Загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком

Зміст

Вступ

1. Загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ).. 4

2. Основні характеристики приладів із зарядовим зв’язком.. 6

2.1. Шуми та способи їх усунення...... 7

2.2. Елемент ПЗЗ-матриці........ 9

2.3. Динамічний діапазон........ 11

2.4. Розмір матриці по діагоналі...... 13

2.5. Блумінг.......... 14

4. Пристрій, принцип дії........ 17

4.1. Внутрішній фотоефект....... 26

5. Застосування ПЗЗ......... 28

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

В якості приймача світла раніше використовувалися фотоматеріали: фотопластинки, фотоплівка, фотопапір. Пізніше з'явилися телевізійні камери і фотоелектричний помножувач (ФЕП).

Наприкінці 60-х - початку 70-х років почали розроблятися так звані "прилади із зарядним зв'язком", що скорочено пишеться як ПЗЗ. На англійській мові це виглядає як "charge - coupled devices" (CCD). У принципі ПЗЗ-матриць лежав факт, що кремній здатний реагувати на видиме світло. І цей факт привів до думки, що цей принцип може використовуватися для отримання зображень об'єктів, що світяться. Астрономи були одними з перших, хто розпізнав екстраординарні здібності ПЗЗ для реєстрації зображень. У 1972 році група дослідників з JPL (Лабораторія реактивного руху, США) заснувала програму розвитку ПЗЗ для астрономії і космічних досліджень. Три роки по тому, спільно з вченими університету Арізони, ця команда отримала перше астрономічне ПЗЗ зображення. На знімку Урана в ближньому інфрачервоному діапазоні за допомогою півтораметрового телескопа були виявлені темні плями біля південного полюса планети, що свідчать про наявність там метану.

Першими приймачами такого типу були фотодіоди і вже на зорі своєї появи вони дозволили зробити гігантський стрибок в області реєстрації світлових потоків і зображень. Досить згадати, як приклад, вдалу реєстрацію явища сонячного затемнення за допомогою фотодіода, що спостерігалось берлінськими вченими в Єгипті в 1911 році.

З тих пір пройшло багато часу, фотодіоди удосконалювалися, але їх основний недолік - одноканальність, все ж таки не дав їм знайти широкого застосування. З кінця 30-х років серед світлоприймачів почали з'являтися телевізійні трубки, що завоювали до кінця 70-х лідируюче положення в цій області.

Було розроблено порівняно багато приладів різних типів: ортікони, ізокони, секони, відікони, плюмбікони (в телевізійному мовленні трубки із зворотним пучком), кремнікони і суперкремнікони, диссектори (спеціалізовані трубки з підвищеною квантовою ефективністю) і т.д.

Всі вони мали ряд серйозних недоліків: великі розміри, низьку квантову ефективність (на рівні 5-10%), малий динамічний діапазон і т.д.

Революційна зміна ситуації відбулося з появою твердотільних напівпровідникових приймачів нового покоління. Квантова ефективність сучасних напівпровідникових приймачів випромінювання досягає 95-98%, тобто практично кожен падаючий на прилад фотон реєструється системою з 100% ймовірністю.

У 1970 році були створені перші прилади із зарядним зв'язком, у яких технологія твердотільних приймачів проявилася особливо успішно.

 

Загальні відомості про прилади із зарядним зв'язком

ПЗЗ-матриця (скор. від «прилад із зарядним зв'язком») або CCD-матриця (від англ. CCD, «Charge-Coupled Device») - спеціалізована аналогова інтегральна мікросхема, що складається з світлочутливих фотоелементів, виконана на основі кремнію.

ПЗЗ-матриця складається з полікремнію, відокремленого від кремнієвої підкладки, у якої при подачі напруги через полікремневі затвори змінюються електричні потенціали поблизу електродів (рис. 1). До експонування, зазвичай, подача певної комбінації напруг на електроди відбувається скиданням всіх раніше утворених зарядів і приведенням всіх елементів у ідентичний стан. Далі комбінація напруг на електродах створює потенційну яму, в якій можуть накопичуватися електрони, що утворилися в даному пікселі матриці в результаті дії світла при експонуванні. Чим інтенсивніший світловий потік під час експозиції, тим більше накопичується електронів у потенційній ямі, відповідно тим вищий загальний заряд даного пікселя. Після експонування послідовні зміни напруги на електродах формуються в кожному пікселі і поряд з ним розподіл потенціалів, що призводить до перетікання заряду в заданому напрямку, до вихідних елементів матриці.

 

Рис. 1. Схема субпікселя ПЗЗ-матриці з кишенею n-типу (на прикладі червоного фотодетектора).

Позначення на схемі субпікселя ПЗЗ:

• 1 - Фотони світла, що пройшли через об'єктив фотоапарата;

• 2 - мікролінза субпікселя;

• 3 - R - червоний світлофільтр субпікселя, фрагмент фільтра Байєра;
• 4 - Прозорий електрод з полікристалічного кремнію або оксиду олова;

• 5 - Ізолятор (оксид кремнію);

• 6 - Кремнієвий канал n-типу. Зона генерації носіїв (зона внутрішнього фотоефекту);
• 7 - Зона потенційної ями (кишеня n-типу), де збираються електрони із зони генерації носіїв;

• 8 - Кремнієва підкладка p-типу;