Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Недостатком примесных ТТФЭП, кроме инерционности, является низкая квантовая эффективность, равная ? 1 % на 2,0 мкм и ? 0,1 % на 3,0 мкм.
Огромным достоинством ТТФЭП на примесном германии является гигантский динамический диапазон, достигающий -1Q07 . Это позволяет регистрировать сигналы при отношении облученности от фона к облученности от цели, достигающем -1Q03.
При этом необходима сложная вычислительная обработка сигнала, использующая оперативную память на несколько кадров для вычитания кадра с неравномерностью от фоновой засветки и других межкадровых операций в реальном времени. Охлаждение на борту КА таких ТТФЭП до азотных температур возможно только с помощью сублимационных аккумуляторов холода или микрокриогенных систем (МКС) замкнутого цикла.
Вторым популярным материалом для изготовления матричных ТТФЭП является сульфид свинца PbS . Идеология схемотехники ТТФЭП на основе PbS - аналогичная. Однако квантовая эффективность ТТФЭП на PbS на 2,7 мкм может достигать 25-30 %, что сильно повышает его обнаружительную способность.
Но главным достоинством ТТФЭП на PbS является возможность работы при Т = 170 К (-100 °С), что легко обеспечивается с помощью
43 пассивных радиационных систем охлаждения (РСО). PbS является собственным полупроводником, поэтому у него V ? 25 %.
По аналогичной схеме, с гораздо большими технологическими трудностями может строиться и ТТФЭП на основе фотодиодных матриц.
Приборы с переносом заряда
Существует несколько наименований этих приборов:
- ППЗ - приборы с переносом заряда;
- ПЗС - приборы с зарядовой связью;
- ФППЗ - фотоприемные приборы с переносом заряда;
- ФПЗС - фотоприемные приборы с зарядовой связью.
Бурное развитие этой новой области микроэлектроники, начиная с 1969-70 гг., было подготовлено как "идеологически", так и технологически. К моменту открытия эффекта переноса заряда вдоль поверхности полупроводника уже было достигнуто глубокое понимание физических явлений в структурах металл - диэлектрик - полупроводник, служащих основой ПЗС. Что же касается методов изготовления таких структур, то они уже были найдены в связи с успешными разработками БИС на основе полевых транзисторов с изолированным затвором.
Всего две недели потребовалось авторам для преодоления пути
накопления
Секция
от исходной идеи ПЗС до экспериментального образца и еще три-четыре года до появления в продаже серийных образцов.
Out
Секция хранения
Здесь остановимся, в основном, на способах построения комплексированных фотоприемных устройств (ФПУ), содержащих ОС, охлаждаемое ФПУ в оптическом криостате и систему охлаждения, которые могут базироваться на самолетах, ракетах и КА.
Выходной регистр
ПЗС-матрицы имеют организацию, условно показанную на рис. 6.2.
диффизион-ная область
Рис. 14.4
44 При работе в стандартном телевизионном режиме (2550 кадров/с) секция накопления имеет 512- 288 элементов, секция хранения - 512- 288 элементов. В этом режиме секция хранения должна быть закрыта от света. После окончания времени накопления (ID25 мс) производится быстрый параллельный перенос по вертикали всех 288 строк в секцию хранения, после чего секция накопления снова пуста, и ее, потенциальные ямы в ячейках готовы к накоплению следующего кадра, а за это время из секции хранения производится последовательный построчный вывод предыдущего кадра через выходной регистр с транзистором с плавающим затвором и транзистором сброса. Чтобы не было перетекания заряда между всеми 512 вертикальными регистрами в обеих секциях имеются зоны (каналы) со стопорной диффузией, создающими потенциальный барьер между вертикальными регистрами. В вещательном режиме частота регистра - до 50 Мгц.
При работе в "малокадровом" режиме с большим временем накопления чаще всего применяемом на КА и в астрономии, для накопления используются обе секции, а считывание ведется при закрытом затворе ("импульсный" режим). Время накопления в малокадровом режиме может лежать в пределах от 1,0 с до десятков минут, а частота считывающего регистра, соответственно, от 500 до 3-5 кГц. Соответственно, сужается и шумовая полоса частот Df ш. Для лучших астрономических ПЗС-матриц с числом элементов 800-800 при Т = 80 К Пш = = (З-5) е/выборку сигнала. При V ? 25 % такой приемник может регистрировать поток в 15-20 фотонов (26-я звездная величина), что было зафиксировано на Паламарском четырехметровом телескопе в 1982 г.
ПЗС бывают с поверхностным каналом и объемным ("скрытым") каналом переноса зарядов.
При поверхностном переносе используется низкоомный кремний «-типа, а в тонком поверхностном слое образуется поверхностный канал переноса, зарядов p-типа. При этом, если регистрируемый поток мал, да еще и выходной регистр закрыт от света, в регистр необходимо вводить дополнительный заряд (? 1000 e) так называемый "жирный нуль", чтобы обеспечить высокую эффективность переноса. Иначе - просто нечего переносить.
Во втором случае используется кремний p-типа или «-типа, а углубленный «-канал или p-канал переноса зарядов создается ионным легированием бора или фосфора в поверхностный слой, на который падает
