Оптоэлектронные преобразователи на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

Принцип работы.

Оптоэлектронный преобразователь (преобразователь свет-сигнал) предназначен для формирования сигнала яркости, соответствующего передаваемому изображению. Свет идущий от источника света попадает на оригинал в определенной точке. Отразившись от оригинала свет попадает на фотопринимающий элемент, где происходит преобразование интенсивности падающего света в электронный вид. В результате преобразования света получается электрический сигнал содержащий информацию об активности цвета в любой точке сканируемого изображения.

Все современные преобразователи свет-сигнал выпускаются на ПЗС (CCD – Couple-Charged Device).

 1960 – Texas Instrument – матрица фоточувствительных элементов.

1970 – Betf Lobs – принцип зарядовой связи.

В основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) лежат свойства МОП-структур накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводников под воздействием света или тепла.

Основой ПЗС является МОП-конденсатор (металл-оксид-полупроводник).

                                         

                                      +U           

          

         

               

             

                      

                                

              

               

Рис. 31. МОП-конденсатор

 

При отсутствии напряжения (+U) распределение электронов и дырок равномерно по поверхности полупроводника. При подаче напряжения (положительный потенциал) на затвор, создаваемое им электрическое поле, проникая в полупроводник сквозь диэлектрик (О) отталкивает подвижные положительные заряды (дырки) вглубь полупроводника. Под электродом возникает область, обедненная основными носителями – потенциальная яма. Глубина этой ямы зависит от приложенного напряжения (напряжение меньше - значит и яма меньше) и удельного сопротивления полупроводника.

При воздействии света (поток фотонов) в потенциальной яме накапливается заряд пропорциональный освещенности и времени накопления. Так как отсутствуют основные носители (положительные заряды), то зарядный пакет сохраняется в течение некоторого времени.

Если рядом с затвором достаточно близко располагается еще один затвор,

                                               

                      +U1      +U2

                               

           

 

 

 

 

 

Рис. 32. МОП-конденсаторы

то потенциальная ямы объединяются и отрицательные заряды (электроны), находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если ее потенциал выше (+U1>+U2). Таким образом, если есть цепочка затворов, то подавая на них соответствующее управляющее напряжение, можно передавать зарядовый пакет вдоль такой структуры.    

По способу разделения процессов накопления и считывания приборы с зарядовой связью бывают временные и пространственные.  

По способу построения растра: линейные и матричные.

Линейные ПЗС

В большинстве факс-аппаратов используется не один фотопринимающий элемент, а линейка или матрица из большого количества фотоэлементов. Это дает возможность получать информацию о полосе изображения.

Линейные ПЗС с временным разделением содержат один ряд фоточувствительных элементов, позволяющих сформировать сигнал первой строки изображения.

Свойство ПЗС – для управления цепочкой затворов любой длины достаточно трех тактовых шин. Т.е. для передачи зарядовых пакетов, необходимо и достаточно трех электродов: передающего, принимающего и изолирующего (разделяющего пары передающего и принимающего), причем одноименные электроды соединяются шинами. Структура работает как трехфазный регистр сдвига. Первый элемент регистра состоит из трех МОП-структур.

Ф1 

      

Ф2

 

Ф3             

                    

                     

                  

                    

                     

                       Рис. 33. Линейные ПЗС с временным разделением   

Для нормальной работы регистра в каждый момент времени на первой тактовой шине должен быть высокий потенциал, а на второй низкий потенциальный барьер. При повышении потенциала на одной шине и уменьшении его на другой происходит одновременный переход всех зарядовых пакетов под соседний затвор. После считывания информации со строки изображения, возобновляется процедура накопления.