ный инвертированный (освещаемый со стороны подложки из GaAs) с р — я-гетеро- или с р —n-переходом в варизонном слое

эпитаксиального слоя и обладающий спектральной чувствитель­ ностью в области 0,8— 1,5 мкм. Спектральная чувствительность четырехкомпонентных ФД на основе In — Ga— As— Р лежит в диа­ пазоне 0,98— 1,1 мкм, однако при правильном выборе состава и толщины слоев можно получить полосу спектральной чувстви­ тельности до 25 мкм.

§ 4.6. Многоцветные ПИ, фоторезисторы и фотодиоды с СВЧ-смещением

Многоцветные ПИ. Такие ПИ предназначены для одновремен­ ной работы в нескольких (разных) спектральных диапазонах в одном и том же оптическом канале с одним и тем же угловым полем. Наиболее распространена такая структура многоцветных ПИ, когда ПИ с различными спектральными характеристиками расположены последовательно друг над другом [11]. При этом каждый коротковолновый ПИ располагается над длинноволно­ вым, являясь для последнего фильтром, срезающим коротко­ волновую часть (рис. 4.23, а). Показанный на рис. 4.23, а двух­ цветный приемник фирмы «Инфаред Индустриз» (Infared Indus­ tries, США) использует фоторезистивный слой на основе PbSe, чувствительный в диапазоне 0,3— 1,15 мкм и PbS — 1,15— 5,2 мкм

Л. мнм

Рис. 4.23. Конструкция двухцветного приемника фирмы «Инфраред Индустриз» (Infrared Industries) (а), его спектральные характеристики (б) и спектральная вольтовая чувствительность фотосопротивления (в);

(рис. 4.23, б). Для двухцветного приемника фирмы «Аэронутаник Форд» (Aeronutanic Ford, США) используется комбинация ФД на основе кремния (или германия) и антимонида индия, работаю­ щих при 80 К. Мезафотодиод InSb покрыт слоем S i02, толщина которого выбрана таким образом, что он служит антиотражающим покрытием в ИК-области спектра. Над мезафотодиодом на коваровом кольце крепится фотодиод на основе Ge и Si, под которым находится многослойный фильтр, обеспечивающий максимум про­ пускания в диапазоне 4— 4,8 мкм. Многоцветный ПИ на основе Ge

Двухцветные ПИ фирмы «Бэймс Инжиниринг» (Barnes Engi­ neering, США) на основе InSb и Pb0,79Sn0,2iTe работают в ИКобласти спектра 3— 5 мкм и 8— 14 мкм.

В последние годы для многоцветных ПИ широко стали приме­ няться твердые растворы тройных соединений теллурида кадмия и ртути Cda-Hg^Te и теллурида свинца и олова Pb^Sn^T e (для работы в спектральном интервале 1— 20 мкм), спектральную чувствительность которых можно менять в широких пределах

основе РЬТе для диапазона 3— 5 мкм, полученные последователь­ ной жидкофазной эпитаксией на подложке р — Pb0>8 Sn0>2Te слоев п— РЬТе и р — РЬТе. Тройные соединения позволяют за счет варьирования состава получать фоточувствительные слои с близко расположенными максимумами чувствительности и с малым пере­ крытием спектральных характеристик. Примером таких ПИ могут служить двух- и трехцветные ПИ для диапазона 4— 14 мкм фирмы «Хонивел» (Honeywellу США) на основе Cda-Hg^Te. В конструк­ ции подобного типа наиболее длинноволновый Ф Р CdxHgl x Te наклеивают на подложку, а на него эпоксидной смолой приклеи­ вают другой. На спектральную чувствительность нижнего Ф Р влияет пропускание верхнего и слоя смолы.

Многоцветные ПИ применяют в многоспектральных системах распознавания различных источников излучения. Принцип дей­ ствия всех таких систем один и тот же.

Излучение от одного и того же объекта или участка местности фиксируется в нескольких спектральных диапазонах, а затем анализируется ЭВМ в многомерном пространстве сигналов.

Фоторезисторы и фотодиоды с СВЧ-смещением. Такие ФР и ФД применяют в устройствах с большой информационной ем­ костью. В них сигнал формируется при взаимодействии свободных носителей, образовавшихся во время падения информационного потока излучения, в полупроводнике с полем СВЧ-волны. При

ющий роль движка электромеханического потенциометра. Свето­ вой зонд 5 формируется оптическим устройством и может сме­ щаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя 2. В месте засветки фотопроводящего слоя световым зондом создаются избыточная над темновой фотопрово­ димость сГф и фотоэлектрический контакт (рис. 4.24, б). Выходное напряжение ФП, снимаемое с сопротивления нагрузки Я н, яв­ ляется функцией положения светового зонда на фотопроводящем слое.

Фотопотенциометры могут быть выполнены на гомогенной (фоторезистивной) и гетерогенной (с неомическими контактами типа р — /i-перехода) основах. В зависимости от назначения ФП бывают линейными (выходное напряжение зависит линейно от координаты зонда) и функциональными (выходное напряжение зависит функционально от координаты зонда). Режим работы ФП называют потенциальным, когда распределение потенциала на резистивном слое существенно не искажается отбором тока через фотослой, и токовым, когда характерно нелинейное распределение потенциала резистивного слоя за счет фототока.

Функциональные ФП позволяют пространственное перемеще­ ние источника света преобразовывать в электрический сигнал заданного функционального вида. Функциональное преобразова­ ние выходного сигнала осуществляется за счет профилирования резистивного слоя. Принципиально выходная характеристика ФПП может иметь любой заданный закон, например, гиперболи­ ческий, логарифмический, экспоненциальный и т. д.

Фотопотенциометры на гетерогенной основе обладают чувстви­ тельностью от 0,5 до 1,0 В/мм-мВт и постоянной времени т ^

^10“в с, так как она определяется временем пролета неосновных

носителей до р — n-перехода. Отклонение от линейности у них достигает 1—5% на длине до 70 мм. ФП на гомогенной основе имеют значительно большую постоянную времени, так как она определяется временем жизни носителей и достигает нескольких миллисекунд.

Трехслойный ФП фирмы «Джианини Контрол Корп.» (Giannini Control Corp., Италия) с поперечной фотопроводимостью и рас­ пределенным резистивным слоем на основе монокристаллического селенида кадмия при Я т/Яф = Ю6 и освещенности 1 мВт/см2 имеет следующие параметры: входное сопротивление 10— 50 кОм,

характеристики, необходимость работы с малыми токовыми на­

Все эти недостатки в значительной мере устранены у функцио­ нальных Ф Р и ФД.

Рис. 4.25. Принцип дей­ ствия (а) и эквивалентная схема ФФР с переменным межэлектродным расстоя­ нием (б);

1 и 4 — эквипотенциальные электроды; 2 — слой фото­ проводящего материала;

Функциональные ФР и ФД 183]. При формировании профиль­ ного фотопроводящего слоя на подложке с программным распреде­ лением его сопротивления отпадает необходимость распределен­ ного резистора R 0, так как фотопроводящий слой из чисто комму­ тационного, как у ФП, превращается в элемент, формирующий функциональное преобразование. Фотопроводящий слой может быть на гомогенной (фоторезистивной) или гетерогенной (фото­ диодной) основе. Наиболее распространены функциональные ФР. Они просты в изготовлении, позволяют использовать токовый режим с малым RHt имеют повышенную точность функционального преобразования, так как у них нет резистивного функционального слоя R 0.

Функциональные фоторезисторы (ФФР) с переменным меж­ электродным расстоянием (рис. 4.25, а) изготавливаются на основе фоторезистивной пленки CdS и CdSe, на которую наносятся низ­ коомные эквипотенциальные электроды 1У4 так, чтобы расстояние между ними вдоль фоточувствительной площадки 2 изменялось по заданному закону. Щелевой световой зонд 3, продвигаясь вдоль фоточувствительной площадки, включает в цепь с R n участки разной длины (а следовательно, разного сопротивления) низкоомного (при освещении) фотослоя. По темновым участкам ток почти не идет, так как они имеют большое сопротивление. Если сопротивление эквипотенциальных электродов значительно меньше сопротивления освещаемого зондом фотослоя, то можно представить Ф Ф Р эквивалентной схемой (рис. 4.25, б) с сосредо­ точенными параметрами. При чисто омическом контакте электро­ дов с фотослоем и большом значении Я т выходной сигнал опреде­ ляется следующим выражением:

V iW ^ V ilR J iR v + Rtix))].

Фототок, а следовательно, и выходной сигнал Ф Ф Р зависят от потока излучения в щелевом зонде и от температуры окружаю­ щей среды, что является недостатком работы Ф Ф Р . Эти недостатки устраняются в Ф Ф Р с компенсирующей нагрузкой (рис. 4.26, а).

Рис. 4.26. ФФР с компенсирующей нагрузкой (а), система выходных характе­

стабилизированного (------) ФФР от освещенности (я);

1 — фотослой; 2 — диэлектрическая подложка; 3 — электрод; 4, б — параллельные элек­ троды; б — подвижный световой зонд

В этом случае Ф Ф Р состоит из профильного фотопроводящего слоя 1, нанесенного на подложку 2 , и из индиевых электродов 3—5. Расстояние между электродами 3 и 4 выбирается в соответ­ ствии с законом изменения V2 (*). Расстояние между электрода­ ми 4 и 5 постоянно и определяется требуемым сопротивлением на­ грузки, которого в данном варианте нет, т. е. в качестве нагрузки используется фотослой с теми же люкс-амперными, температур­ ными и временными (старение) характеристиками, что и профиль­ ного фотопроводящего слоя. Такая конструкция обеспечивает постоянство эксплуатационного параметра нагрузки в широком интервале температур окружающей среды, освещенностей зонда

При изготовлении фотопотенциометра с компенсационной на­ грузкой по аналогии с Ф Ф Р наблюдается также эффект стабили­ зации его работы.

Вид выходных характеристик (их крутизна) и ошибка функцио­ нального преобразования Ф Ф Р зависят от скорости сканирова­ ния Сс зонда при работе его в динамическом режиме. При увели­ чении Сс увеличивается /ф, одновременно увеличиваются токи утечки через темновые области, так как увеличивается остаточная концентрация носителей от спадов релаксационного процесса после прохождения зонда. Таким образом, в стационарном режиме Ф Ф Р допустима его работа в узком диапазоне нагрузок, в динами­ ческом — в узком диапазоне скоростей, зависящем от быстродей­ ствия его фоточувствительных слоев.

Рассмотренные Ф Ф Р с переменным межэлектродным расстоя­ нием изготавливают на основе тройных соединений со сравнительно

можно считать 104 Ом, поэтому увеличить токовый отбор в рамках

Устройство щелевого функционального фоторезистора (Щ ФФР) показано на рис. 4.27. Щелевой фотопроводящий слой 2, нанесен­ ный на подложку, находится между двумя параллельными элек­ тродами 3 и 1. При смещении теневой маски 4 с заданным профи­ лем засвечиваемая площадь фоторезистора меняется по закону, определяемому прорезью маски, что и вызывает изменение V2 (х)

условия, изменения температуры и потока излучения) нагрузкой. В этом случае в профильной теневой маске делают щелевую про­ резь параллельно ее перемещению, засвечивающую все время часть фоточувствительного слоя Щ Ф Ф Р, являющегося нагрузкой.

Координатные фотодиоды, работающие на основе продольного фотоэффекта (инверсионные координатные фотодиоды — ИКФ). При локальном освещении ФД генерированные в области свето­ вого пятна носители растекаются вдоль слоя, создавая наряду с поперечной фото-э. д. с. (рис. 4.28, а) и продольную (рис. 4.28, б). Измеряя продольное напряжение между контактами А и 5 , расположенным на одной из сторон р —n-перехода, можно по его амплитуде и полярности судить о местоположении светового пятна на фотоприемной площадке (рис. 4.28, в). При совпадении свето­ вого пятна с центром фотоприемника продольная фото-э. д. с. равна нулю. При переходе светового пятна через центр в ту или иную сторону полярность продольной фото-э. д. с. меняет знак (рис. 4.28, в). Значение этой э. д. с. зависит от положения пятна по отношению к оси симметрии [69]

V„ = V1 - V t = Й -ln dа—+ х

2ясо

где Уг и V2 — потенциалы первого и второго контактов, обуслов-

-о о-

Ux

Рис. 4.28. Схематическое устройство ФД (а), координатного приемника (б) с продольной фото-э. д. с., зависимость продольной фото-э. д. с. от положения светового пятна (в) и схема расположения контактов на двухкоординатном фото­ приемнике (г);

1 — л-область; 2 — p-область; х — смещение зондирующего пятна

светового пятна называется инверсионной, или пеленгационной характеристикой. Крутизна пеленгационной характеристики за­ висит от диаметра светового пятна и расстояния между базовыми контактами. При смещении светового пятна на расстояние по­ рядка 0,01 мкм изменение напряжения составит примерно 10 мкВ

При расположении по краям чувствительного слоя четырех контактов (рис. 4.28, г) получаем двумерный инверсионный фото­ диод. В этом случае результирующие напряжения по каналам

где г - расстояние светового пятна от соответствующих контактов.