5.7.1 Φωτογραφικός σωλήνας με πίνακα φωτοδιόδων πυριτίου

Transcript

1 5.7 Μονάδες λήψης εικόνας Ένα οπτικό πρότυπο (εικόνα) θα πρέπει να μετατραπεί σε μια χρονική σειρά ηλεκτρικών σημάτων. Αυτό γίνεται με αποτύπωση του αντικειμένου πάνω σε ένα μέσο το οποίο μετατρέπει τις τοπικές διακυμάνσεις της φωτεινότητας σ ένα αντίστοιχο πρότυπο φορτίων. Τα φορτία αυτά μπορούν να ανακτηθούν διαμέσου ενός εξωτερικού ρεύματος του οποίου η χρονική συμπεριφορά εμπεριέχει την πληροφορία της εικόνας. Το υλικό μέσα στο οποίο λαμβάνει χώρα η μετατροπή των οπτικών σημάτων είναι κυρίως S. Ο διαχωρισμός στο εξής γίνεται μόνο ως προς τον τρόπο ανάκτησης της πληροφορίας Φωτογραφικός σωλήνας με πίνακα φωτοδιόδων πυριτίου Το ενεργό στοιχείο αποτελείται από μια λεπτή φέτα πυριτίου, η οποία στη μια πλευρά σαρώνεται από μια δέσμη ηλεκτρονίων που οδηγείται διαμέσου μιας διάταξης εστίασης και εκτροπής, ενώ στην άλλη πλευρά προβάλλεται διαμέσου μιας οπτικής διάταξης η εικόνα που θέλουμε τελικά να αποτυπώσουμε (βλ. Σχ. 5.35). Η πλευρά που είναι στραμμένη προς την δέσμη των ηλεκτρονίων περιέχει πάνω σ ένα πολύ λεπτό υπόστρωμα ένα πίνακα από επαφές pn οι οποίες Σχήμα 5.35 Αρχή λειτουργίας ενός Vdcon με πίνακα διόδων πυριτίου Σχήμα 5.36 Πίνακας διόδων πυριτίου σε μια τομή ενός Vdcon. 93

2 διαχωρίζονται μεταξύ τους διαμέσου ενός στρώματος SO 2 (βλ. Σχ. 5.36) ενώ για λόγους αδρανοποίησης είναι καλυμμένες μ ένα λεπτό στρώμα υλικού, υψηλής αντίστασης. Σε κατάσταση λειτουργίας, το υπόστρωμα τύπου n είναι θετικότερα πολωμένο συγκριτικά με την κάθοδο. Τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια της δέσμης φέρουν τις νησίδες p- τύπου σχεδόν στο δυναμικό της καθόδου, έτσι ώστε πίσω από κάθε επαφή pn να δημιουργείται μια εκτεταμένη περιοχή φορτίων χώρου, ανάλογη της εφαρμοζόμενης ανάστροφης τάσης πόλωσης (U S U T ). Το φως που πέφτει τώρα πάνω στην πίσω πλευρά, δημιουργεί στο υπόστρωμα ζευγάρια ηλεκτρονίων-οπών από τα οποία οι θετικά φορτισμένοι φορείς μειοψηφίας κατευθύνονται με διάχυση προς την περιοχή φορτίων χώρου, την οποία και διαπερνούν φτάνοντας τελικά στην περιοχή τύπου p. Η ροή αυτή ισοδυναμεί με μια εκφόρτιση της επαφής pn. Καθώς η δέσμη των ηλεκτρονίων σαρώνει μια τέτοια νησίδα (τύπου p), θα πρέπει να αναπληρώσει το χαμένο φορτίο, γεγονός που ισοδυναμεί στο εξωτερικό κύκλωμα με ένα παλμό ρεύματος (σήμα εικόνας). Ένας τυπικός πίνακας ενός Vdcon αποτελείται από περίπου 700Χ700 διόδους πάνω σε μια επιφάνεια 1 εως 2 cm 2. Επειδή η δημιουργία των ζευγαριών θα πρέπει να γίνεται πολύ κοντά στην περιοχή φορτίων χώρου, το υπόστρωμα πρέπει να είναι αρκετά λεπτό. Πάχη μικρότερα των 10μm είναι υλοποιήσιμα, όμως με περιθώριο αρκετά πιο παχύ. Οι νησίδες τύπου p έχουν μια διάμετρο 8μm και η απόσταση μεταξύ τους ανέρχεται σε 20μm[40]. Εκτός των διατάξεων που αναφέρθηκαν πιο πάνω και στις οποίες για την διαμόρφωση των επαφών pn χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της Διάχυσης, μπορούν να κατασκευαστούν τέτοιοι πίνακες διόδων και με την τεχνική της επιταξίας (Epcon). Η επιταξία γίνεται πάνω σε υποστρώματα n- τύπου επικαλυμένα με SO 2, όπου προηγουμένως με την τεχνική της χάραξης δημιουργήθηκαν οπές. Μέσα σ αυτές τις οπές αποτέθηκε το επιταξιακό υλικό, το οποίο δημιουργεί την ετεροεπαφή pn. Πολύ σημαντική για το μέγιστο αποθηκεύσιμο στη δίοδο φορτίο Q S είναι η τάση διάτρησης, αφού ισχύει: Q 2N e A[ ( U U)] e 1/ 2 (5.67) 94

3 Για πολύ μεγάλες εντάσεις φωτισμού είναι απαραίτητη μια υψηλότερη ανάστροφη τάση, έτσι ώστε να αποφεύγεται ο κορεσμός για δεδομένο χρόνο δειγματοληψίας (χρόνος ολοκλήρωσης t ). Ο χρόνος ολοκλήρωσης θα πρέπει να παραμένει πάντα μικρός σε σχέση με τον χρόνο αποθήκευσης, t, όπου t είναι ο χρόνος που χρειάζεται το σκοτεινό ρεύμα Ι (εξαιτίας της θερμικής γένεσης) προκειμένου να διώξει από τη δίοδο (εκφόρτιση) όλο το αποθηκευμένο φορτίο Q S : t Q / I (5.68) Οι χρόνοι αποθήκευσης είναι συνήθως της τάξης των μερικών ec ενώ οι χρόνοι δειγματοληψίας, 1/30 ec, περίπου. Το σκοτεινό ρεύμα βρίσκεται στην περιοχή των na ενώ το ρεύμα του σήματος ανέρχεται στα 700 na, περίπου. Έτσι λοιπόν, μια ένταση φωτός της τάξης του 0,1 Lux είναι ακόμη αρκετή για λήψη Αισθητήρες εικόνας από ημιαγωγικά υλικά Πρόκειται για καθαρά ημιαγωγικές διατάξεις στις οποίες η λήψη και η καταγραφή της εικόνας γίνεται με τη χρήση της Μικροηλεκτρονικής σε μορφή μονολιθικών ολοκληρωμένων στοιχείων. Σ αυτήν την προσπάθεια που ξεκίνησε πριν 50 χρόνια, περίπου, είχε τεθεί ο στόχος να αναπτυχθούν αισθητήρες εικόνας και διατάξεις τηλεοπτικής λήψης που θα καταργούσαν την δέσμη ηλεκτρονίων και μαζί με αυτή το απαιτούμενο κενό (σωλήνας κενού). Πλεονεκτήματα αυτής της ανάπτυξης ήταν το μικρότερο μέγεθος και βάρος, η αυξημένη μηχανική αντοχή και προπάντων η απλότητα της χρήσης. Για την υλοποίηση διατάξεων λήψης εικόνας κυριαρχούν δύο κριτήρια: 1. πόσο ομοιόμορφα μπορούν να κατασκευαστούν τα επιμέρους ημιαγωγικά στοιχεία; 2. μπορούν να λειτουργήσουν τα στοιχεία αυτά σε κατάσταση «αποθήκευσης»; Το πρώτο κριτήριο φαίνεται να πληρούν ημιαγωγικά στοιχεία, όπως δίοδοι και χωρητικότητες MOS, τα οποία μπορούν πλέον να κατασκευαστούν με αξιοσημείωτη ομοιομορφία. Το δεύτερο κριτήριο απαιτεί ένα είδος λειτουργίας που δίνει τη δυνατότητα, όπως και στο Vdcon, το φορτίο των φορέων μειοψηφίας που προκαλεί η απορρόφηση των φωτονίων και το οποίο είναι καθοριστικό για το σήμα Vdeo, να μπορεί να ολοκληρωθεί και 95

4 να αποθηκευτεί για ένα χρονικό διάστημα, έτσι ώστε να είναι δυνατή η λήψη εικόνας ακόμη και σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού. Παρακάτω θα αναφερθούμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια σε δύο διαφορετικά συστήματα λήψης εικόνας, τα οποία συναντούμε στο εμπόριο ακόμη και σήμερα. Το πρώτο αναφέρεται σε διατάξεις όπου τα διαμέσου της φωτογένεσης παραγόμενα φορτία ολοκληρώνονται μέσα στην περιοχή φορτίων χώρου μιας επαφής pn. Τέτοιους αισθητήρες εικόνας ονομάζει κανείς «Photodode-MOS-Array», επειδή η αποκωδικοποίηση (ανάγνωση) των φωτοευαίσθητων διόδων γίνεται διαμέσου MOS-FET.Στην δεύτερη περίπτωση η συλλογή των αντίστοιχων φορέων επιτυγχάνεται μέσα στην κενωμένη περιοχή της χωρητικότητας MOS, όπου κατά την διάρκεια της δειγματοληψίας τα φορτία μετακινούνται τοπικά δια της εφαρμογής κατάλληλου δυναμικού. Αυτού του είδους τα στοιχεία ονομάζει κανείς Charge Coupled evce (CC) Πίνακες φωτοδιόδων Στο εμπόριο συναντάει κανείς τέτοιες συσκευές λήψης εικόνας σε μορφή γραμμής με 64 έως 4096 στοιχεία και με 32Χ32 έως 256Χ256 στοιχεία ως δισδιάστατο πίνακα. Οι φωτοευαίσθητες δίοδοι συνυπάρχουν μαζί με την ηλεκτρονική της ανάγνωσης πάνω στο ίδιο υπόστρωμα. Κάθε κυψελίδα αποτελείται από μία επαφή pn μεγάλης επιφάνειας, χωρητικότητας C j, από την οποία διαμέσου ενός επιμεταλλωμένου διαφράγματος ένα μέρος της παραμένει ευαίσθητο στο φως (βλ. Σχ. 5.37). Κάθε χωρητικότητα είναι συνδεδεμένη με την έξοδο vdeo (εικόνα) διαμέσου ενός διακόπτη τύπου MOS-FET. Σε πίνακες γραμμών (βλ. Σχ. 5.38α) ένας «regter» συνδέει τις με την ανάστροφη τάση φορτισμένες χωρητικότητες pn μια μετά την άλλη με την γραμμή Σχήμα 5.37 Δομή μιας επιμέρους κυψελίδας ενός MOS photodode-array 96

5 Σχήμα 5.38 Ισοδύναμο κύκλωμα ενός α) μονοδιάστατου και β) δισδιάστατου πίνακα φωτοδιόδων με ανάγνωση Το σήμα εξόδου ενός πίνακα με n στοιχεία έχει τη μορφή μιας σειράς παλμών, όπου το ύψος του κάθε παλμού είναι ανάλογο με την σε κάθε δίοδο προσπίπτουσα ένταση φωτός (Σχ. 5.39) Σχήμα 5.39 Σήμα εικόνας ενός πίνακα φωτοδιόδων με αυτοανάγνωση. 97

6 Το φορτίο Q το οποίο θα πρέπει να εξευρεθεί μετά από ένα κύκλο διάρκειας t μεταφέρουν το ρεύμα σκότους r d (περίπου 4nA/cm 2 ) και το φωτόρευμα (γινόμενο της ευαισθησίας R και της έντασης ακτινοβολίας Ε) δηλαδή: Q A( r R E) t (5.69) d Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος t τόσο μικρότερη γίνεται η απαιτούμενη ένταση φωτός. Θα πρέπει να είναι πάντα t <<t επειδή αλλιώς ένα σημαντικό μέρος του φορτίου θα εκκενώνεται με την βοήθεια του ρεύματος σκότους. Εάν f είναι η συχνότητα του ρολογιού, τότε ο χρόνος ολοκλήρωσης t μιας σειράς n στοιχείων δίνεται από τη σχέση: t N / (5.70) f Διατάξεις Συζευγμένου Φορτίου (Charge Coupled evce,cc) Η αρχή λειτουργίας της σύζευξης φορτίου είναι αρκετά απλή: μία διάταξη MOS μπορεί να συσσωρεύσει και αποθηκεύσει φορείς μειονότητας μέσα στο πηγάδι δυναμικού που δημιουργείται κοντά στην διεπιφάνεια SO 2 -S.Με την εφαρμογή κατάλληλων τάσεων πάνω στα μεταλλικά ηλεκτρόδια (βλ.σχ.5.40) αλλάζουν τα κοιλώματα του δυναμικού, έτσι ώστε τα φορτία που βρίσκονται κάτω από μία κυψελίδα του τύπου MOS να προωθούνται προς την επόμενη. Ένα CC λοιπόν δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας αναλογικού σήματος καταχωρητής (regter), ο οποίος αποτελείται από μία σειρά πυκνών γειτονικών χωρητικοτήτων τύπου MOS. Σε διατάξεις λήψης εικόνας τύπου CC τα φορτία των φορέων μειοψηφίας παράγονται κατά την διάρκεια της ολοκλήρωσης από την απορρόφηση του φωτός, και προωθούνται κατά τη φάση της ανάγνωσης με ρολόϊ έως ότου εμφανιστούν στην δίοδο εξόδου με τη μορφή παλμού ρεύματος ως σήμα εικόνας. Κύριο χαρακτηριστικό ενός CC είναι ότι η αποθήκευση και μεταφορά φορτίων επιτυγχάνεται διαμέσου επιμέρους στοιχείων, τα οποία δεν είναι ανάστροφα πολωμένες επαφές. 98

7 Σχήμα 5.40 Σχηματική δομή ενός CC Για την κατανόηση της λειτουργίας ενός επιμέρους στοιχείου τύπου MOS ας παρατηρήσουμε την κατανομή του δυναμικού στο ενεργειακό μοντέλο που παρουσιάζεται στο Σχ.5.41 για έναν ημιαγωγό n-τύπου. Αμέσως μετά την εφαρμογή πάνω στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο μιας αρνητικής τάσης U G, οι ελεύθεροι φορείς μέσα στον ημιαγωγό απωθούνται μακριά από την επιφάνειά του (βλ.σχ.5.41α).μετά την απομάκρυνση των ελεύθερων φορέων μένει πίσω η περιοχή φορτίων χώρου των δοτών, της οποίας το εύρος, l, δίνεται από τη σχέση: l 2 U e N B (5.71) όπου U είναι η πτώση τάσης πάνω στον ημιαγωγό 99

8 Σχήμα 5.41 Δομή και ενεργειακό διάγραμμα επιμέρους στοιχείου MOS ενός CC a) τη στιγμή αμέσως μετά την εφαρμογή στο ηλεκτρόδιο μιας αρνητικής τάσης πόλωσης U G >E G /q β) η αρνητική τάση εξακολουθεί να εφαρμόζεται- έχουν λάβει χώρα ήδη οι διαδικασίες επαναφοράς στη θερμική ισορροπία Εάν η εφαρμοζόμενη τάση U G γίνει τόσο μεγάλη, ώστε το λύγισμα των ταινιών e U να παραμένει μεγαλύτερο από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού, τότε το σύστημα δεν 100

9 βρίσκεται κατ αρχήν σε θερμική ισορροπία. Η κατάσταση της θερμικής ισορροπίας θα επιτευχθεί όταν η επιφάνεια του ημιαγωγού εμπλουτισθεί με τόσους φορείς έτσι ώστε να οριζοντιωθεί η στάθμη Ferm (βλ.σχ.5.41β).η χωρητικότητα MOS παριστάνει κατά κάποιο τρόπο ένα πηγάδι δυναμικού για μία συγκεκριμένη πυκνότητα επιφανειακού φορτίου Q.Το φορτίο αυτό προέρχεται είτε από την θερμική γένεση φορέων (ρεύμα σκότους) είτε από την απορρόφηση του φωτός. Με αυξανόμενο Q μειώνεται τόσο το εύρος της περιοχής άντλησης όσο και το λύγισμα των ταινιών. Λαμβάνοντας κανείς ταυτόχρονα υπόψη και ένα επιπλέον επιφανειακό φορτίο Q εξαιτίας των επιφανειακών καταστάσεων στη διεπιφάνεια SO 2 /S, τότε χωρίζεται η εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης U G στα εξής επιμέρους μεγέθη: U G U U d Q (5.72) Η τάση U που καταναλώνεται πάνω στον μονωτή δίνεται από την σχέση: U d e N l Q (5.73) Με τη βοήθεια των εξισώσεων (5.71) και (5.73 μπορεί να υπολογιστεί η πτώση τάσης πάνω στον ημιαγωγό U : U U G d Q Q e N 2 d 2 2 d 2 U G Q [ 1 2 en d Q 1] (5.74) Το βάθος του πηγαδιού είναι επομένως ευθέως ανάλογο της εφαρμοζόμενης τάσης πόλωσης U G και γίνεται τόσο ρηχό όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος του οξειδίου και όσο 101

10 υψηλότερη είναι η συγκέντρωση προσμίξεων ή και η συγκέντρωση των επιφανειακών καταστάσεων (Q ). H μέγιστη δυνατή συλλογή φορτίου κάτω από το μεταλλικό ηλεκτρόδιο καθορίζεται από τη συνθήκη U 2kT / elnn / n και είναι ίση με: Q max U d G 2kT N ln e n 4 N N ktln n Q (5.75) Επειδή γενικά όλες οι τάσεις είναι μικρές σε σχέση με την U G, μπορεί να αποδοθεί το μέγιστο φορτίο κατά προσέγγιση από τη σχέση: Q U G max (5.76) d Για ένα πάχος οξειδίου ίσο με 100 nm και μία τάση U G =10 V το αποθηκευμένο σήμα (Q ) περιέχει περίπου στοιχειώδη φορτία ανά cm 2. Σε περίπτωση εφαρμογής κατάλληλων τάσεων στα γειτονικά μεταλλικά ηλεκτρόδια μπορεί το αποθηκευμένο φορτίο των φορέων μειοψηφίας (Q ) να προωθηθεί σταδιακά σε διπλανά βαθύτερα πηγάδια, όπως φαίνεται και στο σχήμα Κάθε τρίτο ηλεκτρόδιο βρίσκεται για το λόγο αυτό στο ίδιο δυναμικό. Τα φορτία δεν μπορούν να μεταφερθούν με την πρώτη φορά 100% από το ένα πηγάδι δυναμικού στο άλλο. Μερικοί από τους φορείς παγιδεύονται σε διάφορες ατέλειες που βρίσκονται κοντά στη διεπιφάνεια, με αποτέλεσμα να παραμένουν αμετακίνητοι. Ένα μέρος επομένως δεν κατορθώνει να βρεί μέσα στο προκαθορισμένο χρόνο τον δρόμο της φυγής, επειδή η κίνηση των φορέων με διάχυση ή ολίσθηση δεν είναι απείρως γρήγορη (υπάρχουν σταθερές χρόνου ).Έτσι η απώλεια μεταφοράς ενός CC είναι συνάρτηση της συχνότητας προώθησης, της γεωμετρίας (εύρος των ηλεκτροδίων) και του αριθμού των κυψελίδων που θα πρέπει να διανύσει ο φορέας μέχρι την έξοδο. Σημαντικό κριτήριο ποιότητας του CC είναι ο βαθμός απόδοσης της μεταφοράς φορτίου u,ο οποίος ορίζεται ως μέρος του πακέτου φορτίου το οποίο μεταφέρεται από το ένα πηγάδι στο διπλανό. Τα πηγάδια δυναμικού των διατάξεων MOS δεν έχουν καθόλου φορείς 102

11 πλειοψηφίας που θα μπορούσαν να οδηγήσουν με ανασύζευξη σε απώλεια φορέων μειοψηφίας και επομένως φορτίου. Μία απώλεια φορτίου θα μπορούσε επομένως να αποδοθεί μόνο στη μερική μεταφορά φορτίου. Έτσι για το μέρος του πακέτου φορτίου που παρέμεινε (δεν μετακινήθηκε) στην πρώτη κυψελίδα, δ, ισχύει: 1.Η σχέση του φορτίου σ ένα πηγάδι δυναμικού, Q N, προς το αρχικό φορτίο Q είναι μετά από Ν-προωθήσεις ίσο με: u Q N Q N u N exp N 1 (5.77) Σχήμα 5.42 Απώλεια φορτίου ενός CC μετά τη διέλευση Ν κυψελίδων[26] Καθοριστική για τον βαθμό απόδοσης u είναι η δυναμική της διαδικασίας προώθησης του φορτίου για το οποίο ευθύνονται κυρίως η διάχυση και η ολίσθηση των φορέων. Οι σταθερές χρόνου αυτών των φαινομένων καθορίζουν για μία δεδομένη συχνότητα ρολογιού την απόδοση της μεταφοράς. Εάν L είναι η απόσταση των μέσων δύο γειτονικών ηλεκτροδίων, 103

12 τότε οι σταθερές χρόνου των δύο φαινομένων, δηλαδή της διάχυσης και της ολίσθησης δίνονται από τις εξισώσεις ( 5.78) και (5.79), αντίστοιχα: 2 L (5.78) όπου είναι η σταθερά διάχυσης και 3 3 L t 2 d U G (5.79) Με d =100 nm, ΔU G =10 V, μ=400 cm 2 /Vec και L=10 μm οι σταθερές χρόνου παίρνουν τις τιμές τ 10-7 ec και τ t 4x10-9 ec.προκειμένου να φτάσει λοιπόν κανείς ένα βαθμό απόδοσης μεταφοράς 99,99% (δ=10-4 ) θα πρέπει στην περίπτωση της διάχυσης η συχνότητα του ρολογιού να μην υπερβαίνει το 1 MHz ( f=1/2πτ ). Έναν επιπλέον περιορισμό υφίσταται ο βαθμός απόδοσης της μεταφοράς εξαιτίας των γρήγορων επιφανειακών καταστάσεων κοντά στη διεπιφάνεια SO 2 /S,οι οποίες μπορεί να γεμίζουν σχετικά γρήγορα με ηλεκτρόνια (σταθερά χρόνου ec),αλλά διατηρούν αυτά δεσμευμένα φορτία για πολύ μεγαλύτερους χρόνους, γεγονός που οδηγεί σε απώλεια φορτίων και επομένως σήματος. Η πυκνότητα αυτών των καταστάσεων ανέρχεται σε cm -2, περίπου. Η απώλεια φορτίου στις διεπιφανειακές καταστάσεις μπορεί να αποφευχθεί με το να οδηγήσει κανείς τα φορτία αυτά όχι κατά μήκος της διεπιφάνειας, αλλά πολύ βαθύτερα σ ένα επονομαζόμενο θαμένο στρώμα εντός του ημιαγωγού. Για τον σκοπό αυτό δημιουργείται με τη βοήθεια της διάχυσης, μέσα στο υπόστρωμα, ένα επιπλέον στρώμα αντίθετου τύπου αγωγιμότητας (bared channel) (βλ. Σχ.5.43). Σχήμα 5.43 Διάταξη CC με θαμένο κανάλι (BCC) α)σχηματική δομή β)ενεργειακό διάγραμμα χωρίς πόλωση καναλιού και γ) ενεργειακό διάγραμμα με θετικά πολωμένο κανάλι 104

13 Με την εφαρμογή μιας τάσης πόλωσης, δημιουργείται μέσα στο κανάλι μια περιοχή κένωσης όπου η κατανομή του δυναμικού στην κάθετη διεύθυνση έχει παραβολική μορφή όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.43γ.Μεταξύ της επιφάνειας του ημιαγωγού και του υποστρώματος δημιουργείται ένα ενεργειακό κοίλωμα, μέσα στο οποίο συσσωρεύονται φορείς, οι οποίοι μακριά πλέον από διεπιφανειακές καταστάσεις, μπορούν να μετακινηθούν ανενόχλητα [27]. Στο σχήμα 5.44α φαίνεται η αρχή λειτουργίας ενός CC τριών φάσεων. Η ανάπτυξη όμως ενός τέτοιου CC συναντά δυσκολίες, επειδή θα πρέπει να επικαλύπτονται οι περιοχές άντλησης. Αυτό απαιτεί έναν ενδιάμεσο ελεύθερο χώρο μεταξύ των ηλεκτροδίων, ο οποίος όμως θα πρέπει να είναι μικρός σε σχέση με το πάχος του οξειδίου. Στο σχήμα 5.43β δίνεται σχηματικά μία διάταξη δύο φάσεων. Προκειμένου να λειτουργήσει η διάταξη θα πρέπει να παρουσιάζει από την κατασκευή της μία ασυμμετρία σε ότι αφορά τα πηγάδια δυναμικού, έτσι ώστε να προκαθορίζεται η ροή του φορτίου. Αυτό σημαίνει με άλλα λόγια, ότι το βάθος του πηγαδιού θα πρέπει να μεγαλώνει κατά τη διεύθυνση μεταφοράς του φορτίου (σήμα εικόνας). Κάτι τέτοιο μπορεί να επιτευχθεί τεχνολογικά, για παράδειγμα, με μεταβολή του πάχους του οξειδίου ή με μεταβολή της συγκέντρωσης προσμίξεων. Μια τέτοια διάταξη μπορεί να λειτουργήσει απλά και μόνο με μεταβολή της συνεχούς τάσης U o κατά ένα ποσό ΔU. Στην περίπτωση των CC για λήψη εικόνας, τα φορτία παράγονται με απορρόφηση φωτός τις περισσότερες φορές στην πίσω πλευρά του υποστρώματος, επειδή η εμπρόσθια πλευρά είναι σχεδόν πλήρως καλυμμένη με το μέταλλο των ηλεκτροδίων. Προκειμένου να συλλέγει κανείς όσο το δυνατόν περισσότερα ζευγάρια φορέων που παράγονται από την απορρόφηση του φωτός, θα πρέπει το υπόστρωμα να μην έχει μεγάλο πάχος (περίπου 25μm).Με αυτό το μέτρο καθορίζεται ταυτόχρονα και ο βαθμός ανάλυσης των CC που φωτίζονται από την πίσω πλευρά. Η χρησιμοποίηση μικρότερων ηλεκτροδίων δεν επιφέρει σοβαρές βελτιώσεις. Η ηλεκτρική έξοδος αποτελείται από μία ανάστροφα πολωμένη επαφή pn, η οποία μετατρέπει τα φορτία που φθάνουν σε παλμούς ρεύματος: επομένως στην περίπτωση των γραμμικών πινάκων, ένας αναλογικός παράλληλος/σειριακός-μετατροπέας με οπτική είσοδο που είναι σε θέση να ολοκληρώνει χρονικά (βλ.σχ.5.45). Για να μην παρουσιάζεται η εικόνα θαμπή, θα πρέπει ο χρόνος ολοκλήρωσης του σήματος να είναι αρκετά μεγάλος σε σχέση πάντα με τον συνολικό χρόνο μεταφοράς του φορτίου. 105

14 Σχήμα 5.44 Λειτουργία ενός CC α) τριών φάσεων και β) δύο φάσεων 106

15 Σχήμα 5.45 Διαδικασία ανάγνωσης ενός γραμμικού CC Στο σχήμα 5.46 φαίνεται η διαδικασία ανάγνωσης ενός δισδιάστατου CC με απευθείας ανάγνωση γραμμή- γραμμή διαμέσου ενός καταχωρητή εξόδου τύπου CC, καθώς και με μεταφορά στήλη-στήλη σ ένα φωτοευαίσθητο ενδιάμεσο αποθηκευτή τύπου CC.Στην πρώτη περίπτωση μεταφέρεται η αποθηκευμένη εικόνα διαμέσου του ρολογιού Α στον οριζόντιο καταχωρητή εξόδου, ο οποίος δειγματοληπτείται με το γρηγορότερο ρολόϊ Β και προμηθεύει μόλις μία γραμμή εικόνας πριν αποθηκευτεί εκ νέου η επόμενη οριζόντια γραμμή διαμέσου του ρολογιού Α. Στη δεύτερη περίπτωση η λαμβανόμενη μέσα στο χρόνο αποθήκευσης συνολική εικόνα μεταφέρεται γραμμή- γραμμή σ ένα στο φως όχι ευαίσθητο αποθηκευτή CC, από τον οποίο αργότερα, όπως και στην πρώτη περίπτωση, μπορεί να διαβαστεί γραμμή-γραμμή.το πλεονέκτημα αυτής της διάταξης βρίσκεται στον διαχωρισμό μεταξύ της ολοκλήρωσης της εικόνας και της ανάγνωσης, αποφεύγοντας έτσι ένα ενδεχόμενο θάμπωμα της εικόνας. Mια σύγκριση μεταξύ των αυτοαναγνώσιμων πινάκων φωτοδιόδων και τω CC, δείχνει ότι και τα δύο είδη είναι το ίδιο φωτοευαίσθητα, αλλά εφαρμόζοντας μία ευνοϊκή τεχνολογία κατασκευής και έναν ευνοϊκό τρόπο λειτουργίας, τα CC μπορούν να γίνουν καλύτερα από τους πίνακες φωτοδιόδων σε ότι αφορά τη δυναμική κατάσταση λειτουργίας. Από την άλλη πλευρά οι πίνακες έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο bloomng (υπερχείλιση διάχυση των φορτίων σε γειτονικά στοιχεία στην περίπτωση που το φως ξεπεράσει μία συγκεκριμένη ένταση).οι πίνακες φωτοδιόδων μπορούν να βρούν εφαρμογή σε τεχνικές ελέγχου και επεξεργασίας, ενώ τα CC βρίσκουν εφαρμογή περισσότερο σε λήψη εικόνας. Η φασματική ευαισθησία όλων των μονάδων λήψης εικόνας 107

16 από S, είναι στην περιοχή μεταξύ 450 και 900 nm αρκετά ομοιόμορφη,προκειμένου να είναι δυνατή η λήψη εικόνας. Σχήμα 5.46 Ανάγνωση ενός δισδιάστατου CC α) απευθείας ανάγνωση γραμμήγραμμή διαμέσου ενός καταχωρητή εξόδου τύπου CC και β) μεταφορά στήλη- στήλη σ ένα φωτοευαίσθητο ενδιάμεσο αποθηκευτή τύπου CC. 108