книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы
.pdf1.3 |
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ |
21 |
наружению самых слабых и коротких оптических сигналов. Фототранзисторы, реже фототиристоры применяются обычно в системах автоматики. Но и ФР не могут пожаловаться на недостаток внимания со стороны потребителей — сказываются отмеченные выше их достоинства и большой опыт работы с ними.
Кроме фотопроводимости и разделения фотогенерированных носителей в слоях объемного заряда, в полупроводниках известен еще ряд эффектов, ко торые используются для обнаружения излучений (фотоэлектромагнитный эф фект, эффект Дембера, эффект фотонного увлечения и другие). Однако фото приемники, основанные на этих эффектах, применяются относительно редко.
Фотоприемные устройства (ФПУ). Так называют фоточувствительные приборы, в которых в едином конструктивном исполнении объединены соб ственно фотоприемник и, как минимум, микросхемный усилитель. Это именно как минимум: в состав ФПУ могут входить вторичные источники питания, ча сто усилитель выполняет также функции фильтра, выделяя сигнал из его смеси с шумом. Могут выполняться и другие функции: регулировка усиления, лога рифмирование сигнала. Для многоэлементного приемника используется уси литель с соответствующим числом каналов, а при линейном фотоприемнике с большим числом элементов (от 64-г 128 и выше) применяют, как правило, и мультиплексор, мультиплексирующий сигнал на один (или несколько) выходов. ФПУ для приема лазерных импульсов может содержать решающее устрой ство — дискриминатор, вырабатывающий логическую «1» (когда есть сигнал) или логический «О» (когда его нет). Решающее устройство может быть и более сложным — распознавать кодовую последовательность импульсов. Функцио нальная насыщенность ФПУ продолжает непрерывно увеличиваться.
Преобразователи сигналов изображения. В отдельную группу выделяют твердотельные преобразователи сигналов изображения. ФПУ с линейкой фоточувствительных элементов уже можно рассматривать как такой преобра зователь. Разработаны не только однорядные, но и многорядные линейки. Они фактически являются двухмерными структурами, поэтому их также называют матрицами, точнее, сканирующими матрицами: сигнал изображения получа ется при сканировании такими матрицами рассматриваемой картины. Другой тип — это двухмерные смотрящие матрицы: они непрерывно «смотрят» на за данную картину (перекрывая всю площадь кадра).
Есть два схемотехнических принципа организации матриц. Первый — это принцип решетки; так строятся матрицы с адресным опросом (рис. 1.3.6а). Ши ны строк (по ним подают сигналы опроса) и шины столбцов (по ним выводится фотосигнал) образуют решетку. В узлах решетки к строкам и шинам подсоеди няются ячейки (элементы). Простейшая эквивалентная схема ячейки показана на рис. 1.3.66. Ячейка — это фактически одноэлементное ФПУ, она содержит:
фотоприемник (на рисунке отображен генератором фототока
фильтр-усилитель (на рисунке показан только фильтр, а именно динамиче ский фильтр, состоящий из емкости С и ключа К);
22 |
ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ |
Гл. 1 |
коммутатор, |
подключающий в момент опроса ячейку |
к общему выходу, |
то есть к столбцовой шине; в данной схеме коммутатором является тот же ключ К.
Наличие емкости принципиально: благодаря ей максимально используется падающее на матрицу излучение. В начальный момент времени ключ К на очень короткое время замыкается, на емкости С устанавливается напряжение источника питания Uo и заряд Q0 = CU0, после чего ключ размыкается. Та кие кратковременные замыкания происходят периодически через интервалы Т (так называемое время кадра или строки). Генерированный излучением фото ток /ф в течение всего времени кадра Т разряжает емкость С: с нее стекает заряд AQ = /фГ Кратковременные включения ключа и являются периодами опроса: источник питания дозаряжает емкость, при этом заряд 7фТ протекает через сигнальную вертикальную шину, как это и показано на рис. 1.3.66. Таков принцип работы всех преобразователей изображения с накоплением: в идеале
а
Р и с . 1.3.6. Решетчатые матрицы (матрицы с адресным опросом): а) фрагмент — входные опрашивающие шины строк и выходные сигнальные шины столбцов образуют решетку, в ее узлах подключены ячейки; б) простейшая эквивалентная схема ячейки: /ф — генерация тока при облучении; С — накопитель зарядов; К — ключ для быстрого опроса; в) простейшая реализация ячейки — фотодиод (это /ф и С) плюс полевой транзистор (это ключ Л'); г) еще один вариант ячейки: только фоторезистор (он и генератор тока, и накопитель, и ключ)
они регистрируют все фотоносители, генерированные в течение всего времени кадра Т, а не только в короткие периоды опроса.
Конкретные схемы ячеек могут быть самыми различными. Элементы /ф и С на рис. 1.3.66 — это ведь эквивалентная схема ФД. Как любой прибор с
1.3 ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 23
р-я-переходом, ФД имеет барьерную емкость С, а облучение, как мы видели, отображается генератором фототока /ф. В качестве электронного ключа К ча ще всего используют полевой транзистор ПТ. Такая ячейка ФД+ПТ показана на рис. 1.3.6в. Схемы ячеек могут усложняться, в них вводятся дополнительные ПТ и емкости для усиления, коммутации, деления заряда AQ (чтобы снизить переполнение накопительной емкости).
И вновь нас удивит фоторезистор: он способен выполнить функции всех трех элементов, показанных на рис. 1.3.66:
1)при облучении в ФР непрерывно генерируются первичные носители заряда;
2)эти носители накапливаются, но не на электрической емкости С, а по тому что «живут» в объеме в течение времени жизни тж (так и говорят: накоп ление на времени жизни); тжи есть время строки или кадра, Т = тж;
3)«пассивность» ФР позволяет весьма просто осуществить коммутацию: на время опроса на выбранную строку надо подать напряжение, только тогда токи опрашиваемых элементов этой строки будут течь в вертикальные шины ФР; остальные строки должны находиться под нулевым потенциалом, чтобы ток через них вообще не протекал.
Так что в фоторезистивных матрицах достаточно так выбрать топологию,
чтобы в узлах решетки был подключен один только ФР, как это показано на рис. 1.3.6а. Хочется опять сказать: такая матрица по структуре предельно проста. Но, конечно, нужны усилия для подавления перекрестных связей; вре мя кадра (строки) не регулируется (гж задано выбором материала); при опро се накопленные заряды полностью не стираются — такова плата за простоту структуры.
Принципиально иной принцип организации ячеек в матрицы — принцип конвейера: накопленные заряды передаются как по конвейеру от одной ячейки к другой на общий выход. Сначала такой принцип был реализован в пожарной цепочке — в цепочке транзисторов, включенных по специальной схеме. При изменении потенциалов транзисторов заряды перетекают с емкости на емкость соседних транзисторов (емкости коллектора, стока). Потом принцип конвейера был реализован в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Этот прибор стал и долго оставался самым массовым в классе фоточувствительных матриц. Элементар ная ячейка ПЗС фактически представляет собой конденсатор с очень тонким диэлектриком (окислом). Одна из обкладок — полупроводниковая, общая для всех ячеек. На этой общей обкладке-подложке формируют цепочки ПЗС-ячеек (конденсаторов). Идея прибора состоит в том, чтобы верхние обкладки пере крывались, точнее, чтобы перекрывались электрические поля соседних ячеек (для чего — мы увидим чуть ниже), рис. 1.3.7. Эти электрические поля созда ются, когда на ПЗС-ячейки подают обратные напряжения: основные носители отталкиваются от поверхности и образуется ОПЗ, как в ФД. ПЗС-ячейка вы полняет функции всех трех элементов (рис. 1.3.66).
24 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1
П е р в а я ф у н к ц и я — генерация. При освещении фотоносители разде ляются полем ОПЗ, как и в ФД; этот процесс отражается генератором фототока
(1ф на рис. 1 .3 .66).
В т о р а я ф у н к ц и я — накопление. Поскольку носители не могут течь во внешнюю цепь из-за окисла, то они накапливаются на емкости области пространственного заряда и окисла С, получаем AQ = /фС.
Т р е т ь я ф у н к ц и я — коммутация (ключ К на рис. 1 .3 .6 6 ). Здесь заряд AQ коммутируется (перетекает) не на общую шину (как в решетке), а в сосед ний ПЗС-элемент. Вот для этого верхние обкладки и ОПЗ соседних элементов
и перекрываются. Ясно: чтобы осуществить коммутацию (перетекание) заряда
всоседний ПЗС-элемент, надо подать на него большее (по модулю) напряже ние. Такой обмен, связь соседних ячеек по зарядам и дали название прибору «с зарядовой связью».
Из ПЗС-ячеек, как из клеток, выстраиваются высокоорганизованные «ор ганизмы» ПЗС матриц. Обеспечивается однонаправленность переноса зарядов, управление линейки из сотен и тысяч ячеек одной-четырьмя фазами (шина-
! |
Ячейка 1 |
! |
Ячейка 2 |
! |
I |
|
I |
I |
|
■ |
|
I |
|
I |
Р и с . 1.3.7. В ПЗС выполняются все три функции матричной ячейки: 1 — фотогенерация: при поглощении фотона генерируется пара носителей; 2 — накопление: неосновные носи тели скапливаются на поверхности (в поверхностном канале), так как окисел не дает им возможность уйти во внешнюю цепь; 3 — коммутация: при подаче на соседнюю ячейку 2 напряжения |1^| > IС1 1носители дрейфуют (переносятся) из ячейки 1 в ячейку 2
ми). Усложняются конструкции самих ячеек, траектории движения зарядовых пакетов. Создают две основных секции ПЗС-ячеек. Секция накопления яв ляется собственно фотоматрицей: при ее облучении в течение всего времени кадра накапливаются фотозаряды. Вторая, затененная секция хранения, явля ется вспомогательной. В нее быстро (в некоторых конструкция — даже за один такт) сбрасывается заряд из секции накопления. И пока в секции накопления
1.3 ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 25
формируют пакеты новых фотозарядов следующего кадра, происходит опрос секции хранения: заряды последовательно переносятся на общий выход.
Принцип зарядовой связи можно использовать не только в конвейерной ор ганизации матрицы, но и в решетчатой. Для понимания принципа ее работы достаточно снова обратиться к рис. 1.3.7. Один элемент матрицы содержит две зарядово связанных ячейки 1 и 2. Верхние проводящие обкладки ячейки 2 под соединены к строчной шине, а ячейки 1 — к столбцовой (шины на рисунке не указаны). Как в любой решетке, опрос производится по шинам строк, а сигнал выводится через шины столбцов (первые конструкции с выводом сигнала че рез контакт к подложке из-за ряда недостатков уже не используются). Можно сказать, что столбец — это как бы одна выходная, «вытянутая» ПЗС-ячейка, зарядово связанная со всеми ячейками столбца. В ПЗС-матрице заряд «идет» к одному общему выходу, а в рассматриваемой решетке общий выход «пришел» сразу во все элементы столбца.
Один из типовых режимов работы следующий:
Н а к о п л е н и е . На рис. 1.3.7 как раз приведена эта фаза работы: заряды накапливаются в строчных ячейках 2 в течение всего времени кадра Тк;
Оп р о с . На короткое время опроса £0пр < Тк столбцы отключаются от пи тания, так что потенциал на ячейках 1 Ui становится плавающим и сразу же понижается амплитуда напряжения на опрашиваемой строке, |[/2| < |C7i|. По этому накопленные заряды AQ из ячеек 2 опрашиваемой строки перетекают в ячейки 1. Ясно, что такая перезарядка емкости С всего столбца приводит к скачку потенциала на нем Д U = AQ /С . Это и фиксируется на выходе. Емкость С длинной столбцовой шины большая, так что сигнал Д U мал, что является недостатком прибора;
С т и р а н и е . Заряд <5ф все еще остался в ячейке 1. Его надо «уничтожить», чтобы подготовиться к накоплению заряда следующего кадра. Достаточно для этого обнулить потенциалы ячеек, U\ = £/2 = 0. Заряд Q<p тогда уйдет с поверх ности, инжектируется в подложку, где и рекомбинирует (принимают специаль ные меры по ускорению стирания). Отметим, что стирание происходит только в опрошенной строке, поскольку в ячейках 2 остальных строк |С/2| > 0.
Из рассмотренного принципа работы прибора следует, что перенос заряда осуществляется только внутри каждого из его элементов.
Акт инжекции дал название рассмотренному прибору — прибор с зарядовой инжекцией, ПЗИ. Конвейерный прибор ПЗС и решетчатый — ПЗИ — объеди няют общим термином — прибор с переносом заряда, ППЗ.
Матрицы и решетчатого, и конвейерного типа изготавливались сначала на кремнии. Потом стал осваиваться более длинноволновый ИК-диапазон, что тре бовало специальных решений. Проще всего объяснить работу в ИК-диапазоне описанных выше решетчатых резисторных матриц: спектральный диапазон за дается выбором материала ФР. Но такие матрицы не получили широкого рас пространения из-за указанных недостатков. Применяют уже описанные вы
26 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1
ше методы «очувствления» кремния: это введение мелкой примеси (примес ные ИК-матрицы), это применение Шоттки-барьеров (ИК-матрицы на Шотткибарьерах). Последние достаточно широко использовались в 1980-1990-х годах. Недостаток двух последних типов матриц — малая чувствительность, что огра ничивает их использование.
Чувствительность в ИК-диапазоне можно получить в ППЗ-матрицах, если изготовить их из узкозонного материала. Здесь возникают заметные потери при переносе заряда, поэтому оптимальным оказался принцип ПЗИ: в ПЗИ до статочно одного-нескольких переносов. Такие ИК-матрицы на InSb, KPT весь ма широко применялись. К их недостаткам можно отнести невысокие рабочие
|
32 1 |
|
|
напряжения, что ограничивает накопление заряда. |
|
|
|
В настоящее время разрабатываются в основном ги |
|
|
|
|
|
бридные ИК-матрицы: к кремниевому кристаллу с элек |
|
|
|
|
троникой «прививается», пристыковывается кристалл уз |
|
|
|
|
козонного полупроводника с фотоприемниками (чаще с |
|
32 1 |
|
|
фотодиодами). В таком «гибриде» реализуются «способ |
|
|
|
ности» каждого кристалла: узкозонному полупроводнику |
|
|
|
|
|
поручается фотодетектирование ИК-излучения, а крем |
|
|
|
|
нию — электронная обработка фотосигналов. Понят |
|
|
|
|
но, что элементы каждой ячейки (вспомните ее схему |
|
|
|
|
рис. 1.3.66) формируются в обоих кристаллах: фотопри |
|
32 1 |
|
емник, естественно, в узкозонном, а транзисторы, накопи |
|
|
|
|
|
тельные емкости, шины в кремниевом. Понятно, что при |
|
|
|
|
стыковке контакты должны быть в каждой ячейке. Это од |
|
|
|
|
на из центральных проблем изготовления гибридных ИК- |
|
|
|
|
ПЗС. Наиболее распространен метод монтажа «flip-chip» |
Р и с . |
1.3.8. |
Режим |
(метод «перевернутого монтажа»): соединения осуществ |
|
ВЗН. Матрица скани |
ляются с помощью специально выращиваемых в ячейках |
|||
рует |
кадр, |
пятно на |
индиевых (мягких) контактных столбиков (другие спосо |
|
ходится на |
элементе: |
бы рассмотрены в разделе 1.4)- |
||
а) строки /; б) стро |
Если кремниевая матрица организована по ПЗС- |
|||
ки 2\ в) строки 3; син |
||||
хронно с пятном пере |
принципу, то необходимо в каждой ячейке дополнительно |
|||
носятся и накаплива |
формировать специальное входное устройство. В его ос |
|||
ются |
заряды |
(показа |
нове лежит обычный р-я-переход (диод), зарядово свя |
|
ны черным цветом) |
занный с ПЗС-ячейкой. ИК-фотодиод можно включить параллельно этому кремниевому диоду. Генерированные фотоносители с ИКфотодиода перетекают в кремниевый диод (р-п-переход), а затем срабатывает принцип зарядовой связи: полем можно «вытянуть» эти носители из емкости диода и перенести их в кремниевую ПЗС-ячейку. ЭЬдиод здесь является элек трическим инжектором, управляемым ИК-фотодиоД°м.
Однако более широко в гибридных ИК-матрицАХ используется не конвей ерная ПЗС-структура, а решетчатая структура с кремниевыми МОП-коммута- торами.
1.3 |
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ |
27 |
Выше мы говорили о смотрящих и сканирующих матрицах. После приве денных сведений о принципах их построения целесообразно вернуться к скани рующим матрицам (многорядным линейкам) и рассмотреть режим, в котором они работают — режим временной задержки и накопления, ВЗН (рис. 1.3.8). На этом рисунке для простоты показана линейка только с тремя рядами (она же сканирующая матрица формата 8x3) . Эта многорядная линейка сканиру ет рассматриваемую картину, и, например, излучение точечной цели попада ет сначала на элемент 4 линейки / (строки /), рис. 1.3.8а. Затем в процес се сканирования цель перемещается по элементам одного номера, но разных строк: сначала на элемент 4 второй, потом третьей строки, рис. 1.3.86,в. Ско рость сканирования определяет среднее время гстр, в течение которого цель облучает элемент каждой строки (в нашем случае это элемент 4). В тече ние этого времени поочередно в элементах с номером 4 накапливаются оди наковые заряды /ф*стр. Принцип ВЗН как раз и состоит в том, что синхрон но — как только цель переместилась на один шаг (например, с первой на вторую строку) заряды элементов тоже переносятся на один шаг. Тогда за ряд, накопленный в предыдущих строках (в нашем случае в первой строке), всегда окажется в освещаемом элементе (ячейке). Общий заряд будет увели-
а
б
в
Р и с . 1.3.9. Принцип работы прибора SPRITE. Фоторезистор перемещается вправо со ско ростью v, носители дрейфуют влево с той же скоростью v. Поэтому фотоны попадают все время в зарядовый пакет. Так происходит накопление фотозарядов, генерированных одним оптическим источником
чиваться в каждом такте на /ф£стр. На финише в нашем случае складываются заряды трех строк Q = 3I$tCTp. Число строк п увеличивает эффективное время накопления в п раз (в нашем примере в три раза). Перенос зарядов от строки
28 |
ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ |
Гл. 1 |
к строке естественным образом реализуется в ПЗС. В рассмотренном режиме заряды накапливаются на накопителях ячеек (элементов), то есть собственно в матрице. Возможен и другой режим: после каждого интервала <стр сбрасывать заряды (фотосигналы) во внешние накопители и осуществлять внешнее накоп ление (например, в компьютере). В этом режиме можно применять матрицы решетчатого типа.
И вновь фоторезистор: в монокристаллическом полупроводнике тоже можно осуществить конвейерный перенос и режим ВЗН. Мы видели, что при подаче напряжения фотоносители дрейфуют от контакта к контакту. Для осуществле ния режима ВЗН необходимо выполнить два условия (рис. 1.3.9):
1)Выбрать напряжение между контактами 1 и 2 фоторезистора таким, что бы синхронизировать скорость дрейфа теперь уже неосновных фотоносителей (фотодырок) со скоростью сканирования изображения. При этом заряд переме щающихся по кристаллу неосновных фотоносителей оказывается экранирован ным локальным повышением концентрации осносных носителей тока;
2)Обеспечить общее время дрейфа пакетов фотоносителей от контакта к контакту малым, меньше времени их диффузионного расплывания — времени жизни неосновных фотоносителей.
Усиленный за счет ВЗН фотосигнал регистрируется между контактами 1 и 3. Эти идеи были осуществлены в фоторезисторах, получивших название «спрайт» (SPRITE). Однако вследствие небольшого числа элементов разло жения изображения и высокого тока потребления применение SPRITE было
ограниченным.
Многообразны материалы, структуры, конструкции фотоприемных устройств и преобразователей изображения. Здесь нет смысла подробнее останавливаться на этом — ведь ФП и ФПУ посвящена вся наша книга.
1.3.2. Тепловые твердотельные приемники излучения. Рассмотрим те перь тепловые приемники излучения.
При поглощении излучения любое тело нагревается (радиационный нагрев). И если изменение температуры заметно меняет электрические свойства мате риала, то на таком материале можно сделать тепловой приемник.
Болометрический эффект — это изменение электрического сопротивления при радиационном нагреве и соответственно приемник излучения на основе этого эффекта — болометр. Болометр характеризуют температурным коэффи циентом сопротивления ТКС, то есть относительным изменением сопротивле ния при нагреве прибора на один градус. Металлические болометры (Pt, Ni, Au) изготавливают тонкопленочными (толщиной слоя 0,1ч-1 мкм), покрыва ют чернью для лучшего и неселективного поглощения излучения. Электриче ское сопротивление металлических болометров (даже тонкопленочных) неве лико ~5-г500 Ом, невелико и значение ТКС~(Зч-5) 10-3 К-1 Естественно, эти параметры выше в полупроводниковых болометрах: при комнатной темпе ратуре Я « 1 -г 10 МОм, ТКС «(З-т-5) 10-2 К-1 и при охлаждении заметно
1.3 |
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ |
29 |
улучшаются. Особый класс представляют болометры на основе сверхпровод ников (материалы и сплавы Sn, Та, Pb, Nb, рабочая температура 3-г 15 К). За счет фазового перехода ТКС может достичь очень больших значений ~50 К-1 Для регистрации энергии оптического излучения можно использовать тер мопару, представляющую собой спай двух разных металлов. Точнее, надо ис пользовать две термопары, температура одной из них фиксируется («холодный контакт»), а другая облучается («горячий контакт»), В термопаре — на контак те двух металлов — возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая зависит от температуры. Это один из термоэлектрических эффектов — эффект Зеебека. Измеряя разность ЭДС двух термопар, определяют разность их температур, что
дает возможность рассчитать поглощенную энергию излучения. Инерционность болометров и термопар сравнительно велика, так как опре
деляется их теплофизическими параметрами (теплоемкостью, теплопроводимостью). Так, в металлических болометрах она порядка десятых секунды, а в полупроводниковых — порядка миллисекунд. Основное преимущество тепло вых приемников — широкий спектральный диапазон, неселективность. Благо даря этому они применяются в качестве дистанционных измерителей мощности излучения нагретых тел (радиометры) или их температуры (пирометры), а так же для калибровки мощности монохроматического излучения в спектральном анализе.
Болометры и термопары в специальном конструктивном исполнении приме няют и в качестве контактных термометров (нагрев не радиацией, а за счет теплопроводности). Болометр тогда превращается в терморезистор. Впрочем, это уже не приемники излучения. Но этот пример еще раз свидетельствует о «родственных связях» твердотельных электронных приборов: диод — фотодиод, транзистор — фототранзистор, болометр — терморезистор, и так далее и так далее.
Третий тип теплового приемника излучения — пироэлектрический прием ник. «Пироэлектрический» — это термин и для приемника, и для эффекта, и для материала — пироэлектрика. Пироэлектрик — особый кристаллический ди электрик (триглицинсульфат, танталат лития, ниобат стронция либо бария, ряд полимеров). Их «особостью» является спонтанная поляризация, которая при водит к появлению связанных зарядов на поверхности и соответственно ЭДС. Однако под действием ЭДС начинает протекать ток свободных зарядов через объем кристалла (иначе говоря, появляются токи утечки, так как электрическое сопротивление пироэлектрика хоть и велико, но конечно). И этот процесс идет до тех пор, пока связанные и свободные заряды полностью скомпенсируются, так что ЭДС в стационарном состоянии исчезает. При вариациях температу ры поляризация, связанные поверхностные заряды и ЭДС также варьируются. Свободные носители не успевают отслеживать эти вариации: пироэлектрик всетаки диэлектрик с высоким сопротивлением. Появление ЭДС при нагреве (в том числе радиационном) и есть пироэффект. Как видим, этот эффект динами ческий, пироприемник реагирует только на переменное облучение. Это может
30 |
ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ |
Гл. 1 |
быть недостатком — ведь для регистрации излучения надо дополнительно вво дить модулятор. Но может быть и преимуществом — когда надо выделить на постоянном тепловом фоне движущийся нагретый (или охлажденный) объект.
Применения обычных одно (и мало) элементных тепловых приемников в основном ограничено указанными областями и несопоставимы с применения ми квантовых. Тепловые приемники при обычных температурах не умеют, как квантовые, регистрировать слабые сигналы, уступают квантовым по быстродей ствию и другим параметрам. Полупроводниковые болометры, охлаждаемые до криогенных температур, имеют заметную чувствительность в дальней инфра красной области спектра и также нашли ограниченное применение, главным образом, в астрономии. Однако с начала 1990-х годов (здесь и далее мы ссы лаемся на десятилетия XX века) болометрические приемники (в определенной степени и пироприемники) вышли на авансцену. Это матрицы из таких прием ников. Их разработка оказала серьезное влияние на тепловидение, так что они заслуживают того, чтобы в дальнейшем им посвятить специальные разделы.
1.3.3. Электровакуумные фоточувствительные приборы. Хотя эта кни га посвящена твердотельным квантовым и тепловым приемникам излучения, но нельзя не иметь хотя бы общих представлений еще об одном важном клас се — классе электровакуумных фотоприборов. Электровакуумные преобразова тели изображения были предшественниками твердотельных матриц, продолжа ют эффективно работать и не уступают окончательно свое место твердотельным приборам, как это случилось с радиолампами.
Общее для рассматриваемого класса приборов — вакуум, в котором распро страняется электронный луч (лучи), несущий (несущие) информацию о при нимаемом оптическом сигнале (изображении). В большинстве этих приборов используется внешний фотоэффект: энергия поглощаемого фотона должна быть больше внешней работы выхода — выброса электрона в вакуум.
Самым простым является фотоэлемент, ФЭ. Его аналогом можно считать радиолампу — вакуумный диод. Оба эти электровакуумных прибора имеют два электрода — катод и анод. В обоих этих приборах с катодов в вакуум эмитируются электроны и электрическим полем переносятся на анод, на кото рый подан положительный потенциал. Но в вакуумном диоде эмиссия тепловая (катод подогревается), а в фотоэлементе происходит внешняя фотоэмиссия.
Дальнейшим развитием ФЭ стал фотоэлектронный умножитель, ФЭУ. В ФЭУ между освещаемым фотокатодом и анодом вводят дополнительные элек троды — ряд динодов с последовательно повышающимся положительным на пряжением. Эмитируемые при освещении фотокатода первичные фотоэлектро ны разгоняются в сильном поле и попадают на первый динод, «бомбардируют» его. За счет большой энергии «бомбардирующего» фотоэлектрона происходит вторичная эмиссия — в вакуум уже эмитируется порядка десяти и более элек тронов. То же происходит и на последующих динодах, так что общий коэф фициент усиления первичного фототока электронов может достигать тысяч —