Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011 - файл n1.doc

Вигдорович Е.Н. Физические основы, конструкция и технология оптоэлектронных устройств - МГУПИ 2011
скачать (10094 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc10094kb.21.10.2012 15:38скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

Глава 3. Детекторы излучения




3.1. Общие вопросы


Детекторы излучения видимой и ИК областей спектра ши­роко применяются в устройствах формирования изображения, из­мерительной технике и оптической связи. Видимый диапазон включа­ет часть электромагнитного спектра от 0,4 до 0,75 мкм. ИК диапазон условно подразделяют на четыре области: ближнюю (0,75-3 мкм}, среднюю (3-6 мкм), дальнюю (6-15 мкм} и инфрадальнюю (15-1000 мкм)(рис.3.1) .


Рис. 3.1. Спектральный диапазон детекторов

Рис.3.2.Спектральная характеристика пропускания атмосферы
Реально в условиях земной атмосферы используется лишь незна­чительная часть спектра в области атмосферных окон с максимумами пропускания вблизи 0,49; 1; 3,5; 5,5 и 10 мкм (рис.2).

В пассивных ИК системах обнаружения на расстоянии объекты фиксируются либо по их собственному излучению, либо по отраженно­му излучению ночного неба, максимум которого лежит в диапазоне 2,5-3 мкм. Максимум излучения твердых тел при 300К приходится на 9,7 мкм (рис.3.3). Выхлопные газы турбореактивных двигателей, ракет, двигателей внутреннего сгорания излучают в областях 2,6, 2,8 и 4,4 мкм. Горячие части турбореактивных двигателей имеют тем­пературу 900К, что соответствует максимуму излучения 3,2 мкм .

В системах активного обнаружения объект освещается искусственным излучением (например, лучом лазера), отражение которого фиксируется детектором. В качестве источников излучения в таких системах с наибольшим успехом применяются лазеры на CО2 (10,6 мкм), АИГ: Nd (1,06 мкм), ЖИГ: Но (2,06 мкм).


Длина волны, мкм

Рис. 3.3. Спектральная излучательная способность абсолютно

черного тела при различных температурах
Основными требованиями к фотоэлектрическим характе­ристикам детекторов считаются:

- большой выходной сигнал в данном спектральном диапазоне;

- линейность выходного сигнала в широком интервале изменения интенсивности излучения;

- высокое быстродействие;

- минимальные шумы в процессе детектирования.
Все типы фотоприемников, независимо от физической природы и конструкции этих приборов, описываются опре­деленной совокупностью основных параметров и характе­ристик. -

Чувствительность. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного опти­ческого сигнала. Количественно чувствительность опреде­ляется отношением изменения измеряемой электрической величины, вызванного падающим на фотоприемник излу­чением, к количественной характеристике этого излучен.

В зависимости от измеряемого электрического парамет­ра на выходе фотоприемника различают токовую и воль­товую чувствительность фотоприемника. Если измеряемой величиной является фототек, то имеем токовую чувстви­тельность (SI ). Чувствительность фотоприемника, у кото­рого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называется вольтовой чувствительностью (SV ).

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохро­матическую чувствительность фотоприемника к немоно­хроматическому излучению заданного спектрального со­става. Монохроматическая чувствительность—это чувст­вительность фотоприемника к монохроматическому излу­чению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо по­лезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — это шум фотоприемника. Источники шума мо­гут быть по отношению к фотоприемнику как внутренни­ми, так и внешними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В оптималь­но сконструированном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случай­ными (флюктуационными) процессами и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математиче­ским ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощно­сти шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума — шумом в единичной полосе частот.

В фотоприемниках наряду с обычными для полупро­водников видами шумов (тепловым, дробовым и др.) до­бавляется также радиационный (фотонный) шум, который определяется флюктуациями оптического сигнала, попадающего на фотоприемник, т. е. флюктуациями фотонов, попадающих на фоточувствительный слой.

Обычно шум фотоприемника количественно характери­зуют током шума .или напряжением шума. Под током шу­ма понимают среднеквадратичное значение флюктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной по­лосе частот. Напряжение шума — это среднеквадратичное значение флюктуации напряжения на заданном сопротив­лении нагрузки в цепи фотоприемников.

Характеристики фотоприемников. Основными характеристиками фотоприемников являются: вольтампер­ная, спектральная и энергетическая характеристики.

Вольтамперная характеристика — зависимость напря­жения на выходе фотоприемника от выходного тока (фо­тотока) при заданном потоке излучения. Спектральная ха­рактеристика — зависимость чувствительности фотоприем­ника от длины волны падающего на фотоприемник моно­хроматического излучения. Энергетическая характеристи­ка выражает зависимость фототока от потока излучения, падающего на фотоприемник.

Минимальная обнаружимая мощность излучения Рmin ( вт) -мощность излучения, при которой выходной сигнал равен уровню шу­ма. Часто используется эквивалентная мощность шума NEP {вт-гц-1/2 )

NEP = Рmin/ (f)1/2

где f - эффективная полоса пропускания.

Обнаружительная способность D * (в см гц 1/2 вт -1) соответствует выражению:

D *=?A / NEP

где A - площадь фоточувствительной поверхности.

Квантовая эффективность ? (в %) - число фотоносителей (Iф/q.),приходящихся в единицу времени на число падающих фотонов с энергией h v (Р / h v) :

? = Iф h v/q P

Постоянная времени, r ( сек) - время, за которое выходной сиг­нал детектора достигает 63% окончательного значения.

Детектор излучения рассматривается как линейный, если выход­ной электрический сигнал пропорционален интенсивности падающего излучения и его спектральный состав остается постоянным.

Классификация детекторов


Современные детекторы по принципу действия делятся на два основных класса: 1) тепловые; 2) фотонные (или квантовые).

В тепловых детекторах под воздействием излучения повышается температура, что приводит к изменению физических свойств матери­ала (сопротивления, поляризации, ЭДС, коэффициента теплового рас­ширения и т.д.). Выходной сигнал тепловых детекторов определяется только мощностью падающего излучения и не зависит от его спект­рального состава.

В фотонных детекторах (фотодетекторы) используется взаимдействие фотонов с электронами в чувствительных к излучению материалах. Такое взаимодействие приводит либо к выходу электрона из твердого тела в вакуум (внешний фотоэффект), либо к переходам электронов между состояниями внутри кристаллической решетки (внут­ренний фотоэффект).

Классификация детекторов по принципам обнаружения выходного сигнала и конструктивным особенностям представлена на рис.4. Воз­можно также подразделение детекторов излучения по рабочим температурам. Как правило, длинноволновое излучение воспринимается детекторами, функционирующими при очень низких температурах (4-15К), детекторы среднего ИК излучения работают в интервале 77-195К, большинство детекторов видимого и ближнего ИК диапазонов не нуждаются в охлаждении .

Рис.3.4. Классификация современных детекторов оптического излучения
Общий недостаток тепловых детекторов - их инерционность. Типичная рабочая частота составляет единицы килогерц. Повышение быстродействия до ~ 100 Мгц достигается за счет значительного уменьшения чувствительности.

Фотонные детекторы

Детекторы на основе внешнего фотоэффекта

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) относятся к вакуумным, а не твердотельным приборам, однако высокий уровень таких параметров, как линейность сигнала, динамический диапазон и усиле­ние (до 108), позволяет успешно применять их для детектирования сла­бых оптических сигналов. ФЭУ показали себя надежными приборами в космических системах благодаря вибро-, ударо- и термо-стойкости (активированные цезием фото-катоды функционируют при повышении температуры до 150° С).

ФЭУ состоит из катода, эмитирующего электроны под действием падающего излучения, цепи динодов, эмитирующих вторичные электро­ны, и анода, направляющего умноженный ток электронов в выходную цепь. В последние годы интерес к ФЭУ возродился в связи с разра­ботками фото-эмиттеров на основе соединений группы А111ВV, акти­вированных цезием; они обладают высокой чувствительностью к из­лучению в диапазоне 0,6-0,9 мкм. Использование таких катодов в сочетании с динодами на фосфиде галлия, активированном цезием, сделало возможным умножение с минимальным шумом при наимень­шем числе каскадов. При специальной конструкции таких динодов (рис. 3.5) достигается частотная полоса в 1 Ггц .

Фото-катоды и диноды выполняются из легированного полупроводникового материала группы А111 ВV, покрытого либо тонким монослоем цезия, либо более толстым слоем Cs2 0.

При детектировании излучения лазера на арсениде галлия ( 0,87 мкм) фото-катод из арсенида галлия, активированного цезием, имеет квантовую эффективность 18%. Излучение лазера на АИГ: Nd (1,06 мкм} с наиболее высокой эффективностью (2-3%) восприни­мают активированные цезием фото­катоды на GaInAs и InAsР (табл.3.1).


Рис. 3.5 Фотоэлектронный умножитель: 1-фотокатод,

1…3- катодная камера, 3–14- динодная система, 14–16 –анодный узел,
Таблица 3.1

Характеристики фотокатодов с высокой квантовой эффективностью

Материал катода


Квантовая эффективность. %


Плотность

темнового тока, а/см2




0,63мкм

0,87мкм

1,06мкм

Ag20/Cs

Na2 KSb/Cs

0,3

6

0,7

0,2

0,07


10-12

10 –15

GaAs /Cs2 0

25

18

-

10 –14

GaInAs 0,13Р 0, 87/Cs2 0

Ga 1-хIn хAs/Cs2О

(при х =0,14-0,31)

16

12


9

8


3

2




В настоящее время для изготовления фото-катодов применяется более 40 различных материалов. Большинство катодов разрабатывается для спектрального диапазона 0,3-0,8 мкм. Фото-катоды на основе CsTe расширяют рабочий диапазон ФЭУ в сторону коротких волн (0,125-0,35 мкм}, а на основе соединений A111 BV - в сторону ближнего ИК (до 1,1 мкм}. Если для детектирования излучения в области 0,2-1,1 мкм фото-катоды в ряде случаев успешно заменяются кремниевыми фотодиодами, то для области < 0,2 мкм у ФЭУ прак­тически нет конкурентов.

Существенными недостатками ФЭУ считаются высокое напряжение питания (1-3 кв и выше) и необходимость стабилизации этого напряжения с высокой точностью, так как коэффициент усиления ФЭУ очень чувствителен даже к незначительным изменениям напряжения (1кв ± 10мв) .

Активно применяются фотоэмиссионные приборы в роли преобразователей ИК излучения в видимое. Увеличение чувствительности и раз­решающей способности таких преобразователей диктовалось требова­ниями телевизионных систем для низких уровней освещенности. Для преобразования излучения ближнего ИК диапазона (например, излуче­ния электролюминесцентного диода на арсениде галлия, легированном кремнием, с 0,93 мкм) в видимое использовали реактивно распыленные тонкие пленки CdSe и соединений редкоземельных элементов. Эффективность преобразования ИК в красный, зеленый и голубой свет составляет 1; 0,1 и 0,01% соответственно.

С высокой эффективностью преобразуют дальнее ИК излучение (28 мкм} в видимое преобразователи на тонких пленках CdS с быстродействием 10-8- 10-9 сек .

Детекторы на основе внутреннего фотоэфекта

Фотопроводимость и фото-ЭДС. Под действием оптического излучения полупроводников происходит изменение их электрофизических пара­метров , обусловленное образованием до­полнительных свободных носителей заряда. Процесс образования дополнительных носителей за­ряда (фотоносителей) внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фото­эффектом или фотоэлектрическим эффектом.

В фотоприемниках используются две формы внутрен­него фотоэффекта:

1. Фотогальванический эффект.

2. Эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводни­ках с внутренним потенциальным барьером (с р-п пере­ходом, с переходом металл — полупроводник, с гетеропе­реходом): внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносите­ли разных знаков — дырки и электроны — создают фото-ЭДС.

Эффект фотопроводимости (в отличие от фотогальва­нического) состоит только в создании фотоносителей; ре­зультатом изменения концентрации носителей в полупро­воднике является увеличение проводимости полупровод­ника.

Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников: фотогальванический эффект—в фото­диодах, фототранзисторах, фототиристорах и других фо­топриемниках с р-п переходами, эффект фотопроводимо­сти—в фоторезисторах.
3.2. Фоторезисторы

Одной из форм внутреннего фотоэффекта является фотопроводимость. В данном случае электронно-дырочные пары, создаваемые поглощенным оптическим излучением в полупроводнике, увеличивают его проводимость на время, равное их жизни. Прибор, работающий на этом принципе, называется фоторезистор. Эффект фотопроводимости позволяет регистрировать оптические сигналы, если фоторезистор включить в цепь, имеющую нагрузку и источник питания. Основным преимуществом фоторезисторов перед другими фотоприемниками является наличие внутреннего усиления под воздействием продольного электрического поля. Коэффициент усиления () можно рассчитать по уравнению

=/t где  -время жизни носителей(с);

t-время пробега носителей(с).

t=L2/U где L - длина фоторезиста(см);

 - подвижность носителей заряда(см2/Вс);

U - напряжение(В)


Рис.3.6 Структура фоторезистора
Для того, чтобы фотон оптического излучения создавал фотоносители необходимо выполнение очевидного энергетического соотношения E=hE, а значит, учитывая, что h=hc0/, собственный фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на него излучения с длиной волны max, меньше значения
гр=hc0/E  1,23/E (мкм)

где h - постоянная Планка;

c0 - скорость света;

E- ширина запрещенной зоны (эВ).

Рис. 3.7 Фоторезистор в электрической цепи
Большинство фоторезисторов изготавливаются на основе полупроводниковых халькогенидов. В качестве центров чувствительности в них используют атомы меди, которые создавая в этих материалах акцепторные уровни резко снижают проводимость и повышают время жизни электронов в зоне проводимости.. Активным элементом фоторезистора является полупроводниковая пленка, которую получают методом спекания или методом вакуумного напыления.

При спекании, из смеси порошка полупроводникового соединения с хлористым кадмием (в случае халькогенидов кадмия) и присадкой активирующей примеси CuCl2 приготавливается водно-спиртовая суспензия, которая путем пульверизации наноситься на подложку. После прокаливания на воздухе осуществляется напыление омических контактов. Необходимый рисунок фоторезистивного слоя, толщина которого обычно 10-50мкм, создают применяя соответствующие маски.

При вакуумном напылении на подложку наноситься тонкий(5-10мкм) слой фоточувствительного материала. Затем полученная пленка прокаливается на воздухе под слоем порошка, содержащего медь и хлор, и на нее напыляются контактные площадки. В данном случае может быть использован современная фотолитография. На рис.28 приведена вольт-амперная характеристика фоторезистора.

При поглощении монохроматического света в полупроводнике его интенсивность убывает по экспоненциальному закону

I= I0exp(-x)

где - коэффициент поглощения

I0- общее число квантов, падающих на поверхность.

Следовательно, число квантов, поглощенных в слое dx

-dI/dx =Idx



Рис.3.8 Вольтамперная характеристика фоторезистора
Коэффициент  зависит от механизма поглощения. Так как некоторые механизмы поглощения не связаны с генерацией носителей заряда (например, на свободных носителях, на тепловых колебаниях решетки и пр.), то это учитывается введением коэффициента квантового выхода ?.

При отсутствии освещения можно рассчитать проводимость фоторезистора (G0)

G0 = e ? n0 d w / L

где - e – заряд электрона (А сек )

? – подвижность электронов (см2/В сек)

n0 - равновесная концентрация электронов (см-3)

d – толщина фоторезистора (см )

w – ширина фоторезистора (см )

L – длина фоторезистора (см2)

и соответственно ток

I0 = U G0

При падении излучения на поверхность фоторезистора в нем генерируются носители вследствие возникновения либо межзонных переходов (собственное возбуждение), либо переходов с участием энергетических примесных уровней ( примесное возбуждение), что приводит к увеличению проводимости. Для тонких слоев и в случае однородного поглощения скорость генерации носителей при освещении фоторезистора равна

Q = ? ? Q0

где

Q0 = P/ h? = P? / h c (см-2 сек-1)

где P – поверхностная мощность падающего света, (Вт/см2);

? - длина волны света, (см)

h – постоянная Планка (дж. сек)

c – скорость света (см/сек)

? - квантовый выход

? – коэффициент поглощения (см-1)

Если возникающие носители обладают временем жизни ? , то в полупроводнике, например, электронного типа проводимости дополнительное количество электронов будет равно

?n = Q ?

При освещении произойдет изменение проводимости

GФ = e ? ? n d w / L = e ? Q ? d w/ L

Если к фоторезистору приложено напряжение U то изменение тока при освещении составит

IФ = U GФ

Основной характеристикой фоторезистора является величина возникающего фототока (IФ ) и чувствительность.

Спектральная чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фоторезистора при подаче на его вход единичного оптического сигнала

SФ=Iф0 (А/Вт)

где Р0 = Р w L

Помимо полезного сигнала на выходе всегда имеет место хаотический сигнал - шум фотоприемника который усложняет процесс регистрации сигнала малой мощности.

Любой двухполюсник может быть представлен генератором тока и при этом среднеквадратичная флуктуация тока обусловленная генерационно-рекомбинационным (ГР) шумом неосвещенного образца равна

Iгр 2 = 4 e F I0

где – F – ширина полосы пропускания (гц, сек-1) (всегда 1гц)

iгр 2 = 4 e2 F U? n0 d w / L

Тепловой шум существует в любом проводнике. Причиной его является хаотическое движение носителей тока. Среднеквадратичная флуктуация обусловленная тепловым шумом равна

iТ2 = 4kTF GФ

где k - константа Больцмана (дж/град);

T - температура, К

или

iТ2 = 4kTF e ? Q ? d w/ L

В реальных фотодетекторах чувствительность зависит от ГР и теплового шума. При увеличении напряжения вклад теплового шума становиться меньше и чувствительность увеличивается до тех пор, пока ГР-шум не начинает преобладать над тепловым шумом, при условии, что такая точка достижима без разрушения прибора.

Зная значение лимитирующего шума можно определить минимальную обнаружительную мощность излучения

Pмин = iшум U

На практике обычно используется эквивалентная мощность шума NEP

NEP = Pмин / (F)1/2

и обнаружительная способность D*

D* = ? A / NEP

где А – площадь поверхности фоторезистора

Это выражение можно использовать для оптимизации геометрических размеров и условий эксплуатации фоторезисторов. Когда РГ- шум является определяющим, D* с учетом можно изобразить в виде

D* = L / 2eU(?n no d)1/2

Из данного выражения видно, что важно использовать тонкие (d) пленки, но при условии полного поглощения света и длинные образцы (L), при условии сохранения высокого Кус . Снизить (?n no) и соответственно увеличить D* возможно путем снижения рабочей температуры ( охлаждения фоторезистора). Это особенно важно для детекторов, работающих в ИК – области спектра.

Несмотря на свою простоту, малые размеры и массу фоторезисторы нашли ограниченное применение, что связано с низким быстродействием 10-2- 10-3 с., со значительной температурной зависимостью параметров и нелинейностью световой характеристики
Для собственных фоторезисторов традиционно используются уз­козонные полупроводники группы А11 ВV1 : двойные соединения CdS, CdSe (видимый диапазон), PbS (до 2,5 мкм}, тройные HgCdTe и PbSnTe (2-15 мкм), а также соединения группы А111BV: InSb, InAs (до 5 мкм}. Поликристаллические тонкие пленки PbS, PbSe, CdS, CdSe и PbSnTe осаждают термическим испарением или катодным распылением на подложки в виде узких прямых линий, зигза­гов или спиралей. Фирма Optoelectronics (США) выпускает серию резисторов на PbSe и PbS на спектральный диапазон 0,5-5,1 мкм с об-наружительной способностью до 1- 1011 см. гц1/2 вт-1, работающих при температуре < 360К с быстродействием от 10 мксек до 1 мсек. Фо­торезистор на InAs фирмы Judson Res. (США) рассчитан на диапазон 1-3,2 мкм, имеет D*= 4-1011 см2 • гц 2 • вт-1 при быстродействии 1 мксек .

В последние 2-3 года много внимания уделяется поиску путей изготовления и изучению свойств тонких пленок соединений HgTe/CdTe и PbTe/SnTe. Варьируя соотношения Hg/Cd и Pb/Sn, можно изменять ширину запрещенной зоны этих соединений для регистрации из­лучения в диапазоне 0,8-15 мкм. Фирмы Honeywell, Bames En­gineering Corp., Eltek Corp., Raytheon (США), Mullard (Англия), Siemens (ФРГ) выпускают на основе этих соединений фоторезисторы, paботающие при 77К в спектральном диапазоне 8-14 мкм с D* =1010 см гц 1/2 вт-1 и быстродействием на уровне десятков наносекунд. Фирма Honeywell изготовляет детекторы на HgCdTe, спектральные характеристики которых имеют три максимума – 8, 10 и 13 мкм.

Собственные фоторезисторы с внутренним усилением до 104, работающие при комнатной температуре (CdS, CdSe), наиболее широко применяются в качестве мишеней и экранов телевизионных систем при низких уровнях освещенности (< 1,0 лк) и в силовом оборудовании - устройствах управления освещенностью улиц, регуляторах силы света прожекторов, автоматических регуляторах яркости телеви­зионных экранов и т.д.

Примесные фоторезисторы с высокой чувствительностью, функцио­нирующие в температурном диапазоне 2-15К, изготавливаются ле­гированием монокристаллических кремния и германия (а в последнее время и арсенида галлия) различными примесями (табл.2 ). При использовании других полупроводниковых материалов, имею­щих более мелкие примесные центры, например, арсенида галлия, длинноволновый край примесных фоторезисторов продлевается до 100 мкм. Такие фоторезисторы, работающие в диапазоне 160—390 мкм с D* = 2-1011 см гц1/2 вт-1 ( = 282 мкм}, выпускает фирма Molectron Corp. (США).

Время фото-ответа у примесных детекторов определяется концент­рацией центров компенсирующей примеси, так что при достаточно вы­соких концентрациях можно получить быстродействие ~ 0,1 нсек.

Таблица

Энергия ионизации самых мелких примесных центров и длинноволновый край

Материал


E,, эв


, мкм


Материал


Е, эв


, мкм


Si: P


0,045


27,6


Ge:Cu


0,04


31,0


Si:As


0,0537


23,1


Ge:Ag


0,13


9,5


Si:Sb


0,043


28,8


Ge:Au


0,16


7,7


Si:Bi


0,0706


17,6


Ge:In


0,03


41


Si:В


0,04385


28,2


Ge:Cd


0,05


25


Si:Al


0,0685


18,2


Ge:Hg


0,09


13,8


Si:Ga


0,0723


17,2







Si:In


0,1554


8,0








По­этому даже в диапазоне -10 мкм (где сейчас предпочтение отдается собственным фоторезисторам на соединениях HgCdTe и PbSnTe из-за более высокой рабочей температуры), когда требуется высокое быстродействие (например, для исследования лазерных систем с большими доплеровскими частотами), применяются примесные фоторезисторы.

Рис. 3.9. Спектральная зависимость обнаружительной способности фотодетекторов : I - CdS (300К); 2 - CdSe (300К); 3 - PbS (196К); 4-PbS(300K); 5 - InSb (77К); б - Ge: Au (77К); 7 -Ge: Hg (30K); 8 - Теоре­тическое значение (300К)
Существенным недостатком примесных фоторезисторов является то обстоятельство, что высокое усиление, а следовательно, и чувст­вительность, может быть достигнуто только ценой увеличения време­ни фотоответа. Так, кремниевые фоторезисторы с высокой чувстви­тельностью (~ 4х 107 в/вт) имеют постоянную времени от 3 до 7 мксек. Примесные фоторезисторы широко используются в спектральном диа­пазоне 15-120 мкм (рис.3.9).
3.3. Фотодиоды

Принцип действия. Фотодиод—это фотоприем­ник, принцип действия которого основан на фотогальва­ническом эффекте и фоточувствительняй элемент которого содержит структуру полупроводникового диода. Упрощенная структура фотодиода изображена на рис.3.10.

Пусть излучение воз­действует в направлении, перпендикулярном пло­скости р-п. перехода. В ре­зультате поглощения фо­тонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, в п-базе на глубине примерно хо от поверхно­сти полупроводника воз­никают электронно-дырочные пары (фотоносители).


Рис.3.10. Структура фотодиода
Фотоносители диффундируют вглубь п-области. Шири­на п-области w такова, что основная доля созданных излу­чением фотоносителей не успевает рекомбинировать в п-области и доходит до границы р-п перехода (x=w). Электроны и дырки разделяются электрическим полем р-п перехода Ео. При этом дырки переходят в р-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапли­ваются у границы р-п перехода в п-области (рис.3.10). Таким образом, ток фотоносителей через р-п переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок.

Рис.3.11. Внутренний фотоэффект в р-п переходе:

а - р-п переход в равновесном состоянии;

б — р-п переход при воздействии излучения

Качество фотодиода определяется прежде всего эф­фективностью управления фототоком с помощью излуче­ния. Именно, оптическое управление током фотодиода определяет особенности его режимов работы. Сравним с этих позиций принцип действия обычного (выпрямитель­ного) диода и фотодиода.

В равновесном состоянии, когда поток излучения от­сутствует (Ф=0), зонные диаграммы диода и фотодиода полностью совпадают. При этом уровень Ферми одинаков для обеих областей и диффузионная составляющая тока через р-п переход—тока основных носителей—равна дрейфовой составляющей тока неосновных носителей (рис.8,а). В обычном диоде равновесие в структуре нарушается при приложении к р-п переходу прямого на­пряжения (плюс к р-области, минус к л-области) — внут­ренний потенциальный барьер снижается. Равновесие в потоках носителей через переход нарушается в пользу диффузионной составляющей тока, которая при достаточ­но большом прямом напряжении определяет значение то­ка через р-п переход. Дрейфовая составляющая тока через р-п переход в выпрямительном диоде является фактически паразитной и должна быть минимально возможной.

В фотодиоде р-п переход разделяет созданные излуче­нием фотоносители (рис.3.11,6). Это приводит к снижению внутреннего потенциального барьера в фотодиоде (анало­гично приложению прямого напряжения в обычном дио­де) ; уровни Ферми в структуре по обе стороны от р-п перехода уже не совпадают, а смещаются один относи­тельно другого. Важно подчеркнуть, что в фотодиоде равновесие под действием излучения нарушается в «поль­зу» дрейфовой составляющей тока через р-п переход, т. е. для эффек­тивного управления током с по­мощью излучения диффузионную составляющую в фотодиоде необхо­димо подавлять. В фотодиоде она— паразитная составляющая тока че­рез р-п переход.

Дрейфовый поток фотоносителей называется фототоком-IФ. Фото­носители-дырки заряжают р-область положительно относительно п-области, а, фотоно­сители - электроны n-область отрицательно по отношений к р-области. Возникшая таким образом разность потенциа­лов—называемая фото-ЭДС Еф—снижает внутренний по­тенциальный барьер до значения ?Е (рис.3.11,б).

Режимы работы. Для обеспечения высокой чув­ствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодио­де диффузионная составляющая тока была минималь­ной. Поэтому фотодиод работает или вообще без внешне­го напряжения (фотогальванический режим), или при об­ратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

Фотогальванический режим характеризуется отсутстви­ем источника внешнего напряжения в цепи фотодиода, т. е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС. При этом выражение для тока фотодиода Iфд мож­но получить из схемы замещения фотодиода в фотогаль­ваническом режиме :

Iфд = Iф - Iрп

При разомкнутой внешней цепи из схемы за­мещения имеем 1ф=1рп- Тогда напряжение на переходе при холостом ходе, ко­торое равно фото-ЭДС, будет равно

Ux = vT ln(1+Iф / Iо)

При коротком замыкании в нагрузке (R=0) напряже­ние на фотодиоде U=0, а ток фотодиода 1к=1ф, т. е. со­здан потоком фотоносителей.

В фотодиодном режиме работы последовательно с фо­тодиодом включается источник обратного напряжения. В этом режиме потенциальный барьер возрастает и ток через переход Ipn будет определяться током I0, который протекает в отсутствие излучения. Ток фотодиода при этом

Iфд = IфIрп = Iф + I0 ? Iф

Вольт-амперная характеристика. Это выражение представляет собой зависимость тока от напряжения на фото­диоде U при разных значениях потока излучения Ф, т. е. является уравнением семей­ства вольт-амперных характе­ристик фотодиода. Характеристик приведены на рис. 3.12.



Рис. 3.12. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода
Семейство вольтамперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV.

Квадрант 1—это не рабочая область для фотодиода: в этом квадранте к р-п переходу прикладывается прямое напряжение и диф­фузионная составляющая тока полностью подавляет фототок . Фотоуправление током через диод стано­вится невозможным.

Квадрант III—это фотодиодная область работы фото­диода. К р-п переходу прикладывается обратное напряже­ние. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне об­ратных напряжений фототок практически не зависит от об­ратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольтамперная характеристика нагрузочного резистора R пред­ставляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид .

Еобр - 1ф R =U,

Фотодиод и нагрузочный резистор соединены последо­вательно, т. е. через них протекает один и тот же ток Iф.

Рис.3.13. Вольтамперные характе­ристики фотодиода

в фотогальвани­ческом режиме
Этот ток Iф можно определить по точке пересечения вольтамперных характеристик фотодиода и нагру­зочного резистора (рис.3.12, квад­рант III). Таким образом, в фото­диодном режиме при заданном по­токе излучения фотодиод является источником тока по отношению к внешней цепи. Значение тока от параметров внешней цеп( Еo6p, R) прак­тически не зависит.

Квадрант IV семейства вольтамперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму ра­боты фотодиода. Точки пересечения вольтамперных харак­теристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжениям холостого хода (R=?) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов значение фото-ЭДС 0,5—0,55 В. Точки пересечения вольтамперных характеристик с осью токов соответствуют значениям то­ков короткого замыкания (R=0). Промежуточные значе­ния сопротивления нагрузки определяются линиями на­грузки, которые для разных значений R выходят из нача­ла координат под разным углом. При заданном значении тока по вольтамперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме. Под оптимальным режимом выданном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R будет передаваться наиболь­шая электрическая мощность. Оптимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R1 (площадь заштрихованного прямоуголь­ника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф1 и R1, будет наибольшей (рис.3.13). Для кремниевых фо­тодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фо­тодиоде (нагрузке) U=0,35-0,4 В. "

Энергетическая характеристика.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика описывается выражением

Iф

где ? – внутренний квантовый выход

? – коэффициент переноса

В рабочем диапазоне значений потоков излучения характеристика линейна. Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до р-п перехода и прини­мают участие в образовании фото­тока. Во всяком случае потери не­основных носителей на рекомбина­цию не зависят от потока излучения, так как исходный материал содержит малое количество приме­сей,. могущих выполнять роль рекомбинационных центров.

В фотогальваническрм режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания Ik,-либо фото-ЭДС Еф=Uф от потока излучения. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 3.13). Для функции Iк=f(Ф) появление нелиней­ности связано прежде всего с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьше­нием высоты потенциального барьера при накоплении из­быточного заряда электронов в п-области и дырок в р-области; как следствие этого процесса поле р-п перехода хуже разделяет фотоносители и рост фото-ЭДС при уве­личении потока излучения замедляется.

Спектральная характеристика. Воспользовавшись известным соотношением ? = с0/?, можно получить зависимость чувствительности Sф от длины волны ?, т. е. спектральную характеристику



где с0—скорость света.

Отсюда следует, что спектральная характеристика, во-первых, линейна, во-вторых, проходит через начало коор­динат.



Рис. 3.14. Световые ха­рактеристики фотодио­да в

фотогальваническом и фотодиодном режимах
Снижение чувствительности в .области коротких волн связано с тем, что при уменьшении длины волны энергия излучения поглощается в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации за, счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Таким образом, корот­коволновая граница чувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбина­ции. Уменьшая эти параметры — толщину базы и скорость рекомбинации—можно сдвигать коротковолновую границу чувствительности фотодиода в сторону уменьшения длины волны. Спад чувствительности в области длинных волн соответствует краю собственного поглощения—длинновол­новой границе спектральной чувствительности материала.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от спектральной характеристики коэффициента поглощения материала фотодиода. Если глубина поглощения х0 резко уменьшается с уменьшением длины волны падающего света ( в германии), то положение максимума определяется ши­риной запрещенной волны и от толщины базы практически не зависит. Если же зависи­мость глубины поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то максимум спектральной ха­рактеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Так, мак­симум спекральной характеристики кремниевого фотодио­да можно изменять в диапазоне от 0,6 до 1 мкм.

Быстродействие фотодиода. Быстродействие фо­тодиода определяется, с одной стороны, процессами раз­деления носителей, возникающих при поглощении света, полем р-п перехода, с другой стороны - емкостью р-п пе­рехода Сбар. Разделение фотоносителей полем р-п перехо­да происходит после того, как соответствующий фотоно­ситель (дырка или электрон) из места возникновения (ге­нерации) продиффундирует к р-п переходу. Время проле­та носителей через р-п переход

t = ?/vмах

где ? —толщина р-п перехода;

v мaxмаксимальная ско­рость дрейфа носителей заряда.

Или

t = wб/2D

где wб – толщина базы

D коэффициент диффузии неосновных носителей

Итак, в фотодиодном режиме быстродействие определяется временем диффузии носителей от зоны их генерации до p-n перехода. Для повышения быстродействия нужно уменьшить wб. Для кремния Dр=0.01 м /с; wб=10 мкм, т.е. t » 100 нс. Дальнейшее уменьшение wб нецелесообразно, так как снижается чувствительность, а максимум чувствительности сдвигается в коротковолновую область, что затрудняет согласование фотодиода с излучателем. Кроме того, при малых wб влияние Сбар становится значительным. Повышение быстродействия фотодиода при сохранении высокой чувствительности стало возможным при переходе к более сложным полупроводниковым структурам.

Некоторые конструктивные решения

Конструкции p-i-n диодов для различных спектральных диапазонов представлены на рис.9.

Кремниевые p-i -n фотодиоды для увеличения выходного сигнала часто комбинируются с гибридными или монолитными усилителями. По харак­теристикам такие фотодиоды сравнимы с фотоумножителями.

Как указывалось, для длин волн < 0,6 мкм коэффициент поглоще­ния кремния увеличивается до 105 см~1 и большинство фотонов погло­щается у поверхности и в сильнолегцрованпой р -области, не дости­гая области обеднения р-п перехода. Снижение потерь носителей в об­лает контакта достигается при использовании кремниевых МОП струк­тур, имеющих спектральную чувствительность от 0,2 мкм при быстро­действии ~ 10 нсвк и максимальной чувствительности 0,2 а/вт и кремниевых диодов с барьером Шотки со спектральной чувствительностью в диапазоне 0,38-0,8 мкм.

Использование германиевых диодов позволяет расширить спект­ральный диапазон в ИК область вплоть до 1,80 мкм. Интерес к германию возрос в связи с изготовлением на его осно­ве экспериментальных фоточувствительных матриц приборов с пере­носом заряда для ближней ИК области . Германиевый фотодиод со структурой SnO2,—nGe, работающий в спектральном диапазоне 0,5-1,8 мкм, обнаруживает излучение с минимальной мощностью 5-10-10 вт. По сравнению с кремниевыми, германиевые диоды характеризуются более узким рабочим температурным диапазоном и меньшими рабочими напряжениями (табл.4).


Рис. 3.15. Конструкция быстродействующих фотодиодов

(1 - металлический контакт; 2 - антиотражающее покрытие;

3 - отражающее покрытие; 4 - область обеднения):

a)-p-n диод, б) -p-i-n диод для =0,63 мкм; в) -p-i-n диод с боковым освещенисм; г) - диод со структурой металл-полупроводник

Линейность выходного сигнала в широком диапазоне уровней ос­вещенности, высокая чувствительность, стабильность характеристик (в температурном диапазоне, во времени и при изменении уровня ос­вещенности) и возможность использования при комнатной температуре обусловливают предпочтительное применение кремниевых и герма­ниевых фотодиодов.

Возросшие требования к детекторам, предназначенным для обна­ружения излучения лазеров на СО, (10,6 мкм} и ЖИГ : Но (2,06 мкм}, привели к интенсивным разработкам фотодиодов на соединениях груп­пы А111ВV (GaAs, GaAlAs, InAsP, InAs, InSb, GaSbAs) для диапазона 1,0-15 мкм, функционирующих при температурах 77-200К. Эти при­боры быстро вытесняют кремниевые и германиевые резисторы, тре­бующие более глубокого охлаждения (4-15°К). Фирма Rockwell (США) разработала высокочувствительный фотодиод на гетеропереходах со­единений ABV для использования в сочетании с лазером наАИГ :Nd (А = 1,06 мкм) в системах воздушной разведки. Гетероструктура n+GaAs1-x Sbx-p+GaAs1-y Sbyр+ GaAs характеризовалась минимальной обнаружимой мощностью излучения ~ 10-9вт при ширине по­лосы - 3,5 Мгц.

Разработки МОП структур на InSb, InAs, PbS подтвер­ждают возможность создания монолитных матриц ИК устройств вос­произведения изображения Эти приборы имеют рабочую температу­ру 77К и максимальную чувствительность при 3,5 мкм.

Особый интерес представляют ИК детекторы на основе тройных соединений HgCdTe и PbSnTe, в которых ширина запрещенной зоны сильно зависит от состава. Изменяя состав, можно получить со­единение PbSnTе, чувствительное в диапазоне 4—30 мкм, и HgCd Те - в диапазоне 0,8-30 мкм. В этих соединениях р-п переходы формируют введением примеси сурьмы путем диффузии или ионной имплантации, изменением стехиометрии состава термообра­боткой или протонной бомбардировкой.
Таблица 4




Методом бомбардировки изготавливались диоды с малыми токами утечки и хорошей воспроизводимостью параметров на InSb , HgCdTe , РЬТе и PbSnTe. В случае HgCdTe процесс протонной бомбардировки можно выполнять при температуре подложки ~ 60° С, что позволяет избежать испарения ртути из поверх­ностного слоя, происходящего при температурах выше 100°С.

Характеристики диодов на HgCdTe, полученных методом протон­ной бомбардировки, представлены в табл. 5
Таблица 5

Параметры фотовольтаических диодов на Hg х Cd1-х Те,

полученных протонной бомбардировкой


В табл.6 приведены характеристики детекторов на РbТе и РbSnТе, работающих при прямом смещении (фотовольтаический режим) и изготовленных различными методами.

Большие мозаичные структуры относительно легко реализуются на монокристаллических пленках PbSnTe, выращенных вакуумным осаж­дением через маску на подложках из прозрачного монокристалла BaF.

Обычно фотодиоды на соединениях HgCdTe и PbSnTe работают при температуре жидкого азота. Для случаев, когда в целях уменьшения размера и веса аппаратуры требуются детекторы с высокими чувст­вительностью и быстродействием, функционирующие при небольшом охлаждении или без охлаждения, перспективен детектор на Hg1-х Cdх Te =0,17), имеющий при комнатной температуре хорошую чувствитель­ность к излучению вблизи 5 мкм. Для более длинноволновой области (8-13 мкм} при комнатной температуре приемлема гетероструктура PbSnTe –РЬТе


Разновидности фотодиодов.

Фотодиоды с p-i-n структурой. Расширение частотного диапазона фотодиода без снижения его чувствительности возможно в структурах типа p-i-n (рис. 3.16). В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположного знака электропроводности. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле распространяется на всю i-область собственной проводимости. Свободные носители, появившиеся в промежуточной области i за счёт поглощения фотонов, быстро ускоряются электрическим полем к переходу. Поскольку эта средняя область может быть сделана достаточно широкой, такая структура создаёт основу для получения очень быстродействующего и чувствительного приёмника. Энергетическая диаграмма p-i-n диода при обратном смещении представлена на рис.15, где i – область имеет удельное сопротивление в 106 - 107 раз больше, чем сопротивление легированных областей n- и р-типов. Это обусловливает большую толщину области объёмного заряда w. В результате излучение поглощается непосредственно в области пространственного заряда, в котором внешним смещением создано сильное электрическое поле.


Рис.3.16. Фотодиод с p-i-n структурой


Рис. 3.17. Энергетическая диаграмма фотодиода с p-i-n структурой
Время пролёта при этом



где Е – напряжённость электрического поля;

m - подвижность носителей;

v=mE - скорость дрейфа носителей в электрическом поле.

Таким образом, повышение быстродействия p-i-n фотодиода обусловлено тем, что процесс диффузии фотоносителей в p-i-n структуре заменяется дрейфом в сильном электрическом поле p-n перехода.

Эффективность дрейфового процесса разделения генерируемых светом носителей в p-i-n структуре по сравнению с диффузионным (характерным для p-n фотодиода) видна из сравнения времени пролета через базу толщиной w:

так как D p/mр = kT/q.

Следовательно, уже начиная с Uобр = 0,1…0,2 В p-i-n фотодиоды имеют преимущество в быстродействии. Таким образом, фотодиоды с p-I-n структурой имеют следующие основные достоинства:

1.Сочетание высокой фоточувствительности (на длине волны l = 0,9 мкм практически достигнут теоретический предел фоточувствительности Sф» 0,7 А/Вт) и высокого быстродействия.

2.Возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-области.

3.Малая барьерная ёмкость.

4.Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость фотодиодов с интегральными микросхемами.

К недостаткам p-i-n структуры следует отнести требование высокой чистоты i- базы и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных схем.

Фотодиоды Шоттки. Фотодиоды со структурой металл – полупроводник (фотодиоды Шоттки) также позволяют повысить быстродействие до 10 –10 c и выше. Качественный контакт между металлом и полупроводником путём их простого соприкосновения невозможен. Реальные контакты и металла и полупроводника в настоящее время создают методом напыления металла на полупроводник в вакууме. Структура и свойства контакта металл – полупроводник прежде всего зависит от взаимного расположения уровней Ферми в металле (j Fm ) и полупроводнике (jF ).



Рис.3.18. Энергетические диаграммы фотодиода Шоттки:

а- в равновесном состоянии; б- при прямом смещении;

в- при обратном смещении
При приложении прямого напряжения Uпр (положительный полюс к металлу, отрицательный к полупроводнику n-типа) потенциальный барьер понижается (рис.3.18,б), приконтактный слой обогащается основными носителями – электронами и сопротивление перехода металл – полупроводник будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего напряжения Uобр (минус к металлу, плюс к n-полупроводнику), то потенциальный барьер в контакте повышается (рис.3.18,в). Тогда приконтактный слой ещё сильнее обедняется основными носителями – электронами и будет иметь место повышение сопротивления по сравнению с равновесным. Таким образом, контакт металл – полупроводник обладает выпрямляющими свойствами и может быть основой диодов. Характерной чертой диодов Шоттки по сравнению с диодами на p-n переходе является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки, как говорят, «работают на основных носителях», и в них отсутствуют относительно медленные процессы, связанные с накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе диода. В фотодиоде с барьером Шоттки появляется возможность поглощения квантов излучения с энергией, меньшей ширины запрещённой зоны. При этом, если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбуждённые электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В результате длиноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн. Во-вторых, в фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объёмного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки расположена при более коротких волнах. Вообще спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл-полупроводник шире, чем спектральная характеристика фотодиода с p-n переходом из того же полупроводника .

Фотодиоды с гетероструктурой. Фотодиоды с гетероструктурой представляют собой один из наиболее перспективных типов оптоэлектронных фотоприёмников. В сущности гетероструктура открывает принципиальную возможность получения фотодиода с КПД, близким к 100%. На примере GaAs – GaAlAs гетероструктуры рассмотрим особенности гетерофотодиодов. Устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода изображены на рис.3.19. Слой GaAlAs играет роль окна, пропускающего излучение, поглощаемое в средней n-области (GaAs). Разница в ширине запрещённых зон по обе стороны от гетероперехода около 0,4 эВ. Генерируемые в n-области под воздействием оптического излучения дырки беспрепятственно переносятся в область. Толщина активной области выбирается такой, чтобы обеспечить поглощение всего излучения. Высокая степень частоты активной области и низкая плотность поверхностных состояний границ между слоями обеспечивают малые рекомбинационные потери фотоносителей.

Рис. 3.19. Фотодиод с гетероструктурой:

а-структура; б-энергетическая диаграмма.
Таким образом, при исключительно высоком КПД гетерофотодиоды сохраняют достоинства рассмотренных выше структур: сочетание высокой чувствительности с высоким быстродействием, малые рабочие напряжения. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещённых зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения c0 . Вследствие хороших возможностей выбора материала базы достижимое значение фото – ЭДС у гетерофотодиодов 0,8 – 1,1 В (в 2 – 3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов). Основным недостатком гетерофотодиодов является присущая вообще гетероструктурам сложность изготовления.

Лавинные фотодиоды. Одним из путей создания быстродействующих фотоприёмников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно – дырочных пар, то начинается лавинообразный процесс размножения носителей. Процесс умножения начинается с генерации носителей под действием квантов света, т.е. имеем фотодиод с лавинным умножением. Усиление первичного фотодиода в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного умножения:

M = Iф / Iф0

где Iф-ток на выходе фотодиода с учётом умножения;

Iф0-ток при отсутствии умножения.

Таким образом, коэффициент лавинного умножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления фототока.

Известно, что коэффициент умножения зависит от напряжения на переходе:

M=1 / (1- (U/Uпроб)m

где Uпоб - пробивное напряжение;

U - напряжение на p-n переходе; m = 1,5…2 для кремния p-типа; m = 3,4…4 для кремния n-типа.

Тогда вольт – амперную характеристику лавинного фотодиода можно представить в виде

Iф=Iф0 / (1- (U/Uпроб)m

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов.

Фотоприемники с внутренним усилением.

В фотоприёмниках с внутренним усилием кроме преобразования оптического излучения в электрический ток (фототок) имеет место ещё и увеличение (усиление) фототока. Основными разновидностями фотоприёмников с внутренним усилением, применяемых в настоящее время в оптоэлектронике, являются: фототранзистор, составной фототранзистор и фототиристор. Через фотоприёмное окно оптическое излучение попадает в рабочую область структуры. В этой области обеспечивается генерация фотоносителей, которые затем разделяются переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополнительным увеличением их концентрации за счет механизма электрического усиления. На рис. 3.20 представлены типичные структуры таких фотоприёмников.






Рис. 3.20. Структуры фотоприёмников с внутренним усилением:

а-фототранзистор; б-составной фототранзистор; в-фототиристор
Фототранзистор. Фототранзистор (рис. 3.20,а) в электрическую цепь включается обычно по схеме с общим эмиттером. База фототранзистора может не иметь внешнего вывода (оборванная база). Рассмотрим работу фототранзистора в схеме (рис. 3.21). Под действием излучения начинается генерация носителей в базе, которые разделяются коллекторным переходом. Дырки уходят через переход в область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объёмным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счёт тока базы (I=0), поэтому поле объёмных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы.

Соответственно выходные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора (рис. 3.22), т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор даёт усиление тока в b раз больше, а интегральная чувствительность фототранзистора Sф =Sфдb, где Sфд - токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора; b- коэффициент усиления транзистора. Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счёт снижения температурной стабильности прибора, так как фототранзистор работает при постоянном токе базы. Вообще говоря, у фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно возрастает темновой ток:

IТ = Iк0(1+b)

где Iк0- тепловой ток транзистора.


Рис. 3.21. Принцип работы фототранзистора


Рис. 3.22. Выходные характеристики фототранзистора
Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприёмниках с внутренним усилием, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора (рис. 3.23,б). Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высокочастотный транзистор в единой структуре (рис. 3.23,а). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением по току.



Рис. 3.23. Структура фотодиода – транзистора

Фототиристор. Рассмотрим четырехслойную р-п-р-п структуру фототиристора (рис. 3.24).

К структуре приложено прямое напряжение (положительный полюс к аноду, отрицательный к катоду).

На рис.3.25 приведено семейство вольтамперных ха­рактеристик фототиристора, освещаемого монохроматиче­ским светом с различной мощностью излучения.


Рис. 3.24 Принцип работы фототиристора



Рис.3.25 Семейство вольт-амперных характеристик фототиристора
Сравнительная характеристика. В заключение этого раздела следует провести сравнение параметров фо­топриемников с точки зрения их применения. Фототранзи­сторы рядом своих свойств выгодно отличаются от других типов фотоприемников. Это, прежде всего схемотехническая и функциональная гибкость. Она обеспечивается тем, что выходным током в фототранзисторах можно управлять как оптически (с помощью оптического излучения), так и электрически (по цепи базы). Выходная цепь фототранзи­стора может работать в линейном и ключевом режимах. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, фотодиодов, что делает их пригодными для пе­реключения широкого класса электронных цепей. Транзисторные фотоприемники на основе структуры фото­диод — транзистор обладают наилучшим быстродействием (около 1 мкс) и коэффициентом усиле­ния .

Исключительная область применения фототиристоров — переключение больших мощностей, где они практически не имеют конкурентов.

Для повышения квантовой эффективности используют антиотражающие покрытия в виде тонких слоев двуокиси кремния или халькогенидных стекол, позволяющих собрать до 30% излучения, теряемого на границе кремний-воздух за счет отражения.


Длина вопны, мкм

Рис. 3.26. Спектральная зависимость квантовой эффективности кремние­вых и германиевых фотодиодов:

1 - кремниевый диод Шотки; 2 - кремниевый p—i —п диод с антиотражающим покрытием для  = 0,6328 мкм, W » 3,3 мкм;

З,4-кремниевые p-i-n диоды с широкой областью обеднения и антиотра­жающим покрытием для  = 1,06 мкм и = 0,9 мкм соответственно; 5,6 - кремниевые p-t-n диоды без антиотражаюшего покрытия; 7 - германиевый p-i- n диод с боковым освещением; 8 - германиевый п+ - р диод без антиотражающего покрытия.
В лавинном фотодиоде предусматривается детектирование оптиче­ского сигнала и внутреннее усиление фототока за счет умножения но­сителей заряда в предпробойной области напряжений, причем большое усиление может быть достигнуто даже в СВЧ диапазоне. Верхний предел усиления фототока ограничен локальными точками пробоя, связанными с неоднородностями различного характера в области ум­ножения. Во избежание микроплазменного пробоя в конструкцию лавинного фотодиода вводят диффузионные охранные кольца по периметру пе­рехода (рис.3.27), уменьшают площадь р-п перехода до 10-8 см2, используют бездефектный исходный материал и поддерживают высокий уровень чистоты на технологических операциях. Все это повышает стоимость прибора, так что в среднем лавинный фотодиод стоит в 100 раз дороже p-i -n диода. Внутреннее усиление при сохранении высокого быстродействия (~ 1 нсек) делает лавинные фотодиоды чрезвычайно перспективными для обнаружения сигналов слабой интенсивности, однако при условии снижения их стоимости и повышения процента выхода годных.
Таблица 6




Рис. 3.27. Конструкции лавинных фотодиодов:

а) - кремниевая структура с охранным кольцом; б) - германиевая меза-структура с охранным кольцом; в) - планарная структура с охранным кольцом; i) - кремниевая п -р- -р + структура; д) — кремниевая p-i-n меза структура с широкой обедненной областью; е) - кремниевая p+-n -n + структура с боковым освещением

Ведутся интенсивные поиски новых конструктивных решений. Пред­полагается, что наибольший интерес представляют МОП структуры, по­зволяющие получить однородную область умножения на большой пло­щади. У структуры Al-SiO2,-Si с областью лавинного умножения и с активной площадью до 5 см2, при детектировании излучения с 0,9 мкм чувствительность составила 15 а/вт, быстродействие -7 • 10-10сек, усиление 20-30. В структуре с барьером Шотки на InGaAs для 1,06 мкм получено усиление -250 при времени нарастания фототока ~200 псек .Характеристики некоторых лавинных фотодиодов представлены в табл.7.

Таблица 7



Таблица 8



Многие фирмы организуют или увеличивают выпуск оптических де­текторов, что обусловлено постоянным расширением их применения в промышленности, медицине, военной технике и т.д. Сравнительные характеристики типичных детекторов представлены в табл.8.

3.4. Фотоприемники на ПЗС

В 1970 г. были созданы первые приборы с зарядовой связью. Вначале единичные образцы ПЗС применялись как более эффективные заменители электронно-лучевых фотоприёмников в системах научно-прикладного телевидения. С 1975 г. был налажен серийный выпуск ПЗС (в СССР НПО "Пульсар") и они начали активно внедряться в телевизионную технику широкого назначения. Сегодня массовое производство ПЗС-матриц осуществляется многими фирмами: "Sony", "Texas Instruments", "Sharp", "Samsung", "Hitachi", "Toshiba", "Kodak" и др. В России ПЗС-матрицы выпускаются в основном ЦНИИ "Электрон", (Санкт-Петербург), и его дочерним предприятием "Электрон-оптроник"; после длительного перерыва возобновлены работы по выпуску матриц в НПО "Пульсар".

Появление и совершенствование ПЗС совпали по времени с существенным скачком в развитии цифровой электроники, и прежде всего, с разработкой микропроцессоров. Единство кремниевой технологии обеспечило естественность построения телевизионных систем на ПЗС, в которых большое количество параметров регулируется с помощью микропроцессорных устройств. В последнее время развитие получили матричные фотоприёмники с координатной адресацией, но пока ПЗС ? самый массовый класс твердотельных фотоприёмников.

Физические принципы работы ПЗС-матрицы.
Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных конденсаторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник. В качестве полупроводника в ПЗС обычно используется кристаллический кремний, а в качестве изолятора оксиды кремния. Поэтому такую структуру называют "металл-окисел-полупроводник" (МОП). С физической точки зрения, ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МОП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора.

На рис.3.28 показана структура одного элемента линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя (диоксид кремния) и набора пластин - электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним происходит накопление заряда.



Рис.3.28 Структура элемента ПЗС
Если подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется потенциальная яма. Когда кремнием поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда - электрон и дырка. Электростатическое поле в области элемента вытесняет "дырку" в глубь кремния, а электроны накапливаются в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырки в обедненной области отсутствуют и электроны не рекомбинируют. Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен (рис.3.29). Если все три электрода элемента ПЗС находятся под нулевым потенциалом, то накопление генерированных светом электронов не происходит.

Генерирование зарядов в фотоприёмнике происходит не только под воздействием света, но и вследствие воздействия температуры. Темновой ток в полупроводниковых фотоприёмниках экспоненциально зависит от температуры и при большом времени накопления для его подавления требуется понижение температуры кристалла. Современный уровень технологии ПЗС позволяет реализовать в охранных телевизионных системах время накопления до секунды (без охлаждения).


Рис. 3.29 Перенос зарядов в приборе с зарядовой связью
Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлениях - влево или вправо, причем все зарядовые пакеты линейки элементов будут одновременно переноситься в одну и ту же сторону.

Двухмерный массив (матрицу) элементов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп - каналы - это узкие области, которые формируются специальными технологическими приемами в приповерхностной области и препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Большинство типов ПЗС-матриц массового применения состоят из двух областей - области накопления и области хранения.

Ниже рассмотрены особенности реализации развёртки изображения в матрицах ПЗС различной топологии:

За рубежом их обозначают, соответственно, индексами: FT (Frame Transfer), IT (Interline Transfer), FIT (Frame-Interline Transfer).

Матричный ПЗС со строчным переносом.

В охранном телевидении наибольшее распространение получили матричные ПЗС со строчным переносом. Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов р-типа (Hole-accumulation diode, HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В первых матрицах ПЗС со сточным переносом роль фотозатвора выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗС-регистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным устройством (рис.3.30). Все регистры ПЗС - вертикальные и горизонтальный - выполняются экранированными от падающего света.


Рис.3.30 Матричный ПЗС со строчным переносом
Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий потенциал, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается положительный потенциал, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Затем с фотозатвора снимается положительное смещение и накопление зарядовых пакетов в фотодиодах возобновляется.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров построчно переносятся в горизонтальный ПЗС-регистр, из которого поэлементно считываются через выходное устройство. Перенос из светочувстви-тельных фотодиодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, а перенос зарядовых пакетов из вертикальных регистров в горизонтальный регистр - во время обратного хода по строке. После того как все строки зарядовых пакетов будут считаны, возможен перенос следующего двухмерного массива зарядовых пакетов из фотодиодов.

Достоинством матричных ПЗС со строчным переносом является малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени. Основной недостаток матричных ПЗС со строчным переносом неполное использование светового потока вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.

Для преодоления этого недостатка была реализована технология нанесения на поверхность кристалла микролинз (рис.3.31, а).


Рис.3.31 Структура матриц ПЗС: а-стандартная; в-Hyper-HAD
При использовании этой технологии над каждым элементом матрицы ПЗС расположена микролинза, собирающая на элемент световой поток, падающий на не чувствительные к свету регистры переноса заряда. В развитие этого метода фирма Sony разработала технологию Hyper-HAD, позволяющую повысить чувствительность матриц ПЗС за счет увеличения размера микролинз (рис. 3.31,б).

В настоящее время "Sony" продвигает на рынок свою новую разработку ПЗС-матрицы ExWave HAD. По сравнению с Hyper-HAD камеры на основе новой матрицы имеют лучшую чувствительность за счет более равномерной спектральной характеристики в сине-зеленой области спектра.

Чересстрочное разложение в матричных ПЗС со строчным переносом может быть реализовано несколькими различными способами (рис. 3.32).

Число фотодиодов в столбце матричного ПЗС выбирается равным числу строк в кадре. В простейшем случае в первом поле зарядовые паке-ты из нечетных фотодиодов считываются в вертикальный ПЗС-регистр, а в четных фотодиодах накопление продолжается (рис. 3.32, а). Во втором поле считываются заряды, накопленные в четных фотодиодах. Размер светочувствительного элемента по вертикали оказывается равным размеру одного фотодиода; центры соседних строк расположены на равном расстоянии друг от друга. Время накопления при таком считывании равно времени кадра (40 мс).


Рис.3.32 Черезстрочная развертка в ПЗС со строчным переносом:

а-режим накопления кадра; б-режим накопления поля;

в-режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления;

А(Y)- эквивалентная апертура по вертикали
Большое время накопления приводит к тому, что подвижные объекты передаются с заметными искажениями. Для преодоления этого недостатка был разработан режим накопления поля. В этом режиме зарядовые пакеты соседних фотодиодов объединяются попарно, причем по-разному в различных полях (рис.3.32, б). Центры строк соседних полей при этом оказываются также расположенными на равном расстоянии. Время накопления в этом режиме равно 20 мс - времени поля, так как в каждом поле считываются зарядовые пакеты из всех фотодиодов. Несмотря на уменьшенное в два раза время накопления по сравнению с режимом накопления кадра, чувствительность матричного ПЗС остается той же, поскольку в данном режиме суммируются зарядовые пакеты с двух фотодиодов. Размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух фотодиодов по вертикали, что приводит к снижению вертикальной разрешающей способности. Так, в матричном ПЗС с 580 фотодиодами по вертикали разрешающая способность ограничивается на уровне 380 - 400 телевизионных линий.

Этого недостатка лишен режим накопления кадра с уменьшенным временем накопления (рис.3.32,в). Он полностью эквивалентен режиму накопления кадра, за исключением того, что при считывании зарядов из одной половины фотодиодов зарядовые пакеты во второй половине сбрасываются. Благодаря этому время накопления становится равным 20 мс, а размер светочувствительного элемента по вертикали снова равным размеру одного фотодиода. Однако уничтожение половины накопленных зарядовых пакетов приводит к двукратному снижению чувствительности матричного ПЗС.

Уровень смаза в матричных ПЗС со строчным переносом существенно меньше, чем в матричных ПЗС с кадровым переносом, однако в ряде случаев он является заметным. Наличие смаза в матричных ПЗС со строчным переносом объясняется двумя основными причинами. Первая - это переотражение света в электродах вертикального ПЗС-регистра. Вторая причина связана с тем, что длинноволновые фотоны, имеющие малую энергию, проникают глубоко в полупроводник, откуда вероятность диффузии образованного электрона прямо в вертикальный ПЗС-регистр достаточно велика. Рекордно низкий уровень вертикального смаза для матричных ПЗС со строчным переносом и технологией EXview составляет минус 120 дБ при освещении белым светом.

Матричные ПЗС со строчно-кадровым переносом были разработаны специально для телевизионного вещания и в телекамерах для СФЗ используются крайне редко. Такие матрицы состоят из обычного матричного ПЗС со строчным переносом, к которому добавлена секция памяти от матричного ПЗС с кадровым переносом. Количество ячеек в секции памяти равно половине количества фотодиодов. Зарядовые пакеты, накопленные в фотодиодах, переносятся в вертикальные ПЗС-регистры, после чего на повышенной частоте передвигаются в вертикальные ПЗС-регистры секции памяти. В дальнейшем они считываются через горизонтальный ПЗС-регистр так же, как и в матричном ПЗС со строчным переносом. Особенностью данного типа фотоприёмников является то, что во время считывания зарядовые пакеты хранятся не в непосредственной близости от фотодиодов, а в секции памяти, и, таким образом, переотражение света и диффузия из глубины полупроводника искажают сигнал только во время переноса зарядовых пакетов в секцию памяти. Тем самым уровень смаза по сравнению с матричным ПЗС со строчным переносом уменьшается в 20?50 раз.

Матричный ПЗС с разделением цветовых сигналов.
Для камер цветного телевидения матрицы ПЗС с кадровым переносом непригодны из-за недостаточной чувствительности в синей области видимого спектра излучения. Кроме того, они имеют избыточную чувствительность в ближней ИК-области и для получения приемлемого качества цветопередачи требуют использования светофильтров с отсечкой ИК-области спектра. Поэтому в системах безопасности наибольшее распространение получили одноматричные цветные камеры на базе ПЗС со строчным переносом зарядов. Для выделения информации о цвете наблюдаемых объектов на светочувствительную поверхность ПЗС наносят мозаику из кодирующих светофильтров, имеющих прозрачность.



Рис. 3.33 Цветоделительные фильтры цветной матрицы ПЗС

а- пространственное расположение;

б-относительные спектральные характеристики
Наибольшее распространение в настоящее время получил мозаичный фильтр из четырёх цветов: жёлтого (Ye = G+R), голубого (Cy = G+B), пурпурного (Mg = R+B) и зелёного (G). Пространственное расположение и спектральные характеристики элементов мозаики приведены на рис 3.33, а и б соответственно.

Такая комбинация цветов уступает по точности цветопередачи классической триаде"красный-зелёный-синий" (RGB), но обеспечивает лучшую чувствительность телекамеры.

Для обеспечения высокой чувствительности цветной ТВ-камеры обычно в ней используется режим накопления поля (рис.3.32, б). В результате, из горизонтального регистр матрицы ПЗС для каждого элемента изображения попарно следуют отсчёты смеси цветов, например для нечётных строк: (Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye) и т. д., и для чётных строк: (G + Cy), (Mg + Ye), (G + Cy), (Mg + Ye) и т.д. В дальнейшем выделяется яркостный и цветовой сигналы. Для получения яркостного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

Y = 1/2[(G+Ye) + (Mg+Cy)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

Аналогичный алгоритм обработки, заключающийся в задержке во времени и попарном суммировании отсчётов, применяется и для чётных строк:

Y = 1/2[(G+Сy) + (Mg+Ye)] = 1/2(2B + 3G + 2R).

При получении цветоразностного сигнала для нечётных строк производится следующая операция:

(B - Y) = [(G + Ye) - (Mg + Cy)] = - [2B - G].

Для чётных строк алгоритм обработки также заключается в задержке и вычитании попарных отсчётов:

R - Y = [(Mg + Ye) - (G + Cy)] = [2R - G].

Приведённые выражения для чётных и нечётных строк матриц ПЗС показывают, что в видеосигнале каждой чётной строки матрицы содержится информация о цветах R и G, а в каждой нечётной - B и G. Поэтому при половинной частоте выборки можно отделить один цвет от другого. Эта операция производится в аналоговой форме с помощью отдельной схемы выборки-хранения либо в цифровой форме в видеопроцессоре. Из сигналов яркости и цветности затем получают композитный сигнал в системе PAL. Подчеркнём, что разрешающая способность ТВ-камер 480 линий реализуется только при раздельной передаче сигналов яркости и цветности (так называемый выход Y/C).

Основные требования к фотоприёмникам для цветных камер охранного телевидения вытекают из требования их совместимости с аппаратурой чёрно-белого отображения и принятыми стандартами видеозаписи. Поэтому число элементов в чёрно-белых и цветных матрицах и тактовая частота их выходного регистра одинаковы. Необходимость передачи сигнала цветности через канал с той же полосой пропускания (примерно, 6 МГц) ведёт к сокращению полосы частот яркостного канала. В результате разрешающая способность цветных ПЗС снижается на 20-30% по сравнению с чёрно-белыми с тем же числом элементов. Использование матрицы цветоделительных фильтров уменьшает световой поток, поступающий на элементы матрицы ПЗС. Это обусловливает снижение чувствительности цветных матриц ПЗС на порядок по сравнению с чёрно-белыми при той же площади элемента разложения.

Несмотря на это, цветное изображение является более предпочтительным при выполнении операций обнаружения, опознавания и идентификации. Известно, что вероятность обнаружения существенно зависит от величины отношения сигнал/шум в видеосигнале; при высоком отношении сигнал/шум для яркостного сигнала чёрно-белая камера обеспечивает несколько более высокую вероятность обнаружения. Однако при ухудшении отношения сигнал/шум величины вероятностей выравниваются, а затем вероятность обнаружения объекта для цветного изображения существенно превосходит аналогичную вероятность для черно-белого изображения. Снижение вероятности связано с дополнительными шумами в канале цветности, повышение - с возможностью обнаружения цели на фоне за счет цветового контраста. Особенно это заметно на сценах с богатой цветовой гаммой (автостоянки, участки улиц с элементами рекламы и пр.). Желание сохранить цветовую информацию привело к созданию телевизионных камер с возможностью автоматического переключения режимов из цветного в чёрно-белый при снижении освещённости ночью. В ряде камер в ночном режиме в оптическом тракте видеокамеры исключается фильтр, нормирующий спектральную характеристику ПЗС до спектральной характеристики кривой видности глаза, а цветовые сигналы используются для формирования яркостного сигнала с полным разрешением, соответствующем количеству элементов в матрице. За счет этого достигается максимальный выигрыш в отношении сигнал/шум. В более дешевых моделях камер переход в ночной режим реализуется без изменения кривой спектральной чувствительности.

Фотоприёмники с координатной адресацией.
Считывание электрического сигнала, накопленного под воздействием света может быть осуществлено двухмерной координатной адресацией к элементам фотодиодных или фоторезистивных матриц (рис.3.34).




Рис.3.34 Считывание сигнала в фотоприемнике с координатной адресацией.
Поочерёдное подключение каждого из элементов разложения осуществляется с помощью электронных ключей, выполненных по технологии комплиментарных МОП-транзисторов (КМОП). Эти фотоприёмники имеют ряд достоинств по сравнению с ПЗС, хотя и уступают им по качеству изображения. Можно выделить такие свойства КМОП-фотоприёмников, как низкая мощность потребления, возможность считывания произвольного фрагмента изображения, низкая стоимость. Важным преимуществом КМОП-камер является возможность реализации функций накопления, управления считыванием, квантования и обработки видеосигнала на одном кристалле. В настоящее время освоено производство однокристалльных КМОП-телекамер с непосредственным выходом на шину USB, широко используемую в персональных компьютерах.

Основной недостаток КМОП-камер связан пока с их малой чувствительностью, её неоднородностью по массиву элементов, а также с неоднородностью темновых сигналов. В настоящее время чувствительность КМОП-камер ограничена в первую очередь структурной помехой, на порядок превышающей флуктуационный шум. При компенсации структурной помехи флуктуационный шум КМОП-камер превышает аналогичное значение шума матричных ПЗС в 3-5 раз при одинаковой частоте считывания сигнала. Так как выходной сигнал насыщения у матричных фотоприемников обоих типов соизмерим, то в настоящее время КМОП-камеры имеют меньший динамический диапазон, чем ПЗС-камеры.

Схемотехнические методы компенсации неравномерных темновых сигналов хорошо освоены в телевизионных системах измерения координат точечных объектов. Поэтому на определённом этапе развития КМОП-телевидения предельная чувствительность камер будет достигаться применением внешних устройств компенсации темновых сигналов; на последующих этапах можно ожидать повышения однородности массива фоточувствительных элементов, как это было достигнуто в ПЗС.

Первое поколение КМОП-камер характеризовалось тем, что в них использовался единый усилитель на весь столбец фотодиодов. В камерах второго поколения к каждому фотодиоду был добавлен однотранзисторный буфер, а также введена схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) на каждый столбец. Камеры такого типа называются камерами с активным элементом. Отличие третьего поколения КМОП-камер заключается в том, что для стабилизации коэффициента усиления усилителей каждого столбца, расположенных перед схемой ДКВ, используется обратная связь. КМОП-камеры третьего поколения изготавливаются различными фирмами, в том числе не специализирующимися в области телевизионной техники.

КМОП-Фотоприёмники с координатной адресацией активно внедряются в системы пассивной оптической локации, в том числе ИК-диапазона, и имеют хорошие перспективы стать главным типом фотоприёмников в прикладном телевидении.
1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации