39. Многоэлементные фотоприемники.

В ряде случаев существует необходимость не только зарегистрировать наличие оптического излучения или его интенсивность, но и зафиксировать фотоэлектрическим способом оптическое изображение, имеющее определенное распределение интенсивности по плоскости. Это можно реализовать, изготовив экран, состоящий из множества миниатюрных фотоприемников, которые преобразуют световые потоки в соответствующие электрические сигналы. Записанная таким образом оптическая информация некоторое время сохраняется, а затем «считывается» тем или иным способом. Электрические сигналы от различных ячеек экрана могут быть преобразованы в видеосигнал для последующего его воспроизведения или другого способа использования, как правило, в реальном масштабе времени или записи (фото- телеграфия, телевидение). Использование для этих целей одноэлементных фотоприемников возможно лишь при сканировании (как правило механическом) по двум координатам, что существенно усложняет и увеличивает размеры используемого устройства, снижает его надежность и технологичность и неприменимо в случае быстроизменяющихся оптических изображений из-за значительной инерционности механических сканеров. Поэтому для таких целей целесообразно использовать многоэлементные фотоприемники (линейные или матричные). Однорядные линейки фотоприемников с большим числом элементов позво- ляют производить сканирование только по одной координате, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность устройства. Однако, часть информации теряется из-за наличия зазоров между фоточувствительными элементами. Для устранения этого применяют двухрядные линейки с шахматным расположением элементов, или используют чересстрочное сканирование. В некоторых случаях использование таких фоторегистраторов можно использовать вообще без сканирования, например, при снятии карты местности летящим самолетом или со спутника Земли. Применение многоэлементных фотоприемников матричного типа, содержащих большое число элементов, расположенных более или менее равномерно и с не- большими зазорами по двум координатам, обеспечивает получение видеосигнала оптического изображения без механического сканирования. Все многоэлементные фотоприемники используют электрическое сканирование. При этом фокусированное на многоэлементный фотоприемник оптическое изображение преобразуется в каждом элементе в электрический сигнал, пропорциональный освещенности элемента, а затем путем периодического последовательного опроса каждого элемента и считывания с него информации можно получить на выходе фотоприемника последовательность импульсов – видеосигнал, содержащий информацию о регистрируемом оптическом изображении. Вначале для фотоприемников с небольшим числом элементов в состав фото- приемника вводили предусилители на каждый элемент, обеспечивающие усиление сигналов в несколько десятков или сотен раз. Это – так называемые фотоприемные устройства (ФПУ). В ФПУ не может быть обеспечена высокая плотность размещения отдельных элементов, включающих в себя еще и предусилитель. Для устранения большого числа выводов в ФПУ были введены электронные коммутаторы, а также устройства некоторой первоначальной обработки полученной информации и ее выдачи в виде видеосигнала по одному каналу. Такие фотоприемники называются формирователями сигналов изображения. Более широкое применение нашли линейные и матричные фотоприемники с внутренними электрическими связями между отдельными элементами. В ряде систем при считывании информации используют электронный пучок, быстро обегающий миниатюрные фотоэлементы. Современные многоэлементные однорядные линейки или матричные структуры представляют собой фоточувствительные интегральные схемы, в которых технологическая интеграция объединена с физической. Матричные фотоприемники с координатной выборкой состоят из двух групп взаимно перпендикулярных электродов, фоточувствительных элементов, расположенных в местах пересечения электродов и электрически соединенных с ними, а также электронных схем управления В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фотослои, выполняющие функции: фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, полевых фототранзисторов, фотоприборов с зарядовой связью. Существуют и другие типы многоэлементных фотоприемников, используемых в оптоэлектронике. В качестве примера рассмотрим многоэлементный фото- приемник, у которого запись, хранение и считывание информации осуществляются одними и теми же твердотельными элементами. В качестве такого элемента может быть использована структура металл - диэлектрик – полупроводник. Если к структуре прикладывают напряжение U (минус на металле), то часть примесных электронов выводится из полупроводника n-типа, что приводит к появлению слоя положительного объемного заряда толщиной d. Толщина этого слоя увеличивается с ростом U. Возникающие при освещении МДП-структуры электроны отводятся в объем полупроводника, а дырки скапливаются у границы с диэлектриком. Число этих дырок (т. е. общий положительный заряд) зависит от интенсивности оптического излучения и времени его действия. Накопленный заряд может длительное время сохраняться, если тепловая генерация пар незначительна. Высокая чувствительность определяется тем, что фотоприемное устройство работает в условиях накопления светового действия. Так как в чувствительных элементах используют не p-n-переходы, а поверхностные барьеры, облегчается подбор области спектральной чувствительности фотоприемника путем выбора материала с соответствующей шириной запрещенной зоны (∆E ≤ hν). Основным полупроводниковым материалом фотоприемников с зарядовой связью является кремний, свойства которого дают возможность перекрывать спектральный интервал от 0,3 до 1,1 мкм. Применяя другие полупроводники, существует возможность расширить спектральный диапазон как в ультрафиолетовую область, вплоть до мягких рентгеновских лучей (CdTe, CdZnTe), так и в инфракрасную, до 14 мкм (InAsSb, InGaAs, CdHgTe, PbSnTe). Однако в этих случаях чаще всего используют так называемые гибридные структуры, в которых из соответствующего 108 необходимому спектральному диапазону материала изготовлена матрица фотоприемников, а для обработки информации применяют состыкованный с этой матрицей кремниевый прибор с зарядовой связью. Кремниевые приборы с зарядовой связью имеют приблизительно равное число элементов разложения с видиконами, но обладают рядом преимуществ по сравнению с вакуумными передающими телевизионными приборами, имеют высокий срок службы (1∙104 ч). Многоэлементные фотоприемники применяют при создании систем технического зрения, автоматического контроля размеров, при определении положения в пространстве и качества обработки и пр. Их применяют, в частности, в аппаратуре астрономических наблюдений, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. ПЗС-матрицы в качестве фотокамер встраиваются в мобильные телефоны и другие бытовые устройства. Важной характеристикой фоточувствительных матриц является квантовая эффективность, под которой понимают отношение количества зарегистрированных зарядов к количеству фотонов, попавших на светочувствительный участок кристалла матрицы. По величине квантовой эффективности приборы с зарядовой связью не имеют себе равных. Приборы с зарядовой связью чувствительны к излучению с длиной волн от единиц ангстрем (γ- и рентгеновское излучение) до 1100 нм. Такой широкий диапазон намного больше спектрального диапазона любого другого известного сегодня детектора.