Для кольорового телебачення використовують датчики, які складаються з декількох монохромних трубок, спеціальні кольорові трубки, пристрої з біжучим променем або твердотільні датчики.
Твердотільні датчики. Твердотільні фотоелектронні пристрої (ФЕП) розроблені на базі приладів з зарядовим зв’язком (ПЗЗ). Представимо собі структуру МДН – транзистора, наприклад на n-підкладці, в якому затвор розділений на велике число секцій (рис 1.33,а). Виділимо першу секцію затвору З1 та останню З2, а інші з’єднаємо між собою через дві секції так, щоб створилися паралельні тріади. Подамо на шину 1, що з’єднує перші елементи тріад, від’ємний потенціал U1 = -Uxp, а на дві інші шини – нульовий потенціал відносно заземленої підкладки.
а)
б) в) г)
Рис. 1.33
В цьому випадку під всіма електродами 1 створюються потенціальні ями, в яких можуть зберігатися додатні заряди, якщо їх якимось чином туди ввести. Це можна зробити по-різному, наприклад можна подати імпульсну напругу Uиз1 між витоком В та затвором З1. Заряд, створений під дією цієї напруги, зосереджений в потенційній ямі під електродом 1, найближчим до З1. Змінимо потенціал на шині 2 до значення U2 = -1,5Uxp. Тоді під електродами 2 створяться більш глибокі потенційні ями, в які заряди перетечуть з-під сусідніх електродів 1 (рис. 1.33, б).
Після цього встановимо U1 = 0, а U2 = -Uхр. Тепер заряд зберігається під електродом 2 першої тріади (рис. 1.33,в). Встановимо потенціал шини 3 рівним U3 = – 1,5Uxp. При цьому заряди з-під електрода 2 перетечуть під електрод 3 в більш глибоку потенційну яму (рис. 1.33,г). Цей процес можна повторювати до тих пір, поки заряд не з’явиться під електродом, сусіднім до затвору З2.
Якщо в коло стоку С входить навантаження, то при відмиканні затвору З2 заряд потече через навантаження, створивши на ньому падіння напруги, пропорційне величині заряду. Таким чином, розглянута структура є зсувним регістром з вихідним узгодженим приладом, який може бути використаний для різних цілей: почергового виводу інформації, лінії затримки та ін. Розглянута структура працює в трьохтактному режимі. Технологічно вона найбільш проста.
При ускладненні структури, наприклад за рахунок використання діелектрика ступінчатої форми (рис. 1.34), вдається за допомогою одного електрода створити на сусідніх ділянках потенційні ями різної глибини, що дозволяє перейти до двотактної схеми переміщення зарядів.
а) б)
рис. 1.34
Якщо З1 замкнути, а заряди під електродами генерувати за рахунок дії світла, то створюється лінійно-рядковий ФЕП, придатний для використання в системах однорядкової розгортки. Щоб забезпечити ефективне накопичення зарядів, необхідно розділити процеси накопичення та зчитування. Це забезпечується побудовою ФЕП рядкової структури (рис. 1.35).
ФЕП складається з двох секції: секції 1, призначеної для накопичення зарядів під дією світла, та секції 2 – для їх переносу. Секція накопичення складається з трьох повздовжніх ізольованих між собою металевих напівпрозорих електродів, нанесених на підкладку кремнію, наприклад n-типу, зверху шару окисла (діелектрика). Всередині підкладки, перпендикулярно електродам, на відстанях, відповідно розмірам елемента розкладення, утворені дифузійні смужки 3 високого опору, які перешкоджають розтіканню зарядів вздовж електродів. Секцією переносу 2 є зсувний регістр, аналогічний наведеному на рис. 1.33,а.
рис. 1.35
Розглянемо роботу приладу. Під час прямого ходу рядкової розгортки здійснюється накопичення зарядів в світлочутливих комірках. Під час зворотного ходу рядкової розгортки, за допомогою керуючих імпульсних напруг U1, U2, U3, заряди з фоточутливих комірок переносяться в зсувний регістр. В наступному циклі прямого ходу рядкової розгортки, за допомогою керуючих тактових напруг U1‘, U2‘, U3‘, заряди з комірок зсувного регістру переносяться вздовж регістру до вихідного приладу, який забезпечує узгодження регістра з підсилювачем. Перевагами структури є висока роздільна здатність, яка досягає 2000 елементів на рядок. Основним недоліком – неприпустимість дефектів структури: виникнення дефекту хоча б одній комірці ПЗЗ зсувного регістру призводить до втрати сигналів від комірок, розташованих лівіше дефектної.
При побудові ФЕП на ПЗЗ – аналогів передаючих телевізійних трубок – практичне поширення набула паралельно-кадрова будова (рис. 1.36), яка містить три секції: накопичення 1, зберігання 2 та переносу зарядів 3. Секція 1 являє собою багатократне (по кількості рядків розкладення) повторення ФЕП рядкової структури (рис. 1.35). На неї проектується зображення. Горизонтальний розмір елементів розкладення визначається відстанню між багатотомними дифузними смугами 4, а вертикальний охоплює тріаду смуг. В реальних конструкціях лінійний розмір елемента розкладення складає 15-30 мкм. Секція 2 аналогічна секції 1, але захищена від світла. В секції 3 зсувний регістр такий же, як і в ФЕП рядкової структури.
Під час прямого ходу кадрової розгортки зображення проектується на секцію 1, в результаті чого утворюється в комірках ПЗЗ заряди, пропорційні освітленості цих комірок. В цей же час керуючі імпульси U1‘, U2‘, U3‘, рядок за рядком на інтервалі зворотного ходу рядкової розгортки переносять заряди в секцію 3, з якої вони виводяться керуючими напругами U1”, U2”, U3” під час прямого ходу рядкової розгортки та в її ритмі. Таким чином на виході зсувного регістру утворюється телевізійний сигнал. По закінченню прямого ходу кадрової розгортки все заряди з секції 2 є виведеними. Під час зворотного ходу кадрової розгортки керуючими імпульсами U1, U2, U3 з секції 1 в секцію 2 переноситься рядок за рядком всі заряди. Таким чином інформація про минулий кадр опиняється записаною в секції 2, а секція 1 вивільнена для накопичення зарядів від чергового кадру. Перевагами структури є простота, можливість отримання високої роздільної здатності (40-60 рядків на мм). Основним недоліком – неприпустимість дефектів в структурі: дефект хоча б в одній комірці ПЗЗ секції 1 або 2 призводить до втрати інформації в стовпці елементів, а в секції 3 – до втрати частини кадру, розташованого лівіше пошкодженого елементу.
По роздільній здатності ФЕП на ПЗЗ не поступаються вакуумним трубкам, а по багатьом параметрам значно їх переважають (табл. 1.2).
рис. 1.36
Рівень темнових струмів в ПЗЗ суттєво залежить від температури. При охолодженні до 3-50С зменшуються характерні спалахи темнового струму, а при –300С повністю усувається неоднорідність темнового струму. Для охолодження ПЗЗ застосовують напівпровідникові мікрохолодильники.
Таблиця 1.2
| Характеристика | Відикон | ФЕП на ПЗЗ |
| Чутливість | Середня | Висока |
| Растр | Плаваючий | Жорсткий |
| Довільна вибірка | Неможлива | Можлива |
| Обробка інформації всередині приладу | Неможлива | Можлива |
| Інерційність | Велика | Незначна |
| Споживана потужність, Вт | 5 | 0.5 |
| Напруга живлення, В | 200-400 | 5-25 |
| Маса, г | 50 | 5 |
| Об’єм приладу, см3 | 50 | 0.5 |
| Строк служби, ч | 800 | 15000 |
| Механічна міцність | 1000 | 20000 |
| Мікрофонний ефект | Існує | Відсутній |
| Стійкість до радіації | Висока | Низька |
Велика вразливість ФЕП з розділенням процесів накопичення та переносу зарядів обумовили пошук інших способів формування сигналів. Зокрема, є матричні прилади на ПЗЗ, що використовують принцип координатної адресації зарядового зв’язку між електродами. В такому датчику, який є матрицею з інжекцією заряду, в межах кожного елементу зображення розташовується два МДН-конденсатора 1 та 2, розмежовані областю 3 p-типу (рис. 1.37) та об’єднані шинами в стопці та рядки.
а) б) в)
рис. 1.37
В режимі накопичення два конденсатора находяться під від’ємним потенціалом відносно підкладки 4 та під обома електродами накопичується фотогенерований заряд неосновних носіїв (дірок) (рис. 1.37,а). При виборі рядка потенціал на ньому встановлюється рівним нулю. Це викликає перетікання заряду з-під всіх електродів цього рядку під електроди рядом розташованих стовпців (рис. 1.37,б ). Для опитування елементів цього рядку проводиться черговий скид на нуль напруг на всіх шинах стовпців (рис. 1.37,в), який супроводжується інжекцією в підкладку заряду, накопиченого в опитуваному елементі. Струм інжекції створює на навантажувальному резисторі Rн напругу зображення.
Порогова чутливість в матрицях з інжекцією зарядів складає 1 лк, а відношення Uc/Uш ≈ 100. Існують способи підвищення порогової чутливості до 0,1 лк при відношенні Uc/Uш ≈ 1000. Частотно-контрастні (апертурні) характеристики твердотільних датчиків набагато кращі характеристик відіконів у зв’язку з дискретністю елементів матриці та відсутності комутуючого електронного променя.