З. 3. 7. Фотоприёмники с зарядовой связью. Пзс – структуры.
Структуры металл-диэлектрик-полупроводник, МДП, металл-окисел-полупроводник, МОП, являются основными ячейками образования фото-ПЗС структур (приборов с зарядовой связью). ПЗС-структура является прибором, в котором электрический сигнал представлен не током или напряжением, а зарядом. МДП- и МОП – структуры можно представить, как обычный конденсатор, у которого нижняя металлическая обкладка заменена полупроводником. Верхняя металлическая обкладка называется затвором. Если к такому конденсатору приложить постоянное напряжение, то в отличие от металла заряд в полупроводнике не будет сосредотачиваться на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние вглубь полупроводника. Система ПЗС состоит из большого количества МДП-конденсаторов, расположенных рядом и взаимодействующих друг с другом.
Пусть полупроводник под затвором кратковременно облучается лучистым потоком. В полупроводнике генерируются электроны и дырки. Электрическое поле перехода разделяет фотоносители: электроны идут вглубь полупроводника, а дырки накапливаются у его поверхности (полупроводник n-типа). Накопленный у поверхности дырочный заряд называется зарядовым пакетом, он больше, если больше энергия излучения и служит в фото-ПЗС носителем информации об изображении. Рабочий режим ПЗС - нестационарный, динамический, он не рассчитан на длительное хранение информации, иначе может произойти усреднение сигналов. Время переноса заряда тем меньше, чем меньше расстояние между затворами, чем выше подвижность носителей и напряжение считывания. В фото-ПЗС происходит преобразование оптического излучения (почти всегда видимого) в электрический сигнал в виде заряда.
С точки зрения применения фото-ПЗС особенно перспективны как многоэлементные фотоприемники. Накопление, хранение и передача оптической информации обеспечиваются одними и теми же элементами. Твердотельные формирователи изображения на фото-ПЗС успешно вытесняют классические передающие электронно-лучевые трубки. Успешно продвигается разработка телеаппаратуры на фото-ПЗС.
3. 3. 8. Приёмники излучения для ультрафиолетовой области спектра.
В настоящее время исследователи всё большее внимание уделяют получению информации путём работы в ультрафиолетовой области спектра. Ультрафиолетовое излучение занимает спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн от 400 до 10 нм. УФ-область условно делится на ближнюю (400 –200 нм) и далёкую, вакуумную (200 – 10 нм) области. Спектральная область от 200 до 400 нм называется биологически активным ультрафиолетом: область (320 – 400) нм – УФ-А, область (200 – 320) нм – УФ-Б. Ультрафиолетовое излучение поглощается верхними слоями тканей растений, кожи человека и животных. При этом происходит химическое изменение молекул биополимеров. Малые дозы оказывают благотворное действие на организм – способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиологические свойства. Большие дозы могут вызвать ожоги кожи. Характерной чертой для УФ-излучения является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области спектра. В коротковолновой области спектра прозрачны увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий и некоторые другие материалы. Из газообразных материалов наибольшую прозрачность имеют инертные газы, самую коротковолновую границу прозрачности имеет He - l = 50.4 нм. Коэффициент отражения всех материалов, в том числе металлов, в УФ-области убывает с уменьшением длины волны. Например, коэффициент отражения Al резко уменьшается при l < 90 нм.
Излучение накаленных до температур ~ 3000 К твёрдых тел содержит заметную долю УФ непрерывного спектра. Мощный источник УФ излучения – газоразрядная и высокотемпературная плазмы, также используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы.
Естественные источники УФ излучения – Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть излучения Солнца (l > 290 нм) достигает земной поверхности. Основная доля этого излучения с λ = 240 – 290 нм проникает до высот 20 – 40 км, где поглощается озоном, вызывая его диссоциацию. Энергия излучения с длинами волн λ < 240 нм поглощается на высотах 80 – 100 км, вызывая диссоциацию О2.
Для регистрации УФ-излучения применяются фотоэлектрические приёмники, использующие способность ультрафиолетового излучения вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды, фотоумножители. Разработан также особый вид фотоумножителей - каналовые электронные фотоумножители, позволяющие создавать микроканаловые пластины. В таких пластинах каждая ячейка является каналовым электронным умножителем размером до 10 мкм. При исследовании также используются различные люминесцирующие вещества, преобразующие УФ-излучение в видимое. Разработаны диссекторы с теллур-цезиевым фотокатодом, а также фотокатод с хорошей «солнечной слепотой» на основе иодида – цезия. В литературе имеются сведения о создании фотокатодов GaAs+Cs с квантовым выходом h ~ 35%, а также фотокатода на основе GaP+Сs с h ~ 40%.
Фотоумножители обладают самой высокой чувствительностью среди приёмников излучения. Но при своей работе они требуют использования высокого напряжения. В настоящее время созданы матрицы УФ-излучения (32х32) на основе p-i-n-фотодиодов на гетероструктуре GaN/AlGaAs. Базовым слоем является n-AlGaN с cодержанием Al ~ 2% Вся структура находится на сапфировой подложке, со стороны которой падает излучение. Элемент фотодиода чувствителен к излучению с длиной волны ~ 320 – 365 нм. Границу фоточувствительности матрицы возможно смещать, изменяя содержание в слое Al. Наибольший интерес для практических целей представляет солнечно-слепой УФ-детектор, принимающий изображение в области 250 – 280 нм, который может следить за струями газа, отрабатываемого ракетой. Приёмник ультрафиолетового излучения полезен для распознавания биологического оружия, для изучения озонового слоя, в УФ-астрономии.
На основе эпитаксиальных плёнок AlGaN, полученных методами молекулярно-лучевой эпитаксии и из металло-органических соединений, разработаны фотосопротивления, фотодиоды Шоттки, фотодиоды на p-n-переходе для УФ области спектра. На рис. 27 представлена зависимость фотоотклика фотодиодов Шоттки из AlxGa1-xN от содержания Al (х).
Рис. 27. Спектральная чувствительность фотодиода Шоттки
на основе AlxGa1-xN в зависимости от содержания Al:
х = 0(1), 0.19(2), 0.27(3), 0.35(4).
Созданы эпитаксиальные структуры лазерных диодов на основе GaInN, дающие излучение с длинами волн 418 и 428 нм.
р-n-Переходы находят широкое применение для создания лазерных диодов (ЛД). Пороговый ток Iпор инжекции полупроводниковых диодов тем больше, чем больше ширина излучающего перехода. Для простого р-n- перехода Iпор = 105 А/cм2, для гетероструктур его можно снизить на два порядка. Переход к структурам с квантово-размерными эффектами приводит к уменьшению Iпор не только вследствие уменьшения ширины перехода, но и в результате большой локализации функции плотности квантовых состояний. Для структуры с квантовыми ямами достигнуто Iпор = 160 А/см2. Сложная лазерная структура, сочетающая квантовую яму и короткопериодные сверхрешётки, позволила получить значения пороговой плотности тока Iпор = 40 А/ см2 Наиболее значительные изменения в данной области произошли только после применения в лазерах двойной гетероструктуры. Использование одиночной квантовой ямы и короткопериодных сверхрешёток привело фактически к достижению теоретического предела порогового тока полупроводниковых лазеров.