|
| |
|
Слаботочка Книги Прн 1/Км>и+1г Сомножитель, обусловленный потерями передачи, Мцер » ехр ( - m е), (6.41) где т - число переносов зарядового пакета до выхода. Отсюда, в частности, видны важность снижения е, а также преимущества ФПЗИ (т=1) при достижении высокой разрешающей способности. Диффузионный член Мдифф характеризует размытие изображения вследствие диффузии носителей, дифракционный Мдифр - дифракцию света на решетке электродов. Простому аналитическому выражению Мдифф и Мдифр не поддаются; их значения тем меньше, чем больше глубина проникновения излучения в кремний, т. е. учет этих членов особенно существен для ИК-ФПЗС. Важнейшим фактором, ограничнвающ м возможности ФПЗС, являются шумы, обусловленные флуктуациямн потока фотонов и статистическим характером процессов генерации, рекомбинации, прилипания, диффузии, дрейфа электронов, количественной мерой шума ФПЗС служит среднеквадратическое отклонение числа электронов Оп в зарядовом пакете от их среднего значения п; к Оп пересчитываются и шумовые флуктуации напряжения во входной (выходной) цепях. Существенны несколько независимых составляющих шума ФПЗС. Ловушеч-яый шум обусловлен статистическим характером захвата и эмиссии электронов из ловушек: при введении в элемент зарядового пакета ловушки практически мгновеппо (за 10""... 10~" с) заполняются, ио после перетекания заряда их освобождение происходит постепенно. У поверхностных ФПЗС этот компонент не зависит от времени передачи заряда и приближенно равен дробовому шуму носителей, эмиттнруемых поверхностными состояниями в энергетической полосе kT: %.п.пов = 1.2 (т Л/пс кТ) (6.42) где 5эл - площадь ячейки ФПЗС (для трехфазного случая 5эл~312). Шум объемных ловушек зависит от соотношения времени передачи заряда от элемента к элементу и постоянной времени освобождения ловушек; его максимальное значение о « «0,7тЛ . Irt. (6.43) п.л.об.ыакс л.об <2» где Л/л.о с - концентрация ловушек, Vq - объем, занимаемый зарядовым пакетом. Из сказанного и из (6.43) следует, что шум объемных ловушек зависит от тактовой частоты и от зарядового пакета (через Vq). Обычно Оп.л.осСсгп.л.пов, практически они различаются в 3-10 раз. Спектральное распределение ловушечного шума подчиняется косинусоидаль-яому закону (т. е. монотонное нарастание f от О до такт) д ojdf ~ 1 - cos (я 2f такт). (6.44) Фотонный и термогенерачнонный шумы обусловлены статистическими процессами, описываемыми распределением Пуассона, в силу чего они имеют равномерное распределение (белый шум) и задаются известными формулами: *п.ф = "* " о.тг = l" «тг. (6.45) где Яф и Ятг - среднее число электронов, фото- и термогенернрованных в данном ПЗС-элементе. Очевидно, что при больших освещенностях фотонный шум становится доминирующим; характерно, что отношение сигнал-шум пропорционально (5эл)/. Фоновый шум, вводимый в поверхностные ФПЗС одновременно с фоновым зарядом, определяется шумом эквивалентного конденсатора ПЗС-элемента С» и флуктуациями разности потенциалов ДС/ между электродами элементов ввода: °п.фоп= [kTC.Iq + o\yCf)l\ (6.46) Уменьшить этот шум можно путем снижения величины Сэ и стабилизации ДС/. Выходной шум Ое вых при правильной организации схемы вывода может быть сведен к шуму конденсатора выходного элемента, т. е. к первому члену в (6.46). Наряду с шумами необходимо учитывать наводки, обусловленные «проле-заиием» тактовых импульсов через паразитные связи Оп.такт. а также так называемый геометрический шум аи.геоы, т. е. флуктуации зарядового пакета, обусловленные пространственной неоднородностью концентраций ловушек и легирующей примеси, толщин диэлектрика и электродов, площадью элемента, а также дефектами, дислокациями и различными включениями в полупроводнике. Заметим, что величины Оп.такт и Ог.геом определяются детерминированными процессами и могут быть сведены к нулю (чем принципиально отличаются от шумов), правда, практически это крайне сложно. Полный шум определяется суммированием дисперсий отдельных его составляющих Возможные значения составляющих шума (измеряемые числом электронов) следующие: Оп.л.пов =500... 1000, оп.л ос=5...200, ап.тг=10... 100, ап.фон=0 ...700, 0п.такт=ЗО... 500. Отсюда видно, в частности, что принципиально ФПЗС могут регистрировать зарядовые пакеты, содержащие всего десятки электронов. Шумы определяют минимальнуо освещенность, воспринимаемую ФПЗС, к динамический диапазон, а при заданной освещенности - минимальную разрешающую способность. Получение требуемого отношения сигнал-шум - важнейшая задача проектирования и реализации ФПЗС. Особенности и перспективы. Из проведенного рассмотрения видно, что ФПЗС обладают рядом особенностей. Физические особенности ФПЗС связаны в основном с тем, что носителями информации в них являются зарядовые пакеты, а не уровни напряжений или токов, как во всей транзисторной электронике; что это прибор динамического типа; что на его работе и характеристиках определяющим образом сказываются свойства поверхности полупроводника. Технологические особенности ФПЗС - это однородность, регулярность системы электродов и отсутствие в активной фоточувствительной зоне р-п-переходов. Отсюда, во-первых, следует, что при любом достигнутом уровне разрешения фотолитографии для ФПЗС могут быть выбраны наименьшие проектные нормы на геометрические размеры и соответственно достигнута наивысшая степень интеграции. Во-вторых, исходный полупроводник может быть взят из числа тех, в которых не удается получить качественные р-/г-переходы, т. е. появляется некоторая свобода при выборе материала. Однако необходимо иметь в виду, что требования к материалу остаются достаточно жесткими: малая плотность поверхностных состояний, однородность свойств и т. п. Функциональные особенности ФПЗС связаны с сочетанием в нем таких возможностей, как ввод в кристалл полупроводника больших массивов цифровой или аналоговой информации в виде двухмерных картин и хранение ее без разрушения в течение некоторого времени; жесткая координатная привязка фоточувствительного растра; использование наряду с фотовводом и электрического способа записи информации; направленное распространение (в том числе циркуляция) введенной информации в кристалле; преобразование (обработка) информации в процессе ее распространения, неразрушающий доступ к информации на любом участке кристал-.ла; простота реализации как последовательного, так и параллельного принпинов ввода-вывода. Перечисленные особенности делают ФПЗС уникальным, внеконкурентным изделием среди других приборов и устройств. Перспективы развития ФПЗС тесно связаны с важнейшими задачами оптоэлектроники. Это создание передающей камеры для телевидения повышенной четкости, характеризующейся космоцвет-ностью, суперширокоформатным растром (более 1500 строк), встроенной обработкой воспринимаемого изображения. При развитии систем искусственного зрения для робототехники прежде всего должна быть решена задача интеграции ФПЗС и микропроцессоров. Итог развития ФПЗС для восприятия зрительных образов состоит в освоении ИК-Диапазона (до %=8 ... 14 мкм). В технике отображения информации ФПЗС используются в качестве элементов развертки в жидкокристаллических и тонконле-ночных экранах (см. гл. 8). В волоконно-опт геской связи они могут стать незаменимыми при развитии систем с азимутальным уп--ЛОТ1 ением каналов информации и в технике передачи изображения по волоконным каналам. В оптической вычислительной технике очень перспективными представляются гибридные структуры вида ПЗС-ПАВ (ПАВ - поверхностная акустическая волна); разработаны специальные ФПЗС для записи голограмм, в частности, в оптических голографических запоминающих устройствах. 6.5. РАЗНОВИДНОСТИ ФОТОПРИЕМНИКОВ Кроме рассмотренных базовых приборов в оптоэлектронике широко используются их многочисленные разновидности и фотоприемники другого устройства и принципа действия. Фотодиоды. Фотодиод с р-п-переходом (рис. 6.11,а) по устройству, принципу действия, системе параметров, условиям применения подобен р-1-/г-фотодиоду. Основное отличие состоит в том, что в базе р-/г-фотодиода имеют место только диффузионные, а не дрейфовые процессы. Отсюда большая инерционность и низкая эф- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 [62] 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |