Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
13.74 Mб
Скачать
/ф );

1.3

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 = С.

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 —