Что такое ПЗС-детектор?

Что такое ПЗС-детектор?

Рисунок 1. Вид сверху на ПЗС-датчик

ПЗС-детектор (датчик с зарядовой связью) — это полупроводниковый прибор, который преобразует интенсивность света в электрический заряд как прибор с зарядовой связью.

ПЗС-детекторы — это тип датчиков изображения (иногда называемых ПЗС) и были доминирующим типом до 2004 года, когда их превзошли датчики КМОП по количеству поставок.

Они состоят из большого количества элементов, называемых пикселями, расположенных в сетке, как показано на рисунке 1. Количество пикселей в камере относится к количеству этих элементов, используя единицу измерения пиксели. На практике это число обычно составляет миллионы пикселей.

Пиксели, передающие три основных цвета света, красный, зеленый и синий (RGB) или их дополнительные цвета голубой, пурпурный, желтый и зеленый (CMYG), расположены в виде мозаичного рисунка, и каждый пиксель передается по очереди вертикально и горизонтально, а сигнал усиливается усилителем и передается как данные изображения. Эту последовательность операций часто называют реле-баккетом. На рисунке 1 проводка показана так, как будто она находится рядом с пикселем, но на самом деле участок проводки расположен под пикселем. (См. рисунок 2)

Использование детекторов ПЗС

В то время как датчики КМОП являются основными в камерах, видеокамерах и сканерах, детекторы ПЗС часто используются во многих популярных цифровых камерах, астрономических телескопах и микроскопах из-за их превосходной чувствительности при длительных выдержках.

В последние годы детекторы CCD все чаще используются во встроенных камерах сотовых телефонов. Эти световые детекторы используются во многих областях, включая измерение интенсивности света, измерение изображений, DVD-считыватели и оптическое обнаружение сигнала в оптической связи.

Принципы детекторов CCD

Когда обедненный слой фотодиода получает свет, внутри образуется пара электрон-дырка. Это называется фотоэлектрическим эффектом. По мере увеличения интенсивности света увеличивается количество накопленного заряда. Явление, при котором напряжение, соответствующее интенсивности света, генерируется под воздействием света, называется фотогальваническим эффектом.

Таким образом, ПЗС-детектор отвечает за преобразование интенсивности света в электрический сигнал.

Структура ПЗС-детектора

Как показано на рисунке 2, ПЗС-детектор состоит из собирающей свет линзы на падающей стороне, фильтра, пропускающего свет определенной длины волны, и фотодиода со слоями полупроводников p-типа, n-типа и i-типа, в основном из кремния, зажатого между металлическими электродами (катодом и анодом) сверху и снизу.

1. Микролинзы

Микролинзы размещаются на верхней поверхности каждого пикселя для фокусировки света. Их также называют микролинзами на чипе, поскольку они формируются на пластинах с использованием стеклянных или смоляных материалов таким же образом, как и полупроводниковые приборы.

2. Цветовой фильтр

Рисунок 2. Концептуальная схема поперечного сечения пикселя датчика ПЗС

Цветные фильтры формируются на тонких стеклянных подложках с цветной резистивной пленкой, которая избирательно пропускает свет в определенном диапазоне длин волн, позволяя красному (R, 640~770 нм), зеленому (G, 490~550 нм) и синему (B, 430~490 нм) свету попадать на фотодиод непосредственно под ним. Затем свет падает на фотодиод непосредственно под ним. Тонкая черная перегородка, называемая черной матрицей, формируется между цветными фильтрами, чтобы предотвратить смешивание цветов друг с другом. Поскольку они изготавливаются на полупроводниковой пластине в том же производственном процессе, что и полупроводники, их также называют цветными фильтрами на кристалле.

3. Фотодиод

Рисунок 3. Концептуальная схема структуры и работы фотодиода

Фотодиод состоит из полупроводника p-типа в верхней части (сторона входа света) и полупроводника n-типа в нижней части, с анодом вверху и катодом внизу.