Функциональные приборы с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС)' представляют собой приёмник изображе­ния (рис. 26) с фоточувствительной областью, содержащей единый фоточув­ствительный массив. К каждой секции примыкает горизонтальный регистр счи­тывания (рис. 27).

Рис. 26. Внешний вид фото­приемников на основе ПЗС

Рис. 27. Принцип действия ПЗС:

а - появление заряда под электродом с высоким напряжением; 6- перенос заряда к электроду с повышенным напряжением

Изображение, проецируемое на фоточувствительную область, вызывает фотогенерацию (образование электронно-дырочных пар). Под действием света в ячейках накапливается зарядовый рельеф, пропорциональный освещенности и времени накопления.

Приборы с зарядовой связью содержат матрицы МОП-конденсаторов, расположенных достаточно близко друг к другу. По­следовательностью тактовых импульсов они поочередно получают напряжение смещения, которое переводит их в режим глубокого обеднения. Этим создаются условия для хранения зарядовых паке­тов под электродами матрицы и целенаправленного перемещения вдоль поверхности кристалла от одного конденсатора к другому.

В ПЗС растр изображения задается в процессе изготовления его структуры, причем с такой высокой точностью, что геометриче­ские искажения получаемого изображения определяются только ка­чеством оптического объектива. Жесткий растр позволяет также су­щественно ослабить микрофонный эффект (влияние акустических воздействий на ПЗС), практически полностью исключить влияние мешающих магнитных полей.

В ПЗС с поверхностным каналом зарядовые пакеты хранятся и перемещаются в приграничном слое полупровод­ник - диэлектрик (Si0₂), а в ПЗС со скрытым каналом - в толще полупроводника, в котором канал изготовлен специальным легиро­ванием. Чувствительность прибора к световому потоку отражает спек­тральная характеристика, которая показывает зависимость выходно­го сигнала ПЗС от длины волны электромагнитного облучения. Она определяется квантовым выходом (количеством сгенерированных фотоэлектронов на один фотон падающего светового потока), зави­сящим от уровня фотогенерации полупроводника и потерь проник­новения света при прохождении через электродную структуру. Све­товой поток, попадая на поверхность полупроводника, проходит затем через несколько тонких слоев, отличающихся своими оптическими параметрами, вызывая интерфе­ренцию, что находит свое отраже­ние в изрезанной спектральной ха­рактеристике. Для расширения спектраль­ной чувствительности толщину го­тового кристалла ПЗС уменьшают до 10 мкм и менее, а световой по­ток направляют на обратную сто­рону прибора, которая обработана специальным образом. Такое кон­структивное решение, хотя и дорогое, позволяет исключить отражение от электродов и весь поток на­править внутрь полупроводникового кристалла.

Другой характеристикой ПЗС является темновой ток -резуль­тат спонтанной генерации электронно-дырочных пар, вызывающей падение чувствительности особенно в низкочастотной части спек­тра. Типовые значения темнового тока лежат в пределах 0, 2...0, 6 нА/м и этот ток в обычных применениях незаметен, но в условиях длительной экспозиции - неприемлем. Темновой ток как термоди­намический процесс сильно зависит от абсолютной температуры. Для охлаждения ПЗС обычно применяют батареи термоэлектронного охлаждения с использованием эффекта Пельтье (при рабочем напряжении 5 В обеспечивают перепад около 70°С).

Перспективным является использование для создания высо­коскоростных ПЗС арсенида галлия, в котором электроны имеют вы­сокую подвижность. Так, некоторые ПЗС со скрытым; каналом на кристалле AsGa работают с тактовой частотой до 500 МГц.

Помимо матричных, широко используются линейчатые ПЗС -для считывания одномерных изображений (например, штрих-кодов, при сканировании, в передающей части факсимильных аппаратов). Накопительными элементами в таких ПЗС служат, как правило, фо­тодиоды, рядом с которыми располагаются регистры считывания четных и нечетных элементов, число которых колеблется в пределах 1024-4096.

Помимо использования ПЗС в качестве приемника изображе-ния, его с успехом можно применить как аналоговую линию задерж­ки, величина которой определяется тактовой частотой и количест­вом элементов регистра.

Контрольные вопросы

1. Какие компоненты ЭС относятся к полупроводниковым?

2. Объясните формирование ВАХ p-n-перехода.

3. Каков принцип действия биполярного транзистора?

4. Каков принцип действия полевого транзистора?

5. Каков принцип действия тиристора?

6. Чем вызвано появление функциональных компонентов ЭС?

7. Какие компоненты ЭС можно отнести к акустоэлектронным?

8. Какими преимуществами обладают кварцевые резонаторы?

9. Каково назначение пьезоэлектрических фильтров?

10. Каков принцип действия фильтра на поверхностных акустических волнах?

11. Какие функциональные относятся к оптоэлектронным?

12. Каково назначение и принцип действия приборов с зарядовой связью?

Тестовые вопросы

Для получения зачета по данным темам необходимо правильно ответить на 15…30 вопросов из 30 для каждого обучающегося.

Вопросы

1) Каковы основные отличия элементов от компонентов электронных устройств (ЭУ)?

1. Элемент – составная часть ЭУ, выполняющая электрические, механические и электромеханические функции, которая неразделимо связана с конструктивами ЭУ; компонент –часть ЭУ, выполняющая функции, связанные с обработкой электрических сигналов.

2. Элемент может быть самостоятельным изделием электронной техники (ИЭТ) и представляет собой простейшую единицу конструкции ЭУ, а компонент – более сложная единица конструкции ЭУ, хотя тоже может быть ИЭТ.

3. Элемент не отделим от любого конструктива ЭУ и не является самостоятельным ИЭТ, а компонент – самостоятельное ИЭТ, которое можно заменить без разрушения конструкции ЭУ; компоненты выполняют более сложные функции в ЭУ и при изготовлении требуют применения гораздо большего разнообразия технологий чем элементы.

4. Для изготовления элемента используют не более одной какой-либо технологии, а для изготовления компонента всегда требуется применение нескольких технологий.

Правильный ответ –

2) По каким признакам классифицируют дискретные резисторы? Выберите правильные ответы: а – по функциональному признаку;

б – по разновидности материала, из которого изготовлен резистивный элемент (РЭ); в – по способу монтажа на печатной плате; г – по номинальной мощности; д – по диапазону изменения ТКС; е – по технологии изготовления; ж – по степени защищенности от внешних воздействий; з – по форме выводов; и – по назначению; к – по величине удельного объемного сопротивления РЭ; л – в зависимости от конструкторско-технологической реализации РЭ.

1. а…к.

2. а…д; ж…и; л.

3. б…е; з…к.

4. а…в; ж…и; л.

5. б…и; к; л.

6. а; б; д…к.

Правильный ответ –

3) Перечислите особенности изготовления углеродистых постоянных резисторов:

а – обеспечивают химическую однородность структуры поверхности диэлектрического основания с минимальным и однородным ее микрорельефом;

б – используют керамическую технологию изготовления основания;

в – для получения РЭ используют пиролиз гептана;

г – используют пиролиз трипропилбора;

д – керамические основания покрывают глазурью;

е – осуществляют армирование выводов;

ж – наносят суспензию коллоидного раствора графита или серебра с последующей термообработкой;

з – проводят электротренировку в импульсном режиме;

и –выполняют нарезку при необходимости.

1. а…в; е; з; и.

2. а…ж.

3. а…г; е… и.

4. а…в; д… и.

5. а…г; е; з; и.

Правильный ответ –

4) Укажите особенности изготовления бороуглеродистых постоянных резисторов:

а – обеспечивают химическую однородность структуры поверхности диэлектрического основания с минимальным и однородным ее микрорельефом;

б – используют керамическую технологию изготовления основания;

в – для получения РЭ используют пиролиз гептана;

г – используют пиролиз трипропилбора;

д – керамические основания покрывают глазурью;

е – осуществляют армирование выводов;

ж – наносят суспензию коллоидного раствора графита или серебра с последующей термообработкой;

з – проводят электротренировку в импульсном режиме;

и –выполняют нарезку при необходимости.

1. а…г; ж… и.

2. а; б; г; д; ж…и.

3. а; б…д; з; и.

4. а…д; ж… и.

5. а…е; з; и.

Правильный ответ –

Какие технологии используют при изготовлении металлопленочных резисторов?

6. Тонкопленочная технология, включая фотолитографию; технология армирования выводов, термоотжига, контроля.

7. Толстопленочная технология; технология нанесения защитных покрытий и контроля.

8. Керамическая технология изготовления основания; технология глазурования керамики; технология осаждения в вакууме металлов, сплавов, керметов, силицидов, карбидов, нитридов металлов; армирования выводов или формирования выводов с применением контактолов; технологии термостабилизации, формирования защитных покрытий и контроля, а при необходимости – технологии корпусирования.

9. Керамическая технология; тонкопленочная технология, включая фотолитографию; технология армирования выводов, нанесения защитного покрытия, контроля и корпусирования.

10. Керамическая технология; трафаретная печать электропроводящих паст; технология армирования выводов, нанесения защитного покрытия, контроля качества.

Правильный ответ –

Укажите технологии изготовления РЭ на основе композиционных материалов для: а – объемных; б – толстопленочных; в – тонкопленочных резисторов.

11. а – пиролиз; б – керамическая; в – электрохимическое осаждение.

12. а – керамическая; б – офсетная печать; в – химическое осаждение.

13. а – трафаретная печать резистивных паст; б – керамическая; в – вакуумное напыление.

14. а – керамическая; б – трафаретная печать; в – химико-гальваническое осаждение.

15. а – керамическая (литья или прессования); б – трафаретная печать резистивных паст; в – вакуумное напыление (ионно-плазменное, магнетронное распыление и др.).

Правильный ответ –

5) Какие из параметров и характеристик постоянных непроволочных резисторов включены в систему их полных условных обозначений? Приведите их правильную последовательность в обозначении:

а – номинальное сопротивление (Ом, кОм, МОм);

б – номинальная мощность рассеяния (Вт);

в – допускаемое отклонение в сопротивления (±%);

г – интенсивность отказов (1/ч);

д – уровень собственных шумов (мкВ/В);

е – предельное рабочее напряжение (В);

ж – группа по уровню шумов;

з – группа по ТКС;

и – климатическое исполнение;

к – диапазон рабочих температур (º С).

1. а; в; б; е…и.

2. б; а; в; ж…и.

3. а…д; и; к.

4. б; а; в; г…з.

5. а…в; д; з…к.

6. б; а; в…е; з…к.

Правильный ответ –

6) Укажите основные материалы для изготовления РЭ терморезисторов с отрицательным ТКС (ОТ); с положительным ТКС (ПТ), включая позисторы,:

а – смесь поликристаллических оксидов переходных металлов (Mn₃O₄; CoO; NiO и др.);

б – легированные Si и Ge;

в – SiC;

г – полупроводники А³В⁵;

д – аморфные полупроводники;

е – твердые растворы на основе BaTiO₃ (включающие Sr, Ti, Sn либо Pb);

ж – поликристаллические полупроводниковые материалы на основе BaTiO₃, легированные Bi, Nb, Sb;

и основные технологии изготовления их РЭ:

з – керамическая технология (спекание порошков, прессование);

и – пленочная технология;

к – полупроводниковая технология.

1. ОТ – а…е – з, к; ПТ – в, ж – и, к.

2. ОТ – в…ж – з, и; ПТ – д…ж – и.

3. ОТ – а…д – з…к; ПТ – е, ж – з, и.

4. ОТ – б…ж – и, к; ПТ – ж – з.

5. ОТ – а…д – и, к; ПТ – е – з, и.

Правильный ответ –

7) Укажите основные материалы для изготовления РЭ болометров (Б); варисторов (В); фоторезисторов (Ф):

а – оксиды Co, Mg, Ni;

б – сплав Ag, Pb, S (чернь);

в – металлы Ni, Au, Bi, сплавы на основе Sn, Ta, Nb;

г – Ge, легированный Ga;

д – SiC, ZnO-SiO₂ с органическим или неорганическим связующим;

е – легированный Si;

ж – аморфный Si;

з – CdS, CdSe;

и – соединения PbS, PbSe, CdHgTe, PbSnSe;

и широко применяемые технологии их изготовления:

к – керамическая технология (спекание порошков, прессование);

л – полупроводниковая технология;

м – вакуумное напыление;

н – химическое осаждение.

1. Б – а…е – к…м; В – г…е – к…л; Ф – г, е…и – к, л.

2. Б – а…д – к, л; В – д…з – к, м; Ф – г…з –л.

3. Б – а…ж – к, н; В – а…д – к…м; Ф – г, е…и – л, н.

4. Б – а, б – к…н; В – е…и – к, н; Ф – е, з, и – к…н.

5. Б – а…г – к…м; В – д…ж – к…м; Ф – г, е, з, и – к…н.

Правильный ответ –

8) Укажите основные материалы и технологии изготовления РЭ магниторезисторов (МР) и тензорезисторов (ТР):

а – монокристаллический полупроводник типа ZnSb, ZnAs, ZnSb- NiSb;

б – поликристаллический ZnSb;

в – Zn, Ni;

г – легированный Si, Ge;

д –сплавы на основе Cu, Ni, Mo, Pt;

е – полупроводниковая технология;

ж – тонкопленочная технология;

з – аппликативная технология;

и – керамическая технология;

к – гальваническая технология;

л – фольгирование.

1. МР – а…в, д – е…з, к; ТР – г, д – е…з, л.

2. МР – а…д – е…л; ТР – б…д – ж…л.

3. МР – б…г – з, и, к; ТР – а…в – е…и.

4. МР – в, г– е, к, л; ТР – б…г – ж…и.

5. МР – д – е…з, к; ТР – в…д – е…к.

Правильный ответ –.

9) Назовите способ подгонки сопротивления разных типов резисторов «в номинал»:

а – тонкопленочных;

б – толстопленочных;

в – композиционных объемных;

г – проволочных; из:

д – распыление с помощью песчаной струи;

е – нарезка канавок на поверхности РЭ алмазным диском;

ж – локальное удаление материала РЭ лазерным лучом;

з – нанесение на поверхность РЭ слоя идентичного материала;

и – намотка при повышенных температурах;

к – термостарение;

л – термоэлектротренировка;

м – токовая тренировка (в импульсном режиме);

н – локальное окисление;

о – закорачивание отдельных витков РЭ;

п – использование подгоночных топологических элементов.

1. а – д…з, к…м; б – д…з; в – д…ж; г – д, и…о.

2. а – е…з, к, л, п; б – д, ж, к…н; в – д, з; г – и, м, о.

3. а – д…ж, к, н; б – д, з, л, м; в – ж, з; г – и, о, п.

4. а – е…з, к, м, н, п; б – д…ж, л; в – д, к, л; г – и…л, о.

5. а – е…ж, к, м; б – д…з, к…н; в – д, з, к; г – д, и, л, о.

Правильный ответ –

10) По каким признакам классифицируют конденсаторы? Перечислите все признаки с учетом преимущественно общей для дискретных компонентов классификации и конкретной, относящейся только к конденсаторам классификации:

а – по назначению;

б – по способу защиты конструкции;

в – способу монтажа;

г – по виду диэлектрика;

д – по функциональным особенностям при использовании в электронных устройствах;

е – по характеру изменения емкости;

ж – по величине номинальной емкости;

з – по номинальному напряжению;

и – по ТКЕ;

к – по частотным свойствам;

л – по варианту конструкторско-технологической реализации.

1. а; г…ж.

2. а …ж; л.

3. а, е, б…г; з, к, д.

4. а, г; е…к.

5. а …г; ж…л.

Правильный ответ –

11) Укажите материалы диэлектриков для следующих групп конденсаторов:

а – конденсаторы с неорганическим диэлектриком;

б – конденсаторы с органическим диэлектриком;

в – конденсаторы с оксидным диэлектриком;

г – конденсаторы с газообразным диэлектриком;

д – конденсаторная бумага, полиэтилентерефталат, полипропилен, поликарбонат, их комбинации;

е – полистирол, фторопласт, их сочетания с бумагой;

ж – окислы металлов (Al, Ta, Nb);

з – керамика, стекло, стеклоэмаль;

и – слюда;

к– азот, фреон;

л – элегаз (SF₆), вакуум;

м – двуокись марганца;

н – кварц;

о – стеклокерамика;

п – воздух;

р – политетрафторэтилен, лавсан.

1. а – з, н; б – д, е, и, о, р; в – ж…и; г – к, л, п.

2. а – ж, з, о; б – д, е, л, р; в – ж, з; г – к, п.

3. а – з, и, н, о; б – д, м; в – ж, м; г – к, л.

4. а – ж…и, н, о; б – д, е; в – ж; г – к, л, п.

5. а – ж…и, м, о; б – д, е, и, р; в – ж, з, м; г – к, п.

Правильный ответ –

12) Перечислите основные материалы диэлектриков, используемых при изготовлении конденсаторов постоянной емкости для следующих конструкций:

а – пакетной;

б – трубчатой;

в – пластинчатой;

г – дискообразной;

д – литой секционированной;

е – многослойной монолитной;

ж – рулонной;

з – резервуарной;

и – типа - чип.

1. а – керамика, стёкла; б – керамика; в, г – стелокерамика в сочетании с полимерными пленками; д, е – керамика; ж, з – оксид Al; и – специальные виды керамики.

2. а – слюда, стеклоэмаль, стеклокерамика, специальные виды керамики; б – разные виды конденсаторной керамики; в –аналогичны б, стеклокерамика; г, д, е – аналогичны б; ж – конденсаторная бумага, разные виды полимерных пленок (или лент), комбинации различных органических материалов; з – оксиды Al, Ta; и – аналогичны в, оксиды Al, Ta, Nb.

3. а – слюда, керамика; б…е – разные виды конденсаторной керамики; ж – ленты керамики, бумаги; з – полимерные пленки, оксиды Al; и – керамика.

4. а – стеклокерамика; б…д – керамика, стеклокерамика; е, ж, з – керамика, бумага; и – керамика, стёкла.

5. а – стеклоэмали; б…е – керамика, стеклоэмали; ж, з – конденсаторная бумага, оксид Al; и – керамика, полимерные пленки.

Правильный ответ –

13) Для изготовления постоянных конденсаторов конструкций:

а – пакетной;

б – трубчатой;

в – пластинчатой;

г – дискообразной;

д – литой секционированной;

е – многослойной монолитной;

ж – рулонной;

з – резервуарной;

и – типа – чип;

используют следующие основные технологии:

к – спрессовывание с обжимками пакета диэлектрических металлизированных пластин;

л – приемы тонкопленочной технологии;

м – приемы толстопленочной технологии;

н – литьё керамики;

о – нанесение и вжигание серебросодержащих покрытий;

п – формирование влагозащитных покрытий;

р – литьё горячей керамики по форме с пазами;

с – химическая, либо химико-гальваническая металлизация;

т – спекание металлизированных слоев керамики, стеклокерамики;

у – формирование внешних выводов (микроконтактироване);

ф – формирование выводных площадок;

х – свертывание в рулон лент из различных органических и неорганических материалов;

ц – изготовление металлобумажных заготовок;

ч – сборка и герметизация в корпусе;

ш – пропитка волокнистых материалов электролитом;

щ – спекание стержня и порошка металла с последующим анодированием получаемой пористой поверхности слага;

э – формирование слоя MnO₂;

ю – опрессовка пластмассой;

я – заливка герметиком.

Определить технологии, используемые для создания каждой конструкции конденсатора.

1. а – к…м, о, с, у; б – л…п, у; в – м, у; г – л…о, у; д – м…р, у; е – м… п, т, у; ж – о, н, с, х, ц, ш, ю; з – у…ш; и – л…п, т, у, щ…я.

2. а – к…н, п, у; б – л…п, у; в – м, о, у; г – л…п, у; д – н…п, у; е – м… п, т, у; ж –с, у, х… ш, я; з – т…ч, я; и – м…о, у, ф, ч…я.

3. а – к…о, с, у; б – л…н, п, у; в – л…п, у; г – м…о, у; д – о…с, у; е – м… п, т, у; ж –с, х… ч, ю; з – у…щ, ю; и – н…р, у, ф, ч…ю.

4. а – к…п, т, у; б – м…о, п, у; в – л…о, у; г – л…п, у; д – н…ф, у; е – м… п, т, у; ж –у, х… ш, ю, я; з – с; у, х…щ; и – о, п, с…ф; щ…я.

5. а – к…м, о, п, у; б – м…п, у; в – л…п, у; г – м…п, у; д – м, о…р, у; е – м… п, т, у; ж – с, у, х…ш; з – с, у, х…ч, щ; и – л…п, т, ф, щ…я.

Правильный ответ –

14) Какие материалы для изготовления

а – варикапов; б – варакторов; в – варикондов;

из: г – Si, Ge; д – GaAs;

е – GaP; ж – различные виды сегнетокерамики на основе титаната бария;

з – TeS; и – керамика на основе Si₃N₄;

указаны неверно?

1. а – г; б – г; в – ж.

2. а – г, д; б – г, д; в – ж.

3. а – е; б – з; в – и.

4. а – д; б – г; в – ж.

5. а – г; б – д; в – ж.

Правильный ответ –

15) Назовите материалы диэлектриков конденсаторов общего назначения:

а – переменных; б – подстроечных;

из: в – воздух; г – конденсаторная керамика; д – стекло;

е – кварц; ж – сапфир; з – слюда; и – вакуум; к – элегаз;

л – органический пленочный материал;

м – сегнетокерамика; н – оксиды Al, Ta, Nb.

1. а – в, г, и, к; б – в…к, м.

2. а – в, и…м; б – г…и, н.

3. а – в, г, и…л; б – в…з, л.

4. а – в, г, и…н; б – г…з, н.

5. а – г, и…м; б – в, и…н.

Правильный ответ –

16) Каковы основные технологии изготовления таких специальных конденсаторов как:

а – варакторы;

б – варикапы;

в –вариконды;

г – термоконденсаторы? Выберите из:

д – тонкопленочная;

е – толстопленочная;

ж – литье керамики;

з – прессование композиционного материала;

и – полупроводниковая технология;

к– технология микроконтактирования;

л – технология вжигания электропроводящего материала;

м – технология корпусирования;

н – формирование защитных покрытий;

о – формирование выводов;

п – формирование выводных контактных площадок.

1. а – д, и…м; б – д, и, к, н. п; в – е…з, л…п; г – д…з, м…о.

2. а – д, з…н; б – д, и, к, м…о; в – з, к…м, п; г – е…з, к…н.

3. а – е, и…о; б – и…п; в – д…з, н…п; г – ж, з, л…п.

4. а – з…м; б – д, з…л, о; в – е…з, м…о; г – ж, з, н…п.

5. а – и, к, н…п; б – и, к, н…п; в – е…з, к, л, н…п; г – е…з, л, н, п.

Правильный ответ –

17) Катушки индуктивности, используемые в ЭУ, могут быть:

а – контурные; б – длинноволновые;

в – ультракоротковолновые; г – катушки связи;

д – средневолновые; е – коротковолновые; ж – дроссели;

з – трансформаторные; и – вариометры;

к – частотноизбирательные;

л – ограничительные; м – помехоподавляющие.

Какие из них указаны не по критерию «назначение»?

1. а; г; ж… и.

2. г; ж… и.

3. ж… и.