Опт устр в РТ / ОУ / 2_Механизм работы ПЗС

Механизм работы, характеристики и типы ПЗС

Рис.1.2. Структура ПЗС

Рис.1.3.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.

Рис.1.4. МДП-конденсатор: 1- металлический электрод; 2--  диэлектрик; 3- полупроводник; 4- область стоп- диффузии.

Важнейшими параметрами ПЗС являются единичные параметры передачи   и время хранения заряда.

Эффективность передачи   = 1- ,

ПЗС с объемным (скрытым) каналом

В поверхностной области полупроводника p-типа создается тонкий слой полупроводника n-типа.

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости приводит к образованию обедненного слоя на границе перехода. Происходит это за счет диффузии дырок и электронов во взаимно противоположных направлениях и их рекомбинации. Подача положительного потенциала на затвор увеличивает размер обедненной области. Характерно, что теперь сама обедненная область, или емкость для фотоэлектронов, находится не на поверхности, а следовательно, отсутствуют и поверхностные ловушки для электронов.

Такой канал переноса называется скрытым, и все современные ПЗС изготавливаются именно со скрытым каналом переноса.

Структуры ПЗС-приборов

ПЗС сдвиговый регистр

Идеальная дискретная линия задержки (ДЛЗ):

, z  e ^jT ; z ^-1= e^-iT ; T – такт

Ей соответствует частотная характеристика

, где t_з  = NT=  N/f_Т - задержка сигнала в линии; f_Т - частота тактирующих импульсов; N - число каскадов ДЛЗ.

Неэффективность переноса:

 = 1 – Q(T) / Q(0) = 1 -;  - ‘эффективность,  - неэффективность

Рис. Структурная схема одного каскада ДЛЗ с учетом неполного переноса заряда.

На входе – единичный импульс. На выходе – последовательность:

. Ее Z-преобразование H(z):

 = p_ф₁, где p_ф - число фаз тактового питания,. ₁ – на один такт

Для N-каскадной линии задержки передаточная функция

(1.2)

Используя тождество, преобразуем (1.2):

;

ln(1+x)=x-x²/ 2+x³/ 3-x⁴/ 4+…

Для современных ПЗС ЛЗ  1. Тогда

, (1.3)

Перейдем в частотную область. Т.к. , то:

.

e ^{ jx} = cos x  jsin x

Влияние неэффективности переноса N-каскадной ЛЗ эквивалентно действию фильтра с ЧХ

{Re}   (1.4)

фазовый сдвиг которого

. {Im}

Рис.1.9. Частотные характеристики ЛЗ на ПЗС. Рис.1.10. Зависимость  (f) для 512-элементной ПЗС ЛЗ.

Рис.1.8.Импульсные характеристики N-каскадных ЛЗ на ПЗС, обладающих неэффективностью переноса .

Шумы и динамический диапазон ПЗС:

• Шумы тепловой генерации носителей 

• Дополнительный шум (шум захвата) 

• Шумы электрической инжекции

; (CU=nq).

При комнатной температуре , где С – в пикофарадах. Это kTC-шум.

Шумы и динамический диапазон приборов	С поверхностным каналом	С объемным каналом
Шумы, число электронов
Шум входного устройства	215	45
Дробовой шум темнового тока	20	20
Шум поверхностных ловушек	990	-
Шум объемных ловушек	-	40
Шум выходного усилителя	215	30
Суммарный шум	1035	70
Максимальный сигнал	1,910^7	710^5
Динамический диапазон, дБ	85	80