае под всеми электродами 1 образуются потенциальные ямы, в которых могут храниться положительные заряды, если их каким-либо способом туда ввести. Это можно сделать по-разному, например можно подать импульсное напряжение U_{u з1} между истоком И и затвором 31.

П ри этом заряды из-под электрода 2 перетекут под электрод 3 в более глубокую потенциальную яму (рис. 11.19, г). Этот процесс можно повторять до тех пор, пока заряд не окажется под электродом, примыкающим к затвору 32. Если в цепь стока С включить нагрузку, то при открывании затвора 32 заряд потечет через нагрузку, создав на ней падение напряжения, пропорциональное величине заряда.

Таким образом, рассмотренная структура представляет собой сдвиговый регистр с выходным согласующим устройством, который может быть использован для разных целей: поочередного вывода информации, линии задержки и др. Рассмотренная структура работает в трехтактном режиме. Технологически она наиболее простая. При усложнении структуры, например за счет использования диэлектрика ступенчатой формы (рис. 11.20), удается с помощью одного электрода создать на соседних участках потенциальные ямы разной глубины, что позволяет перейти к двухтактной схеме перемещения зарядов.

Если 31 запереть, а заряды под электродами генерировать за счет действия света, то образуется линейно-строчный ФЭП, пригодный для использования в системах однострочной развертки. Чтобы обеспечить эффективное накопление зарядов, необходимо разделить процессы накопления и считывания. Это обеспечивается построением ФЭП строчной структуры (рис. 11.21). ФЭП состоит из двух секций: секции 1, предназначенной для накопления зарядов под действием света, и секции 2 — для их переноса. Секция накопления состоит из трех продольных изолированных между собой металлических полупрозрачных электродов, нанесенных на подложку кремния, например л-типа, поверх слоя окисла (диэлектрика). Внутри подложки, перпендикулярно электродам, на расстояниях, соответствующих размеру элемента разложения, образованы диффузионные полоски 3 высокого сопротивления, препятствующие растеканию зарядов вдоль электродов. Секция переноса представляет собой сдвиговый регистр, аналогичный приведенному на рис. 11.19, а.

заряды из ячеек сдвигового регистра переносятся вдоль регистра к выходному устройству, обеспечивающему согласование регистра с усилителем. Достоинством структуры является высокая разрешающая способность, достигающая 2000 элементов на строку. Основным недостатком — недопустимость дефектов в структуре: возникновение дефекта хотя бы в одной ячейке ПЗС сдвигового регистра приводит к потере сигналов от ячеек, расположенных левее дефектной.

При построении ФЭП на ПЗС — аналогов передающих телевизионных трубок — практическое распространение получила параллельно-кадровая структура (рис. 11.22), содержащая три секции: накопления 1, хранения 2 и переноса зарядов 3. Секция 1 представляет собой многократное (по числу строк разложения) повторение ФЭП строчной структуры (рис. 11.21). На нее проецируется изображение. Горизонтальный размер элемента разложения определяется расстоянием между высокоомными диффузионными полосками 4, а вертикальный охватывает триаду полос. В реальных конструкциях линейный размер элемента разложения составляет 15—30 мкм. Секция 2 аналогична секции 1, но защищена от света. В секции 3 сдвиговый регистр такой же, как в ФЭП строчной структуры.

во время прямого хода строчной развертки и в ее ритме.

из секции 1 в секцию 2 переносятся строка за строкой все заряды. Таким образом информация о прошедшем кадре оказывается записанной в секции 2, а секция 1 освобождена для накопления зарядов от очередного кадра. Достоинствами структуры являются простота, возможность получения высокой разрешающей способности (40—60 строк на мм ). Основным недостатком — недопустимость дефектов в структуре: дефект хотя бы в одной ячейке ПЗС секций 1 или 2 приводит к потере информации в столбце элементов, а в секции 3 — к потере части кадра, расположенного левее поврежденного элемента. По разрешающей способности ФЭП на ПЗС еще уступают вакуумным передающим трубкам, однако по многим параметрам значительно их превосходят (табл. 6).

Уровень темновых токов в ПЗС существенно зависит от температуры. При охлаждении прибора до 3—5°С уменьшаются характерные всплески темнового тока, а при —30 °С полностью устраняется неоднородность темнового тока по элементам. Для охлаждения ПЗС применяют полупроводниковые микрохолодильники.

Большая поражаемость ФЭП с разделением процессов накопления и переноса зарядов обусловили поиск других способов формирования сигнала. В частности, представляются перспективными матричные устройства на ПЗС, использующие принци п- координатной адресации зарядовой связи между электродами (рис. 11.23). В таком датчике, названном матрицей с инжекцией заряда, в пределах каждого элемента изображения располагается два МДП-конденсатора 1 и 2, разделенные областью 3 р-типа и объединенные соединительными шинами в столбцы и строки. В режиме накопления оба конденсатора находятся под отрицательным потенциалом относительно подложки 4 и под обоими электродами накапливается фотогене-рированный заряд неосновных носителей (дырок) (рис. 11.24, а). При выборе строки потенциал на ней устанавливается равным нулю. Это вызывает перетекание заряда из-под всех электродов этой строки под электроды рядом расположенных столбцов (рис. 11.24, б). Для опроса элементов этой строки производится очередной сброс на нуль напряжения на всех столбцовых шинах (рис. 11.24, в), сопровождаемый инжекцией в подложку заряда, накопленного в опрашиваемом элементе. Ток инжекции создает на нагрузочном резисторе 5 напряжение изображения.

Частотно-контрастные (апертурные) характеристики ТД гораздо лучше апертурных характеристик видиконов в связи с дискретностью элементов матрицы и отсутствием коммутирующего электронного луча.