Лекция 16

Фоточувствительные приборы с зарядовой связью

Фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой специфическую ИМС на основе МДП-структур с регулярной системой электродов, расположенных на поверхности диэлектрика близко друг от друга, так что становится существенным их взаимное влияние (перекрытие полей электродов внутри кристалла).

Рис. 29. Схема участка ПЗС.

Принцип действия приборов с зарядовой связью заключается в том, что на электроды подаются импульсы напряжения, создающие в приповерхностной области неравновесное обеднение основными носителями заряда. В зависимости от соотношения амплитуд импульсов напряжения на соседних электродах реализуется режим хранения или переноса вдоль поверхности зарядового пакета неосновных носителей в подэлектродных областях.

Рис. 30. Распределение потенциала в поверхностном слое трехтактного ПЗС.

В фоточувствительных приборах с зарядовой связью неосновные носители в области обеднения создаются при освещении вследствие фотогенерации электронно-дырочных пар. Пространственное распределение интенсивности излучения преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализованных в приповерхностной области. Время хранения зарядовых пакетов составляет 1-100 мс, соответствуя длительности одного кадра. Затем зарядовые пакеты перемещаются от элемента к элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, соответствующую распределению излучения, то есть осуществляется стандартный ТВ алгоритм восприятия образа. Для приема цветного изображения используется система фильтров.

Оптроны

Оптроны - взаимосвязанные пары излучатель-приемник и соответствующая схемотехника.

Источниками излучения могут быть лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные излучатели, но чаще всего используются светодиоды. Приемники – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Среда оптического канала – воздух, стекло, пластмасса или другое прозрачное вещество.

Элементарный оптрон содержит 1 источник и 1 приемник, поэтому носит название оптопара, более сложные оптроны, объединенные в ИМС с одним или несколькими согласующими или усиливающими устройствами называют оптоэлектронными ИМС.

Основные параметры оптронов

На рис. 36. показаны наиболее типичные конструкции оптопар.

Рис. 36. Примеры типичных конструкций оптопар.

Для увеличения эффективности передачи светового потока от источника к приемнику используют более сложные конструкции оптронов.

Рис. 37. Конструкции оптопар с более эффективной передачи излучения.

Оптоэлектронные микросхемы могут включать в себя бескорпусные излучающие диоды, бескорпусные оптроны и ИМС.

Применяемые в настоящее время оптроны являются гибридными устройствами, что относится к конструктивным недостаткам. Разрабатываются также монолитные оптопары, которые представляют собой интегрированные твердотельные излучающие и приемные структуры, изготавливаемые в одном технологическом процессе. На рис. 38. показаны варианты монолитных устройств.

Рис. 38. Примеры конструкций оптронов на основе монолитных устройств.

Резисторные оптроны

В резисторных оптронах в качестве приемников оптического излучения используются фоторезисторы на основе пленок CdS и CdSe. Особенностью фоторезисторов является сравнительно большая инерционность (t_п=10^-1с), поэтому источниками излучения в этих оптронах могут быть лампы накаливания. Используются также светодиоды на основе GaP, согласованные по спектру излучения.

Рис. 39. Обозначение резисторных оптопар

Достоинства резисторных оптопар: воспроизводимость, большой срок службы, малая стоимость, линейность и симметричность выходной характеристики, отсутствие фотоЭДС, высокое значение U_вых (до 250 В), высокое значение R_т≈10⁶÷10¹¹ Ом.

Диодные оптопары

Рис. 41. Обозначение диодных оптопар.

Обычно диодные оптопары изготавливаются на основе кремниевых p-i-n-фотодиодов и арсенидгаллиевых излучающих диодов.

Транзисторные оптроны

В транзисторных оптронах используются арсенидгаллиевые излучающие диоды и кремниевые фототранзисторы, иногда составные. Оптроны с составным транзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками по оку (в результате внутреннего усиления K_I может достигать 1000%).

Рис. 43. Обозначение оптопар транзисторных (а) и с составным транзистором (б).

К достоинствам транзисторных оптронов относится возможность управлять величиной выходного тока как оптическими, так и электрическими методами, а также сравнительно высокие значения K_I и I_вых при удовлетворительном быстродействии.

Тиристорные оптроны

Рис. 44. Обозначение тиристорных оптронов.

Тиристорные оптроны используются в качестве ключей для коммутации сильнотоковых и высоковольтных цепей радиоэлектронного и электротехнического назначения. Тиристорные оптроны позволяют осуществлять управление значительными мощностями в нагрузке, а по входу совместимы с ИМС.

Дифференциальные оптроны

Дифференциальные оптроны – в них один излучатель воздействует на два идентичных фотоприемника. Подобие входных характеристик двух каналов позволяет использовать их для передачи нескольких аналоговых сигналов: первый канал для непосредственной передачи, второй канал для цепи обратной связи.

Рис. 45. Обозначение дифференциальных оптронов.

Регенеративные оптроны

Регенеративные оптроны отличаются наличием обратной связи между излучающими и фотоприемными элементами. Регенеративные оптроны используются как бистабильные элементы, заданному значению напряжения U₁ соответствует два значения выходного тока I₂, т.е. они имеют S-образную ВАХ. Данные оптроны используются как переключатели, усилители, генераторы.

Рис. 46. Типичная схема регенеративного оптрона и зависимость выходного тока от входного напряжения.

Широко применяются также оптроны с открытым оптическим каналом, в которых в зазор между излучателем и приемником имеется доступ извне. Они используются в бесконтактной дистанционной технике в качестве индикаторов положения объектов и состояния их поверхности и др.