Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Анализ большого числа зарубежных источников позволил составить сводную таблицу основных параметров некоторых уже освоенных
169 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
промышленностью приемников этих типов (табл. 6.6). Сообщается о разработке и появлении в ближайшие годы линейных приемников (линеек) из HgCdTe, охлаждаемых до 80 К, с числом элементов до 960 и фотодиодных матриц из этого материала с числом элементов до 480 х 640 и размерами квадратных элементов от 20 мкм до 1 мм. Эти приемники работают в широком спектральном диапазоне (до 14 мкм).
Матричные приемники на базе PtSi, имеют меньший спектральный рабочий диапазон (до 5 мкм), но обладают высокой однородностью параметров отдельных элементов. Имеются сообщения о создании таких фотоматриц с числом элементов 128x128, 256x256, 512x512, 480x640,2048x16 и других, а также линеек с числом элементов до 4096.
Линейные фотовольтаические приемники из InSb, имеющие длинноволновую границу спектральной чувствительности 5,5 мкм (при охлаждении до 80 К), имеют число элементов 64...128, а матричные — до 640x480.
Таблица 6.6
Типичные значения параметров современных зарубежных многоэлементных фотодиодов (ФД) и фоторезисторов (ФР)
Тип приемника
Параметры ФД (HgCdTe) ФД (PtSi) ФД (InSb) ФР (Si:As)
Количество элементов 240x4 488x640 256x256 10x50
Размеры одного элемента, мкм Длинноволновая граница спектральной чувствительности, мкм 40x40 10...10,5 24x24 5,0 30x30 5,5 Нет данных 25
Температура охлаждения, К 280 <77 <50...70 <12
Обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики Dtijnai, Вт1см-Гц1/2 1,210" Нет данных 5-Ю12 3-Ю10
Среднее кв адратич ее кое отклонение D', %, для одного элемента <15 0,2...0,5 1...3 1,5
Усилия разработчиков таких приемников направлены на расширение спектрального диапазона их чувствительности, увеличение динамического диапазона рабочих освещенностей и достижение высокой степени однородности чувствительности отдельных элементов. В табл. 6.7 приведены данные о достигнутых значениях этой неоднородности
170 Глава 6. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора
в зависимости от площади чувствительного слоя одного элемента А и допуска на размер элемента 5 [35].
Таблица 6.7
Неоднородность чувствительности многоэлементных приемников в зависимости от площади элемента и допуска на его размеры
Тип приемника А, см2 8, мкм As, %
PbS 10 "...105 1...5 2...10
HgCdTe ЮЛ..105 1 2...5
InSb (2...3)105 0,25...1,0 0,8...2,0
PtSi 2-Ю5 0,1...0,25 0,1...2,0
При выборе многоэлементного приемника следует учитывать не только однородность параметров его отдельных элементов, но и чувствительность (квантовую эффективность г|е) фотослоя. Вследствие гораздо большей чувствительности приемники на основе InSb и HgCdTe Ole > 50%) часто предпочтительнее более однородных структур на базе PtSi (т^« 1%), особенно при работе на длинах волн свыше 4 мкм.
Нужно отметить, что высокая квантовая эффективность, которой обладает ряд материалов, из которых изготовляются приемники (обычно фотовольтаические), усложняет требования к системе съема и обработки сигналов. Это связано с быстрым насыщением считывающих устройств, что на практике вынуждает повышать скорость считывания, т. е. увеличивать частоту кадров, чему часто препятствует инерционность приемника, а иногда приходится уменьшать спектральный диапазон работы системы ДА..
Наиболее распространенными многоэлементными ПИ с внутренними электрическими связями являются фотоприемники на базе приборов с зарядовой связью [9, 20, 22, 30, 35]. Приборами с зарядовой связью (ПЗС) принято называть полупроводниковые устройства, в которых при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение пакетовых зарядов вдоль полупроводниковой подложки. Эти устройства состоят из ряда МДП-структур, в которых металлические электроды образуют регулярную систему с достаточно малым шагом — расстоянием между электродами.
Хорошо известны трехфазные структуры ПЗС (рис. 6.12). Один элемент образуется тремя электродами, каждый из которых подключен к своей токопроводящей фазной шине 2... 3. Подложкой является
171 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
еіз EL ЕЗ Е^З EL m rh
VzZL
W
Ш\ 1ТЛ V 7\ Y77X V> h WTX ТТЛ ?7Л
"ТззбГ usssT і
-f—I-і—
ил ШХ VTX ил VTTX F/ Я WTXTTTX
"Isfi&j isasf ~I
Рис. 6.12. Трехфазная структура ПЗС (принцип работы) полупроводниковая пластина или пленка, на которую нанесены микроостровки окисла, покрытые слоем металла, играющего роль электрода. Пусть отрицательный (в случае га-подложки) потенциал подан на шину 2 в какой-то начальный момент времени t0. Накопление зарядов под электродами этой шины в результате действия локальной освещенности по истечении времени накопления заканчивается, и высокий потенциал с шины 2 снимается и подается на шину 3 (момент tj). Заряды перетекут в потенциальную яму под электроды шины 3 одновременно во всех элементах. К электродам шины 1 они не потекут, так как их потенциал в момент tt остается низким. В момент времени t2 высокий потенциал с электродов шины 3 подается на электроды шины 1, и все заряды одновременно переносятся вправо на один шаг (на один электрод). Далее процесс повторяется.
