Фотоприемные устройства. Фотоэффект. ПЗС и ФЭУ. Фотодиоды

Фотоприемники. В сканерах плоскостного и проекционно­го типов применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), а в барабанных - фотоэлектронные умножители и фотодиоды. Иногда бывает наоборот.

Работа ПЗС основана на свойстве конденсаторов МОП-струк­туры (металл - оксид - полупроводник) собирать и накапливать пакеты неосновных носителей зарядов в локализованных потен­циальных ямах на границе кремний - оксид кремния. Структу­ра МОП-конденсатора приведена на рис. 5.1, а. Монокристал­лическая кремниевая подложка, например, дырочного -типа проводимости покрыта диэлектриком - тонким (-0,1 мкм) сло­ем оксида. На нем расположен металлический электрод-затвор. При приложении к этому электроду положительного напряже­ния относительно подложки основные носители (дырки) в слое кремния у границы с оксидом будут отталкиваться от электро­да, покидая поверхностный слой. Под электродом образуется потенциальная яма - область, обедненная основными носите­лями. Глубина этой ямы зависит от напряжения на затворе .

Рис. 5.1. К пояснению электрической развертки в линейке ПЗС.

Воздействие света приводит к появлению электронно-ды­рочных пар и накоплению неосновных носителей (электронов) в потенциальной яме. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача накопленных зарядов в ПЗС от одного МОП-конденсатора к близко расположенному соседнему производится продольным электрическим полем между затворами при подаче на второй затвор более высокого напряжения. Под этим электродом об­разуется более глубокая потенциальная яма, в которую пере­текает зарядовый пакет. Этот процесс иллюстрируется рис. 5.1. б, на котором штриховкой показана степень заполнения потен­циальной ямы неосновными носителями, т.е. величина заряда под электродом.

В ПЗС процессы накопления зарядов и их считывание разде­лены во времени. Развертка производится в промежуток време­ни, соответствующий обратному ходу. При этом одновременное перемещение зарядов вдоль линейки происходит от первой ячей­ки слева направо, а сигнал изображения на выходе получается в обратном порядке, начиная с последней ячейки строки. Таким образом, осуществляется самосканирование -передача инфор­мации за счет зарядовой связи путем изменения глубины потен­циальных ям под электродами МОП-конденсаторов.

Рассматриваемая развертка в направлении строки в скане­рах сочетается с механическим перемещением оригинала в пер­пендикулярном направлении (в направлении кадра). Разрабо­таны линейки, имеющие 8000 ячеек в строке, размер ячейки - 20 мкм. Существуют матричные структуры на ПЗС, создающие сигнал изображения.

Датчики свет-сигнал на ПЗС малогабаритные, потребля­ют мало энергии, обеспечивают высокую геометрическую точ­ность при сканировании изображений.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды (ФД) яв­ляются составной частью анализирующих устройств барабан­ного типа. Они предназначены для преобразования изменяющегося по величине отраженного от оригинала или прошедшего через него светового потока в электрический сигнал. Фотоэлект­ронный умножитель состоит из электронно-оптической секции 1 и секции вторично-электронного умножения 2 (рис. 5.2). В элек­тронно-оптической секции осуществляется преобразование све­тового потока в фототок на основе внешнего фотоэффек­та - эмиссии фотоэлектронов под действием квантов света. Ве­личина - интегральная чувствительность фотокатода (А/лм). На внутреннюю поверхность торцевого или бокового окна напыляют тонкую металлическую пленку, практически прозрач­ную для света и служащую для подачи питания на фотокатод (ФК). Затем на нее наносят светочувствительный слой.

Рис. 5.2. Устройство ФЭУ.

Электронно-оптическая секция помимо ФК содержит фоку­сирующий электрод (ФЭ), диафрагму Д и первый динод Д1 (эмит­тер вторичных электронов). Фотоэлектроны покидают ФК под различными углами к его поверхности и с различными скорос­тями. Электроды ФК, ФЭ. Д и Д1 образуют электростатические линзы, обеспечивающие фокусировку и ускорение фотоэлектро­нов, направляемых на первый динод Д1. Секция вторично-электронного умножения 2 состоит из не­скольких динодов и коллектора К. Между соседними динодами приложены ускоряющие напряжения, снимаемые с делителя 3. Фотоэлектроны, попадая на первый динод Д1, вызывают вторич­но-электронную эмиссию. Значение коэффициента вторичной эмиссии, зависит от материала и обработки поверхности динода, а также от ускоряющего напряжения. Вторичные элек­троны попадают на второй динод Д2 Умноженный поток элект­ронов со второго динода поступает на третий и т.д. Перед динодами расположены сетки. С помощью сеток создается электрическое поле, способствующее фокусиров­ке вторичных электронов. Сетки также экранируют секции динодов друг от друга.

Чувствительность ФЭУ и число кас­кадов умножения ограничиваются темновым током и шумами.

Фотодиоды - полупроводниковые приборы с диффузионным переходом, работа которых основана на внутреннем фотоэффек­те. На фотодиод подается запирающее напряжение (обратное смещение). По принципу действия фотодиод аналогичен запер­тому полупроводниковому диоду, обратный ток которого изме­няется под действием светового потока Ф (рис. 5.3). Применя­ются кремниевые фотодиоды, имеющие квантовый выход око­ло 75% и примерно равномерную спектральную чувствитель­ность в диапазоне 400-1100 нм. Световая характеристика мало зависит от приложенного напряжения и линейна. Рабочее на­пряжение около 20 В, темновой ток 1-2 мкА, интегральная чув­ствительность 3 мА/лм. Кремниевые фотодиоды обладают ма­лой инерционностью, не зависящей от светового потока.

Рис. 5.3. Схема действия фотодиода

Методика расчета мощности источника света сканера осно­вывается на фотоэлектрическом действии излучения на фото­приемник в процессе считывания изображения и преобразова­ния светового сигнала в электрический.

При определении мощности источника излучения необходи­мо учитывать и параметры оптической системы, которые харак­теризуют световые потери на отражение на преломляющих по­верхностях, на поглощение и рассеяние внутри массы стекла.

По своему назначению устройства анализа изображений (ска­неры) можно разделить на два типа: черно-белые и цветные ска­неры соответственно для считывания и преобразования инфор­мации только о черно-белых и о цветных изображениях (в том числе и черно-белых) в цифровую или электронную форму.

В сканерах первого типа в качестве источника света приме­няются лазеры и лампы накаливания непрерывного действия, в сканерах второго типа - только лампы накаливания, так как они обладают широким спектром излучения, что важно для ана­лиза цветного изображения.