литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 18. Приемники излучения

Элемент

Фаза

t = tс

а)

Фаза

t1

б)

t2

в)

Фаза

t3

г)

Рис. 18.16. Процесс накопления и переноса зарядов в трехфазном ПЗС: а — накопление зарядов под электродом ламели 2; б — перенос зарядов под ламель 3; в — заряды находятся под электродами ламели 3; г — заряды перенесены под следующую ламель 1

контролируют направление перемещения заряда. В рассматриваемом случае первоначально отрицательный (положительный в случае р-подложки) потенциал подан на пиксель 2, а на пикселях 1 и 3 он низкий (рис. 18.16, а). По истечении некоторого времени, когда под действием локальной освещенности от объекта под ламелью 2 накопятся заряды, высокий потенциал с нее снимается и подается на ламель 3, расположенную справа. Заряды перетекут в потенциальную яму под ламелью 3 одновременно во всех элементах сдвигового регистра. Налево они не потекут, так как потенциал на пикселе 2 оставлен низким (рис. 18.16, б). Далее высокий отрицательный потенциал с пикселя 3 переключается на пиксель 1, и все заряды одновременно переносятся вправо еще на один шаг (рис. 18.16, г); затем с пикселя 1 на 2 и т.д. По ширине линейки делают стоп-каналы р+-типа (п+-типа для р-подложки), не позволяющие зарядам растекаться в стороны, направляющие их строго вдоль регистра. За время накопления зарядов в потенциальных ямах под действием освещенности объекта накопятся также термогенерированные носители, которые составят паразитную добавку к информационному заряду во всех потенциальных ямах и обусловят появление темнового тока считывания.

Недостаток считывания линейкой ПЗС — паразитная засветка пикселей ПЗС изображением объекта во время считывания, которая приводит к возмож-

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

технологию изготовления (рис. 18.17, б). При разделении функций накопления и считывания получается большое отношение периода накопления к периоду считывания, так как после передачи накопленного сигнала одной строки в считывающий регистр обе функции выполняются параллельно, что осуществимо при использовании одного ПЗС.

Из МДП-элементов изготавливают двумерные матричные ФВС (рис. 18.18), в которых каждый светочувствительный регистр соединен с элементом сдвигового регистра, выводящего зарядовые пакеты из матрицы. Выходной сдвиговый регистр не должен быть светочувствительным, так как выполняет только функции переноса. После формирования пакетов зарядов от изображения их переносят одновременно во всех регистрах вправо, как показывают стрелки. За один такт пакеты зарядов крайнего правого столбца 10 пе-

Глава 18. Приемники излучения

примесный германий и тройные соединения — InAsSb, InGaSb, PbSeTe, PbxSn1-xTe, HgxCd1-xTe и т.д. Однако следует отметить, что (за исключением кремния) ПЗС обеспечивают удовлетворительные параметры только при охлаждении (5-77 К), так как при обычной комнатной температуре велика термогенерация носителей во всем объеме, что снижает отношение сигнал/шум и уменьшает время хранения информации.

Кроме общепринятых параметров и характеристик ПИ (Sинт, Sабс( ), S( ), Iф(Ф), Рmax) и шумов, ПЗС характеризуют некоторые специальные: частотноконтрастная характеристика; время хранения информации Тхр; амплитуды минимальных и максимальных управляющих напряжений хранения Vхр и записи Vзап; минимальная fmin и максимальная fmax тактовые частоты; эффективность переноса зарядов и зависимости всех параметров и характеристик от температуры. Интегральная чувствительность элементов ПЗС зависит от используемых полупроводниковых материалов, для кремниевых ПЗС близка к 500 мкА/лм (0,1-0,2 А/Вт) и характеризует эффективность преобразования потока излучения в зарядовые пакеты. Абсолютная и относительная спектральные характеристики чувствительности ПЗС [Sабс( ); s( )] определяются, как и у ПИ, шириной запрещенной зоны полупроводника и спектральными коэффициентами поглощения, отражения и пропускания полупрозрачных электродов и диэлектрика. Для уменьшения интерференции в многослойной системе затворный окисел—поликремний—изолирующий окисел следует оптимально выбирать толщины слоев.

В типичных ПЗС с площадью электродов 102 мкм2 и диэлектриком толщиной 150 нм полный зарядовый пакет при потенциале накопления 10 В содержит 0,5 пКл.

Допустимое время хранения информационного заряда в одной ячейке находят из условия непревышения, термогенерируемым зарядом, заданного значения по отношению к информационному. Максимальная частота работы ПЗС определяется длительностью передачи tпер зарядового пакета с элемента на элемент, причем в этом случае сразу же за тактом записи информации в данный момент начинается передача информации в следующий, поэтому минимальная длительность интервала хранения равна tпер, а максимальная частота fmax = tпер / m. Для современных трехтактных схем на ПЗС значения тактовых частот составляют: fmin = 0,1 Χ 1 кГц; fmax = 2 Χ 10 МГц. Приближенно время хранения информации можно считать равным времени tхр, необходимого для нейтрализации неподвижного заряда акцепторов в обедненной поверхностной области подложки у слоя диэлектрика (например, в потенциальной яме для электронов в подложке р-типа) за счет тепловой генерации носителей внутри нее:

tхр= NA 220 / ni = 2·1015·10-5 / (1,4·1010) 0,7 с,

где NA 1015 см-3 — концентрация акцепторной примеси в подложке при комнатной температуре; ni = 1,4·1010 см-3 — концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике при комнатной температуре; 20 = 10—6 Χ 10—5с — эффективное время жизни носителей в обедненной области для хорошо обработанных образцов кремния.

18.2. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта

Так как ni зависит от температуры, то tхр также зависит от температуры. Расчет показывает, что при возрастании температуры ПЗС от ­60 до 125 °С tхр уменьшается на шесть порядков. Для комнатной температуры при принятии специальных мер время хранения информации составляет несколько миллисекунд, а при глубоком охлаждении, в зависимости от требований к качеству хранения информации, — недели и месяцы. При уточненных расчетах времени хранения следует учитывать соотношения между значениями паразитного и информационного зарядов, что уменьшает время хранения информации.

Потребляемая электрическая мощность ПЗС определяется передачей заряда, так как расходуемая на хранение мощность за счет токов термогенерации и токов утечки мала. Средняя электрическая мощность за период: P = W / Tн =

= Wf0 = ZLQp (Vзап— Vхр)f0, где W — полная энергия, отдаваемая генератором тактовых импульсов за один цикл передачи в трехтактной схеме; z — длина

металлических ламелей ПЗС (ширина линейки ПЗС); L — ширина ламели (ширина потенциальной ямы); Qp — заряд информационного пакета.

Наибольшая потребляемая мощность будет при максимальной частоте,

когда Тн = 3tпер. Для ПЗС с параметрами: z = 20 мкм; L = 6 мкм; V0 = 3,5 B; Qp/ Сд = 4 В; Vзап = 20 В; Vхр = 10 B; Рmax = 400 мкВ/бит при fmax = 16 мГц и Р = 4 мкВт/бит при f0 = 1,6 мГц, где V0 — минимальное напряжение на затво-

ре, при котором наступает инверсия поверхности полупроводника; Сд — удельная емкость диэлектрика затвора.

Гибридные мозаичные приемники ИК-изображения (ГМП)

Приемные элементы ГМП ИК-изображения изготавливают из обычных, ранее рассмотренных полупроводниковых материалов в виде ФР или ФД, соединенных с ПЗС-(ПЗИ)-ячейками, через которые осуществляют считывание или режим временнoй задержки и накопления информационного сигнала (рис. 18.19).

б)

Рис. 18.19. Гибридный приемник ИК-изображения: а — конструкция; б — эквивалентная схема приемника с непосредственной связью; в — эквивалентная схема приемника с косвенной связью через активный элемент: 1 — линейка ПИ; 2 — выход; 3 — сдвиговый регистр на ПЗС; 4 — передающий затвор (необязателен); 5 — входные цепи; 6 — соединительные выводы; ic — ток сигнала; RД, RПЗС, СД, СПЗС, iШ,Д, и iш ПЗС — сопротивление, емкость и шумовой ток ПИ и ПЗС; G — коэффициент усиления

Глава 18. Приемники излучения

При такой гибридизации число необходимых электрических соединений от каждого элемента уменьшается до одного на каждый столбец и каждую строку. Выполнение приемных ПОИ в ГМП на базе ФР из-за тока смещения, которым может быстро заполниться потенциальная яма ПЗС(ПЗИ), нецелесообразно. Поэтому чаще элементы ГМП изготавливают в виде элементарных ФД, работающих в фотогальваническом режиме. Так как число ПОИ в ГМП может лежать в диапазоне 102—104, электрические их соединения с ПЗС-ячей- ками превращаются в серьезную проблему. Входная цепь в случае прямой инжекции от фотодетекторного элемента к ПЗС-ячейке может быть чисто пассивной, через передающий затвор, либо может содержать биполярные или МОП-транзисторы, осуществляющие косвенный ввод информационного сигнала в ПЗС-ячейку (рис. 18.19, в).

Для эффективной передачи заряда от фотодетектора к ПЗС-ячейке необходимо, чтобы выходное сопротивление фотодетектора Rд и крутизна передающего затвора были как можно больше. При гибридизации не происходит заметного ухудшения отношения сигнал/шум самого фотодетектора, и тепловое рассеяние на один канал также мало.

Гибридные приемники для ИК-излучения с ПЗС—(ПЗИ)-ячейками и схемы их связи обычно рассчитывают на работу при температурах (77 К) или с термоэлектрическим охлаждением (180—200К).

18.3.Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта

Внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия — это испускание электронов с поверхности фоточувствительного слоя в вакуум или другое вещество под действием падающего потока излучения.

Вприемниках на внешнем фотоэффекте поток фотоэлектронов, эмитируемых под действием падающего излучения одним из электродов (фотокатодом)

ввакуум (или газ), ускоряется за счет прикладываемого постоянного внешнего напряжения и улавливается другим электродом (анодом), образуя во внешней цепи электрический ток — фототок.

Вкачестве фотокатодов используют некоторые чистые и сложные металлы и полупроводники. Фотоэлектронная эмиссия полупроводников состоит из поглощения фотона и передачи его энергии электрону, диффузии (перемещения) возбужденного электрона к поверхности фотокатода и прохождения его в вакуум через поверхностный потенциальный барьер (электрическое поле, действующее в узкой области вблизи поверхности фотокатода, удерживающее электроны внутри вещества). Энергию, которая необходима электрону для преодоления поверхностного потенциального барьера, называют работой выхода. Известны следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Фототок (число фотоэлектронов, вырываемых из фотокатода в единицу времени) в режиме насыщения (все вылетевшие из фотокатода фотоэлектроны собираются на анод, и фототок не зависит от напряжения питания) прямо

18.3. Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта

пропорционален потоку излучения, поглощенного фотокатодом, при неизменном спектральном составе падающего потока излучения (закон Столетова):

Iф= ФSинт,

где Sинт — интегральная чувствительность фотокатода, А/Вт; Ф — поглощенный поток, Вт (или лм); Iф — фототок, А.

2. Максимальная энергия выбиваемых фотоэлектронов пропорциональна частоте н падающего на фотокатод излучения и не зависит от потока излучения (закон Эйнштейна — закон сохранения энергии при фотоэлектронной эмиссии).

Если электрон в веществе после взаимодействия с упавшим фотоном с энергией hн вышел в вакуум с кинетической энергией (mu2/2)max, совершив фотоэлектронную работу выхода Еф, то закон Эйнштейна можно записать в виде

(mu2/2)max= hн — Eф,

где m и u — масса и скорость фотоэлектрона.

Для каждого вещества существует длинноволновая граница внешнего фотоэффекта, называемая «красной границей», так как энергия падающих фотонов hн уменьшается с увеличением длины волны и уменьшением частоты. Пороговая частота фотоэффекта н99 соответствует энергии падающих фотонов, при которой даже максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна нулю: hнгр ­ Eф = 0, откуда:

л99 = c/н99 = hc/Eф = 1,242/Eф,

где с — скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме; л99 — граничная длина волны в мкм при измерении Eф в эВ.

Время запаздывания между поглощением кванта и появлением фотоэлектрона меньше 10—12 с, что позволяет на основе внешнего фотоэффекта создавать быстродействующие приемники излучения.

Электровакуумные фотоэлементы

Электровакуумные фотоэлементы — вакуумные или ионные диоды, основанные на явлении фотоэлектронной эмиссии электронов в вакууме (электронный фотоэлемент) или газе (ионный фотоэлемент), преобразуют энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержат фотокатод и анод (рис. 18.20). Ионные (газонаполненные) фотоэлементы применяют редко. Наибольшее распространение получили электровакуумные фотоэлементы (ФЭ), поэтому ограничимся их рассмотрением.

Размер ФЭ, расстояние между электродами, конструкция цоколя и выводов зависит от типа аппаратуры, в которой используют фотоэлемент.

Требование обеспечить полный сбор эмитированных электронов на анод определяют формы фотокатода и анода. Спектральная чувствительность ФЭ зависит от типа фотокатода и материала окна колбы. Спектральная чувствительность ФЭ в основном определяется фотокатодом: его толщиной, материалом подложки и окна баллона, в меньшей степени — температурой фотокатода (изменяется работа выхода электрона); старением (постепенным изменением свойств фотокатода за счет неидеального вакуума и газоотделения арматуры и стенок колбы), напряженностью электрического поля у фотокатода,

Глава 18. Приемники излучения

Рис. 18.20. Схемы стандартных электровакуумных ФЭ (а) и спектральные характеристики некоторых фотокатодов (б): К — фотокатод; А — анод; ОК — охранное кольцо фотокатода, используемое при больших световых потоках

зависящей от приложенного напряжения (при освещении фотокатода коротковолновыми квантами вылетающие фотоэлектроны обладают большей энергией, и сбор их на анод требует более высокого напряжения питания), «утомлением» фотокатода.

Явление утомления характеризуется неравномерным понижением спектральной чувствительности (под действием потока излучения) фотокатода во времени, она зависит от качества и типа фотокатода, от режима освещенности фотокатода, от анодного напряжения и температуры среды, а также от цикличности работы фотоэлемента во времени.

Наиболее сильное явление утомления наблюдается у серебряно-кислород- но-цезиевых фотокатодов, у которых при освещенности 2500 лк в течение нескольких часов чувствительность уменьшается на 60—80%.

Для оценки спектральной чувствительности фотоэлементов разработана система типовых спектральных характеристик (табл. 18).

Таблица 18. Типовые спектральные характеристики

18.3. Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта

Продолжение табл. 18

Энергетические характеристики вакуумных фотоэлементов линейны в широком динамическом диапазоне (диапазон изменения потока). Нижний предел линейности ограничивают темновые токи (от 10­7 до 10­14 А) у различных фотоэлементов и шумы фотоэлемента и нагрузки.

Верхний предел линейности (10­4 А) ограничен образованием пространственного заряда у поверхности фотокатода и на стекле колбы, утомлением фотокатода и вторичной эмиссией стекла (слабо покрывающегося пленкой щелочного металла при напылении фотокатода), появляющейся при больших световых потоках.

Линейность световой характеристики по потоку излучения сохраняется от пороговых потоков до единиц люменов. При включении фотоэлемента в цепь нагрузки диапазон линейности уменьшается.

Временнoе разрешение фотоэлементов определяется временем движения электронов от места их образования при освещении до поверхности катода (10­12с), временем пролета их от катода до анода (10­11—10­10с) и переходными процессами в цепи фотоэлемент—нагрузка.

ФЭ включают последовательно с источником питания (Vп) и сопротивлением нагрузки Rн (рис. 18.21, а-в). При отсутствии освещения в цепи ФЭ течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии. Ток термоэмиссии можно уменьшить, охлаждая фотокатод. Ток утечки по стволу колбы (наружная и внутренняя стороны) при Vп = 200—300 В достигает 10­8—10­7 А. Для его уменьшения у ряда ФЭ существует охранное кольцо, завариваемое между выводами катода и анода. Как видно из рис. 18.21, а, ток утечки замыкается по охранному кольцу и исключается из измерительной цепи.

Влияние темнового тока уменьшают, модулируя поток излучения и устанавливая разделительную емкость Ср (рис. 18.21), которая исключает постоянные составляющие из выходной цепи регистрирующего устройства, работающего на переменном токе. Емкость, необходимая при работе в импульсном режиме,

Ср ј (2 Χ 10)фн / (Rн + Rвх),

где фн = 1/ fm — длительность импульса или время модуляции; fm — частота модуляции потока излучения; Rвх — входное сопротивление регистрирующего устройства.

18.3. Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта

Рис. 18.22. Устройство ФЭУ со схемой его питания (а, б) и пояснение работы канального (в-д) и жалюзийного (е) ФЭУ

ускоряются электрическим полем и направляются на второй динод Э2, увеличенный поток электронов со второго динода — на третий и т.д.

Электрическое поле, ускоряющее электроны, создается делителем постоянного напряжения R1...R11, который обеспечивает больший положительный потенциал каждого последующего каскада относительно предыдущего.

Фотокатоды ФЭУ аналогичны фотокатодам ФЭ и могут работать «на просвет» и на «отражение». При работе на просвет полупрозрачный фотокатод наносят на плоское входное окно колбы в виде круга диаметром 10—50 мм (иногда до 250 мм), при работе на отражение входное окно часто располагают на боковой стенке колбы, а излучение через него попадает на фотокатод со стороны вакуума.

Пространство, образуемое поверхностями фотокатода 1 и первого динода Э1 с расположенными между ними электродами, называют катодной (входной) камерой ФЭУ. Форма и распределение электрического потенциала по поверхности фотокатода, фокусирующего электрода 2 и диафрагмы 3 должны обеспечить максимальный сбор фотоэлектронов на первый динод за счет использования законов движения электронов в электрическом поле.

Качество электронно-оптической системы катодной камеры определяется коэффициентом сбора электронов гK (отношением числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему числу эмитированных фотокатодом электронов nK). Коэффициент сбора электронов у современных ФЭУ близок к единице.

Первичные фотоэлектроны, попадая на первый динод, взаимодействуют с электронами его вещества и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть электронов перемещается к границе динода с вакуумом. Электроны, достигшие поверхности с энергией, превышающей поверхност-