Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
3.3.1. Тепловые приемники оптического излучения
Обычно болометры включают в компенсационные электрические
мостовые схемы, которые позволяют регистрировать электрическую
разбалансировку при поступлении потока излучения на один из элементов схемы.
Болометры характеризуются большой инерционностью: постоянная
времени от единиц ms до s. Преимуществом болометров следует признать небольшой порог чувствительности, позволяющий регистрировать
изменение температуры до 10
–7
°С.
2. Термоэлемент (термоэлектрический преобразователь) состоит
из двух проволок (рис. 3.2) – металлические или полупроводниковые
пары, выполненные из различных материалов. Место соединения двух
концов называется спай, который называется активным или горячим.
Два свободных конца этой конструкции, они называются холодными,
подключены к измерительному прибору (вольтметру).
Рис. 3.2. Схема термоэлемента
При наличии между горячим спаем и холодными концами разности
температур Т (Т = Т1–Т2) между холодными концами будет наблюдаться термоЭДС (эффект Зеебека), которая может быть зарегистрирована
вольтметром. Величина тэрмоЭДС пропорциональна Т:
U = kT (Т1–Т2), [3.8]
где k
– удельная термоЭДС.
T
Эффект появления термоЭДС связан с различной величиной
работы выхода электронов (W) (контактная разность потенциалов) и
различной скоростью движения электронов в соприкасающихся материалах A и В:
n
A
eWWkT
AB
ln
, [3.9]
n
B
где k – постоянная Больцмана,
W – контактная разность потенциалов,
n
– концентрации электронов в материале А и В (различные
A, nB
средние значения концентрации электронов в функции распреде-
ления электронного газа по скоростям).
51
3.3. Физические приемники оптического излучения
Металлические термоэлементы изготавливают из Cu, Ni, Pt, Co,
Fe и др. Для полупроводниковых используются Si, Tl, Se, Bi и др.
В полупроводниковых термоэлементах эффект сильнее, так как ЭДС
электронного и дырочного полупроводников суммируется.
Примечательно, что если через данную систему пропустить ток, то
можно наблюдать эффект, противоположный термоэлектрическому, –
эффект Пельтье: при пропускании тока горячий спай охлаждается.
Количество тепла, отводимое от спая, пропорционально току i:
Q = П
i, [3.10]
Т
где ПТ – коэффициент Пельтье.
Эффект Пельтье с успехом используется в целях охлаждения
полупроводниковых структур, в частности в конструкции полупроводниковых лазерных кристаллов.
3. Принцип работы оптико-акустического (пневматического)
приемника излучения основан на нагревании газа в специальной
герметичной ячейке. В результате нагрева изменяется объем ячейки
и одна из стенок ячейки, изготовленная из тонкой и гибкой пленкимембраны, деформируется. Деформация может передаваться на микрофон, с выхода которого снимаются электрические сигналы.
Особенностью данного типа приемников является возможность
работать в частотных режимах (до 50 Гц), а также реализовать селективные свойства. Заполняя ячейку различными газами с нужными
селективными полосами поглощения, можно получить приемник,
чувствительный лишь к определенным длинам волн (что можно
использовать для анализа газов и используется в конструкциях газоанализаторов).
4. В пироэлектрических приемниках приемным элементом служат
пироэлектрические кристаллы (титанат бария BaTiO3, ниобат лития
LiNbO3 и др.), обладающие свойством иметь спонтанную поляризацию при отсутствии внешних электрических полей. При постоянной
температуре поляризация не обнаруживается. Однако при изменении
температуры на гранях кристалла, ортогональных полярной оси, могут
быть обнаружены заряды и может быть зафиксирован электрический
сигнал.
Пироэлектрические приемники эффективно применяются для
работы в ИК-области спектра.
3.3.2. Фотоэлектрические приемники оптического излучения.
В фотоэлектрических приемниках оптического излучения используется
явление внутреннего и внешнего фотоэффекта.
52
3.3.2. Фотоэлектрические приемники оптического излучения
Фотоэффектом называется процесс изменения энергетического
состояния электронов в веществе при поглощении энергии электромагнитного излучения. Если электроны покидают вещество, то мы
имеем дело с внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией), а
если остаются – с внутренним фотоэффектом.
Приемники с внутренним фотоэффектом
Среди приемников с внутренним фотоэффектом известны фоторезисторы, фотодиоды, приборы с зарядовой связью. Во всех случаях в
приемниках с внутренним фотоэффектом используются полупроводники.
1. Действие фоторезистора основано на эффекте изменения элект-
ропроводности вещества под действием излучения. Фоторезистор
представляет собой фоточувствительный слой полупроводникового
материала, помещенный на подложку. Фоторезистор имеет два электрода для включения в цепь последовательно с нагрузочным сопротивлением, падение напряжения на котором является рабочим сигналом.
Существует три группы фоторезисторов: пленочные – PbS, PbSe, PbTe;
монокристаллические – HgCdTe; легированные примесями – Ge, легированный Hg, Au.
Фоторезисторы, чувствительные к излучению с длинами волн
до 3 мкм, используют без охлаждения, а фоторезисторы, действующие в диапазонах 3–15 мкм, требуют охлаждения. Фоторезисторы
неполярны и одинаково проводят электрический ток в любом направлении, что позволяет использовать их в цепи постоянного и
переменного тока.
2. Фотодиоды – это приемники излучения, основанные на исполь-
зовании односторонней (вентильной) проводимости p-n перехода. При
освещении перехода в электрической цепи с включенным фотодиодом
начинает протекать ток, вызванный фотогенерацией носителей, который регистрируется измерительной схемой. Важной характеристикой
фотодиодов является спектральная чувствительность, зависящая от
материала полупроводника. На рис. 3.3 представлены кривые относительной спектральной чувствительности наиболее распространенных
фотодиодов на основе Ge, Si, GaAs.
3. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к системам многоэле-
ментных приемников, действие которых также основано на внутреннем
фотоэффекте.
Многоэлементный приемник:
– воспринимает изображение в виде пространственного распределения светового потока;
53
3.3. Физические приемники оптического излучения
Рис. 3.3. Кривые спектральной чувствительности фотодиодов
– осуществляет его разложение на элементарные фрагменты –
пикселы (pixel – picture element);
– осуществляет поэлементное электронное считывание фрагмен-
тов;
– формирует на выходе видеосигнал, адекватный принятому изо-
бражению.
В случае применения ПЗС для обработки световых потоков иногда
используют термин ФПЗС (фоточувствительный прибор с зарядовой
связью). Применяются линейные ФПЗС – в виде линейки элементов
ФПЗС или в виде матриц элементов.
Конструктивно ПЗС представляет собой совокупность простых
МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник), сформированных
на общей полупроводниковой подложке таким образом, что полоски
(площадки) проводящих электродов образуют линейную или матричную
регулярную систему. При этом расстояния между соседними электродами столь малы, что существенными являются эффекты их взаимного
влияния.
Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и
направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах,
образующихся у поверхности (или вблизи нее) полупроводника при
приложении к электродам внешних электрических напряжений.
МДП-структуры обычно создаются следующим образом. На полупроводниковой подложке (кристалле кремния) формируют тонкий
(0,1–0,15 мкм) слой диэлектрика (окись кремния), на котором располагают проводящие электроды из алюминия или поликристаллического
кремния (частично прозрачные тонкие слои). Размеры электродов
измеряются в единицах мкм.
54
3.3.2. Фотоэлектрические приемники оптического излучения
Электроды располагаются в виде строк. Расстояние между электродами в строке менее 1 мкм. Строка от строки отделяется узкими областями – областями стоп-канальной диффузии.
Если к какому-либо электроду приложить положительный (или
отрицательный) потенциал (5-10 В), то за тонким слоем диэлектрика
образуется потенциальная яма, так как носители зарядов одноименного
с потенциалом электрода знака (р или n) будут оттеснены в глубину
кристалла.
При освещении этого участка, появившиеся в результате поглощения фотонов свободные электроны (или дырки) будут стягиваться под
этими электродами (в потенциальной яме), образуя зарядовый пакет.
Чем больше световой поток на данном участке, тем больше будет зарядовый пакет. Таким образом, величина заряда выступает информа-
ционным сигналом. Время хранения заряда невелико – 10
–3
–10–1 с.
При этом зарядовый пакет вследствие утечки или рекомбинации может
искажаться, что вызывает необходимость применять частоты считывания сигнала, существенно большие этого времени, т. е. порядка 1 кГц
(10–3 с).
Вследствие близости электродов зарядовый пакет может быть передвинут под соседний электрод, если потенциал там окажется выше и,
следовательно, потенциальная яма глубже. Чередуя разность потенциалов на соседних электродах, можно передвигать сформированный под
действием света зарядовый пакет вдоль линейки или строки в матрице
и «снять» его с последнего элемента ряда. Временная последовательность зарядовых пакетов, переданная по элементам строки на ее выход,
образует видеосигнал. В случае матричного ФПЗС видеосигналы отдельных рядов, передаваясь последовательно, друг за другом, образуют
видеосигнал кадра изображения.
Этот процесс может быть представлен как некий вариант аналогоцифрового преобразователя: на входе имеется непрерывный аналоговый
сигнал, на выходе – дискретная последовательность импульсов.
По сути, ФПЗС представляет собой миниатюрный МОП (металлокисел-полупроводник) конденсатор, способный удерживать заряд, а
общность подложки предопределяет возможность перетекания заряда
из одного конденсатора в другой. Существенно, что при перетекании
зарядовый пакет все время остается внутри кристалла, который не содержит каких-либо различных областей.
Особенностью ПЗС-систем является свободное и управляемое
блуждание зарядового пакета вдоль поверхности полупроводникового кристалла. В этом приборе соединились фоточувствительный
растр – набор одинаковых дискретных ячеек и механизм встроенного
55
3.3. Физические приемники оптического излучения
электронного самосканирования, осуществляющий вывод информации
последовательно со всех ячеек растра.
На рис. 3.4 схематично представлен участок ПЗС-линейки из
9 ячеек или три триады (триада обязательна). Типичные размеры элементов таковы:
– линейный размер электродных площадок ~ 5 мкм;
– расстояние между соседними площадками ~ 1–2 мкм;
– толщина изолирующего слоя (SiO
– величины напряжений U
1, 2, 3
) ~ 0,1 мкм;
2
~ 3–5–10 В.
На приведенном рисунке в исходном состоянии на один из электродов каждой тройки подано обратное смещение, в результате которого
под электродом возникнет обедненный слой, в котором нет свободных
зарядов, способных перемещаться по поверхности полупроводника (на
рисунке это кремний n-типа). Этот обедненный слой и есть потенциальная яма, в которой могут накапливаться неосновные носители из
числа носителей, возникших под действием света.
Засветка ПЗС вызывает образование неосновных носителей, в
данном случае это дырки, которые будут скапливаться в потенциальных
Рис. 3.4. Стадии работы ПЗС:
1 – зарядовое растрирование; 2 – перемещение зарядового пакета;
3 – хранение зарядового пакета
56
3.3.2. Фотоэлектрические приемники оптического излучения
ямах. Количество зарядов, удерживаемых в потенциальных ямах под
различными электродами матрицы, будет пропорционально величине
экспозиции:
H = E · t, [3.11]
где E – освещенность,
t – время.
В результате после экспонирования ПЗС-структуры световая картина преобразовалась в подобную ей картину локального распределения
зарядов на поверхности кремниевой подложки (рис. 3.4, 1).
Перемещение зарядового пакета происходит за счет приложения
более высокого отрицательного напряжения ко второму электроду
тройки (рис. 3.4, 2).
Затем напряжение снова приводят к первоначальному значению –
этап хранения зарядового пакета под вторым электродом (рис. 3.4, 3).
Затем следует новый цикл: смещение – хранение под третий электрод, и т. д.
В результате зарядовые пакеты, последовательно перемещаясь вдоль
строки электродов, воспринимаются на нагрузке как изменяющийся
по времени электрический сигнал.
Перемещение зарядов может быть:
строчным, когда освещение и регистрация идут одновременно;
кадровым, когда освещение и регистрация полностью разделены
по времени.
Основные характеристики ПЗС-систем
Величина заряда. Величина заряда в потенциальной яме определяется
формулой плоского конденсатора:
Q = S · C · U, [3.12]
где S – площадь электрода,
C – емкость конденсатора,
U – приложенное напряжение.
Потери.
1. Тепловые (изменение величины зарядового пакета за счет те-
пловых флуктуаций).
2. Рекомбинационные (уменьшение величины зарядового пакета
за счет рекомбинации).
3. Дефектные (изменение величины зарядового пакета за счет
дефектов в структуре полупроводника).
4. Динамические (уменьшение зарядового пакета в результате
переноса).
57
3.3. Физические приемники оптического излучения
Значительное снижение потерь можно достичь увеличением частот
считывания. Обычно удается получить величину потерь заряда:
10
–3
–10–4 ·
QQ
вх вых
, [3.13]
Q
вх
т. е. пройдя 100 ячеек, заряд уменьшится всего на 1 %. Также удается
снижать потери, используя охлаждение.
Динамический диапазон. Динамический диапазон определяет максимальное и минимальное значения величины зарядовых пакетов.
При сильной засветке образуется очень много зарядов, которые могут
переполнить потенциальную яму, что приведет к явлению растекания
зарядов вдоль поверхности. Это явление называется блюминг. При малых интенсивностях полезный сигнал может быть неразличим из-за
шумов. Динамический диапазон ПЗС-стуктур оценивается величиной
плотности поверхностного заряда: Q/S [Кл/см2].
Типичные значения динамического диапазона: max – 50 нКл/см2
(10–9); min – 50 пКл/см2 (10
–12
).
Динамический диапазон измеряют в децибелах (D):
DQ
. [3.14]
min
Q
max
20lg
Например, для вещательного телевидения необходимо обеспечить
D 60 дб.
Быстродействие. Быстродействие характеризуется значением мак-
симальной тактовой частотой сканирования – F
. Большое число
такт
ячеек в растре ПЗС требует и очень быстрого их опроса. Движение зарядового пакета вдоль поверхности определяется законами диффузии.
Время перетекания:
2
Alt
пер.
, [3.15]
пер
где l – шаг растра,
μ
– подвижность зарядов,
пер
А – коэффициент перетекания (связан с потерями).
При типичных значениях параметров:
μ
получим тактовую частоту F
= 200 см2/Вс; А=100–200 В–1; l = 7 мкм (5+2),
пер
= (2–4) МГц.
такт
Цветовосприятие систем ФПЗС осуществляется через генерацию трех
видеосигналов – К, З, С. Для того чтобы выработать эти видеосигналы,
световой поток, падающий на матрицу, разделяется на три потока при
58
3.3.2. Фотоэлектрические приемники оптического излучения
помощи цветных светофильтров. Каждый из потоков воспринимается
своей матрицей ПЗС.
Приемники с внешним фотоэффектом
К приемникам с внешним фотоэффектом относятся фотоэлементы,
фотоумножители, электронно-оптические преобразователи.
В таких приемниках под действием излучения одним из электродов (фотокатодом) эмитируется поток фотоэлектронов, которые под
действием приложенного напряжения направляются на другой электрод
(анод), образуя в цепи анода фототок.
В качестве фотокатодов применяются чистые и смесевые металлы
и полупроводники, имеющие небольшое значение работы выхода.
Величина фототока I
в режиме улавливания анодом всех вы-
Ф
шедших за пределы катода электронов прямо пропорциональна потоку
излучения Ф, поглощенного фотокатодом:
IФ = Ф · S
где S
– интегральная чувствительность фотокатода.
инт
, [3.16]
инт
Для каждого вещества существует длинноволновая граница внешнего
фотоэффекта («красная граница), определяемая соотношением
hгр = W, [3.17]
где W – фотоэлектронная работа выхода.
Фотоэлемент (ФЭ) – вакуумированный стеклянный баллон, на
внутренней части поверхности которого нанесен фотокатод. Анодом
служит металлическое кольцо, расположенное в центре баллона. Спектральная чувствительность ФЭ зависит от типа фотокатода и материала
окна колбы.
Значительно большую, по сравнению с ФЭ, интегральную чувствительность имеют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). ФЭУ имеют
между анодом (А) и фотокатодом (ФК) дополнительные электроды
(диноды Э1–Э5), на которые подается напряжение и которые за счет
вторичной электронной эмиссии усиливают первичный фототок.
Коэффициент усиления ФЭУ достигает значений 106–108. За счет
этого чувствительность ФЭУ резко возрастает и становится возможным
регистрировать очень малые световые потоки. Так, число электронов,
собираемых на анод na, может быть выражено формулой:
n
– число электронов, эмитированных фотокатодом,
где n
k
= nk kМ, [3.18]
a
k – коэффициент сбора электронов (обычно около 1),
М – коэффициент усиления ФЭУ.
59
3.3. Физические приемники оптического излучения
Рис. 3.5. Схема фотоумножителя с боковым входным окном
Рис. 3.6. Схема фотоумножителя с торцевым входным окном
Для серийных ФЭУ с числом каскадов 12 при коэффициенте
усиления 107 становится возможной регистрация даже одного фотона
(рис. 3.5, 3.6).
Электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) называется электровакуумное устройство, которое на основе внешнего фотоэффекта
преобразует оптическое изображение, создаваемое на фотокатоде, в изображение на флуоресцирующем экране. Конструктивно ЭОП состоит из
стеклянного вакуумированного баллона, на входной плоскости которого
нанесен прозрачный фотокатод, а на выходной – флуоресцирующий экран.
Между катодом и экраном приложено постоянное высокое напряжение
до 15 кВ. На катоде строится изображение, которое за счет эмиссии
фотоэлектронов превращается в объеме ЭОП в электронное и далее в
видимое за счет бомбардировки ускоренными электронами флуоресцирующего выходного экрана. Существенной здесь является возможность
иметь значительное усиление, что позволяет визуализовать изображения,
создаваемые на фотокатоде рентгеновскими, видимыми, УФ- или ИКизлучениями с весьма слабыми по интенсивности потоками.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]