- •Введение
- •§ 1.1. Тепловые источники излучения
- •§ 1.3. Импульсные источники излучения
- •§ 1.4. Светодиоды
- •§ 1.5. Естественные источники излучения
- •§ 2.2. Прохождение излучения через атмосферу
- •§ 2.3. Пропускание атмосферы в спектральных интервалах
- •Глава 3. Классификация приемников излучения, их параметры и характеристики
- •§ 3.2. Параметры и характеристики приемников излучения
- •§ 3.3. Пересчет параметров приемников излучения
- •Глава 4. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта
- •§ 4.1. Принцип действия приемников излучения на основе внутреннего фотоэффекта
- •§ 4.2. Фоторезисторы
- •§ 4.3. Фотодиоды
- •§ 4.4. Приемники излучения с внутренним усилением фототока
- •§ 4.5. Приемники излучения на основе многокомпонентных систем
- •§ 4.6. Многоцветные ПИ, фоторезисторы и фотодиоды с СВЧ-смещением
- •§ 4.7. Координатные ПИ
- •§ 5.1. Физические основы и принцип действия
- •§ 5.2. Электровакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители
- •§ 5.4. Электронно-оптические преобразователи
- •Глава 6. Многоэлементные приемники излучения
- •§ 6.1. Многоэлементные приемники излучения на основе фотодиодов и фоторезисторов
- •§ 6.2. Многоэлементные фотоприемные устройства на основе приборов с зарядовой связью
- •§ 6.3. Многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой инжекцией
- •§ 7.2. Болометры
- •§ 7.3. Оптико-акустические приемники излучения
- •§ 7.4. Пироэлектрические приемники
- •§ 7.5. Радиационные калориметры
- •§ 7.6. Приемники на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце
- •Список литературы
- •Оглавление
Параметры Ф ПОр, Фспр» ^ вкл 0, |
У0ст |
имеют весьма значитель |
ный технологический и температурный |
разбросы (рис. 4.20, б). |
|
Д и ф ф е р е н ц и а л ь н о й |
ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ю |
фототиристора по напряжению называют отношение приращения напряжения включения фототиристора к приращению светового потока (рис. 4.20, б)
= АКвкл/АФ.
Чтобы определить SD фототиристора, проводят касательную,
задаются ДФ и определяют |
соответствующее ему |
ДУВКЛ> взятое |
по касательной, например, |
в точке /С, где S D = |
4,5 В/млм. |
И н т е г р а л ь н у ю |
ч у в с т в и т е л ь н о с т ь фототи |
ристора по току определяют как отношение среднего значения номинального тока, протекающего через открытый фототиристор, к световому потоку источника типа А — Ф пуск ПРИ заданном анод ном напряжении, которое указывается в паспорте.
Фототиристорам присущи дробовый (белый) и низкочастотный токовый шумы (1//), определяемые по ранее приведенным фор мулам, однако определять их нет необходимости, так как на прак тике определяют минимальный световой поток Ф пуск, обеспечи вающий четкое управление прибором. При использовании фото тиристоров следует учитывать зависимость Увкл от рабочей тем пературы, 1/вкл = / (Т). Сумма температуры среды Т и нагрева протекающим током 0 не должна превышать допустимой темпе ратуры для фототиристора. Благодаря особенностям р —п— р — ftструктуры фототиристоры имеют некоторые преимущества перед ФД и ФТ в схемах, преобразующих падающий поток излучения в электрический сигнал (в фотореле, логических схемах и т. д.): область рабочих напряжений фототиристоров на порядок выше ФД и ФТ; предельно допустимый ток фототиристора и его инте гральная чувствительность в 3— 4 раза выше, чем у ФТ; постоян ная времени фототиристора сравнима с ФД и меньше, чем у ФТ; диапазон рабочих температур сравним с кремниевым ФД, а на личие управляющего электрода позволяет осуществлять тем пературную компенсацию.
§ 4.5. Приемники излучения на основе многокомпонентных систем
В приборах, работающих в ИК-области спектра, в последние годы получили широкое применение узкозонные ПИ на основе
твердых растворов (тройных и более |
соединений) |
Hgi_a.Cd3.Te; |
|
Pbi-xSn^Te; Pbj^Sn^Se; |
Al^Ga^^-Sb; |
In^-Ga^As; |
GaAsx_xSbx |
и четырехкомпонентных |
систем In — Ga— As— P. |
|
Особенность названных материалов состоит в возможности из менять ширину запрещенной зоны смеси, а следовательно, спек тральную чувствительность в зависимости от химического состава твердого раствора (рис. 4.21) [46]. Это позволяет создавать узко-
Рис. 4.21. Зависимость ширины запрещенной зоны полупро водника от состава HgTe—CdTe (а) и относительная спек тральная чувствительность фотоприемников на основе
Hgl_*CdxTe (б);
1 - 235 К; 2 — 4,2 К; 3 — ДЕ3 для X = 10,6
зонные охлаждаемые для ИК-области ПИ с максимумом чувстви
тельности |
в |
диапазонах: |
0,8— 30 мкм |
для |
Hgi^Cd^Te; |
6,5— |
||
31,8 |
мкм для |
Р Ь ^ Б о Д е ; |
8,4— 31,2 |
мкм для |
P b^Sn^Se |
и не- |
||
охлаждаемые |
ФД и ЛФД: |
0,7— 1,6 мкм |
для |
A l^G a^S b ; |
1,0— |
|||
1.7 |
мкм |
для |
Inx G a ^A s ; |
0,8— 1,5 мкм |
для |
GaAs^Sb^.; |
1,0— |
|
1.7 |
мкм |
для |
In — Ga— As— Р. Для |
выращивания кристаллов |
||||
Hg1_a.Cd3.Te используют смеси чистых элементов или чаще |
смеси |
соединений HgTe и CdTe. На их основе изготавливают высоко чувствительные и быстродействующие Ф Р и ФД, не уступающие по обнаружительной способности в диапазоне 8— 14 мкм лучшим
ПИ из примесного |
германия. |
Чувствительный |
элемент Ф Р из H g^Cd^T e приклеивают |
обычно эпоксидным клеем на сапфировую или германиевую под ложку и полируют до толщины 20— 30 мкм, травят и на него напыляют индиевые контакты. Зти Ф Р превосходят ФД на той же основе по обнаружительной способности, но уступают ФД в бы стродействии. Лучшие ФР имеют S v = 2 х Ю4 'В/Вт, а т = 10"в с.
ФД на основе Hgx аА^Те изготавливают по диффузионной технологии и ионным легированием, применяемым в последние годы.
На базе Hg^CdaTe в последние годы созданы фотогальванические мозаичные ПИ. 20-элементный ПИ на этой основе имеет: при 77 К АХ = 8 -i-ll мкм, спектральную дисперсию ±0,3 мкм, площадь элемента 10~4 см2, расстояние между элементами 50 мкм,
D = 5х109 см-Гц1/2/Вт, т] = 20% и динамическое |
сопротивление |
200 Ом. Ф Р и ФД на основе Pbx_a.Sria.Te в настоящее |
время широко |
распространены, у них наблюдается также линейная зависимость ширины запрещенной зоны от состава. К недостаткам ФР на основе Рbi_3CSna Tе относятся высокое значение диэлектрической по стоянной (16 для Hgi^Cda-Te и 400 для Pb^Sn^Te), которое сни
жает быстродействие, и более низкая (на 1,5— 2 порядка) обнару жительная способность, чем у Cd^Hga-Te, однако технологич ность сплавов РЬТе— SnTe при выращивании однородных и совершенных монокристаллов ставит их в один ряд со сплавами
HgTe— CdTe. Спектральная |
характеристика |
таких ФР |
из |
Pb0}83Sn0,17Te при 77 К имеет максимум при X = |
14 мкм. |
|
|
Для поликристаллических |
пленочных Ф Р (Pb1-3CSnxTe), |
по |
лученных методом ВЧ катодного распыления в присутствии кисло рода, вольтовая чувствительность достигает 480 В/Вт при токе
смещения 80 мкА и D% (X = 8,5; |
800; 1) = 109 см-Гц1/2/Вт. ФД |
в фотогальваническом режиме на |
основе Pbl 3CSn:)CTe (ФВ) имеют |
существенное преимущество перед ФР, так как их низкое со противление облегчает согласование приемника с высокочастот ным усилителем; они не нуждаются в питании, имеют низкий уровень шумов и большую обнаружительную способность при малой постоянной времени. ФД в фотогальваническом режиме фирмы Raytheon, смонтированные на охлаждаемой площадке стеклянного сосуда Дьюара, заполненного жидким азотом, ра
ботают в |
спектральном |
интервале 8— 12 |
мкм, имеют |
R = 20ч- |
-4-150 Ом, |
D J max> 2 x l 0 10 см-Гц1/2/Вт |
и постоянную |
времени |
|
1,5x10“8 |
с. |
|
|
|
Более |
простыми в |
технологическом |
отношении |
являются |
ФВ — фотодиоды с барьерами Шоттки, изготавливаемые нанесе нием на подложку P b ^S n ^T e слоя металла или выращиванием на металлической пленке полупроводникового слоя. Такие фо тодиоды самые длинноволновые (;X" = 30 мкм при х = 0,3, Т = = 4,2 К), они дешевы в изготовлении, но имеют меньшую об наружительную способность. На базе Р Ь ^ Б а Д е с барьером Шоттки изготавливаются в настоящее время матричные ФВ фото приемники с числом элементов до 40 со следующим разбросом па
раметров: |
R qS |
= 0,92— 1,38 |
Ом-см2, С0 = |
(82ч-91,2) х Ю “8 |
нф; |
||
т) = 0,44^-0,53; |
D £(X = |
11; |
1050; |
96) = |
(2 ,9 - 3 ,9) Х Ю10 |
см х |
|
хГц 1/2/Вт. |
|
|
|
|
|
|
|
На основе |
тройных |
соединений |
P b^Sn^Se изготавливают |
||||
в основном |
Ф В |
фотоприемники с барьером |
Шоттки, получаемые |
вакуумным последовательным напылением слоев Ph^Sn^-Se
(0,062 <; х <; 0,070) |
и свинца |
на подложку В aF2. |
Они имеют |
|
обнаружительную |
способность |
DZ=w,i = 3 , 5 х Ю 10 |
см-Гц1/2/Вт |
|
при Т = |
80 К и Q = (1/84-1/4) ср, что на порядок выше, чем для |
|||
Ф В на |
основе объемных кристаллов. |
|
Селективные варизонные ФД на основе тройных соединений AlxGai_*Sb, In ^G a ^A s, G aA s^Sb* и четырехкомпонентных соединений для ближней ИК-области спектра 1,0— 1,5 мкм обла дают высокой пороговой чувствительностью, быстродействием и высокой селективностью по спектру, что необходимо при работе ПИ с лазерными и световодными системами, работающими в этом спектральном диапазоне [18]. Структуру такого ФД можно пред ставить в виде трех эпитаксиальных слоев различного состава,
e |
, |
t |
n |
r |
n----гт—------ n |
||||
о— |
H |
I |
— г |
|
0,2-0,3 |
if |
'* |
'' |
'// |
’ |
'// |
вШл) |
i n m i v v vi vi/ |
|
В)
E,
AE,
2 3 4 |
Толщина |
|
слоя |
|
|
|
Рис. 4.22. Структура |
варизонного |
||
|
|
|
ФД на основе Al3CGa1_xSb (а), измене |
|||
|
|
|
ние Д £ 3 |
по его толщине (б) и кривые |
||
|
|
|
его спектральной чувствительности (в): |
|||
|
|
|
1 — подложка; |
2 — буферный слой; 3 и |
||
|
|
|
4 — слои |
р- и n-типов; |
б, 6 — омические |
|
|
|
|
кольцевые |
контакты; увеличение номера |
||
|
|
|
кривой ( I —V II) |
соответствует увеличению |
||
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,2 М ,э В |
содержания |
А1 |
|
|
|
|
последовательно выращенных на подложке 1 (рис. 4.22, а). При
совпадении плоскости р — n-перехода |
с |
границей раздела гетеро |
перехода между слоями 3 и 4 и |
> |
ДЕЗА освещение произ |
водят со стороны подложки 1 (инвертированный ФД) и слои 1— 3 должны быть прозрачными для регистрируемого излучения, а ширина полосы спектральной чувствительности определяется разностью ДЕ 93 — Д ^ (рис. 4.22, б). Если Д £ 33 < Д ^ , то освещать ФД надо со стороны слоя 4. В случае, если ширина за прещенной зоны плавно убывает от подложки до р — /г-перехода, а освещение производится со стороны подложки, фотоэффект воз никает в узкой спектральной области. Наблюдается селективный фотоэффект, связанный с физикой работы варизонного полупро водника.
На рис. 4.22, в показано изменение спектральной чувствитель ности селективных фотодиодов на основе гетеропереходов в твер
дом растворе A lxG a^S b при увеличении содержания |
алюминия |
|
(кривая смещается вправо, |
I —VI). В зависимости от содержания |
|
алюминия в р- и /г-слоях |
твердого раствора удается |
получить |
как узкую, так и широкую полосы спектральной чувствительности
подобных фотодиодов. |
|
|
|
|
|
|
Варизонные |
фотодиоды |
с |
р —л-гомопереходом |
на |
основе |
|
In ^G a^A s изготавливают на спектральный диапазон |
0 ,8— 1,0 мкм |
|||||
или 0 ,8— 1,1 мкм газофазной |
эпитаксией |
на подложках |
GaAs. |
|||
С р —/г-гомопереходом или |
гетеропереходом на подложках InP, |
|||||
изготовляемые |
жидкофазной |
эпитаксией |
Ga0,47ln 0,B3As, |
имеют |
диапазон спектральной чувствительности 0,1— 1,7 мкм с возмож