Пзс устройства функциональной электроники
Решая задачу передачи изображения на большие расстояния, пионеры телевидения располагали однородную светочувствительную пленку на выходе оптической системы и последовательно сканировали ее электронным лучом. Если обозначить квантовую эффективность фотоприемника через θ (сколько электронов можно получить при попадании кванта света на фотоприемную площадку в единицу времени), то квантовая эффективность всей системы равна θ/N в этом случае, где N – число элементов разложения оптического изображения, если выходной сигнал детектируется непосредственно от точки к точке. Если принять, что θ~1, а N≈250*250 (число пикселей в строке изображения умноженное на число строк), то совершенно ясно, что эффективность такой системы будет чрезвычайно низка даже при применении фотоумножителей выходного сигнала. Работа такой схемы возможна только при очень высокой освещенности объекта, изображение которого необходимо передать на матрицу изображения.
Простое добавление накопления фотогенерированного заряда в эту конструкцию, за счет встроенной емкости, как это было сделано Зворыкиным, т.е. процесс сканирования и считывания был разделен во времени, увеличило чувствительность телевизионной трубки примерно в 1000 раз, что привело к быстрому коммерческому развитию телевидения. Начиная с этого момента времени, все телевизионные или фотографические системы, использующие твердотельные приемники изображения, работают в режиме накопления заряда в течение одного кадра развертки изображения.
рис.4. Общая схема ПЗС приемной матрицы.
Время, в течение которого происходит сбор (накопление) фотогенерированных носителей заряда (время кадровой развертки) равняется примерно 0.2-0.3 с. Это значение было взято из биологических особенностей зрения человека. Время накопления информации (0.2 с) хорошо согласуется со временем нервной и мышечной релаксации человеческой системы в целом. Наличие такой согласованности подтверждается тем, что специально сконструированные камеры со временем релаксации 0.5 с и более оказываются явно неудобными и раздражающими в эксплуатации за счет расплывания изображения.
В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда — электрон и дырка. Электростатическое поле в области пикселя “растаскивает” эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электронам не с чем рекомбинировать в этом случае. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся — диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Избыточные носители могут диффундировать в стороны и попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается. Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен. Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо). Все зарядовые пакеты линейки будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) фотоприемных ячеек получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы.
Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Область накопления заряда служит для сбора световой информации. В начальный момент времени вся эта область подвергается действию единого импульса напряжения создающего область обеднения для основных носителей заряда под диэлектриком каждой ячейки ПЗС. В течение 0.25 с вся область облучается светом, идущим от оптической системы. В результате под диэлектриком накапливаются заряды неосновных носителей заряда пропорциональные освещенности каждого отдельного участка матрицы за промежуток времени, равный временному интервалу кадровой развертки. Затем за очень короткое время t~0.25/n, где n – число строк матрицы, этот накопленный заряд перемещается в область строковой развертки, и информация каждой строки поступает на сдвиговый регистр к входному каскаду видеоусилителя и за время t~0.25 с/m, где m – число элементов строки, опустошается. Затем на сдвиговый регистр поступает информация со второй сроки и т. д. Площадка накопления заряда одновременно собирает световую информацию в течение этого процесса в каждом пикселе матрицы. Когда все строки будут считаны за время 0.25 с секция хранения будет пустой и готовой к приему нового кадра изображения.
Сегодня телекамеры на основе ПЗС-матриц можно встретить в самых разных областях производства, в различных сферах услуг, сервиса, в системах охраны, в быту. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пикселя в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специализированной микровидеотехники, не говоря уже об их применении в мобильных телефонах или в видео-трансляциях по Интернет сетям.
В современных системах передачи информационных сообщений наиболее современным подходом является замена проводных систем связи на оптоволоконные. Такая замена позволяет обеспечить передачу информации со скоростями 1012 Бит/с и выше по мере развития технологии изготовления полупроводниковых лазерных систем и полупроводниковых детекторов светового потока совместно с совершенствованием конструкции оптического волокна и технологии его изготовления. В качестве некоторых других важных устройств функциональной электроники можно перечислить следующие: