
- •4 Оглавление
- •Глава1.Температурныеполявтермическихсенсорах........................ 17
- •Глава2.Термочувствительныеэлементы 105
- •Глава3.Примерыпрактическойреализациитермическихсенсоров
- •Глава4.Взаимодействиеизлученияствердымтелом 183
- •Глава5.Фотоэлектрическиеприемникиизлучения.Определения
- •Глава6.Равновесныеинеравновесныеносители заряда 271
- •Глава7.Физическиеосновыработыфотонныхприемниковизлу-
- •Глава8.Основныенаправленияразвитиятехникирегистрацииоптическогоизлучения 411
- •Теплотаитемпература
- •Способы теплопередачи:теплопроводность
- •Уравнениетеплопроводности
- •Теплопроводностьгазов
- •Теплопроводностьитеплоемкостьтвердыхтел
- •Теплопроводностьжидкостей
- •1.3.Радиационныйспособтеплопередачи
- •Основныепонятияизаконы
- •Радиационныйтеплообменмеждутвердымителами,
- •Теплообменмеждудвумятелами,одноизкоторыхнаходится
- •Конвективныйтеплообмен
- •Основныеособенностиконвективноготеплообмена
- •Основныеуравненияконвективноготеплообмена
- •Критериитеорииподобия
- •Вынужденнаяконвекциядляплоскойповерхности
- •Теплообменвусловияхестественнойконвекции
- •Естественнаяконвекция
- •Примеррасчетаконвективноготеплообмена
- •Cтационарныетемпературныеполявэлементахтермическихсенсоровиактюаторов
- •Распределениетемпературы
- •Передачатеплачерезстенку
- •Электростатическаяаналогияуравнениятеплопроводности
- •Тепловоесопротивлениесоставнойтеплопроводящейпла-стины.
- •Параллельное соединение двух разнородных тепловых
- •Температурноеполевинтегральнойконсольнойбалочке
- •Стационарноетемпературноеполевкруглойдиафрагме
- •Однородныйнагрев
- •Точечныйисточниктепла
- •Температурнаядинамикаэлементовтермическихсенсоров
- •Решениенаосновеэлектростатическойаналогии
- •Аналитическоерешениедлятеплообмена
- •2.1.ТермочувствительныеэлементынаосновеэффектАтермоЭдс
- •Физическиепроцессывтермопарах
- •ОбъемныесоставляющиетермоЭдс
- •КонтактнаясоставляющаятермоЭдс
- •2.1.2.Эффекттермоэдсвметаллахиполупроводниках
- •Термоэлектрическиеэффектыпельтьеитомсона
- •Терморезисторы
- •Металлическиетерморезисторы
- •Кремниевыетерморезисторы
- •Транзисторы
- •Термисторы
- •Термическийвакуумметр
- •Термическиесенсорыпотокагаза
- •Термоанемометры
- •Термоанемометрыснагревателемизполикристаллическогокремния
- •Термическийсенсор,чувствительныйкнаправлениюпотока
- •VXSxuxSxucos;
- •Термическийконверторсреднеквадратичногозначениянапряжения
- •Биморфныйтермомеханическийактюатор
- •Взаимодействиеизлучениясполупроводниками
- •Уравнениямаксвелла
- •Отражениеэлектромагнитногоизлученияотграницыразделадвухсред
- •Зависимостьоптическихконстантотчастоты
- •Интерференция.Просветляющиепокрытия
- •Поглощениевполупроводниках
- •Механизмыпоглощениясветавполупроводниках
- •Собственноепоглощение.Прямыепереходы
- •СобственноепоглощениеНепрямыепереходы
- •Экситонноепоглощение
- •Примесноепоглощение
- •Внутризонноепоглощение
- •Поглощениесвободныминосителямизаряда
- •Решеточноепоглощение
- •Приемникиизлучения
- •Поотношениюксопротивлениюнагрузки:
- •Методыизмеренияпараметровфотоэлектрическихполупроводниковыхприемников
- •0,1Fрезfэкв0,2fрез,
- •Энергетическиехарактеристикиизлучения
- •IbAcos.
- •IBdAcos,
- •Мощностьиспектральныйсоставизлученияабсолютночерныхтел
- •Энергетическийисветовойпотокиизлучения
- •Цветовоезрение
- •Xyz(условныеобозначениясм.Нарис.5.18):
- •Приемцветногоизображенияприпомощиприемников
- •650Нмсераялиния
- •Равновесныеинеравновесныеносителизаряда
- •Равновесныеносителизарядавполупроводниках
- •Неравновесныеносителизарядаквазиуровеньферми
- •Рекомбинацияносителейзарядавремяжизни
- •1Nстt
- •Механизмырекомбинации
- •Излучательнаярекомбинация
- •Imax 2g
- •Межзоннаяоже-рекомбинация
- •Рекомбинациячерезлокальныецентры
- •Поверхностнаярекомбинация
- •Распределениенеравновесныхносителейзаряда
- •Уравнениянепрерывностидляэлектроновидырок
- •Диффузионноеуравнение
- •Лавинныефотодиоды
- •Фотосопротивления
- •Фотоприемникинаосновеструктурметалл–диэлектрик–полупроводник
- •Приповерхностныеобластипространственногозаряда
- •10 Blip 10
- •Целипримененияоптическихсистемиихстроение
- •Болометрическиематрицы
- •Принципдействияихарактеристикитепловыхприемниковизлучения
- •Параметрытпи
- •Болометры
- •Линейчатыеиматричные
- •Составипринципработыизмерительногостенда
- •–Осьлинейкифотоприемников(лфп)иЛфпу;
- •Характеристикилинейчатыхфотоприемныхустройств
- •Тепловизионныематрицы
- •Линейчатыеиматричныепзи-приемникиизображениянаосновеInAs
- •Преобразованиесветовогопотокавцифровуюинформацию
- •Оцифровываниесигнала
- •Приборы,отображающиеоптическуюинформацию
- •ВикторАлексеевичГридчин,ИгорьГеоргиевичНеизвестный,ВладимирНиколаевичШумский физикамикросистем
- •Часть2Учебноепособие
- •630092,Г.Новосибирск,пр.К.Маркса,20
Приемникиизлучения
ОПРЕДЕЛЕНИЯ,ОТНОСЯЩИЕСЯКПРИЕМНИКАМИЗЛУЧЕНИЯ
Фоточувствительнымполупроводниковымприборомвообщеназываетсяполупроводниковыйприбор,чувствительныйкэлектро-магнитномуизлучениювультрафиолетовой,видимойиинфракраснойобластяхспектра.
Фотоэлектрическимполупроводниковымприемникомизлуче-ния(ФЭПП)называетсяфоточувствительныйполупроводниковыйприбор,принципдействиякоторогооснованнавнутреннемфотоэф-фекте.Именносэтимвидомфоточувствительныхполупроводниковыхприборовмывдальнейшемибудемиметьдело.
ФЭППконструктивносостоитизфоточувствительногоэлемента(ФЧЭ),подложки,вывода,контакта,корпуса,вкоторыйонзаключен,апертурнойдиафрагмыивходногоокна.СхематическиконструкцияФЭППпредставленанарис.5.2.
7
6
4
3 1
2
5
Рис.5.2.СхематическаяконструкцияФЭПП:
1–ФЧЭ;2–подложка;3–вывод;4–корпус;5–контакт;6–апертурнаядиафрагма;7–входноеокно
Фоточувствительнымэлементомназываетсячастьмонокри-сталлаилиполупроводниковогослоя,обладающаясвойствамивнут-реннегофотоэффектаипредназначеннаядляприемаоптическогоиз-лучения.ПодложкойФЭППназываетсяэлемент,накоторыйнаноситсяфоточувствительныйслой.Например,приизготовлениифо-торезисторовнаосноветвердыхрастворовкадмий–ртуть–теллур(КРТ)фоточувствительныйслойпленкиКРТ–осаждаютнаподложкиGaAs.Нафоточувствительномслоесоздаетсяконтакт–участокФЧЭ,обеспечивающийэлектрическуюсвязьегосвыводомФЭПП.СамФЧЭзаключенвкорпус,которыйявляетсяконструкцией,обеспе-чивающейзащитуФЭППотвоздействиявнешнейсредыиприсоеди-нениеегоквнешнейэлектрическойцеписпомощьювыводов.Состав-нойчастьюкорпусаявляетсяапертурнаядиафрагма,котораяслужитдляограниченияэффективногополязренияФЭПП.Излучениепопада-етнаФЧЭчерезвходноеокно,котороеобладаетнеобходимымпро-пусканиемизлучениявтребуемойспектральнойобластиспектра.
Всвязисмассовымприменениемвпоследниегодылинеекимат-
рицприемниковизлученияважноразделениемеждуодноэлементнымимногоэлементнымФЭПП.ЧастоприменяютсямногоспектральныеФЭПП,которыесодержатдваиболееФЧЭсразличнымидиапазонамиспектральнойчувствительности.ДляФЭППинфракрасного(ИК)диа-пазонадлинволн,вкоторыхФЧЭорганизованнаосновеузкозонногополупроводника,обычнотребуетсяегоохлаждениедонизкойтемпе-ратуры.ВэтомслучаеФЭППназываетсяохлаждаемымисодержитспециальнуюсистемуохлаждения.
ВсоответствииспринципамидействияФЭППсуществуетне-скольковидов:
фоторезисторы,принципдействиякоторыхоснованнаэффектефотопроводимости;
фотодиоды,представляющиесобойp–n-переходы(илигетеропе-реходы),вкоторыхприпоглощенииоптическогоизлучениянаблюда-етсяфотовольтаическийэффект;
p–i–n-фотодиоды–фотодиоды,дырочнаяиэлектроннаяобластикоторыхразделенаслоемматериаласпроводимостью,близкойксоб-ственной;
фотодиодысбарьеромШоттки–фотодиоды,запирающийслойкоторыхобразованконтактомполупроводникасметаллом;
лавинныефотодиоды–фотодиодысвнутреннимусилением,осно-ваннымнаударнойионизацииатомоввсильномэлектрическомполе;
инжекционныефотодиоды–фотодиодысвнутреннимусилением
сигналазасчетинжекциисвободныхносителейзаряда;
фототранзисторы(полевыеибиполярные)–транзисторыссоот-
ветствующейструктурой,вкоторыхиспользуетсяфотоэлектрическийэффект.
НапрактикенепосредственноФЭППприменяетсяредко:почтивсегдаонвходитвсоставфотоприемногоустройства(ФПУ),кото-роеявляетсяфоточувствительнымполупроводниковымприбором,со-стоящимизФЭППисхемыпредварительногоусиленияфотосигналавгибридномилиинтегральномисполнении,объединенныхвединуюконструкцию.
КакиФЭПП,фотоприемныеустройствабываютохлаждаемыми,
т.е.такими,вкоторыхиспользуетсяохлаждаемыйФЭПП,атакжеод-но-имногоэлементными.МногоэлементныеФПУ(МФПУ)подраз-деляютсянаМФПУсразделеннымиканаламисчисломвыходоврав-ныхчислуФЧЭиМФПУсвнутреннейкоммутациейсчисломвыводовменьшим,чемчислоэлементов.Аналогичномногоспектраль-номуФЭППопределяетсямногоспектральноеФПУ.Крометого,су-ществуютмонолитныеигибридныеФПУ.
МонолитнымФПУназываетсяФПУ,выполненноевединомтех-нологическомцикленаединомкристалле,втовремякакгибридноеФПУ–этоФПУ,выполненноеобъединениемвединойинтегральнойсхемечастей,полученныхпутемразличныхтехнологическихциклов.
РЕЖИМЫРАБОТЫФЭППИФПУ
РазличаютсяследующиеосновныережимыработыФЭППиФПУ.
Поотношениюкпитающемунапряжению:фотогальваническийрежим–безподачивнешнегонапряжения;фотодиодныйрежим–приподачеобратногонапряжениянафо-
тодиод;
лавинныйрежим–приподачеобратногонапряженияналавин-
ныйфотодиод,обеспечивающеговнутреннееусиление.