Метод линеаризации спектральной чувствительности МДП-фоточувствительных структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

метод линеаризации спектральной чувствительности мдп-фоточувствительных структур

УДК 621.384.3:537.2

Н.Р.Рахимов, С.Р.Алиев, Н.В.Заржецкая

Многоэлементные фотодиодные приемники предназначены для преобразования двухмерной (распределенной по площади) оптической информации от изображения в одномерную временную последовательность электрических сигналов. Они выпускаются в виде линеек и матриц. В линейках фотодиоды расположены в ряд (строку, линию) с равномерным небольшим шагом, а матричные представляют собой набор таких линеек. В табл. 1 приведены параметры многоэлементных твердотельных фотодиодов (Multi-Element Monolithic Type Photodiodes), выпускаемых японской фирмой Hamamatsu Photonics K.K. (Solid State Division).

Развертка изображения осуществляется последовательным считыванием сигналов каждого из фотодиодов линейки, в матричном варианте - производится поочередный опрос каждой линейки. В линейке одни электроды, например аноды фотодиодов, объединены в одну шину, а другие, в данном случае - катоды, выведены на коммутатор (коммутатор реализован, на транзисторных ключах). Коммутатор подключает каждый фотодиод к измерительной цепи. Цепь в простейшем случае может включать в себя источник питания и сопротивление нагрузки. В электронике режим последовательного опроса состояний большого числа элементов и передачи их на один вход называется мультиплексным (а устройство, организующее такой опрос, - мультиплексором).

Таблица 1.

Параметры многоэлементных фотодиодов

На рис. 1 показана структурная схема, и на рис. 2 - общий вид отечественного многоэлементного фотодиода ЛФ1024. Линейка содержит 1024 фоточувствительные ячейки (ФЧЯ), фотодиоды которых расположены на одной оси, а расстояние между центрами соседних фотодиодов (шаг линейки) составляет 25 мкм. Кроме линейчатой решетки фоточувствительных ячеек ЛФ1024 содержит 2 динамических сдвиговых регистра (далее регистра), формирующих управляющее напряжение для фото ячеек в форме кода "бегущая единица". Первый регистр всегда осуществляет управление стиранием фото ячеек.

Управление работой регистров может осуществляться раздельно, для чего на каждый из регистров подаются импульсы 0ст, 1ст, 2ст и 0сч, 1сч, 2сч. В схеме, каждого из регистров предусмотрен выход КР "конец регистра". Наличие логической "1" на котором свидетельствует о завершении цикла стирания или считывания и возможности запуска следующего цикла. Все фото ячейки линейки разделены на четные и нечетные и имеют раздельные шины смещения фотодиодов (Uсмф1, Uсмф2) и раздельные выходные шины (Вых.1, 2). Это обстоятельство позволяет использовать прибор ЛФ1024 в качестве фотодиодной линейки 1 Ч 512 с шагом 50 мкм [3 - 7].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурная схема фотодиодной линейки ЛФ1024

Рис.2. Общий вид многоэлементного ПОИ

На рис. 3 показана принципиальная схема ФЧЯ. Каждая ФЧЯ содержит фотодиод (ФД) и три МДП - транзистора Т1, Т2, ТЗ. Сток транзистора Т1 подключен к шине и соответствующему выводу Uсмф1 у нечетных и Uсмф2 у четных фото ячеек. Аналогично сток транзистора Т2 подключен к шине и соответствующему выводу Uп.п.1 у нечетных и Uп.п.2 у четных фото ячеек. Затвор транзистора Т1 подключен к выходу регистра стирания, а затвор транзистора ТЗ - к выходу регистра считывания. Исток транзистора ТЗ соединен с Вых.1 у нечетных и с Вых.2 у четных фото ячеек.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и временная диаграмма (б) фоточувствительной ячейки

Принцип работы фото ячейки состоит в следующем. На выводы Uсмф1.2, Uп.п.1,2 подается постоянное напряжение от источника питания. На затворы транзисторов Т1 и ТЗ от соответствующих регистров поступают импульсы стирания и считывания. При поступлении импульса от регистра стирания на затвор транзистора Т1 переводится в проводящее состояние (открывается), и емкость фотодиода заряжается до напряжения источника питания, подаваемого на вывод Uсмф1,2. В момент окончания импульса стирания (время t1, рис.3,б), транзистор Т1 закрывается, а емкость фотодиода начинает разряжаться под действием фототока и темнового тока фотодиода. Перепад напряжения на емкости фотодиода тем больше, чем больше мощность падающего на фотодиод оптического излучения и чем больше время его накопления (экспозиции). Интервал накопления оканчивается при поступлении на затвор транзистора ТЗ импульса от регистра считывания (момент времени t2). Таким образом, время t2 - t1 равно времени накопления (экспозиции). Напряжение на емкости фотодиода изменяет проводимость канала транзистора Т2. При поступлении в интервале времени t3 - t2 импульса считывания на затвор транзистора ТЗ, последний переводится в проводящее состояние, и через каналы транзисторов Т2, ТЗ протекает ток по цепи: источник питания - транзистор Т2 -транзистор ТЗ - нагрузка, величина которого определяется напряжением на затворе транзистора Т2 и, следовательно, зависит от мощности оптического излучения. С выхода фото ячейки считывается импульс тока или напряжение, амплитуда которого зависит от энергии потока оптического излучения, падающего на фотодиод в течении времени накопления (экспозиции) [3 - 6].

Для получения линеаризованной фотоэлектрической модели рассмотрим приближения малого и большого сигналов.

В работе [2] получена линеаризованная фотоэлектрическая модель для малого оптического сигнала, учитывая которую можно написать уравнение для больших сигналов.

При больших оптических сигналах напряжение на истоке МДП-фотодиода можно аппроксимировать выражением

(1)

где Ф - поток; ФН - поток насыщения; и - коэффициент пропорциональности, зависящий от падающего потока.

При увеличении мощности оптического излучения Ф > ФH получим:

(2)

Учитывая выражения для напряжения истока можно принять:

(3)

(4)

(5)

где - удельная емкость,

- удельный темновой ток фотодиода в режиме малого сигнала.

Подставляя (2) в выражения (3), (4), (5) получим аппроксимации для емкостей исток-подложка, сток-подложка и темного тока фотодиода в режиме большого сигнала: (ЗДЕСЬ НЕПОНЯТНО?)

(6)

(7)

(8)

где - удельная емкость; q - заряд электрона; - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала подложки; - концентрация примеси в подложке; - контактная разность потенциалов; - площадь истока; - площадь стока; - концентрация собственных носителей; - время жизни неосновных носителей.

Удельный темновой ток - фотодиода в режиме большого сигнала можно выразить в виде:

(9)

Таким образом, при отдельном рассмотрении режимов малого и большого сигналов нелинейные относительно напряжения на истоке параметры могут быть заменены линейными. Эквивалентную схему интегрального МДП-фотодиода с линеаризованными параметрами можно представить следующим образом (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Эквивалентная схема МДП - фотодиода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кругликов С.М., Логинов А.В. Многоэлементные приемники изображения. // Новосибирск: «Наука». Сибирское отделение РАН. - 1991 г.

2. Рахимов Н.Р., Алиев С.Р., Кутенкова Е.Ю. Математическая модель МДП-фотодиодной многоэлементной системы и ее компонентов. // Научный вестник. № 1, 2012 г. С. 40-43.

3. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения // Сб. статей под ред. П. Йесперса и др. Пер. с англ. под ред. Р.А.Суриса. - М.: Мир, - 1979 г.

4. Кузнецов Ю.А., Ушаков А.Б. Физические принципы действия полупроводниковых многоэлементных приемников оптического излучения. // Обзоры по электронной технике. -1978. - Сер. 2, вып.

5. Кругликов С.В., Наймарк С.И. Интегральные МДП фотодиодные устройства и их применение. Ч. II. Интегральные МДП фотодиодные элементы, линейки и матрицы // Обзоры по электронной технике. - 1980. - Сер. 3, вып. 3.

6. Bashe R. Charge couplet imaging technology // Electron. - 1978. - N 146. - P.31

СПРАВКА ОБ АВТОРАХ

Рахимов Неъматжон Рахимович

ФГБОУ ВПО «СГГА», д.т.н., профессор кафедры специальных устройств и технологий, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10. телефон +7(383)344 40 58, факс +7(383)344 40 58, E-mail: n_rah@ngs.ru

Алиев Сухроб Райимжонович

Андижанский государственный университет, магистрант, 710020, Андижан, ул.Университетская, 129. телефон +99874 255 30 62, факс (374) 222 18 63, E-mail: Suhrob_asr89@yahoo.com

Наталья Викторовна Заржецкая

ФГБОУ ВПО «СГГА», старший преподаватель кафедры специальных устройств и технологий, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10. телефон +7(383)344 40 58, факс +7(383)344 40 58, E-mail: zarjetskaya@yandex.ru

статьи: Метод линеаризации спектральной чувствительности МДП-фоточувствительных структур

Авторы: Н.Р.Рахимов, С.Р.Алиев, Н.В.Заржецкая

В статье рассмотрен метод линеаризации спектральной чувствительности МДП-фоточувствительных структур. Для получения линеаризованной фотоэлектрической модели предлагаются математические модели приближения малого и большого сигналов.

SUMMARY

THE LINEARIZATION METHOD SPECTRAL SENSITIVITY MOS - PHOTOSENSITIVE STRUCTURES

N.R.Rakhimov, S.R.Aliyev, N.V.Zarzhetskaya

The paper presents a method of linearization of the spectral sensitivity of photosensitive MOS structures. For the linearized model of the photovoltaic proposed mathematical model approach for small and large signals.

В редакции журнала

«Узбекский физический журнал» АН РУз

Ректорат Андижанского государственного университета просит Вас опубликовать на страницах журнала «Узбекский физический журнал» АН РУз статью «Метод линеаризации спектральной чувствительности МДП-фоточувствительных структур» авторов Н.Р.Рахимов, С.Р.Алиев, Н.В.Заржецкая, подготовленной в рамках программы фундаментальных и прикладных исследований международного сотрудничества между Андижанским государственным университетом и Сибирской государственной геодезической академией.

Текст статьи на 8 страницах, в т.ч. 4 рисунков, 1 таблицы и акт экспертизы в двух экземплярах прилагаются.

Ректор Т.Мадумаров

«УТВЕРЖДАЮ»

Ректор Андижанского государственного

университета, д.б.н., профессор

____________ Т.Мадумаров

«____» _____________2012 г.

ЭКСПЕРТНОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Министерство Высшего и Среднего специального образования

Республики Узбекистан

Председатель экспертной комиссии (руководитель-эксперт) Андижанского государственного университета д.ф-м.н., профессор С.Зайнабидинов

рассмотрев «Метод линеаризации спектральной чувствительности МДП-фоточувствительных структур» авторов Н.Р. Рахимов, С.Р.Алиев, Н.В.Заржецкая

подтверждает, что в материале отсутствуют сведения, относящиеся к 3-разделу Положения 95.

Для печатания материала в журнале «Узбекский физический журнал» не следует получить разрешение Министерства Высшего и среднего специального образования РУз или другой организации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: рассмотренный материал может быть опубликован в открытой печати.

Экспертная комиссия С.Занабидинов

Руководитель патентного отдела А.Аскаров

Руководитель спец.отдела Г.Ибрагимова

Размещено на Allbest.ru