Солнечные фотопреобразователи

1. Солнечные фотопреобразователи

Фотогальванический (фотовольтаический) эффект заключается в
возникновении ЭДС на p-n- (p-i-) переходе под действием
светового излучения.
.

2.

3. Многоэлементные ФП с параллельным опросом

4. ФП с последовательным опросом

5. Фотоприбор с зарядовой связью (ФПЗС)

Простейшие линейные (а)
и матричные (б) структуры приборов
с зарядовой связью:
1-кристалл кремния; 2 — выходные
контакты; З — электроды;
4-стоп-каналы; 5— система разводок.

6.

7.

8.

Режимы работы ПЗС: а – режим покоя; б – режим хранения информации;
в – режим считывания информации
Стоп-каналы в ПЗС- матрице

9. Накопление заряда в ФПЗС

/
N max U н Aэл Cок
/ e U н Aэл 0 ок
еd ок
U н - напряжение на металлическом электроде относительно подложки в режиме накопления;
/ - удельная емкость пленки окисла; е - заряд электрона;
Aэл - площадь электрода; C ок
0 - диэлектрическая постоянная; ок - диэлектрическая проницаемость окисла;
d ок - толщина пленки окисла.
N max max Aэл 0 ок Emax / e
E max - предельно допустимое значение напряженности электрического поля в пленке окисла.

10.

Q ( xi , y j ) k
xi d / 2 y d / / 2
E ( x, y )dxdy
xi d / 2 y d / / 2
xi , y j - соответственно координаты центра изображения элемента i-го столбца и j-й строки матрицы;
d и d' - соответственно размеры элемента вдоль направления строк и столбцов матрицы; k коэффициент пропорциональности, который при фиксированном времени накопления Тн и
заданном спектральном составе оптического излучения можно рассматривать как
интегральную чувствительность элементов ФПЗС.
Tн
Qc H c E (t )dt
0
H c - экспозиция оптического излучения, лк·с; Тн — время экспонирования, с.
Qc ETн
Qc 0,7 0,8Qнас

11.

12.

_
_
QТ i Т АэлТ н
_
i Т - средняя плотность темнового тока накопления заряда, характерная для данного
полупроводникового материала при рабочей температуре кристалла;
Аэл - площадь электрода, под которым осуществляется накопление.
_
Г QT H Г
_
QT
- среднее по кристаллу значение темнового заряда;
H Г - коэффициент относительного разброса темновых токов по кристаллу ФПЗС, значение
H Г может достигать 10—15%.
iT exp[ E з / kT ]
Ез - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала

13. Перенос заряда в ФПЗС

коэффициент неэффективности
q1
- заряд до акта передачи;
q1 q0 q0 q0 (1 )
1 q2 / q1
q2 - заряд, перенесенный в соседнюю потенциальную яму
q 2 q0 (1 )
2
q n q0 (1 ) n
q 0 - заряд, накопленный в ячейке до переноса; п = km, k - число фаз управления (в трехфазных
ПЗС k = 3); т — число ячеек вдоль направления переноса.
Методы снижения шума переноса:
1. Введение фонового заряда в каждую ячейку;
2. Смещение канала переноса вглубь п/п (скрытый канал переноса)
Структура ФПЗС со скрытым каналом переноса.

14.

Детектирование зарядовых пакетов
Образование скрытого канала
переноса заряда в ПЗС

15.

Организация
фотоприемников
на основе
ПЗС-структур

16.

ПЗС- матрица с межстрочным переносом
ПЗС-матрица с покадровым переносом

17. Параметры и характеристики ФПЗС

Амплитуды (10…30 В) и фронты (10…100 нс) управляющих трапецеидальных
импульсов;
Потери при единичном акте передачи заряда или коэффициент
неэффективности (10-3…10-5 );
Максимальная тактовая частота (1…5 МГц для поверхностных и 10…50 МГц
для объемных ФПЗС)
Максимальная поверхностная плотность зарядового пакета при насыщении
потенциальной ямы или соответствующая ему экспозиция насыщения (50
нКл/см2 и 300 нДж/см2);
Минимальная плотность зарядового пакета различимая на фоне шумов, или
соответствующая ему пороговая экспозиция (50 пКл/см2 и 0,3 нДж/см2);
Спектральная чувствительность и спектральный диапазон (для кремниевых
ФПЗС (0,1…0,4 А/Вт и 0,4…1,1 мкм);
Динамический диапазон (60 дБ);
Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), определяющая разрешающую
способность (10…50 лин/мм);
Среднеквадратичное значение шумового напряжения на выходе;
Обнаружительная способность
Коэффициент взаимного влияния (связи) элементов ФПЗС;
Допустимое время накопления заряда при заданной температуре кристалла.

18.

При заданном времени накопления интегральную чувствительность ФПЗС
можно определить как отношение приращения напряжения (тока)
выходного сигнала к приращению освещенности заданного спектрального состава на фоточувствительном элементе
В/(лк·с), А/(лк·с)
U c пор S(U / H ) H пор
U c max S (U / H ) H нас
Динамический диапазон ФПЗС
U c max / U c пор Eнас / Eпор
(лин./мм)
ЧКХ
,
Разрешающая способность
Rx max 0,5 / x R y max 0,5 / y (лин./мм)
Среднеквадратичное значение шумового напряжения на выходе ФПЗС
2
2
2
2
2
2
ш шТ
шф
шс
шг
шп
шву
Обнаружительная способность
D 1 / H min
H min шн /( KS(U / H ) )
K ( Eс Eф ) / Eф

19. Фотоприборы с зарядовой инжекцией (ФПЗИ)

20.

21.

22. КМОП-матрица (комплементарные металл-оксидные полупроводники)

1 – светочувствительный элемент (фотодиод); 2 – затвор;
3 – конденсатор, сохраняющий заряд с ФД; 4 – усилитель;
5 – шина выборки строки; 6 – вертикальная шина, передающая
сигнал процессору; 7 – сигнал сброса.