Фотоэлектрические преобразователи световых изображений на основе полупроводниковых приборов с зарядовой связью

Конструктивно приборы с зарядовой связью (ПЗС) несколько напоминают МОП-транзисторы с изолированным затвором (рис. 1.24, Э): на поверхности основания («подложки») из сверхчистого кремния с дырочной проводимостью создается тонкий слой (порядка 0,1 микрометра) диоксида кремния (Si0₂), поверх которого наносятся тончайшие, практически прозрачные, металлические полоски, выполняющие роль затворов. Если на затвор подается плюс от внешнего источника, а на основание — минус, то непосредственно под затвором, в основании с/?-проводимостью, возникает область без носителей заряда, своеобразная «потенциальная яма»: все дырки вытесняются из этой зоны вглубь основания (как это схематически показано пунктирной линией на рис. 1.24, Э), а электронов, которые бы могли войти в эту зону и изменить ее потенциал, в нормальных условиях в основании практически нет, поскольку оно выполняется из сверхчистого кремния, в который при создании были введены только акцепторные примеси.

Таким образом, под затвором создается «потенциальная яма», в которой исходно нет неосновных носителей заряда — электронов, но в которую их можно ввести и они смогут находиться («храниться») в ней весьма долго, ибо дырок, с которыми они могли бы рекомбинировать, поблизости просто нет. Электроны в «потенциальной яме» могут образоваться под действием света: но для этого все элементы прибора должны быть выполнены столь тонкими (десятые доли микрометра), чтобы быть прозрачными для световых потоков. В этом случае, если фотоны проникают в иодзатворную область, то там они отдают свою энергию и вызывают генерацию носителей заряда: электронов и дырок. Дырки полем затвора оттесняются вглубь основания, а электроны остаются в подзатворной области и создают в потенциальной яме «зарядовый пакет».

При этом вполне очевидно: чем более интенсивный световой поток попадает в подзатворную зону, тем больше в ней появляется электронов. И если из такого’вида микроэлементов создать линейку ПЗС (рис. 1.24, е), расположив их как можно ближе друг за другом, или матрицу ПЗС, разместив их по площади геометрически равномерно, «строка» за «строкой», то проецируя на образованную таким образом фотоматрицу световое изображение, получим мозаичное, состоящее из множества отдельных зарядовых пакетов, электронное изображение: ведь под каждым затвором будет иметься заряд, величина которого будет прямо пропорционально зависеть от степени освещенности области, где располагается данный конкретный затвор.

Полученное электронное изображение затем преобразуется в электрический сигнал, для этого надо измерить («считать») заряд, имеющийся под каждым элементарным затвором. Эго оказывается сделать не очень сложно. Дело в том, что приборы с зарядовой связью обладают замечательной особенностью: заряд, имеющийся, например, под затвором 1 (рис. 1.24, д) легко может быть перемещен под затвор 2, рядом с ним расположенный. Для этого надо подать на затвор 2.

Рис. 1.24. Фототранэистор Са), составной фототранзистор (б), фототиристор (в), солнечная батарея (г) и устройство фотоэлектрического преобразователя на основе прибора с зарядовой связью (д, е).

напряжение большее, чем на затворе 1. Тогда электроны из-под затвора 1 переместятся под затвор 2, откуда могут быть перемещены подобным же способом под затвор 3, затем затвор 4… (рис. 1.24, е) и т. д. — пока пакет электронов не достигнет стока и не уйдет в источник питания, создав на сопротивлении нагрузки падение напряжения сигнала. И так можно последовательно (или последовательно-параллельно) считать все образованное электронное изображение: элемент за элементом, строка за строкой…

Таким образом, на основе фотоматрицы из приборов с зарядовой связью может быть создан мозаичный преобразователь светового изображения в электронное, которое затем может быть преобразовано в электрический сигнал, несущий информацию о степени освещенности каждого участка исходного светового изображения.

Лучшие матричные ПЗС преобразователи обеспечивают высокую четкость преобразования светового изображения, соответствующую современным стандартам телевидения, поскольку матрица может содержать несколько сотен тысяч отдельных элементов, информация с которых может считываться с частотой до 20 мегагерц.

Фотоэлектрические преобразователи на основе ПЗС (и их модификаций, выполненных на основе КМОП полевых транзисторов) широко используются в современной электронике: в широковещательном, промышленном и специальном телевидении, цифровых фотоаппаратах, цифровых видеокамерах и сканерах.