Перемещение заряда за один временной период, г – временное изменение формы сигнала, используемого для управления переносом заряда в пзс [3]
Освещение поверхности ФПЗС порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (~0,01 мкм) приповерхностном слое под электродами Ф1, образуя сигнальные зарядовые пакеты (момент времени t1). Величина заряда в каждом пакете пропорциональна экспозиции поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МДП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно вследствие генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами в объеме или на границе раздела (темновой ток) эти заряды будут накапливаться в потенциальных ямах, пока не превысят сигнальные заряды и даже полностью заполнят ямы.
Во время такта II (перенос зарядов) к электродам Ф2 и т.д. прикладывается так называемое напряжение считывания, Uс, более высокое, чем напряжение хранения Uхр . Поэтому под электродами Ф2 и т.д. возникают более глубокие потенциальные ямы, чем под электродами Ф1 и т.д. и, вследствие близости электродов Ф1 и т. д и Ф2 и т.д., барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние, более глубокие потенциальные ямы (момент времени t2).
Во время такта III напряжение на электродах Ф2 и т.д. снижается до Uхр, а с электродов Ф1 и т.д. снимается, т.е. осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами (моменты времени t3, t4).
Во всё время работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам Uхр или Uс, поддерживается небольшое напряжение смещения Uсм (1–3 В), обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление на ней рекомбинационных эффектов.
Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний р-n-переход последовательно все зарядовые пакеты, возбуждённые, например, светом в строке. При этом в выходной цепи возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещённости трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов. Чем больше число элементов в строке или матрице (число элементов разложения), тем точнее воспринимается изображение.
При большом числе переносов увеличиваются рекомбинационные потери, происходит неполная передача зарядового пакета от одного электрода к соседнему и усиливаются обусловленные этим искажения информации. Чтобы избежать искажений накопленного видеосигналa из-за продолжающегося во время переноса освещения, на кристалле ФПЗС создают пространственно раздeлённыe области восприятия, накопления и хранения, считывания, причём в первой обеспечивают максимальную фоточувствительность, а второй, наоборот, экранируют от света.
Основные параметры ПЗС: амплитуды управляющих импульсов (Uхр, Uс порядка 5–20 В), относительные потери заряда при одном переносе (ε ≈ 10-3–10-5), максимальная тактовая частота (fтакт = 10–100 МГц), макс. и мин. плотности зарядового пакета (Qmax = 50 нКл/см2; Qmin = 50 пКл/см2), динамич. диапазон (D = 20 lg Qmaх/Qmin = 60–80 дБ), плотность темнового тока (It = 10-10–10-9 А/см2). Для характеристики ФПЗС, кроме перечисленных выше параметров, указываются спектральный диапазон (Δλ = 0,4–1,1 мкм), фоточувствительность (Sa = 0,1–0,5 А/Вт), макс. и мин. экспозиции (Hмакс = 300 нДж/см2, Hмин = 300 пДж/см2), разрешающая способность (r = 10–50 линий/мм). Кроме ПЗС простейшей структуры (рис. 1) получили распространение и другие их разновидности, в частности приборы с поликремниевыми перекрывающимися электродами, в которых обеспечиваются активное фотовоздействие на всю поверхность полупроводника и малый зазор между электродами, и приборы с асимметрией приповерхностных свойств (напр. слоем диэлектрика переменной толщины), работающие в двухтактовом режиме. Принципиально отлична структура ПЗС с объёмным каналом, образованным диффузией примесей. Накопление, хранение, перенос заряда происходят в объёме полупроводника, где меньше, чем на поверхности, рекомбинационных центров и выше подвижность носителей. Следствием этого является увеличение на порядок значения тактовой частоты и уменьшение по сравнению со всеми разновидностями ПЗС с поверхностным каналом.
Для восприятия цветных изображений используют один из двух способов: разделение оптического потока с помощью призмы на красный, зелёный, синий, восприятие каждого из них специальным ФПЗС – кристаллом, смешение импульсов от всех трёх кристаллов в единый видеосигнал; создание на поверхности ФПЗС плёночного штрихового или мозаичного кодирующего светофильтра, образующего растр из разноцветных триад.
Достоинства ПЗС-матриц таковы, что они позволяют проводить регистрацию вспышек люминофора с длительностью несколько десятков наносекунд, обеспечивать работу в управляемом режиме и достаточно высокое отношение сигнал-шум.
Схема формирования ТВ-изображения линейным ФПЗС приведена на рис. 3: Н – непрозрачные полосы; П – прозрачные; С – полупрозрачные (серые); ВУ – выходное устройство. С помощью объектива на поверхность ФПЗС спроецирован тест-объект в виде полос с разной оптической плотностью: прозрачных, серых, непрозрачных. Высокий уровень смещения подан на вторую фазу. За время накопления в потенциальных ямах электродов второй фазы формируются зарядовые пакеты, пропорциональные распределению освещенности, созданному на поверхности формирователя: в элементе 2, на который спроецирована прозрачная полоса, зарядовый пакет будет большим; в элементе 3 (серая полоса) – меньше; в элементах 1 и 4 (непрозрачная полоса) находятся только термогенерированные носители.
Естественно, что термогенерированные носители попадут во все потенциальные ямы и добавятся к информационному зарядовому пакету, созданному светом. Отношение заряда термогенерированных носителей ко времени накопления и есть темновой ток. После окончания периода накопления зарядов под электродами второй фазы потенциалы фаз переключают, и зарядовые пакеты сдвигаются к выходу регистра.
Здесь зарядовые пакеты преобразуются в импульсы напряжения (тока), которые усиливают (чаще всего уже вне кристалла) и подают на видеоконтрольное устройство (ВКУ). Движение электронного луча в кинескопе ВКУ синхронизовано с движением зарядовых пакетов в ПЗС. Это означает, что тактовая диаграмма составлена таким образом, чтобы за время прочерчивания лучом одной строки все элементы регистра очистились от зарядов. Тогда на строке появятся точки, число которых будет строго равно числу элементов регистра, а яркость пропорциональна зарядовому пакету данного элемента или, что то же самое, амплитуде импульса на выходе ПЗС. На рис. 3 показана картина на экране ВКУ, соответствующая полосам спроецированного на фоточувствительный ПЗС тест-объекта. Двумерное изображение с помощью ПЗС формируется в результате электронного сканирования по обеим осям. Для этого надо создать набор из линейных ФПЗС, образовав тем самым двухкоординатный ПЗС – двумерную матрицу фоточувствительных элементов, или матричный ФПЗС. Простейший матричный ФПЗС, содержащий десять линейных фоточувствительных регистров по десять элементов, показан на рис. 4. Каждый фоточувствительный регистр соединен с элементом сдвигового регистра, служащего для вывода зарядовых пакетов из матрицы. Этот выходной сдвиговый регистр не является фоточувствительным и выполняет только функции переноса.
Рис. 3. Формирование телевизионного изображения с помощью ФПЗС
Изображение с помощью объектива проецируют на поверхность матрицы (выходной регистр закрыт непрозрачным экраном). После того как в элементах фоточувствительных регистров накопились зарядовые пакеты, их переносят одновременно во всех регистрах, например вправо, как показано на рис. 3. После одного такта переноса крайние правые зарядовые пакеты перетекут в подготовленные потенциальные ямы выходного сдвигового регистра, скажем, под электроды второй фазы.
Рис. 4. Простейший матричный ФПЗС, содержащий 100 элементов
Все элементы сдвигового регистра оказываются заполненными. Приняв зарядовые пакеты, выходной регистр начинает переносить их на выход, пока полностью не очистится. Только затем в него перетекут следующие заряды из фоточувствительных регистров, и цикл переноса их на выход начнётся заново. Эти процессы повторяются, пока не очистятся все фоточувствительные регистры и матрица не окажется готовой к новому такту накопления.
Блок-схема телевизионного приёмника приведена на рис. 5.
Современные телевизионные приёмники выполнены по супергетеро-динной схеме. Этот принцип работы заключается в следующем. ТВ-сигнал принимается на антенну, усиливается в УВЧ и поступает в смеситель. В смеситель кроме полезного ТВ-сигнала поступает сигнал от вспомогательного генератора (гетеродина). Частота выходного сигнала смесителя при переключении каналов синхронно перестраивается таким образом, чтобы разность несущей частоты принятого ТВ-сигнала и частоты гетеродина оставалась постоянной и равной частоте УПЧИ (38 МГц для видеосигнала и 31,5 МГц для сигнала звукового сопровождения). Полоса частот ТВ-сигнала составляет 8 МГц. На рис. 6 последовательно приведены: а) спектральная характеристика ТВ-сигнала; б) частотная характеристика усилителя промежуточной частоты (УПЧИ); в) фазовая характеристика УПЧИ; г) амплитудная характеристика УПЧИ.
Рис. 6. а) спектральная характеристика ТВ-сигнала; б) частотная характеристика усилителя промежуточной частоты (УПЧИ); в) фазовая характеристика УПЧИ;