Выходной сдвиговой регистр; 2 - дополнительный сдвиговой регистр с увеличенной площадью ПЗС-элементов; 3 - усилители зарядовых сигналов .

 

Усиленные зарядовые сигналы поступают в дополнительный сдвиговой регистр с большей площадью затворов. Оба регистра управляются одинаковыми тактовыми импульсами и передача зарядов в них осуществляется синхронно. В каждом бите дополнительного регистра к передаваемому зарядовому пакету добавляется соответствующий ему усиленный заряд. Так как усиление выходных сигналов осуществляется многократно, в различных элементах, и в разные моменты времени, то все флюктуации усредняются.

Структура усилителя (рис.21а) включает в себя тактовый электрод, под которым расположен плавающий затвор. При поступлении тактового импульса зарядовый пакет из предыдущего ПЗС-элемента перетекает (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в потенциальную яму рассматриваемого ПЗС-элемента и вызывает изменение потенциала на плавающем затворе, который выступает из-за плоскости ПЗС-элемента. Выступающая часть является затвором МДП-транзистора, контролирующего передачу усиленного зарядового пакета (также в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) в выходные ПЗС-элементы большей площади.

 

Рис.21. Структура (а) и эквивалентная схема (б) усилителя с плавающим затвором: 1 - тактовый электрод; 2 - плавающий затвор; 3 - потенциальная яма ПЗС; 4 - канал МДП-транзистора; 5 - каналоограничивающие n +-области

В соответствии с эквивалентной схемой усилителя (рис.21, б) начальное напряжение, устанавливающееся на плавающем затворе (узел I) после прихода тактового импульса (но до наступления зарядового пакета Q), равно:

 

φ 1 = U'фС2/[С2 + С1 С3(С1 + С3) + С4 + Свх], (8)

 

где С2 — емкость конденсатора, образованного тактовым электродом и перекрывающейся частью плавающего затвора; d— емкость диэлектрика, расположенного под перекрывающейся частью плавающего затвора; С3 - емкость поверхностного обедненного слоя ПЗС-элемента; С4 -емкость между плавающим затвором и каналоограничивающей п+- диффузионной областью; Свх - емкость выступающего участка плавающего затвора на подложку. Нетрудно убедиться, что после прихода Q изменение потенциала Δ φ 1 составляет:

 

Δ φ 1/Q= -[ С2 + С4 + Свх+ х(С1 + С2 + С4 + Свх)]-1 (9)

Знак минус в (7) отражает тот факт, что увеличение заряда Q вызывает уменьшение потенциала плавающего затвора.

Изменение потенциала Δ φ 1 вызывает изменение тока стока МДП-транзистора. Если его крутизна равна g = dIc/dU3, то коэффициент усиления заряда AQ равен:

 

AQ = QY/Q ( Δ φ 1/Q)· g· ty. (10)

 

где Qy — усиленный заряд, ty — длительность стробирующего импульса, открывающего цепь передачи заряда через МДП-транзистор.

Кроме усиленного информационного заряда в ПЗС-элементы выгодного регистра поступает фоновый заряд Qф, обусловленный начальным смещением φ 1 затвора МДП-транзистора:

 

Qф=ICtY (11)

 

Величина фонового заряда флюктуирует и связанные с этим шумы равны:

 

. (12)

 

Отношение сигнал/шум в одном разряде РУЛЗ равно:

 

. (13)

 

Если использовать обычную модель МДП-транзистора:

 , вычислить крутизну g и подставить выражения для g и Iс в (11), то получим, что ks/N не зависит от режима МДП-транзистора:

 

kS/N = Δ φ 12{kty/[q(1+x)]}1/2, (14)

 

где k — удельная крутизна МДП-транзистора, х — коэффициент влияния подложки.

Из (14) следует, что существует оптимальная величина емкости выступающей части плавающего затвора Свх опт, при которой kS/N максимален. Из условия dkS/N/dCBХ = 0, используя также (8) и (12), получим

 

Свх опт = С2+С2+С1х/(1+х). (15)

 

Однако реально МДП-транзистор работает в режиме микротоков, в котором его характеристики отклоняются от обычной модели. Поэтому kS/N зависит от режима и более точно оптимальное значение Свхопт можно определить с помощью экспериментальных вольтамперных характеристик.

Так как РУПЗ содержит NBblХ разрядов, то суммарное усиление информационного заряда будет в NBblХ раз больше (по сравнению с одним разрядом), а суммарные шумы увеличатся только в (NBblХ )1/2 раз. Следовательно, kS/N в многоразрядовом усилителе пропорционален (Nnux) 1/2 и требуемое значение kS/N может быть достигнуто с помощью определенного числа разрядов РУПЗ.

Для получения kS/N =5 при зарядовом сигнале Q = 10-5 пК. (что соответствует 60 электронам) требуется 12 разрядов усилителя. Изменение потенциала плавающего затвора от такого заряда очень мало, 150мкВ. Поэтому для реализации РУПЗ необходимы высокостабильные источники питания. Площадь ПЗС-элементов в РУПЗ определяется из условия размещения в потенциальной яме последнего элемента суммарного усиленного информационного зарядового пакета и суммарного фонового заряда.

Еще одной возможной областью применения ФСИ на ПЗС являются астрономические приборы и фотодатчики для регистрации элементарных частиц. В этих приборах используется четкая геометрическая фиксация элементов ФСИ, позволяющая с высокой точностью определять координаты требуемого элемента изображения.

В заключение подробнее остановимся на использовании ПЗС в системах формирования сигналов ИК изображений. Существуют три области для их применения: уплотнение с помощью ПЗС информации, снимаемой с ИК приемника; организация временной задержки и интегрирования снимаемой информации; непосредственная регистрация ИК сигналов с помощью ПЗС, сформированные на полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Входы матрицы ПЗС, используемой для уплотнения информации, через емкостные связи соединяются с выходами приемников ИК излучения (рис.22). В каждом ПЗС-элементе образуется зарядовый пакет, пропорциональный выходному напряжению соответствующего приемника. Затем картина зарядов сканируется (передается) на выход. Применение ПЗС в этом случае позволяет осуществлять уплотнение информации внутри самого дьюара (используемого для охлаждения ИК приемников), что приводит к уменьшению количества выводов из дьюара и к минимизации тепловой нагрузки. С этим методом применения связаны две проблемы: перекрестные помехи между каналами, обусловленные потерями зарядов при переносе, и шумы, возникающие при инжекции в ПЗС зарядов.

При использовании ПЗС для получения временной задержки и интегрирования сигналов каждый ПЗС-элемент соединяется с соответствующим ИК приемником. ИК изображение перемещается относительно матрицы приёмников с некоторой скоростью и каждый элемент изображения последовательно проходит все приемники соответствующего столбца матрицы (рис.23). Перенос зарядовых пакетов вдоль цепочки ПЗС-элементов осуществляется с такой же скоростью. В результате время интегрирования изображения увеличивается в k раз, где k —количество элементов в столбце (равное числу строк в матрице ИК приемников).

 

Рис.22. Использование ПЗС для уплотнения и передачи на выход информации, снимаемой с ИК приемников:

1- ИК приемники; 2-буферные элементы; 3 - ПЗС

 

Рис.23. Использование ПЗС для временной задержки и интегрирования снимаемой с ИК приемников информации:

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: