WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

«Л. Лазовский, mailto:leo Электронная версия книги подготовлена фирмой АВТЭКС Санкт-Петербург, E-mail: info ПРИБОРЫ С ...»

-- [ Страница 1 ] --

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ:

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

Л. Лазовский, mailto:leo@inbox.ru

Электронная версия книги подготовлена фирмой АВТЭКС Санкт-Петербург,

http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс, помимо очевидных приобретений (не всегда, впрочем, замечаемых неблагодарным человечеством), сопровождается также и безвозвратными потерями (тоже порой незаметными). Так, широкое распространение электронных калькуляторов привело к практически полному исчезновению непременного атрибута инженера многих предыдущих десятилетий – логарифмической линейки, и кошмара школьников прошлых лет – таблиц Брадиса. А кто из читателей сможет вспомнить, когда он последний раз пользовался копиркой? Принтеры и ксероксы, стоящие едва ли не в каждой комнате любого мало-мальски солидного учреждения, избавили тысячи и тысячи машинисток (тоже ведь уходящая профессия!), да и нас, грешных, от этой головной боли.

Похоже, что вслед за этими символами своих эпох уходят и такие, казалось бы, незаменимые вещи, как кино- и фотопленка. Уходят под натиском ПЗС.

В этой статье я постараюсь рассказать, как устроены ПЗС (приборы с зарядовой связью; в английской аббревиатуре - CCD, charge-coupled devices), как они возникли и развивались и какое место занимают сейчас. Разумеется, это изложение ни в коей мере не может претендовать на полноту или объективность (в силу ограниченных возможностей автора и его пристрастности), однако, надеюсь, позволит удовлетворить любопытство тех, кто всегда хочет знать, «а как оно устроено?»

В НАЧАЛЕ БЫЛО…

Вскоре после того, как был изобретен транзистор и, впоследствии, планарная технология, полупроводниковые приборы заменили вакуумные, либо были близки к этому почти во всех областях электроники, за исключением трех, еще долго не поддававшихся «кремнизации» – генераторные лампы для мощных передатчиков, высоковольтные приборы (кенотроны, рентгеновские трубки...) и приборы для ТВ – кинескопы и передающие трубки.

Я полагаю, нет необходимости объяснять, чем твердотельный приёмник изображения лучше, чем вакуумная передающая трубка. Достаточно сказать, что процессор Пентиум с его 5 миллионами транзисторов потребляет энергии меньше, чем один ламповый триггер, а о массогабаритных показателях, механической стойкости и сроке службы можно не упоминать. Ничего удивительного, что попытки создать твердотельный аналог передающей трубки – после изобретения компанией Texas Instruments планарной технологии в 1960 г.

– не заставили себя ждать. Все такие разработки без исключения представляли собой матрицу фоточувствительных элементов (как правило, фоторезисторов или фототранзисторов) и схемы сканирования по вертикали и горизонтали (регистры сдвига на биполярных, а позднее и полевых транзисторах). Число элементов разложения этих датчиков не превышало 256 на 256, а качество изображения с ©Л. Лазовский, E-mail: leo@inbox.ru ©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru –2–

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

них было удручающим – как из-за низкой чувствительности, так и, в первую очередь, из-за числа дефектов, свойственных тогдашнему уровню технологии.

Весьма раздражающей для глаза была и структурная неоднородность (выглядевшая как полосатость), связанная с неоднородностью выходных емкостей шин считывания разных столбцов (или строк – в зависимости от организации конкретного прибора).

Луч света забрезжил, как это часто бывает, с неожиданной стороны. В 1970 г.

сотрудники фирмы Bell Laboratories У. Бойл и Дж. Смит в поисках электрического аналога схем на цилиндрических магнитных доменах предложили и продемонстрировали экспериментально принцип зарядовой связи. Самый первый ПЗС представлял собой аналоговый (!) регистр сдвига на 8 элементов, изготовленный по p-МОП технологии с молибденовыми затворами, а вскоре появились и двумерные матрицы. Очень быстро стало ясно, что присущее ПЗС свойство самосканирования (об этом чуть дальше) устраняет необходимость в регистрах развёртки, создававших столько проблем в предшествующих типах датчиков.

Дальнейший рывок в технологии и параметрах ПЗС был связан с появлением скрытого канала переноса (об этом тоже ниже) и применением прозрачных электродов из поликристаллического кремния, что резко повысило чувствительность приборов. Уже в середине 70-х появились первые коммерческие матрицы производства фирм Fairchild, Bell и RCA в США и Philips в Европе, совместимые с ТВ стандартом (т. е. имеющие разрешение по вертикали 476 или 576 строк соответственно для американского или европейского стандартов разложения и, по меньшей мере, 350 элементов разложения по горизонтали). А вскоре в Японии было налажено массовое производство недорогих ПЗС приемлемого качества для бытовой электроники - и на смену кинокамерам в массовом порядке пришли видеокамеры.

Революционное воздействие оказали ПЗС на астрономию, где их появление по степени влияния сравнимо разве что с тем, которое оказало применение в качестве средства регистрации фотопластинок вместо человеческого глаза (собственно, именно астрономия стала той первой отраслью человеческой деятельности, где фотоэмульсия уступила место кремнию). С другой стороны, и требования, предъявляемые астрономией, особенно космического базирования, к ПЗС, стимулировали развитие технологии их изготовления, и ныне приборы с числом элементов 4096 на 4096 и с квантовым выходом около 90% уже не являются экзотикой.



Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс и сканер... - всё это тоже стало возможным и доступным благодаря ПЗС.

Итак… ©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

КАК ЖЕ ОНИ УСТРОЕНЫ?

Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям функциональной электроники, то есть их нельзя представить как совокупность транзисторов или же конденсаторов. Сам же принцип зарядовой связи весьма прост и основан на двух равно фундаментальных положениях: 1) одноимённые заряды отталкиваются, и 2) рыба ищет где глубже. Для начала представим себе МОПконденсатор (сокращение от слов металл - окисел - полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов.

Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Первый ответ, который приходит на ум, – «ничего не будет, поскольку диэлектрик не проводит электричества» – не совсем верен, ибо электрическое поле через диэлектрик проникать может. И когда электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область – некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм.

Напротив, электроны, если они каким-либо образом (например, в результате фотогенерации) окажутся вблизи, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т.е. как бы сваливаются в яму, которая совершенно официально называется потенциальной ямой (Рис.1а). При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и в конце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние (так что действительно «ничего не изменилось» - почти!) – за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.

Рис.1а. Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору.

©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (Рис.1б). Так вот, если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальны ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если её потенциал выше (т.е. если она глубже), в полном соответствии с упомянутым выше фундаментальным принципом. Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры.

Рис.1б. Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов.

Заряд перетекает в яму, в которой потенциальная яма глубже.

Замечательное свойство ПЗС – свойство самосканирования – состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (Рис.1в). Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС.

Рис.1в. Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.

©АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autex.spb.ru, E-mail: info@autex.spb.ru

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ: ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЗГЛЯД НА МИР

Рис.1г. Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -это три меандра, сдвинутые на 120°.

Рис.1д. Вид на регистр «сверху». Канал переноса в боковом направлении Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на Рис.1г. Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере на одной тактовой шине, должен присутствовать высокий потенциал, и по крайней мере на одной – низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (Рис.1д). Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т.е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т.е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме (если она вообще образовалась).

Понятно, что на полную передачу заряда из одной ямы в другую требуется время, так что при высокой тактовой частоте (а для ТВ стандарта она составляет в регистре считывания 7-13 МГц в зависимости от числа элементов по горизонтали) этого времени может и не хватить. Величина, показывающая, какая часть зарядового пакета передалась в следующий элемент ПЗС, называется эффективностью переноса.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
 



Похожие работы:

«2 Содержание 1. Цель и задачи дисциплины...3 2. Содержание дисциплины...4 3. Содержание дисциплины (заочное обучение)...5 4. Реализация требований Государственного стандарта...6 5. Лекции....7 6. Лабораторно-практические занятия и семинары...14 7. Курсовая работа по земледелию...17 8. Самостоятельная работа студентов...19 9. Самостоятельная работа студентов (заочное обучение)..19 10. Учебно-методическое обеспечение дисциплины...20 10.1. Рекомендуемая литература...20 10.2. Средства обеспечения...»

«Кафедра ИОиП Реферат на тему: ДРЕВНЯЯ РУСЬ VI-XIII вв. Выполнил: ПИЭ-41 Проверила: Барнаул – 2005 Введение Главный источник наших знаний о древней Руси - средневековые летописи: Повесть временных лет (начало 12 века), Киевская (12 век), Галицко-Волынская (13 век) и другие. В архивах, библиотеках и музеях их насчитывается несколько сот, но по существу это одна книга, которую писали сотни авторов. Свыше 11 веков тому назад восточные славяне создали свое первое государство. Летописи и прочие...»

«Шалпыков К.Т. Бейшенбеков М.А. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УХОДУ ЗА СМОРОДИНОЙ В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ Бишкек – 2010 2 В данной публикации изложены результаты Регионального проекта In situ/On farm сохранение и использование агробиоразнообразия (плодовые культуры и их дикие сородичи) в Центральной Азии. Проект осуществляется в пяти странах – Казахстан, Кыргызстан, Таджикистан, Туркменистан, Узбекистан и координируется Bioversity International при финансовой поддержке Глобального Экологического Фонда (GEF) и...»

«БЕЛИНКА даты, события, люди Март. 2014 Составитель Л. Ф. Туголукова Содержание Мероприятия общебиблиотечные (международные, федеральные, региональные, городские) Мероприятия в дирекции (оперативные совещания при директоре, совещания зав. отделами, закупки) Мероприятия в отделах Выставки. Презентации Лекции. Семинары. Клубы Вечера. Проекты. Программы Ремонтно-реставрационные работы В профсоюзном комитете Информация о деятельности СОУНБ в средствах массовой информации, Интернете. 11 Приложение....»

«ФОРМЫ И СМЫСЛЫ ВРЕМЕНИ (ФИЛОСОФСКИЙ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ПРАКТИЧЕСКИЙ АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ) Сборник научных трудов Новочеркасск НОК 2010 1 УДК 115:00 ББК 87.21:72 В 81 Редакционная коллегия: В.С. Чураков (председатель редакционной коллегии), П.Д. Кравченко, Н.Е. Галушкин, В.А. Вейник, С.Л. Загускин, А.М.Заславский, Р.Г. Зарипов, А.В. Коротков, Т.П. Лолаев, В.Е. Мешков, Ю.В.Никонов, Л.С.Шихобалов, Л.А. Штомпель, О.М. Штомпель, И.А.Яксина. Рецензенты: доктор физ-мат.наук, профессор Асанов Г.С.;...»

«XIV СЪЕЗД РУССКОГО ЭНТОМОЛОГИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА Россия, Санкт-Петербург 27 августа – 1 сентября 2012 г. Материалы съезда Санкт-Петербург Галаника 2012 XIV съезд Русского энтомологического общества. Россия, СанктПетербург, 27 августа – 1 сентября 2012 г. Материалы съезда. 499 с. XIV Congress of the Russian Entomological Society. Saint Petersburg, August 27 – September 1, 2012. Materials of the Congress. 499 pp. ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Редакционная коллегия:...»

«Седьмая Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ 14-16 февраля 2012 года Сборник научных трудов Том 1 ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Уфа 2012 Актуальные проблемы в науке и технике. Том 1. Информационные и инфокоммуникационные технологии. Сборник научных трудов седьмой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых, 14-16 февраля, 2012 г. / Уфимск. гос. авиац. тех. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2012. – 405 с. В...»

«Проблемы эрозии в Азербайджане и пути ее решения БАКУ –2000 Рецензенты: А.А.ИБРАГИМОВ профессор кандидат сель.хоз. наук К.М.БАБАЕВА Ответственный редактор: доктор географических наук, Б.К.ШАКУРИ профессор Редактор: СЕВДА МИКАИЛГЫЗЫ Б.Г.Алиев доктор технических наук, академик И.Н.Алиев, Проблемы эрозии в Азербайджане и пути ее решения. 122 стр., Баку, ZIYA-ИПЦ Нурлан, 2000 В настоящей монографии рассматриваются проблемы эрозии в Азербайджане и пути ее решения. Дана конкретная рекомендация для...»

«Нурмуратулы Т., Маденов Э.Д., Нуртазина Н.Ю., Карычева Л.А., Габрельян В.З., Есболаева Б.М. ГЕНОФОНД МЕСТНЫХ И СТАРОДАВНИХ СОРТОВ ЯБЛОНИ, ГРУШИ, АБРИКОСА И ВИНОГРАДА НА ЮГЕ И ЮГО-ВОСТОКЕ КАЗАХСТАНА Алматы, 2012 г. В данной публикации изложены результаты Регионального проекта In situ/On farm сохранение и использование агробиоразнообразия (плодовые культуры и дикие плодовые виды) в Центральной Азии за 2006-2011 гг. Проект осуществляется в пяти странах Казахстане, Кыргызстане, Таджикистане,...»

«ГЕОЛОГИЯ И СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ КОЛЬСКОГО РЕГИОНА Труды IX Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии, посвящённой 60-летию Геологического института КНЦ РАН Апатиты, 2-3 апреля 2012 г. Апатиты, 2012 УДК 55 + 553 (470.21) ISSN 2074-2479 Геология и стратегические полезные ископаемые Кольского региона. Труды IX Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии, посвящённой 60-летию Геологического института КНЦ РАН. Апатиты, 2-3 апреля...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.