2.2.1. Устройство и принцип действия пзс

Рис.7. Принципиальное устройство ПЗС-матрицы.

На рис. 7 символами С1, С2 и С3 обозначены МОП-конденсаторы (металл-окисел-полупроводник). Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение U, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо процессов (например, тепловых) или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник–диэлектрик и локализоваться в узком инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются.

Наиболее важной составляющей ПЗС является приемник света — двумерная матрица, состоящая из очень маленьких кремниевых детекторов света прямоугольной формы, называемых пикселями. Каждый пиксель работает как копилка для электронов, возникающих в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Во время экспозиции, время которой регулируется при помощи механического затвора, каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего на него света. По окончании съемки столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный столбец. В нем заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем микротоки, пропорциональные этим зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени можно получить значение накопленного заряда и определить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует. Эти данные по проводам поступают в компьютер, на экране которого восстанавливается изображение объекта съемки, которое затем можно обработать и сохранить в виде файла. В процессе приема и обработки сигнала в матрице возникают различного рода помехи, так называемые шумы. Одним из наиболее неприятных является шум темнового тока — результат генерации пикселями термоэлектронов. Количество этих “паразитных” электронов зависит от двух основных параметров: продолжительности экспозиции и температуры матрицы. Одним из эффективных способов уменьшения темнового тока является охлаждение матрицы: при уменьшении температуры кристалла всего на 8 градусов количество термоэлектронов уменьшается вдвое. Поэтому все современные астрономические ПЗС снабжены встроенной системой охлаждения. А небольшой термодатчик, укрепленный с обратной стороны кристалла, позволяет управлять электронной схемой, поддерживающей температуру матрицы с точностью до 0.1 градуса, и фиксировать эту температуру в памяти компьютера и в сохраняемом изображении. Общий контроль работы ПЗС осуществляет блок управления, представляющий собой довольно сложную электронную схему. Он может быть выполнен как типовая плата расширения для компьютера, которая ставится в свободный разъем внутри него, либо в виде отдельного блока размерами с книгу, который подключается к компьютеру.