книги / Твёрдотельная фотоэлектроника. Физические основы-1

шум, обладают высокими быстродействием, линейностью и стабильностью, бла­ годаря высокому сопротивлению потребляют малую мощность от источника питания (могут работать вообще без внешнего источника питания). Более до­ рогие и сложные в эксплуатации лавинные ФД являются чемпионами по об­ 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 частотного фильтра, выделяя сигнал из его смеси с шумом. Могут выполняться и другие функции: регулировка усиления, логарифмирование сигнала. Для многоэлементного приемника ис­ пользуется усилитель с соответствующим числом каналов, а при линейном фо­ топриемнике с большим числом элементов (от 64-г 128 и выше) применяют, как правило, и мультиплексор, мультиплексирующий сигнал на один (или несколь­ ко) выходов. ФПУ для приема лазерных импульсов может содержать реша­ ющее устройство — дискриминатор, вырабатывающий логическую «1» (когда есть сигнал) или логический «О» (когда его нет). Решающее устройство может быть и более сложным — распознавать кодовую последовательность импульсов. Функциональная 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 /ф);

фильтр-усилитель (на рисунке показан только фильтр, а именно динамиче­ ский фильтр, состоящий из емкости С и ключа К);

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

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: Ц — 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 К); г) еще один вариант ячейки: только фоторезистор (он и генератор тока, и накопитель, и ключ)

источника питания Щ и заряд QQ = СЩ, 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 = 1фТ Кратковременные включения ключа и являются периодами опроса: источник питания дозаряжает емкость, при этом заряд 1фТ протекает

через сигнальную вертикальную шину, как это и показано на рис. 1.3.66. Таков принцип работы всех преобразователей изображения с накоплением: в идеале 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 р-«-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 пере­ полнение накопительной емкости). Используя современные субмикронные тех­ нологии с разрешением 0,13-0,35 микрометров, удалось изготовить для мат­ ричных инфракрасных приемников кремниевые охлаждаемые мультиплексоры, в каждом пикселе которых размещено до сотни транзисторов. Такие мульти­ плексоры не только осуществляют аналогово-цифровое преобразование фото­ сигналов в пикселах, но и обеспечивают некоторые функции первичной об­ работки изображения (например, вычитание однородного по кадру фонового пьедестала).

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); тж и 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. 1.3.6г. 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 пожар­ ной 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 мат­ риц. Элементарная ячейка ПЗС фактически представляет собой конденсатор с очень тонким диэлектриком (окислом). Одна из обкладок — полупровод­ никовая, общая для всех ячеек. На этой общей обкладке-подложке форми­ руют цепочки ПЗС-ячеек (конденсаторов). Идея прибора состоит в том, что­ бы верхние обкладки перекрывались, точнее, чтобы перекрывались электриче­ ские поля соседних ячеек (для чего — мы увидим чуть ниже), рис. 1.3.7 Эти электрические поля создаются, когда на ПЗС-ячейки подают обратные напря­ жения: основные носители отталкиваются от поверхности и образуется ОПЗ, как в ФД. ПЗС-ячейка выполняет функции всех трех элементов (рис. 1.3.66).

■ Ячейка 1 ■ Ячейка 2

Р и с . 1.3.7 В ПЗС выполняются все три функции матричной ячейки: / — 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 \Щ\ > \Ui\ носители дрейфуют (переносятся) из ячейки 1 в ячейку 2

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 = 1фС.

Т р е т ь я ф у н к ц и я — коммутация (ключ К на рис. 1.3.66). 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 в соседний 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 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 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 Гк;

Оп р о с . На короткое время опроса t0np Тк столбцы отключаются от пи­ тания, так что потенциал на ячейках 1 U\ становится плавающим и сразу же понижается амплитуда напряжения на опрашиваемой строке, \Ui\ < \U2 \. 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 AU = AQ/C. Это и фиксируется на выходе. Емкость С длинной столбцовой шины большая, так что сигнал AU мал, что является недостатком прибора;

С т и р а н и е . Заряд Q§ все еще остался в ячейке 1. Его надо «уничтожить», чтобы подготовиться к накоплению заряда следующего кадра. Достаточно для этого обнулить потенциалы ячеек, U\ = U2 = 0. Заряд <5ф 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 |/7г| >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 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 доста­ точно одного-нескольких переносов. Такие ИК-матрицы на InSb, KPT весьма широко применялись. К их недостаткам можно отнести невысокие рабочие на­ пряжения, что ограничивает накопление заряда.

Внастоящее время разрабатываются в основном гибридные ИК-матрицы:

ккремниевому кристаллу с электроникой «прививается», пристыковывается кристалл узкозонного полупроводника с фотоприемниками (чаще с фотодио­ дами). В таком «гибриде» реализуются «способности» каждого кристалла: уз­ козонному полупроводнику поручается фотодетектирование ИК-излучения, а кремнию — электронная обработка фотосигналов. Понятно, что элементы каж­ дой ячейки (вспомните ее схему рис. 1.3.66) формируются в обоих кристал­ лах: фотоприемник, естественно, в узкозонном, а транзисторы, накопительные емкости, шины в кремниевом. Понятно, что при стыковке контакты должны быть в каждой ячейке. Это одна из центральных проблем изготовления ги­ бридных ИК-ПЗС. Наиболее распространен метод монтажа «flip-chip» (метод «перевернутого монтажа»): соединения осуществляются с помощью специаль­ но выращиваемых в ячейках индиевых (мягких) контактных столбиков (другие способы рассмотрены в разделе 1.4).

Если кремниевая матрица организована по ПЗС-принципу, то необходимо

вкаждой ячейке дополнительно формировать специальное входное устройство. В его основе лежит обычный р-п-переход (диод), зарядово связанный с ПЗСячейкой. ИК-фотодиод можно включить параллельно этому кремниевому диоду.

Генерированные фотоносители с ИК-фотодиода перетекают в кремниевый диод (р-я-переход), а затем срабатывает принцип зарядовой связи: полем можно «вытянуть» эти носители из емкости диода и перенести их в кремниевую ПЗСячейку. Si-диод здесь является электрическим инжектором, управляемым ИКфотодиодом.

Однако более широко в гибридных ИК-матрицах используется не конвей­ ерная ПЗС-структура, а решетчатая структура с кремниевыми МОП-коммута- торами.

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 накопле­ ния, ВЗН (рис. 1.3.8). На этом рисунке для простоты по­ казана линейка только с тремя рядами (она же сканиру­ ющая матрица формата 8 х 3). Эта многорядная линейка сканирует рассматриваемую картину, и, например, излуче­ ние точечной цели попадает сначала на элемент 4 линейки / (строки /), рис. 1.3.8а. Затем в процессе сканирования цель перемещается по элементам одного номера, но раз­ ных строк: сначала на элемент 4 второй, потом третьей строки, рис. 1.3.86,0. Скорость сканирования определяет

среднее время fCTp, в течение которого цель облучает эле­ мент каждой строки (в нашем случае это элемент 4). В течение этого времени поочередно в элементах с номе­ ром 4 накапливаются одинаковые заряды I$tcjp. Принцип ВЗН как раз и состоит в том, что синхронно — как толь­ ко цель переместилась на один шаг (например, с первой на вторую строку) заряды элементов тоже переносятся на один шаг. Тогда заряд, накопленный в предыдущих стро­ ках (в нашем случае в первой строке), всегда окажется в освещаемом элементе (ячейке). Общий заряд будет уве­ личиваться в каждом такте на /ф£стр. На финише в нашем случае складываются заряды трех строк Q = 3/ф£стр. Чис­ ло строк п увеличивает эффективное время накопления в п раз (в нашем примере в три раза). Перенос зарядов от строки 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 tCTp сбрасывать заряды (фотосигналы) во внешние накопи­ тели и осуществлять внешнее накопление (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

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, 1-г1 мкм), покрыва­ ют чернью для лучшего и неселективного поглощения излучения. Электриче­ ское сопротивление металлических болометров (даже тонкопленочных) неве­ лико ~5ч-500 Ом, невелико и значение TKC~(3-j-5) 10_3 К-1 Естественно, эти параметры выше в полупроводниковых болометрах: при комнатной темпе­ ратуре Й й 1ч-10 МОм, ТКСи(Зч-5) 10-2 К-1 и при охлаждении заметно 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 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