В промежутки времени между периодами накопления на управ­ ляющие электроды Ф н 1—Ф н3 и Ф п 1— Ф п3 подаются последователь­ ности («пачки») импульсов более высокой частоты, обеспечиваю­ щие вертикальный перенос зарядового рельефа из секции накоп­ ления в секцию памяти. Число импульсов в «пачках» определяется числом ячеек в столбцах каждой секции. Сигналы управления секцией памяти Ф п 1— Ф п3 содержат, кроме того, импульсы по­ строчного вертикального переноса зарядового рельефа из секции памяти в выходной регистр. Ф Р1— Ф р3 — сигналы, управляющие выходным регистром.

На последней диаграмме показаны строчные ССИ и кадровые КСИ синхроимпульсы.

§ 6.3. Многоэлементные приемники излучения на основе приборов с зарядовой инжекцией

Вприборах с зарядовой инжекцией (ПЗИ) накопление зарядо­ вого рельефа, адекватного распределению освещенности по рабочей площадке, осуществляется точно так же, как и в ПЗС. Однако в таких приборах не производится перенос зарядов вдоль подложки

кодному общему выходу. Сигнальные заряды считываются с помощью электродов тех же самых ячеек, в которых они были накоплены (рис. 6.24).

Детектирование зарядов в ПЗИ может быть организовано путем их инжекции в подложку при снятии напряжения обеднения (хра­ нения) с электродов соответствующих накопительных ячеек. При этом накопленные заряды рекомбинируют в подложку, а выходной сигнал регистрируется в виде тока в цепи подложки или изменения электростатического потенциала в адресной шине.

Такой способ считывания наиболее прост. Однако процесс ре­ комбинации довольно длителен, он может продолжаться несколько микросекунд, существенно ограничивая допустимую скорость опроса многоэлементного фотоприемника. Кроме того, в процессе инжекции неосновные носители могут частично собираться в по­ тенциальных ямах соседних ячеек, снижая разрешающую способ­ ность прибора.

Всовременных ПЗИ, чтобы устранить указанные недостатки, используют подложки, содержащие специальную диффузионную

Рис. 6.24. Принцип работы накопительной ячейки ПЗИ-фотоприемника: накоп­ ление заряда в потенциальной яме под левым электродом (а); перетекание заряда

вправую, более глубокую потенциальную яму (б); инжекция заряда в подложку при снятии напряжений обеднения с управляющих электродов ячейки (б)

область p-типа, расположенную под электродами хранения. Обра­ зованный таким образом эпитаксиальный р — n-переход, будучи обратно смещенным (подобно запертому фотодиоду), служит хоро­ шим коллектором инжектированных зарядов неосновных носите­ лей. Введение эпитаксиального слоя повышает разрешающую способность, снижает постоянную времени процесса инжекции, но в некоторой степени снижает чувствительность, поскольку часть неосновных носителей, генерированных оптическим потоком, в зазорах между электродами коллектирует в р — м-переход, не попадая в потенциальные ямы.

Существует также способ многократного неразрушающего счи­ тывания зарядов в ПЗИ. Для его реализации в каждой накопи­ тельной ячейке используют не менее двух управляющих электро­ дов. Сигнальный заряд в каждой ячейке определяется измерением наведенного электростатического потенциала в шине, связанной со вторыми электродами ячеек. Наведенный потенциал возникает вследствие перетекания накопленных зарядов из потенциальных ям первых электродов в потенциальные ямы вторых электродов при снятии напряжения хранения с первых электродов ячеек. В дальнейшем на первые электроды вновь можно подать такой потенциал хранения, который обеспечивает перетекание сигналь­ ного заряда обратно под первые электроды, и цикл опроса элемен­ тов П ЗИ может быть повторен много раз. Чтобы стереть зарядовый рельеф, перед новым циклом накопления со всех электродов ячеек одновременно снимают потенциал хранения, при этом про­ исходит параллельная инжекция всех накопленных зарядов в подложку.

На основе ПЗИ-структур могут быть реализованы одностроч­ ные и многострочные (матричные) фотоприемники.

На рис. 6.25 показан фрагмент типичной структуры матрич­ ного ПЗИ-фотоприемника с координатной адресацией.

Каждая ячейка образована парой смежных МОП-конденсато- ров. Управляющие электроды ячеек через коммутирующие ключи на МОП-транзисторах связаны с регистрами горизонтальной и вертикальной разверток, реализованными на том же кристалле. Сигнальные заряды могут накапливаться под любым из электродов ячейки» либо одновременно под двумя электродами. Возможен также перенос зарядов в пределах ячеек. Инжекция заряда выб­ ранной ячейки осуществляется снятием потенциала хранения одновременно со строчной и столбцевой шин, связанных с электро­ дами данной ячейки.

В зависимости от способа подключения к такой структуре уси­ лительных каскадов, а также ключей установки исходного потен­ циала (ключей сброса) можно реализовать различные методы детектирования сигнальных зарядов. Некоторые из них подробно описаны в литературе. Чтобы улучшить основные параметры и характеристики фотоприемного устройства, предварительные кас­ кады усилителей и ключи сброса на МОП-транзисторах часто

Рис. 6.25. Фрагмент структуры матричного ПЗИфотоприемника с координатной адресацией

выполняют в едином технологическом цикле на одном кристалле

сПЗИ-структурой.

Вотличие от ПЗС в ПЗИ возможен опрос элементов в произволь­ ном порядке, а также неразрушаемое считывание сигналов. Это является важнейшим достоинством ПЗИ, которое облегчает задачу их сопряжения с современными микропроцессорными средствами обработки сигнала. Благодаря отсутствию передачи заряда от ячейки к ячейке вдоль поверхности к одному выходу в фотоприем­ ных устройствах на ПЗИ не искажается зарядовый рельеф, а также

отсутствуют шумы переноса, характерные для ПЗС. В остальном системы параметров и характеристик ПЗС и ПЗИ совпадают (см. § 6 .2).

Однако следует отметить, что в матричных ПЗИ-структурах вследствие значительной емкости адресных шин, к которым под­ ключаются входные каскады усилителей, наблюдается больший по сравнению с ПЗС уровень шумов усилителя. Это же обстоятель­ ство делает весьма сложным создание малошумящих ПЗИ-фото- приемников с большим (более нескольких тысяч) числом элемен­ тов. Кроме того, технология изготовления ПЗИ-фотоприемников значительно сложнее, чем аналогичных приборов на ПЗС-структу- рах, так как на одном кристалле помимо накопительных ячеек необходимо реализовывать систему коммутирующих ключей и управляющие регистры (либо дешифраторы кода выбранной ячейки).

На базе малоформатных (32x32 или 64x64 элемента) можно создавать многокристальные фотоприемные устройства с очень большим числом элементов. При этом, чтобы уменьшить зазоры,

окна ПИ, Л,твн — ростом коэффициента отражения материала приемного элемента и материалом окна ПИ.

Тепловые ПИ делятся на несколько групп: термоэлементы, болометры, оптико-акустические ПИ, пироприемники, основанные на применении поляризации пироактивного кристалла при воз­ действии на него модулированного лучистого потока, ПИ на термо­ упругом эффекте кристаллического кварца (и других пьезокрис­ таллов), основанные на появлении электрической разности потен­ циалов на приемном элементе из-за термоупругих деформаций при облучении модулированным лучистым потоком, калориметры, тепловые преобразователи изображения.

§7.1 ®Термоэлементы

Воснове принципа действия термоэлемента (ТЭ) лежит прин­ цип термопары — термоэлектрический эффект Зеебека, который заключается в появлении термо-э. д. с. в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников при нагревании падающим лучистым потоком места их спая (рис. 7.1, в).

При переменной температуре вдоль проводника электроны с горячего конца диффундируют в направлении, обратном темпера­ турному градиенту, так как они имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце возникает отрицательный заряд, а на горячем — положительный.

Вполупроводниках это явление выражено еще сильнее, так как э. д. с. электронного и дырочного полупроводников складываются.

Уразличных пар материалов значения термо-э. д. с. неодинаковы. Для изготовления ТЭ используют различные материалы (металли­ ческие и полупроводниковые пары материалов).

При сравнении пар пользуются удельной термо-э. д. с., кото­ рая характеризуется значением э. д. с., возникающей цри единич­ ном температурном перепаде,

где ДUT — термо-э. д. с., возникающая при нагреве спая до темпе­ ратуры ДТ\а т — коэффициент термо-э. д. с. ТЭ, численно равный разности температур в 1 °С.

Удельная термо-э. д. с. металлических ТЭ составляет от единиц до десятков мкВ/°С, у полупроводниковых ТЭ— значительно выше, так как число носителей с температурой в полупроводнике растет и электронный и дырочный токи складываются.

Металлические термоэлементы изготовляют из меди, никеля, кобальта, висмута, платины, алюминия, тантала, серебра, сурьмы, железа, константана (сплава меди и никеля) и т. д. Полупроводни­ ковые — из сурьмы, кремния, теллура, селена.

Термоэлемент в простейшем случае работает так (рис. 7.1, б): на спай падает поток излучения ДФ и вызывает разность темпера­ тур АТ и разность потенциалов AVT— а т АТ. Через сопротивле­

ние нагрузки R H потечет ток, который вызовет противоположный термоэлектрическому эффекту эффект Пельтье, заключающийся в том, что при пропускании тока охлаждается горячий спай. Коли­ чество тепла, отводимого в 1 с от спая, т. е. поток тепловой энергии,

А Ф у = —П ч>1\ П == cLj>T,

где П т — коэффициент Пельтье; i — ток; Т — температура про­ водника, по которому течет ток i.

Следовательно,

Выделением тепла по закону Джоуля— Ленца пренебрегаем из-за малости токов. Тогда общая термо-э. д. с. с учетом явлений Зеебека и Пельтье

ДU = (XfT — (iccrT/от)»

Эффект Пельтье увеличивает эффективное сопротивление цепи ТЭ на величину

а\Т/От.

Для определения тока получим следующее выражение:

iR + ia 2TT/OT = &т АТ у

откуда

i = ат AT/(R + атТ/от),

где R — сопротивление ТЭ.

Если пренебречь эффектом Пельтье, то выражение для инте­ гральной вольтовой чувствительности холостого хода принимает вид

5уинт = АУТ/АФ = а т АТ/АФ ^ а та /аг,

где а — коэффициент поглощения.

При работе с модулированным лучистым потоком S^hht =

=а а т/(2я/С), где С — теплоемкость спая, Дж/К.

Чтобы увеличить вольтовую чувствительность, надо увеличить а, а т и уменьшить ат.

Увеличить а можно чернением спая, а уменьшить от — ваккуумированием приемного элемента. Кроме того, применяют последовательное включение нескольких ПИ (рис. 7.1, в).

Теплопроводность висмута, железа, никеля, свинца, ртути, селена составляет 0,15— 0,015 Вт/м-К, а сплавов — 0,005— 0,008 Вт/м-К. Интегральная вольтовая чувствительность металли­ ческих ТЭ находится в пределах 3— 5 В/Вт, чувствительность

полупроводниковых ТЭ 30— 50 В/Вт, постоянная времени металлыческих 0 , 1— 2 с, а полупроводниковых 0,04— 0,1 с.

Значения пороговых потоков ТЭ в заданной полосе частот лежат в пределах 10-8— 10”11 Вт по любому излучателю, так как они неселективны. Основными шумами ТЭ являются тепловой и радиа­ ционный.

Окна ТЭ делают из стекла, кварца, германия, кремния, флюо­ рита, хлористого натрия или калия, слюды и т. д.

Качество работы ТЭ наиболее полно определяет его КПД — отношение мощности, полученной на сопротивлении нагрузки, к мощности излучения, падающего на чувствительный элемент, т. е.

Лтэ =

Определим оптимальное сопротивление нагрузки для ТЭ, при которой на этом сопротивлении рассеивается максимальная элек­ трическая мощность (работа с гальванометром):

где Uv — рабочее напряжение ТЭ; Ue — напряжение сигнала на

тели с трансформаторным входом, что сильно их усложняет. Кроме того, ТЭ имеют сложную конструкцию и большую инерционность. Это служит препятствием для их широкого применения. На рис. 7.2 приведены спектральные характеристики ТЭ типа ПРТЭ-1.

В ряде приборов требуются ПИ с большой площадью чувстви­ тельного элемента. Из-за конструктивных трудностей и невозмож­ ности создать большой ПИ была создана (группированием малых площадок) круговая термоэлектрическая система с единой большой площадью, распределенной между спаями, и разработана теория для расчета ее основных параметров. В радиационных ТЭ облу­ чается одна из приемных площадок, находящихся в хорошем тепло­ вом контакте (не электрическом) с «горячими» спаями системы термопар, а вторая площадка, располагаемая обычно позади