3.4. Применение ПЗС в качестве выходных устройств ЭООС

В разд. 3.2 было указано, что в системах ЭООС выходными устройствами являлись детекторы, роль которых состояла в преобразовании оптических сигналов в эквивалентные

Рис. 3.11. Соотношение между уровнем легирования и толщиной Т в слое -типа на полубесконечной подложке быстродействующей ПЗС-структуры (линия В) и область широкополосного режима работы полевых транзисторов (область А).

Рис. 3.12. Поперечное сечение ПЗС-структуры с резистивным затворным слоем.

электрические. Свойства ПЗС-структур хорошо удовлетворяют не только процессу детектирования, но также другим вспомогательным функциям, таким как интегрирование по времени и мультиплексирование. В данном разделе описаны некоторые примеры ПЗС-структур на GaAs, которые реализуют эти функции.

Хотя развитие кремниевых детекторов и формирователей изображений на ПЗС-структурах находится на совершенном уровне, эти устройства для некоторых применений не

обеспечивают требуемую ширину полосы частот. Примером этого является матрица детекторов для акустооптического спектроанализатора, показанная на рис. 3.3. Данная система часто используется для измерений параметров импульсных и других быстроизменяющихся сигналов с широким диапазоном, и такие приложения требуют предельных скоростей детекторов и последующих процессоров. На рис. 3.14 показаны принципиальные особенности матрицы детекторов и мультиплексора. Рассеянное в брэгговской ячейке лазерное излучение падает на матрицу фотодетекторов (сектор А), выходное напряжение или ток которой проходит в схему, обозначенную «интегратор/уплотнитель сигнала» (сектор Б). Так как динамический диапазон входного оптического сигнала в таких системах очень велик, эта цепь, если необходимо, могла бы выполнять нелинейное преобразование сигнала детектора в заряд, чтобы сжать динамический диапазон до уровня, совместимого с ПЗС. Тогда заряд следовало бы проинтегрировать в заданном интервале времени и параллельно ввести в ПЗС-мультиплексор для считывания (сектор В).

На рис. 3.15 показана фотография матрицы на 32 детектора с буферным усилителем, выходной сигнал которого мультиплексируется в выходной регистр ПЗС-структуры [23].

Рис. 3.13. Расчетные зависимости времени переноса заряда и фактора заполнения от толщины -слоя.

(кликните для просмотра скана)

ПЗС-мультиплексор, с параллельным боковым вводом продемонстрировал работу с тактовой частотой и эффективностью переноса заряда более 0,997.

Другим примером, где может оказаться полезным повышенное быстродействие GaAs-технологии, является обработка некогерентных оптических сигналов, изображенная на рис. 3.16 [22]. Этот процессор выполняет умножение вектора и матрицы, используя простую электрооптическую методику. Вектор представлен временной последовательностью сигналов, модулирующих светодиод. Сигнал от светодиода проходит через маску, состоящую из апертур, площадь которых соответствует величине матричных элементов и собирается ПЗС-формирователем изображений, ячейки которого установлены на одной прямой с изображениями апертур. Свет, собранный в ячейке вследствие прохождения светового импульса, соответствующего элементу вектора представляет произведение и матричного элемента Для каждого нового образца зарегистрированный заряд в ПЗС должен быть сдвинут вправо на один элемент, и по завершении процесса результирующая матрица произведения считывается выходным регистром. Для более высоких выходных скоростей мультиплексирование внешним регистром было бы исключено и выходные сигналы брались бы прямо из каждой строки.

Пример устройства, использующего одномерную ПЗС-струк-туру на GaAs, был описан в [13]. ПЗС-структура, показанная сверху на рис. 3.17, имела прозрачные электроды затвора и маску с модулированной апертурой, изготовленную интегрально непосредственно сверху на электродах затворов. Результаты тестирования, показанные на двух нижних фотографиях, были получены при освещении устройства короткими лазерными импульсами и считывании заряда со скоростью 1 МГц. Выходной сигнал ПЗС-структуры (нижнее фото) повторяет апертуру входного сигнала, которая видна на фотографии устройства сверху на рис. 3.17. Электрический входной сигнал, состоящий из двух импульсных выбросов (среднее фото), подтверждает, что эффективность переноса заряда является высокой.

Двумерный вариант такого устройства способен выполнять разнообразные линейные преобразования, такие как корреляция, фильтрация и фурье-преобразование, как было показано для кремниевых формирователей изображения. Для структур на GaAs такие операции несомненно могли выполняться при ширине полосы частот, приближающейся к Хотя возможности расширения полосы частот ПЗС-структур на GaAs были хорошо изучены, технология получения двумерных формирователей, изображения отработана плохо. Некоторые начальные результаты, полученные с устройствами в элемента, являются обнадеживающими [18].

(кликните для просмотра скана)

Единственное заключительное замечание, представляющее особый интерес, состоит в том, что ПЗС на GaAs могут работать при криогенных температурах. Экспериментальные данные по ПЗС-структурам на GaAs показывают, что для тактовых частот в 10 МГц эффективность переноса заряда начинает спадать при температуре около 14 К. В отличие от этого эффективность переноса кремниевых ПЗС со скрытым каналом начинает ухудшаться при температурах ниже 70 К. При этих температурах быстродействие ПЗС на GaAs, как ожидается, будет по меньшей мере таким же хорошим и, вероятно, даже более высоким, чем при комнатной температуре. Эти проявляемые при низких температурах свойства оказываются полезными в гибридных инфракрасных фокусируемых матрицах детекторов, где ПЗС состыковывается с длинноволновыми детекторами, такими как HgCdTe. Кроме того, коэффициенты теплопроводности GaAs и HgCdTe хорошо согласованы между собой. Рассеяние мощности представляет другую важную проблему в таких фокусируемых матрицах вследствие работы при криогенных температурах. Однако ПЗС рассеивают малую мощность потому, что как упомянуто выше, они представляют в основном емкостную нагрузку для цепей формирователей тактовых импульсов.