/
Текст
ОГЛАВЛЕНИЕ
дж.т Bin ... ..... 3
Вв>г.ение ... 5
Г зва первая. Оптическое излучение и его взаимодействие
полупроводниковыми и оптическими материалами . - il
I. Основные понятия и законы оптического излучения 1 1
_ Источники излучения, используемые при работе фото-
приемных устройств и измерении их параметров . 13
Взаимодействие оптического излучения с оптическими
средами . . . .......................13
I 4 Взаимодействие оптического излучения с полупровод-
никами . .... 27
Глава вторая. Фотоэлектрические процессы в полупровод-
никах и сегнетоэлектриках .................................30
2.1. Основные процессы, пспотьзуемые в полз проводнико-
вых приемниках излучения . ... 30
2.2. Принципы приборной реализации явлений фотопрово-
димости в полупроводниковых приемниках излучения 31
2.3. Пироэлектрические явлишя в пьезоэлектрических кри-
сталлах ... . 37
2.4. Эквивалентные схемы смешения и параметры фото-
приемииков . . . ................19
Глава третья Классификация изделий микрофотоэлектро-
ники и основные требования к их элементам ... . 55
3 1. Классификация i делпй функциональной мпкрофото-
элсктриники . об
3 2. Основные требования к > ментам, входящим в состав
изделий функциональной михрофотоэлектропикп . 39
Глава четвертая. Одноханальпые фотоприемные устройства 70
4.1. Фотоириемные устройства ил основе фоторе.зисторов 70
4.2. Фотоириемные устройства па основе фотодиодов и фо-
тотраизпеторов......................................... .82
4.3. Фотоириемные устройства па основе пироэлектрических
приемников излучения . ... 132
4.4. Параметры однокапальных фотопрпемных устройств 111
Глава пятая. Многоканальные фотоириемные устройства 142
5 1 Фотоприемныс устройства мгновенного действия 142
5.2. Фотоириемные' структуры с накопленном сигнала . 156
Глава шестая. Многоэлеме’пные фоточувегвительные струк-
туры на основе приборов с зарядовой связью .... 168
Принцип действия приборов с зарядовой связью и ор-
ганизации п.х структуры .... 168
6 2 Фотоэлектрически! парах-етры ПЗС структур . . 176
6.3. Принципы орга зкз.щии хтногеэлгмеитных фотоприемпи-
ков на основе ПЗС-етрук гур . . ..............186
Глава седьмая. Основы конструкции изделий микрофото-
электроники ..............................................193
7 1. Выбор основных параметров фоточувствнтслызого
элемента............................................. 1°3
“ _ Конструкция изделий мнкрофотоэлектропикп . 197
С . г:.рат\ры........................................... . 205
ББК 32.854.2
А 42
УДК 621.383.5
Рецензент Ю. Р. Носов
Аксененко М. Д. и др.
А 42 Микроэлектронные фотоприемные устройства/
М. Д. Аксененко, М. Л. Бараночников, О. В. Смо-
лин.— М.: Энергоатомиздат, 1984. — 208 с., ил.
65 к. 18 000 экз.
Излагаются принципы действия и схемотехническое построение
изделий микрофотоэлектроиики, создаваемых на основе фоторезистор-
ных, фотодиодных, фототраизисторных и пироэлектрических фотопрн-
емных устройств, фоторезистор-диодных, фотодиод-диодных, фото-
диод-МДП-транзисторных и других структур. Приводятся инженер-
ные методы расчета отдельных параметров и методы их измерения,
а также возможные области применения.
Для инженерно-технических и научных работников в области
микроэлектроники.
А
2403000000-054
051(01)-84
245-84
ББК 32.854.2
6Ф0.3
МИХАИЛ ДАНИЛОВИЧ АКСЕНЕНКО
МИХАИЛ ЛЬВОВИЧ БАРАНОЧНИКОВ
ОЛЕГ ВИТАЛЬЕВИЧ СМОЛИН
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
Редактор И. В. Варламов
Редактор издательства А. Н. Г у с я ц к а я
Художественный редактор Т. А. Дворецкова
Обложка художника В. Я. Батищева »
Технический редактор Л. Ф. Шкилевич
Корректор Л. С. Тимохова
И Б № 2225
Сдано в набор 17.10.83 Подписано в печать 13.12.83 Т-22789
Формат 81X108'/.,, Бумага типографская № 3 Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. печ. л. 10,92 Усл. кр.-отт. 11,18 Уч.-изд. л. 12.64
Тираж 18 000 экз. Заказ 3274 Цена 65 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая иаб., 10
Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Зна-
мени Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Союзпо-
лнграфпрома при Государственном комитете СССР по делам изда-
тельств, полиграфии и книжной торговли. 1’3054, Москва, М-54, Вало-
вая, 28
© Энергоатомиздат, 1984.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное развитие науки и техники связано с не-
обходимостью переработки больших потоков информации
не только в явно выраженном виде (публикации; инфор-
мация, записанная на магнитные диски и ленты; микро-
фильмы и т. д.>), но и синтезированной в спектрах случай-
ных полей распределения во времени и пространстве ряда
физических величин (яркость, температура, относительная
плотность вещества, электрическое напряжение, звуковые
колебания и др.), определяющих признаки интересующе-
го нас объекта в различного рода системах поиска, обна-
ружения и управления. Эффективная и своевременная
обработка больших массивов информации является одной
из важнейших научно-технических проблем сегодняш-
него дня. При решении этой проблемы используются, в
частности, оптические методы вследствие исключительно
высокой информационной емкости светового поля как но-
сителя информации, высокой скорости распространения
оптических сигналов и принципиальной легкости осущест-
вления ряда математических операций над двумерными
массивами информации.
Указанные принципиальные преимущества оптического
излучения как носителя информации предопределяют тот
интерес, который проявляется к оптическим методам об-
работки информации в перспективных вид^х оптико-
электронной и радиоэлектронной аппаратуры различного
целевого назначения. Неотъемлемым элементом подавляю-
щего большинства видов аппаратуры, использующей оп-
тическую обработку информации, является приемник оп-
тического излучения, преобразующий оптическое излуче-
ние в электрический сигнал.
Во всех известных монографиях, выпущенных в нашей
стране по полупроводниковым и другим твердотельным при-
емникам излучения, изложены вопросы, касающиеся толь-
ко простейших приемников излучения (фоторезисторы,
фотодиоды, фототранзисторы, болометры, пироэлектриче-
ские приемники), и не отражен тот прогресс, который
3
произошел за последнее десятилетие в этой области
[исключение составляет ряд книг, вышедших в последние
годы, в которых частично описаны фоточувствительные
приборы с переносом заряда (ФППЗ)]. Этот прогресс
связан прежде всего с возросшей интеграцией функций,
выполняемых многими изделиями электронной техники, и
внедрением в их технологический процесс интегральной
технологии.
Настоящая книга представляет собой первую попытку
систематизации основных принципов создания изделий
микрофотоэлектроники, являющихся главным направле-
нием в развитии приемников оптического излучения, на
основе обобщения отечественного и зарубежного опыта.
Авторы ставили своей целью систематизировать основ-
ные принципы построения изделий микрофотоэлектроники,
в которых в едином методологическом аспекте, наряду с
кратким изложением физических основ работы фоточув-
ствительных элементов приемников излучения, более по-
дробно были бы рассмотрены конструктивные и схемо-
технические решения, используемые при разработке изде-
лий микрофотоэлектроники, создаваемых на различных
физических принципах действия.
В книге излагаются материалы, относящиеся к раз-
личным разделам техники с установившимися в них си-
стемами буквенных обозначений, что привело в отдельных
случаях к употреблению одинаковых обозначений различ-
ных физических величин и понятий. Однако в этих случаях
в тексте имеются соответствующие пояснения. Авторы
благодарят д-ра техн, наук Ю. Р. Носова за ряд ценных
замечаний, сделанных при рецензировании книги,
д-ра техн, наук И. В. Варламова за редактирование, а так-
же выражают признательность канд. техн, наук А. Б. Уша-
кову за помощь при подготовке материалов § 6.3.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Работа любого вида аппаратуры с использова-
нием оптического излучения основана на регистра-
ции этого излучения приемниками оптического
излучения, являющимися обязательными элементами
структурных схем оптико-электронных устройств. Многие
задачи до недавнего времени решались с помощью про-
стейших одноэлементных приемников излучения. Однако
в ряде случаев (например, при создании оптико-электрон-
ных систем, осуществляющих обзор пространства предме-
тов) это приводило к увеличению габаритов, массы и
мощности потребления аппаратуры и ограничению важ-
нейших ее технических характеристик (чувствительности,
скорости обработки сигнала и др.).
Современное развитие приемников оптического излуче-
ния характеризуется не только дальнейшим улучшением
параметров и характеристик простейших одноэлементных
приемников излучения (чувствительности, быстродействия,
области спектральной чувствительности, показателей на-
дежности и т. п.), но и поиском новых принципов их
конструирования. Наиболее важными из них следует счи-
тать функциональное усложнение приемников излучения
и создание многоэлементных матричных и линейных фото-
чувствительных структур со схемами обработки сигнала.
Внутреннее сопротивление приемников оптического из-
лучения на основе большинства известных полупроводни-
ков и сегнетоэлектриков может быть или очень низким
(менее 100 Ом), или достаточно высоким (от сотен кило-
ом до 1010 Ом). Как крайне низкое, так и очень высокое
сопротивление фотоприемника создает значительные труд-
ности в практической реализации порога чувствительности
фоточувствительного элемента в аппаратуре. Чувствитель-
ность фотоприемника в аппаратуре во многом зависит от
правильного выбора его режима работы и степени согла-
сования с последующим электронным трактом. Наличие
открытого входа электронного тракта, протяженных
электрических соединений фотоприемника со схемой уси-
5
. - -
ления сигнала, не оптимальным образом выбранные тем-
пературный и электрический режимы работы и неопти-
мальное согласование с нагрузкой часто не позволяют
реализовать потенциальную чувствительность фоточувст-
вительного элемента.
В связи с этим в последнее время стали все реже
встречаться разработки фотоприемников, состоящих толь-
ко из одного чувствительного элемента, осуществляющего
преобразование оптического излучения в электрический
сигнал. Сейчас на фотоприемники стали возлагаться
функции, которые ранее выполнялись последующими ка-
скадами электронного тракта аппаратуры. Совмещение
нескольких выполняемых функций в одном изделии, имею-
щем, как правило, единую конструкцию, позволяет полу-
чить выигрыш не только в реализуемой чувствительности
фотоприемника в аппаратуре, но и в габаритах оптико-
электронной аппаратуры.
Фотоприемники, в которых на основе схемотехнических
и конструктивных решении осуществляется ряд последо-
вательных преобразований принимаемого сигнала, полу-
чили название фотоприемных устройств (ФПУ). В ФПУ
в общем случае могут выполняться следующие преобра-
зования: селекция и усиление (с помощью иммерсионной
линзы) оптического излучения, преобразование оптическо-
го излучения в изменение проводимости полупроводника
(или поляризации пироэлектрика), предварительное уси-
ление электрического сигнала, оптимальное электрическое
согласование фоточувствительного элемента с входом
электрического тракта, простейшая обработка сигнала
(фильтрация, обеспечение заданной полосы пропускания,
запоминание и др.). В схемах некоторых ФПУ могут со-
держаться также элементы, которые, кроме перечисленных
выше функций, осуществляют охлаждение или термоста-
билизацию фоточувствительного элемента (для охлаждае-
мых и термостабилизированных фотоприемников), стаби-
лизацию рабочей точки по напряжению питания (для ФПУ
на основе лавинных фотодиодов), автоматическую регули-
ровку питания, коммутацию электрического сигнала (для
. многоэлементных ФПУ). Таким образом, ФПУ по существу
является сложным функциональным изделием электрон-
ной техники.
Развитие фотоприемников идет не только по пути ин-
теграции совмещаемых в них функции преобразования
сигнала, но и в направлении наращивания числа элемен-
тов в структуре. Применение многоэлементных фотопри-
емников не только способствует улучшению тактико-тех-
6
нических характеристик традиционных оптико-электронных
устройств, в которых использовались одноэлементные фо-
топриемники (тепловые головки самонаведения, теплопе-
ленгаторы, локаторы), но и открывает возможности для
решения на более высоком техническом уровне целого
ряда новых задач, часть из которых ранее решалась с ис-
пользованием радиотехнических или иных принципов, а
некоторые впервые стало возможным решить только бла-
годаря использованию оптических методов обработки ин-
формации.
К числу новых задач, решаемых с использованием
многоэлементных структур фотоприемников, можно отнести
следующие: разработку оптических и голографических за-
поминающих устройств, многоканальных оптронных
устройств, устройств обработки радиолокационных сигна-
лов в РЛС, создание приборов ночного видения на основе
твердотельных преобразователей изображения и передаю-
щих телевизионных устройств на основе твердотельных
аналогов передающих телевизионных трубок, устройств
ввода и вывода информации для ЭВМ, оптических линий
связи и др.
При использовании многоэлементных фоточувствитель-
ных структур для съема информации с каждого канала в
состав ФПУ может входить также схема коммутации. До
недавнего времени эта функция возлагалась на внешний
коммутатор. В последнее время благодаря дальнейшему
изучению свойств МДП-структур удалось найти пути со-
здания фоточувствительных структур, в которых функция
коммутации сигнала осуществляется в самом объеме фо-
точувствительного материала. Эти принципы реализу-
ются в фотоприемниках на основе приборов с зарядовой
связью.
Классификация существующих приемников оптического
излучения приведена на рис. В.1. ’
Развитие в последние годы микроэлектроники как базы
для изготовления сложных функциональных фотоэлектри-
ческих приборов позволило перейти к созданию и про-
мышленному выпуску ФПУ.
Технология производства (диффузионная, планарная,
эпитаксиальная, меза, фотолитография, ионное легирова-
ние и др.) подавляющего большинства фотоприемников
как в одноэлементном, так и в многоэлементпом исполне-
нии в основном базируется на тех же принципах, что и
производство полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем. Элементы ФПУ, осуществляющие согласование
фоточувствительного элемента с электронным трактом,
7
Приемники оптического излучении
§ - 1 в в Сл Со -« £ 1. — <§ ВТ —> 1 Со 11 л 1 § 5? 5 § 1 S с* ' Rl 1 & 1 *= I III " 1§1 и 1 1 RH LJ f Г- 1 У <t> JO Q2> «3 *= —< t2 § г L | Qo 4
Фото- резисторы тт т ттт тт т Собственные
Примесные |
Но основе р-п ФД
ФотоВиоВы ЛпВинные |
Координатные
С обеВненной областью |
ФОГТ1О- транзисторы Полевые
Биполярные
* Фоторезисторные
Много- Виапазонные ФотовиоВные
Смешанные
— С независимыми каналами
Фото- резисторные С Взаимосвязанными каналами
Фиторвзистор-в иодные
На основе р-п ФД
Фотовиовные На основе лавинных ФД
Но основе ФД с обедненной областью
Фотодиад-МОП Т
Фототранзис- торные Составные
ФТ-МОПТ
Фоторезисторные
мяого- Виппазонныв —
Фотодиодные
Смешанные
С заряВаВойКсвязью (ПЗС)
С переносом заряда С инжекцией заряда (ПЗИ)
Подерхностно-заоядоВые транзисторы
Болометры
г Пироприемники
Приемные устройства пироэлектрические
Рис. В.1. Классификация приемников оптического излучения
8
усиление и всю последующую обработку электрического
сигнала (в том числе и его коммутацию), изготавливают-
ся полностью с использованием методов микроэлектроники
как на отдельных полупроводниковых структурах, так и
на одном монокристалле вместе с фоточувствительным
элементом.
Направление электронной техники, возникшее на осно-
ве синтеза микроэлектроники и полупроводниковых при-
емников оптического излучения, получило название фото-
электрической микроэлектроники или мик-
рофотоэлектроники. Именно это направление
Рис. В.2. Обобщенная структурная схема одноканального фотопрнем-
ного устройства
позволяет реализовать высокие фотоэлектрические пара-
метры приемников в аппаратуре и в наибольшей степени
решать задачи миниатюризации оптико-электронной аппа-
ратуры, повышения ее надежности и снижения габаритов,
массы и мощности потребления. Конкретная реализация
направления мпкрофотоэлектроники состоит в создании
микроэлектронных фотоприемных устройств. Последние
представляют собой устройства, состоящие из приемника
излучения и схемы обработки электрического сигнала, объ-
единенных единым корпусом, и изготовленные на основе
интегральной (гибридной или твердотельной) техноло-
гии.
9
Рассматривая обобщенную структурную схему даже
простейшего одноканального ФПУ (рис. В.2), можно за-
метить, что разработка изделий микрофотоэлектроники
требует знания довольно широкого круга вопросов; харак-
теристик излучения и отражения объектов (целей), источ-
ников излучения, законов распространения излучения в
атмосфере и взаимодействия его с оптическими материа-
лами, фотоэлектрических явлений в твердых телах (полу-
проводниках и сегнетоэлектриках), технологии изготовле-
ния фотоприемников и элементов микроэлектроники и
принципов схемотехнических решений. Только комплекс-
ное изучение перечисленных выше вопросов позволяет
грамотно подходить к созданию элементной базы микро-
фотоэлектроники.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ И ОПТИЧЕСКИМИ
МАТЕРИАЛАМИ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
, Диапазон спектра оптического излучения лежит в преде-
лах от 5 -10~3 мкм до 1 мм. Этот диапазон в свою очередь
подразделяется на ультрафиолетовую (от 5-10~s до
0,4 мкм), видимую (от 0,4 до 0,76 мкм) и инфракрасную
(от 0,76 мкм до 1 мм) области. Инфракрасная область
делится на коротковолновый (от 0,76 до 1,5 мкм), средне-
волновый (от 1,5 до 20 мкм) и длинноволновый (от 20 мкм
до 1 мм) участки. Границы этих участков в инфракрасном
диапазоне спектра являются в значительной степени
условными, и в ряде случаев можно встретить другое
деление спектра.
Все тела, температура которых выше абсолютного
нуля, являются источниками излучения и характеризуют-
ся излучательной и поглощательной способностями.
Спектральной излучательной способностью тела называет-
ся количество энергии, излучаемой в бесконечно узком
интервале длин волн с единицы поверхности тела в еди-
ницу времени при температуре Т во всех направлениях.
Спектральная излучательная способность тела определя-
ется плотностью его излучения М^, отнесенной к опреде-
ленной длине волны, и измеряется в Вт/(см2-мкм).
Спектральной поглощательной способностью тела щ на-
зывается относительная величина, показывающая, какая
часть падающей на поверхность тела лучистой энергии в
бесконечно узком интервале длин волн поглощается им
при температуре 7’. Тела, полностью поглощающие па-
дающий на них поток излучения и обладающие макси-
мальной энергетической светимостью, называют абсолют-
но черными (АЧТ).
Связь между излучательной и поглощательной способностями уста-
навливается с помощью закона Кирхгофа. Суть его сводится
к тому, что отношение излучательной способности тела к его поглоща-
тельной способности прн данной температуре Т и данной длине волны
X есть величина постоянная, равная излучательной способности АЧТ
при той же температуре:
^хт>а>.т — Л,хтАЧТ-
Из этого выражения следует, что излучательная способность любо-
11
го тела равна произведению его поглощательной способности на излу-
чательную способность АЧТ.’
Закон Кирхгофа справедлив не только для монохроматического, но
и интегрального излучения (т. е. суммарного излучения во всем диапа- сч
зоне длин волн — от Х=0 до оо).
Распределение энергии в спектре излучения АЧТ в пределах полу-
сферы в интервале длин волн от Л до X-|-ДХ при температуре Т опре-
деляется на основании закона Планка:
ci 1
Л1ХГАЧТ = U ехр (Сг/ХХ) - 1 > (1 ’
где ^Гачт—спектральная плотность излучения АЧТ; Cj=3,74X
Х104 Вт-см-2-мкм4, с2=1,4388-Ю4 мкм-К — первая и вторая постоян-
ные излучения.
Суммарная плотность излучения или энергетическая светимость
АЧТ в диапазоне длин волн от Х=0 до Х=оо определяется согласно
закону С т е ф а н а - Б о л ьц м а н а:
Л48=ст74, (1.2)
где а=5,669-10—12 Вт-см~2-К~4— постоянная Стефана-Больцмана.
Длина волны Хтаз:, соответствующая максимуму плотности излуче-
ния АЧТ, обратно пропорциональна абсолютной температуре и опре-
деляется на основании закона Голицина-Вина:
Хщ ах—2897/Т,
где Х„ах выражается в микрометрах, а Г — в градусах Кельвина.
Энергетическая сила света АЧТ, излучаемая в пространство, про-
порциональна косинусу угла <р между направлением излучения и нор-
малью к излучающей плоскости. Это свойство известно под названием
закона косинусов (или закона Ламберта) и выражает-
ся следующим образом:
Вэ<? = Bas cos ?•
где Вэ — энергетическая яркость АЧТ (излучение энергии с единицы
площади в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности);
S — площадь излучающей поверхности. Закон косинусов справедлив
для АЧТ, а также для идеальных диффузно-рассеивающих (идеальных
матовых) поверхностей.
При использовании точечного источника излучения, изображение
которого (при наличии оптики) много меньше размера приемника
излучения или расстояние до него существенно больше размера облу-
чаемой поверхности, энергетическая облученность, создаваемая этим
источником, прямо пропорциональна энергетической силе света и коси-
нусу угла падения лучистого потока и обратно пропорциональна квад-
рату расстояния между источником и облучаемой поверхностью:
£Э=А> cos (р/Р,
12
где 7э — энергетическая сила света; I — расстояние между источником
излучения и облучаемой поверхностью.
Тел, которые полностью поглощали бы падающее на них излучение,
в природе не существует. Весьма близко по своим характеристикам
к АЧТ приближаются такие излучатели, как отверстие полого шара,
протяженные конические и цилиндрические полости и некоторые искус-
ственные излучатели, о которых более подробно будет сказано в § 1.2.
Все законы теплового излучения справедливы только для АЧТ. Однако
при введении некоторых допущений эти законы становятся применимы-
ми и для многих реальных излучателей, что становится возможным
в результате введения понятия «серое тело», представляющее собой не-
селективнын тепловой излучатель с относительным распределением
энергии по спектру, одинаковым с относительным спектральным распре-
делением энергии АЧТ при той же температуре. Особенностью серых
тел является то, что отношение их энергетических яркостей к энерге-
тической яркости АЧТ при той же температуре, называемое коэффи-
циентом излучения, не зависит от длины волны:
^XiT/£XiTA4t = ^аг/ВЧГАЧТ = = cOnSt.
В ограниченных спектральных диапазонах многие реальные тела
с достаточной точностью можно считать серыми. Введение понятия се-
рого тела позволяет применять для реальных тел законы теплового
излучения АЧТ, внося в них соответствующую поправку в виде коэф-
фициента излучения. Так, например, закон Стефана-Больцмана (1.2)
для серых тел будет иметь вид:
Л18=ет.оТ‘. (1.3)
Для большинства реальных тел коэффициент излучения изменяется
с изменением длины волны и, кроме того, зависит от температуры н
состояния поверхности. Специальная механическая или химическая
обработка излучающей поверхности может в сильной степени изменить
коэффициент излучения.
Значения коэффициентов излучения некоторых наиболее распро-
страненных материалов и земных покровов приведены в [1].
1.2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАБОТЕ
ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ И ИЗМЕРЕНИИ ИХ ПАРАМЕТРОВ
При работе оптико-электронных устройств находят ши-
рокое применение самые различные источники излучения,
причем роль последних по отношению к этим устройствам
может быть различной. Так, в частности, излучение одной
группы источников устройство должно обнаружить и под-
вергнуть необходимой обработке для последующего ис-
пользования его в качестве управляющего сигнала в си-
стемах управления, для непосредственной визуализации
самого источника в устройствах отображения информации
13
или измерения величины этого излучения. Излучение дру-
гой группы источников (как правило, протяженных) явля-
ется фоном (причем, мешающим), на котором должно
быть обнаружено излучение первой группы источников
излучения. Третья группа источников используется толь-
ко для измерения фотоэлектрических параметров прием-
ников оптического излучения, в том числе и изделий ми-
крофотоэлектроники. Четвертая группа источников излу-
чения используется в качестве элементов структурных
схем самих изделий микрофотоэлектроники для осущест-
вления коррекции некоторых их функциональных харак-
теристик.
о 1 г з ъ 5 е ? в g io. и 12 и м л ,мкм
Рис. I.I. Спектральные характеристики излучения стандартных источ-
ников (АЧТ и источника типа А)
Далее рассмотрим более подробно используемые на практике источ-
ники оптического излучения и их энергетические характеристики.
Лабораторные источники излучения. В лаборатор-
ной практике используются различные источники излучения: модели
АЧТ, специальные лампы накаливания, глобары, излучающие полупро-
водниковые диоды (светодиоды), лазеры и т. д.
Основным лабораторным источником излучения в инфракрасной
области спектра служит модель АЧТ. Она представляет собой тепло-
вой излучатель с излучающей полостью специальной формы, темпера-
тура в которой поддерживается на заданном уровне с необходимой
степенью точности. Излучательная способность полости выбирается
близкой к единице
В качестве стандартных источников инфракрасного излучения,
используемых при измерении параметров приемников оптического излу-
чения, применяются модели АЧТ с температурой полости 373+1, 573±
±1,5, 500±1,5 и 1000+5 К.
14
Для определения характеристик приемников излучения, чувствитель-
ных к излучению в видимой и ближней инфракрасной областях спект-
ра, используют более высокотемпературные источники, в качестве ко-
торых применяются источники типа А: специальные лампы накалива-
ния, имеющие цветовую температуру 2856 К (ГОСТ 8.023-74 и
ГОСТ 8.083-73).
Спектральные характеристики излучения стандартных источников
представлены на рис. 1.1.
При определении спектральных характеристик приемников излуче-
ния в качестве источников излучения используются штифтовая лампа
Нернста и глобар [2, 3].
При измерении монохроматической чувствительности приемников
излучения (особенно в импульсном режиме) н их временных характе-
рна 1.2. Спектральные характеристики светодиодов и ИК-излучающих
диодов:
АЛ112А—АЛ112М — алюминиймышьякгаллиевые светодиоды; АЛ301 — фосфидо-
галлиевые светодиоды; АЛ106, АЛ107 — излучающие фосфидогаллиевые диоды;
АЛ108А, АЛ109А, АЛ307 — излучающие арссиидогаллиевые диоды
ристик в качестве лабораторных источников излучения используют
излучающие полупроводниковые диоды (светодиоды) и лазеры.
Спектральные характеристики излучающих диодов’ приведены на
рис. 1.2. Для ряда полупроводниковых материалов (карбид кремния,
твердые растворы GaAs—GaP) спектр излучения определяется его хи-
мическим составом и может изменяться в определенных пределах. На
положение спектральной характеристики существенное влияние оказы-
вает окружающая температура, что необходимо учитывать в процессе
работы.
Наиболее распространенными источниками видимого излучения
в настоящее время являются светодиоды на основе фосфида галлия
и твердых растворов GaAlAs, GaAsP. Яркость излучения светодиодов
достигает 150 кд/м2 при прямом токе до 30 мА.
15
Источниками ИК-излучеиия служат полупроводниковые излучающие
диоды на основе арсенида и фосфида галлия. Полная мощность излу-
чения таких диодов в диапазоне 0,8—1,0 мк.м при прямом токе через
р-п-переход до 100 мА достигает нескольких милливатт (до 3—5 мВт).
Излучающие диоды могут работать в импульсном режиме при дли-
тельностях импульса излучения от единиц миллисекунд до десятков на-
носекунд. При этом прямой импульсный ток через переход может до-
стигать десятков ампер.
Спектральные плотности излучения штифта Нернста и глобара рас-
считываются по (1.1) как для АЧТ соответственно при температурах
2000 и 1400 К с поправкой на соответствующие значения спектраль-
ного коэффициента излучения ет как для серого тела [(с.м. 1.3)].
Естественные источники излучения. К этим источникам относятся
различные небесные тела, поверхность Земли, облака и т. п., которые
могут быть как объектами наблюдения, так и фоновыми источниками,
мешающими обнаружению наблюдаемых объектов. Солнце, Луна, Зем-
ля, планеты, являясь в космическом пространстве источниками видимого
и инфракрасного излучения, служат для ориентации космических аппа-
ратов; инфракрасное излучение Солнца определяет температуру нагре-
ва поверхности искусственных спутников Землп. Уровень освещенности,
создаваемой на поверхности Земли небесными светилами, в течение
суток изменяется в очень широких пределах (рис. 1.3).
Солнце излучает как абсолютно черное тело с температурой
5900 К. Основная часть спектра излучения Солнца лежит в диапазоне
0,2—3 мкм, достигая максимума в видимой части спектра (0,5 мкм).
Излучение Луны и планет состоит из собственного и отраженного
излучения. Тепловое излучение Луны и плапет является результатом
нагрева их Солнцем. Спектр излучения Луны соответствует излучению
АЧТ с эффективной температурой 400 К и достигает максимума
при длине волны 7,24 мкм. При этом спектральная плотность
потока тепловой радиации Луны на поверхности Земли примерно равна
5,0-10~3 Вт-м-2-мкм-1. Спектральное распределение излучения, отра-
женного от Луны и планет, аналогично солнечному. От последнего оно
отличается в основном по значению. Расчетные, значения спектральной
энергетической освещеииости планет Солнечной системы, создаваемой
на верхней границе атмосферы за счет собственного теплового излуче-
ния, даны на рис. 1.4 [74].
Во многих реальных случаях работы фоновым источником является
небо, яркость которого в течение суток изменяется в очень широких
пределах (в видимой области спектра на восемь порядков величи-
ны) [74].
Максимум излучения неба в ИК-области спектра лежит в области
9—15 мкм. Излучение облаков для длины волны более 3 мкм в первом
приближении можно считать подобным излучению АЧТ. имеющего ту
же температуру, что и облака. При длине волны до 3 мкм яркость
16
облаков определяется, главным образом, рассеянным излучением
Солнца:
Излучение Земли состоит из отраженного и рассеянного солнечно-
го излучения и собственного теплового излучения земной поверхности.
Спектральная кривая излучения Земли имеет два максимума: один на
длине волны 0,5 мкм (солнечное излучение), а второй — на длине вол-
ны 10 мкм (Земля излучает как серое тело при температуре 280 К).
Минимум между ними приходится
Рис. 1.3. Суточное изменение ос-
вещенности поверхности Земли:
1 — ясный солнечный день; 2 — Солнце
с легкими облаками; 3 — Солнце за
плотными кучевыми облаками: 4 —
полная Луна; 5 — Луна при различ-
ных фазах; 6 — ночное небо; 7 —
звездный свет
на длину волны 3,5 мкм. Ночью
земная поверхность излучает как
серое тело при окружающей тем-
пературе. Коэффициент излучения
типичных фонов (почва, песок,
трава), как правило, находится
в пределах 0,8—0,85 [8].
Рис. 1.4. Спектральная энерге-
тическая освещенность, созда-
ваемая Луной и планетами на
границе атмосферы (пунктир-
ная линия — отраженное сол-
нечное излучение; сплошная
линия — собственное излуче-
ние) :
/ — полная Луна: 2— Венера; 3 —
Марс: 4 — Сатурн; 5 — Меркурий;
6 — Юпитер; 7 — Юпитер (при про-
тивостоянии) .
Характеристики целей в ИК-диапазоне спектра (в области собст-
венного теплового излучения) зависят от многих факторов (типа и мощ-
ности энергетической установки объекта; особенностей внутренней ком-
поновки и конфигурации объектов; типа и размеров конструктивных
материалов, из которых изготовлены элементы объекта; режима работы
и скорости объекта; состояния метеоусловий и ряда других причин),
а поэтому каждый конкретный тип цели имеет свои, только ему при-
сущие характеристики излучения. Реальное представление о количест-
венных характеристиках излучения целей дают, как правило, только
результаты непосредственных экспериментальных исследований [2, 9].
2—3274 17
1.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ОПТИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ
При прохождении оптического излучения сквозь реаль-
ные среды (атмосферу, элементы конструкций оптических
систем и фотоириемников) происходит отражение, погло-
щение, преломление и рассеяние потока излучения. Ослаб-
ление потока при прохождении через слой атмосферы мо-
жет происходить либо вследствие поглощения, либо вслед-
ствие рассеяния энергии излучения. Методы расчета
коэффициента прозрачности атмосферы довольно громозд-
ки, а поэтому здесь не рассматриваются. Эти методы опи-
саны в [12, 13].
Оптические элементы, используемые в фотоприемни-
ках. К этим элементам относятся защитные и входные
окна, световоды, иммерсионные линзы и фильтры.
Входные окна, фотоприемников предназначены для
защиты фоточувствительного элемента от воздействия
окружающей среды. Они выполняются обычно в виде
плоскопараллельных пластин или линз. Основные требо-
вания, предъявляемые к входным окнам, следующие: вы-
сокая механическая прочность, прозрачность в рабочем
диапазоне спектра, устойчивость к воздействию климати-
ческих факторов, возможность вакуумно-плотного соеди-
нения окна с корпусом фотоприемника.
Световоды предназначены для дистанционной ка-
нализированной передачи потока излучения на фоточувст-
вительный элемент фотоприемника, разведения потока
энергии от одного источника к нескольким фоточувстви-
тельным элементам, поворота плоскости изображения
И т. д.
Световод представляет собой тонкий пруток с круглым,
прямоугольным или другим сечением, состоящий из серд-
цевины с показателем преломления пс и оболочки с пока-
зателем преломления но<нс с полированными, торцами.
От внутренней поверхности оболочки световода происхо-
дит полное отражение лучей, идущих внутри световода.
Световод может быть выполнен в виде цилиндрической
трубки с зеркальной внутренней полостью. Световод пе-
реносит изображение с поверхности входного торца на
выходной торец с сохранением апертурных углов лучей па-
дающего на нее пучка. •
Если диаметр волокна dc существенно превосходит
длину волны X, то передача изображения вдоль волокна
происходит на основе полного внутреннего отражения лу-
чей от его боковой полированной поверхности по законам
18
геометрической оптики. Условно оптическим волокном на-
зывают световоды диаметром менее 100 мкм.
Передаваемую по волокнам информацию можно одно-
временно преобразовать: изменить масштаб изображения,
устранить его дефекты, сгруппировать по другому элемен-
ты и т. п.
При полном внутреннем отражении излучение проходит
по волокну, испытывая потери в основном за счет погло-
щения в стекле. Светопропускание волокна не уменьша-
ется и при его изгибе,, если при этом углы падения лучей
на боковую поверхность не окажутся меньше критических.
Допустимый радиус кривизы г>60ас [14]. Из волоконных
элементов делают жесткие световоды, гибкие жгуты, пла-
стины, диски, линзы, фоконы и т. п.
Рис. 1.5. Ход лучей в волоконно-оптических световодах:
а — цилиндрическое волокно с прямыми торцами; б — цилиндрическое волокно
с косыми торцами; в — фокон; г — афокои
Волокна могут иметь различную форму (рис. 1.5), и для каждого
нз них числовая апертура будет определяться соответствующим выра-
жением:
для цилиндрического волокна с прямыми торцами в воздухе
(рис. 1.5,й) ’
А — sin //, = V п2с — п~о;
для прямого волокна с косыми торцами (рис. 1.5,6)
А = sin и, = Ип2с — п2о cos а — по sin а,
где а—угол скоса торца световода;
для световода переменного диаметра (фокона), уменьшающегося
в направлении распространения потока (рис. 1.5,в),
А — sin и, = </,) Vп®с — п*о,
где dt и ds — соответственно диаметр входного и выходного торцов
фокона;
2*
19
для световода переменного диаметра, увеличивающегося в направ-
лении распространения потока излучения (афокона) (рис. 1.5,г),
А = sin ut = Vn\ — пго cos[j' 4- «о sin
где Р' — угол конусности волокна.
Афокон по сравнению со всеми другими световодами при одинако-
вых значениях пс и п0 имеет наибольшую апертуру. Свойства фоконов
изменять апертурный угол пучка лучей и собирать их на малом (вы-
ходном) торце позволяет применять их для концентрации излучения.
Оптические фильтры служат для изменения
спектрального состава или ослабления проходящего через
него лучистого потока. Фильтры, изменяющие спектр излу-
чения, называются спектральными, а фильтры, ослабляю-
щие поток без заметного изменения его спектра, называ-
ются нейтральными.
Спектральный фильтр является важнейшим элементом
спектральной селекции, позволяющей выделить излучение
исследуемого объекта на фоне других источников излуче-
ния. Использование спектрального фильтра позволяет
увеличить отношение сигнал/шум, хотя при этом абсолют-
ное значение полезного сигнала за счет поглощения фильт-
ром потока-излучения несколько уменьшается.
Оптимальную спектральную характеристику фотопри-
емника можно получить, применяя селективно-поглощаю-
щие, отражающие, преломляющие, рассеивающие и интер-
ференционные фильтры.
Фильтры, основанные на избирательном поглощении
веществами излучения в одной или нескольких областях
спектра, позволяют создавать коротковолновые и длинно-
волновые отрезающие фильтры. Такие фильтры являются
пропускающими. Примерами таких фильтров являются
фильтры из цветного оптического стекла, из полупровод-
никовых материалов: германия, кремния, сернистого
свинца и других оптических материалов. С пс^мощью та-
ких фильтров трудно получить хорошую контрастность
изображения и крутизну фронтов, поэтому для них. часто
используется просветление.
Действие рассеивающих фильтров основано на явле-
нии рассеяния излучения частицами, размеры которых со-
измеримы с длиной волны излучения. Пропускание тако-
го фильтра будет минимальным при диаметрах частиц,
примерно равных половине длины волны. Пропускание
возрастает по мере того, как размеры частиц и длина
волны становятся соизмеримыми. Для длин волн, больших
размера частиц, фильтр становится прозрачным. Для
20
изготовления рассеивающих фильтров используют поро-
шкообразные вещества (окись цинка, окись магния и др.),
нанесенные на прозрачные плоскопараллельные пла-
стинки.
Используя явление интерференции света, можно полу-
чить спектральные интерференционные фильтры с очень
хорошими параметрами. Такие фильтры состоят из тонкой
пленки прозрачного диэлектрика, покрытой с обеих сторон
полуотражающими металлическими слоями (рис. 1.6).
Излучение, попадая в фильтр, при многократном отраже-
нии от полупрозрачных металлических слоев образует
систему прошедших и отраженных
лучей, интерферирующих между со-
бой. Если разность хода двух сосед-
них интерферирующих лучей равна X
(что получается при толщине слоя ди-
электрика, кратной Х/2), то при сло-
жении электромагнитных колебаний
наблюдается усиление проходящего
излучения.
Пропускание интерференционного Рис pg Схема ин-
фильтра с толщиной диэлектрического терференционного
слоя, кратной половине длины волны фильтра
падающего на фильтр излучения,
будет максимальным для этого
излучения. Изменяя толщину диэлектрика, можно из-
готовить фильтр для любого заданного участка спект-
ра. Однако ширина полосы пропускания такого про-
стейшего интерференционного фильтра будет довольно ве-
лика. Ее можно уменьшить, только увеличивая отражаю-
щую способность полупрозрачного металлического слоя
за счет увеличения толщины этого слоя, что, в свою оче-
редь, вызовет уменьшение пропускания фильтра. Поэтому
применяют в основном многослойные интерференционные
фильтры, в которых металлические полупрозрачные плен-
ки заменены несколькими слоями диэлектрических пленок,
нанесенных на прозрачную пластинку. Число этих слоев
может быть 10, 20 и более [2, 15].
Для уменьшения потерь на отражение широко используется про-
светление оптических элементов. Для этого на поверхность оптическо-
го элемента наносят тонкую пленку, показатель преломления которой
ипл меньше показателя преломления материала окна или фильтра:
21
Минимальные потери на отражение пленка будет иметь при тол-
щине
h= d л,
где d—оптическая толщина пленки, равная X/4 (Z— длина волны
излучения в той части спектра, в которой необходимо получить макси-
мальное пропускание).
Пленка толщиной 7/4 из вещества, имеющего показатель преломле-
ния VПо з, уменьшает коэффициент отражения излучения практически
до нуля.
Иммерсионные линзы. Неравномерность чувст-
вительности по приемной площадке для отдельных типов
фотоприемников может достигать 20—30% максимального
Рис. 1.7. Иммерсионные элементы:
а — концентрическая (сферическая) линза;
б — гнперполу сферическая (аплантнче-
ская) линза
значения, что может вызвать изменения сигнала при пере-
мещении изображения малоразмерного источника по
чувствительному элементу. Для уменьшения влияния по-
добных эффектов используют конденсор, проектирующий
на чувствительный элемент фотоприемника входной зра-
чок объектива оптической системы. Однако применение
конденсора существенного выигрыша не дает, так как часть
принимаемого излучения попадает на края и за пределы
фоточувствительного элемента. Существенного улучшения
энергетических характеристик оптико-электронных систем
можно добиться при использовании так называемых им-
мерсионных линз (рис. 1.7). Фоточувствительный элемент
располагается при этом непосредственно на конденсоре
так, что между ними существует хороший оптический кон-
такт. Это достигается либо путем напыления, фоточувст-
вительного слоя непосредственно на линзу, либо путем
крепления фоточувствительного элемента к линзе при по-
мощи очень тонкого слоя оптического клея. В этом случае
конденсор называют иммерсионной линзой, а фотопри-
емник— иммерсионным.
Конструкция иммерсионной линзы и условия применения такого фо-
топриемника могут обеспечивать различный энергетический выигрыш
в зависимости от назначения аппаратуры. На рис. 1.7,а показан фото-
прнеминк с концентрической иммерсионной линзой. Здесь даже сильно
наклонённые лучи попадут иа фоточувствительный элемент, так как он
находится в непосредственном контакте с линзой. Луч, направленный
22
в центр фоточувствительного элемента, проходит через центр линзы,
так как поверхность линзы концентрична относительно центра элемен-
та, и этот луч не преломится. Лучи, направленные к краю фоточувстви-
тельного элемента, преломятся линзой и сфокусируются значительно
ближе к центру. В результате этого при неизменном мгновенном поле
зрения линейный размер фоточувствительного элемента 1$ может быть
уменьшен в п раз.
При использовании иммерсионной оптики линейный размер фото-
чувствительного элемента
/ф — co/2n sin Р,
где — диаметр входного зрачка оптической системы; п — показатель
преломления материала иммерсионной линзы; р— апертурный угол зре-
ния фотоприемника; со — мгновенный угол зрения оптической системы,
равный
<o = K^/fo6,
где Лф — площадь чувствительного элемента фотоприемника; fDo — фо-
кусное расстояние объектива оптической системы.
Уменьшение размера чувствительного элемента фотоприемника при-
ведет к уменьшению его собственных шумов, так как они пропорцио-
нальны квадратному корню из площади элемента. Таким образом, при
использовании в качестве иммерсионного элемента концентрической лин-
зы возможно уменьшение площади фоточувствительного элемента
в п2 раз, собственный шум фотоприемника также уменьшится в п раз,
а следовательно, и обнаружительная способность возрастет в п раз.
Кроме того, использование концентрической иммерсионной лннзы
позволяет (при сохранении размеров фоточувствительного элемента и
значения обнаружительной способности) увеличить мгновенное поле зре-
ния оптической системы в п раз:
w=2n sin р/ф/dnx.
Облученность чувствительного элемента иммерсионного фотоприем-
ника увеличивается и становится равной
Кцм=£'от],
здесь Ее — облученность фотоприемной площадки без иммерсионной
линзы;
коэффициент полезного действия иммерсионной линзы
i]=4n2 sin -P/O,
где О — относительное отверстие объектива оптической системы, рав-
ное d^f.
Применение гиперполусферической иммерсионной лин-
зы (рис. 1.7,6), сконструированной с учетом требований,
предъявляемых к аплантической оптике, позволяет умень-
шить линейные размеры фоточувствительного элемента
23
приемника в и2 раз, в результате чего отношение сигнал/
шум и обнаружительная способность системы увеличива-
ются также в /г2 раз. Однако при использовании гиперпо-
лусферической иммерсионной линзы из германия (и=4)
нельзя применять оптику с относительным отверстием
более 1 :2.
Следует отметить, что если ограничение по шумам определяется
радиационными шумами, то повышения обнаружительной способности
за счет применения иммерсионной оптики не происходит [2].
Трудности осуществления оптического контакта между линзой и
фоточувствнтельным элементом в реальных фотоприемниках не позво-
ляют полностью реализовать возможный энергетический выигрыш, по-
лучаемый за счет оптического усиления. Например, при применении
иммерсионной линзы из материала с высоким значением коэффициента
преломления (например, из германия, для которого п=4), энергетиче-
ский выигрыш будет определяться показателем преломления не линзы,
а среды с наименьшим показателем преломления, т. е. склеивающей
иммерсионной прослойкой (п=2,5-^-3,2), так как излучение, попадающее
на границу германиевая линза — иммерсионная прослойка под углом,
превышающим угол полного отражения, не достигает поверхности фо-
точувствптельного элемента. В данном случае оптические характеристи-
ки иммерсионного фотоприемника могут быть улучшены не только пу-
тем увеличения коэффициента преломления склеивающей прослойки, но
и путем уменьшения ее толщины.
Материалы, применяемые в качестве оптических эле-
ментов (табл. 1.1). Материал, используемый для изготов-
ления оптических элементов фотоприемников, должен об-
ладать максимальным пропусканием в рабочей части
спектра, быть достаточно прочным и хорошо обрабаты-
ваться, иметь термический коэффициент расширения,
близкий к соответствующему коэффициенту материала, с
которым он соединяется в процессе изготовления фото-
приемника; допускать вакуумно-плотное соединение с эле-
ментами конструкции,- быть достаточно стабйльным по
своим свойствам и недорогим, достаточно устойчивым к
воздействию факторов внешней среды.
Имеется большое количество различных материалов,
пригодных для использования в качестве оптических эле-
ментов фотоприемников. Однако многие из них из-за своих
физических свойств могут использоваться только в лабо-
раторных условиях, так как они не обладают достаточной
твердостью, прочностью, химической устойчивостью и вла-
гостойкостью. Другие материалы сложны в изготовлении
или могут быть получены только в небольших количест-
24
Таблица 1.1. Основные характеристики наиболее
распространенных материалов для оптических элементов
Материал Рабочий диапазон пропускания, мкм Средний пока- затель прелом- ления Т емпература размягчения, °C
Боросиликатные опти- 0,3—2,7 1,48 500—640
ческие стекла
Плавленый кварц 0,1—5,0 1,43 1500—1996
Трехсернистомышьяко- 1,5—10 2,4 190—200
вистое стекло
Сапфир 0,3—6 1,67 2030
Титанат стронция 0,7—6,5 2,21 —
Теллурид кадмия 0,9—15 2,6 1092
Сульфид кадмия 1,0—14 2,27 1475
Селенид циика 0,5—22 2,4 1520
Арсенид галлия 0,9—11 3,3 1237
Германий п-типа 2,0—23 4,0 936
Кремний 1,5—15 3,42 1412
Антимонид индия 6,5—30 4,0 525
Иртран-1 0,5—9- 1,34 1395
Иртран-2 0,4—14,5 2,2 800 •
Иртран-3 0,4—11,5 1,39 1633
Иртраи-4 0,5—22 2,4 —
Иртран-5 0,4—9,5 1,66 -—-
Иртран-6 0,9—31 2,68 —
вах, или необычно дороги для массового использования.
Подробный анализ свойств оптических материалов приве-
ден в [10, 11, 16], поэтому далее остановимся только на
свойствах основных, наиболее распространенных матери-
алов.
Наиболее широко применяются специальные сорта
стекла, природные и синтетические кристаллы, полупро-
водниковые материалы, керамика, пластмассы и т. д.
Обычные оптические стекла пропускают излучение
только до 2,7 мкм. У кронов граница пропускания лежит
около 2,6 мкм, а у флинтов — около 2,7 мкм. Силикатные
стекла (кроны) обладают небольшим показателем пре-
ломления и повышенным коэффициентом дисперсии. Они
тх гоп.тавки и допускают использование при температурах
600—700 °C.
---Для расширения области пропускания в некоторых
стеклах окись кремния заменяется другими окислами
(GeO2, ТеО2 и др.). К этим стеклам относятся германат-
ные (GeO2), прозрачные до 6 мкм и устойчивые до 450 °C,
теллуритовые (ТеО$, прозрачные также до 6 мкм и раз-
мягчающиеся при температуре 450 °C.
25
Сравнительно новыми стеклообразными материалами
являются полупроводниковые халькогенидные стекла
(бескислородные сплавы селенидов, сульфидов и теллури-
дов мышьяка, сурьмы, висмута, таллия, фосфора), напри-
мер мышьяковистое трехсернистое стекло (As2S3), проз-
рачное до 11 мкм, и др. Их недостатком является легко-
плавкость (температура размягчения 140—220°C).
Широко применяются также кварцевые стекла, пропу-
скающие излучение до 5 мкм. Показатель преломления
кварца при изменении длины волны излучения от 0,5 до
5 мкм изменяется примерно от 1,55 до 1,4. Температура
размягчения кварца выше 1500 °C. Стекла и кварц
благодаря своим хорошим оптическим и механиче-
ским свойствам являются очень удобным материалом для
изготовления защитных и входных окон, фильтров и дру-
гих элементов.
Для изготовления вакуумно-плотных корпусов фото-
приемников, сосудов Дьюара и входных окон приемников,
работающих в коротковолновой части спектра, наиболее
широко используются легкоплавкие стекла (с температу-
рой размягчения до 500—580°C) следующих марок: бари-
товое стекло С-90-1, доломитовые стекла С-89-2 и С-85-5,
свинцовое стекло С-88-4, боросиликатные стекла С-48-1 и
С-49-1, а также тугоплавкие стекла (с температурой раз-
мягчения более 580 °C) следующих марок: боросиликат-
ные стекла С-47-1, С-40-1, С-39-1 (нонекс), блюмосиликат-
ное стекло С-37-1, жаростойкое стекло П-15 (пирекс). Из
кварцевых стекол наиболее широкое распространение по-
лучили прозрачное стекло С-6-1, особо чистые стекла ти-
пов I и II, оптические стекла КВ и КИ [10].
Для изготовления оптических элементов фотоприемников, работаю-
щих в средневолновой и длинноволновой областях спектра, наиболее
широко используются кристаллические оптические материалы (поварен-
ная соль NaCl, сильвин КС1, флюорит CaF2, природный кварц SiO2,
слюда (мусковит), природный сапфир А12О3, периклаз MgO, фтористый
литий LiF, фтористый стронций SrF2, бромистый калий КВг, бромистый
таллий Т1Вг, бромистый таллий — йодистый таллий (KRS-5), бромистый
таллий — хлористый таллий (K.RS-6), бромистое серебро — хлористое
серебро (KRS-13), лейкосапфир, титанат стронция SrTiO3 и др.).
Достоинством кристаллических материалов является очень большое
многообразие их свойств и характеристик. Для них характерна высокая
прозрачность в широком диапазоне спектра [2, 11].
Широко применяются кристаллы полупроводниковых элементов:
германия, кремния, карбида кремния, теллурида кадмия, антимонида
индия и др. Большинство полупроводников прозрачно в коротковолно-
26
вой области спектра, но они обладают высоким пропусканием и в длин-
новолновом диапазоне спектра (до 30 мкм и более). Для полупровод-
ников характерны высокие значения показателя преломления (напри-
мер, для германия п— 4,0, для кремния п=3,4-^3,6), что позволяет
использовать их для изготовления иммерсионных линз.
В последние годы все более широкое применение в качестве опти-
ческих элементов фотоприемников, работающих в средневолновой и
длинноволновой областях спектра, находят поликристаллические со-
единения группы элементов AnBIV (керамические оптические материа-
лы типа КО-2 и иртран). Эти материалы обладают высокой механиче-
ской прочностью, работают в широком диапазоне температур.
Из всего многообразия кристаллических материалов наиболее ши-
рокое применение при изготовлении оптических элементов фотоприем-
нпков получили лейкосапфнр, германий, кремний, титанат стронция,
оптическая керамика КО-2.
Применение пластмасс для изготовления оптических элементов зна-
чительно упрощает и удешевляет их производство. Ценным качеством
пластмасс является возможность изготовления из них дешевой асфери-
ческой оптики с применением горячего прессования. Однако пластмассы
обладают высоким пропусканием только в коротковолновой области
спектра (до 2—3 мкм). Тонкие пленки из пластмасс (полистирол, поли-
трифторхлорэтнлен, метилметакрилат) хорошо пропускают излучение
в видимой и коротковолновой частях спектра (до 4 мкм), а пленки по-
лиэтилена толщиной менее 0,1 мм прозрачны до 15—20 мкм. Значи-
тельным преимуществом пластмасс является возможность изменения
их пропускания в определенном диапазоне спектра путем введения в их
состав красящих добавок. Пластмассы применяются для изготовления
защитных окон и фильтров фотоприемников, работающих в ограничен-
ном диапазоне температур.
1.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ПОЛУПРОВОДНИКАМИ
При падении оптического излучения на полупроводник
имеются те же виды взаимодействия (отражение, погло-
щение и пропускание), что и при соприкосновении с лю-
бой другой средой (см. § 1.3). При конструировании при-
емников излучения для правильного выбора необходимого
полупроводникового материала и его геометрических раз-
меров нужно знать количественные характеристики каж-
дой составляющей процесса взаимодействия излучения с
полупроводниками.
Не излагая физические процессы взаимодействия излу-
чения с полупроводниками, объясняемые на основе зон-
ной теории твердого тела (этот вопрос рассмотрен в [17,
18]), остановимся только на отдельных положениях и
27
фактических данных, необходимых в практике конструи-
рования фотоприемников.
Отражение излучения от поверхности полупроводника. При нор-
мальном падении плоской электромагнитной волны на границу вакуума
с поверхностью полупроводника значение коэффициента отражения R
определяется значениями показателя преломления п и коэффициента
экстинкции k полупроводника [30]:
[ (П-1 )^] /[ (П-1-1) 2_|_*2] . (1.4)
При (что обеспечивается для большинства полупроводни-
ков), т. е. для областей спектра, где коэффициент экстинкции мал по
сравнению с главным показателем преломления, уравнение (1.4) прини-
мает вид:.
R« = (п-1) 2/(n-J-1) 2. (1.5)
Иногда формулу (1.5) используют для определения главного пока-
зателя преломления, приняв за основу измерения только коэффициент
отражения излучения при угле падения, близком к нормальному.
Коэффициент отражения поляризованного излучения имеет мини-
мум при угле отражения, равном углу Брюстера <рБ =arctgn [16], где
п — показатель преломления. В этом случае отраженный луч перпенди-
кулярен преломленному лучу. Это явление используется при изготовле-
нии фоточувствительных элементов приемников для регистрации лазерт
иого излучения, когда размер фоточувствительного элемента ограничен.
При этом заднюю поверхность элемента выполняют в виде призмы. Так
как критический угол для полного внутреннего отражения, например
в германии, составляет <ркр=90—76=14° (<рв=76<!), то легко создать
условия, когда прошедшее через переднюю поверхность элемента излу-
чение испытывает затем полное внутреннее отражение от задней стенки
и боковых граней. Таким путем можно увеличить эффективную толщину
кристалла примерно в 3 раза.
Выражения (1.4) и (1.5) применимы для расчета коэффициента
отражения «бесконечно толстой» пластины полупроводника [19]. Для
пластины полупроводника конечной толщины d при нормальном паде-
нии излучения коэффициент отражения приводится -к вн/fy
sh5 (l/2a'd) + sin5 й
R sh5 (l/2a'd-f-у) + sins (5у) ’
где а'=4л/г/2.— коэффициент поглощения; у= in у 1 7?^; 6=2nnd/X —
сдвиг фаз.
Поглощение излучения полупроводниками. В соответствии с зако-
ном Бугера поток излучения в полупроводнике убывает по закону
Ф=Фоехр(—ad), (1.6)
где Фо — поток излучения на поверхности полупроводника; а — коэф-
фициент поглощения; d — толщина образца. Величина, обратная коэф-
28
фициенту поглощения, определяет глубину, на которой значение лучи-
стого потока, проходя через толщу полупроводника, уменьшается
в е раз.
У полупроводниковых веществ наблюдается пять основных видов
поглощения излучения: собственное, примесное, экситонное, свободными
носителями и решеткой. Вид поглощения и определяет спектр поглоще-
ния полупроводника.
Собственное поглощение. Если при поглощении полупро-
водником кванта энергии излучения электроны валентной зоны приоб-
ретают дополнительную энергию, превышающую или равную ширине
запрещенной зоны (hv^Eg), и переходят в зону проводимости, то та-
кое поглощение называют собственным или фундаментальным. Если
энергия фотонов меньше ширины запрещенной зоны, то коэффициент
поглощения в собственном полупроводнике равен нулю и излучение
проходит через него без затухания.
Длинноволновая граница поглощения полупроводника при собст-
венной проводимости определяется как край собственного поглощения:
%rp = hc/Eg=\,24Ee,
где 7.гр измеряется в микронах, а Ее — в электрон-вольтах; h — по-
стоянная Планка; с — скорость света.
Следует отметить, что фотопроводимость наблюдается не во всей
области длин волн, где Z<Zrp, а только в ее длинноволновой части.
Максимум чувствительности находится вблизи края полосы собствен-
ного поглощения полупроводникового материала. Вследствие возраста-
ния коэффициента оптического поглощения с уменьшением длины вол-
ны уменьшается глубина проникновения излучения в полупроводник.
Значительная часть этого излучения поглощается в приповерхностном
слое, характеризующемся более высокой скоростью рекомбинации но-
сителей заряда, приводящей к уменьшению времени их жизни. В ре-
зультате этого с уменьшением длины волны происходит уменьшение
чувствительности фотоприемника. В силу указанного обстоятельства все
фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают селектив-
ной (по длине волны) чувствительностью.
Примесное поглощение излучения. Оптическое по-
глощение, обусловленное ионизацией или возбуждением примесных
центров в кристалле, называется примесным. В этом случае электрон
переходит от атома примеси в зону проводимости, или из валентной
зоны на уровни примеси, или с одного примесного уровня на другой.
При примесной фотопроводимости длинноволновая граница опреде-
ляется типом введенной примеси:
XrP<l,24/AE'i или ?1гР<1,24/ЛЕ2,
где ДЕ1, ДЕ2— соответственно энергия активации донорной и акцептор-
ной примесей. Значения ДЕ) и ДЕ2 для германия и кремния приведены
29
Зона проводимости
°’ f35 0,074 0'0300,063
Ll P Sb fls
/)Ц
Зона .проводимости
In
к Hl 6a opo
0,06б0,057°'065 I
,x 1..LL
Zn
<7,л
0,35
0,03
Валентная зона в)
Рис. 1.8. Энергетические спектры германия (а) и кремния (б)
10°'—————————Ь—f
0 12 3 6 5 6 7 Л, мкм
Рис. 1.9. Спектральная фото-
проводимость германия
на рис. 1.8 в виде расстояния при-
месных уровней от соответствующих
зон полупроводника, выраженного в
электрон-вольтах.
Спектральная характеристика
примесной фотопроводимости сдвину-
та относительно собственной (беспри-
месной) в сторону больших длин
воли. Вследствие меньшей концент-
рации атомов примесей по сравнению
с концентрацией атомов основного
материала примесное поглощение, а
следовательно, и примесная фотопро-
водимость, существенно ниже фотопроводимости собственного полупро-
водника (рис. 1.9).
Роль других видов поглощения излучения в полупроводниках в уве-
личении их фотопроводимости менее значительна [18, 20].
ГЛАВА ВТОРАЯ
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИЕМНИКАХ ИЗЛУЧЕНИЯ
При повышении температуры в результате теплового
возбуждения или вследствие эффекта поглощения излуче-
ния появление в полупроводнике свободных носителей заря-
да приводит к изменению (увеличению) его проводимости.
30
При приложении к такому полупроводнику внешнего элек-
трического поля в нем потечет электрический ток. При этом
электроны будут двигаться против поля и создавать
электронный ток 1п, дырки — по направлению поля и со-
здавать дырочный ток Iv.
Между атомами примесей, электронами, дырками и кри-
сталлической решеткой происходит постоянный обмен
энергией. Процесс исчезновения свободных электронов и
дырок называется рекомбинацией, а среднее время сущест-
вования возбужденных носителей — временем жизни. При-
ращение проводимости полупроводника наблюдается
только в течение времени жизни носителей.'
Процессы рекомбинации могут происходить по-разно-
му— путем прямых переходов или через промежуточные
энергетические состояния, находящиеся в запрещенной
зоне и называемые ловушками или центрами захвата.
В полупроводнике могут возникать дрейфовый и диффузионный
токи. Дрейфовый ток возникает в полупроводнике с однородной по
всему объему концентрацией носителей при приложении к нему внеш-
него электрического поля. Плотность этого тока пропорциональна на-
пряженности электрического поля Е и концентрации носителей заря-
да (п, р):
/др п—епрпЕ, /дрр~ерррЕ.
Если концентрация носителей заряда в объеме полупроводника не-
равномерна, то даже при отсутствии внешнего электрического поля
в полупроводнике возникают токи диффузии, плотности которых при
наличии градиента электронов или дырок равны:
/диФ п== cDndnldx, /диф р 12—eD pdpfdx,
где dn/dx, dp/dx — градиент концентрации соответственно электронов
и дырок в объеме полупроводника в направлении х.
Средняя длина диффузии носителей заряда от места их образова-
ния до места рекомбинации называется диффузионной длиной. Оиа
определяется временем жизни носителей и коэффициентом диффузии:
L — УtnDn или L = VipDp,
где L — диффузионная длина; т„, tp — время жизни носителей заряда
соответственно электронов и дырок; Dn, Dp—коэффициент диффузии
соответственно электронов и дырок.
Коэффициенты диффузии определяются подвижностью носителей
(ц„, Ир) и зависят от окружающей температуры (Г):
Dn—pcnkT/e и Dp = \ipkT/е,
где k — постоянная Больцмана.
31
Полный ток в полупроводнике будет зависеть от того, в каком на-
правлении по отношению к дрейфовому протекает диффузионный ток.
Если направление диффузионного тока совпадает с направлением при-
ложенного внешнего электрического поля, то общий ток равен сумме
дрейфового и диффузионного токов.
Как упоминалось ранее, полупроводники поглощают
оптическое излучение по закону Бугера, определяемому
выражением (1.6). При этом скорость поглощения квантов
излучения в объеме полупроводника
$=aN(d),
где а — коэффициент поглощения; N (d)—интенсивность
потока излучения в полупроводнике на расстоянии d от
его поверхности. Поглощение квантов излучения приводит
к образованию в полупроводнике свободных носителей за-
ряда, скорость образования (генерации) которых может
быть представлена следующим образом:
q(d) =рт]—crrp/V (d) =«т]Л?осхр (—ad),
где т] — квантовая эффективность, характеризующая чис-
ло образовавшихся носителей заряда на каждый погло-
щенный квант излучения; No — интенсивность потока из-
лучения на поверхности полупроводника.
Если ctd-Cl (это обеспечивается для примесных полу-
проводников), то скорость объемной оптической генерации
практически не зависит от толщины полупроводника и тог-
да можно записать
q(d) ^ацЛ'о.
При собственном поглощении все излучение поглощает-
ся практически у поверхности полупроводника (ad^>l).
Однако если толщина полупроводника меньше диффузион-
ной длины (d<^L), то можно считать, что скорость опти-
ческой генерации равномерна по всей толщине: «
q(d) — R)Nold.
Если оптическое излучение сильно поглощается в поверхностном
слое полупроводника, то вблизи него образуется высокая плотность но-
сителей заряда, приводящая к появлению градиента концентрации но-
сителей по глубине полупроводника. В результате этого происходит
диффузия носителей от поверхности в глубь полупроводника. Так как
подвижность электронов выше подвижности дырок, то это приводит
к образованию у поверхности полупроводника области пространствен-
ного положительного заряда и отрицательного заряда в объеме полу-
проводника. Поле этих зарядов оказывает тормозящее действие днф-
32
фундируемым электронам и ускоряющее действие — дыркам. В связи
с этим дрейф носителей в поле будет уменьшать пространственный
объемный заряд.
В равновесном состоянии устанавливается определенный поток
электронов н дырок, и между освещенной и неосвещенной (по глуби-
не) областями образуется фотодиффузионная разность потенциалов
Ud (ЭДС Дембера), значение которой для относительно толстых
образцов определяется по формуле [96]
kT (pn 'i>.p— 1) / /т \ / Q.L’ \
Ud = е(р + ^1.^р) \U + ts Д1 +
где 1 — интенсивность излучения (число квантов излучения, падающих
иа поверхность полупроводников 1 см2 в 1 с; L' •— амбиполярная диф-
фузионная длина; а — коэффициент поглощения; s — скорость поверх-
ностной рекомбинации.
Из этого выражения следует, что фотодиффузионная разность про-
порциональна интенсивности излучения, обратно пропорциональна про-
водимости полупроводника и зависит от разности подвижностей элек-
тронов н дырок и скорости поверхностной рекомбинации на освещен-
ной поверхности.
Уравнение, описывающее процессы генерации и реком-
бинации носителей под воздействием оптического излуче-
ния, записывается для полупроводника с электронной про-
водимостью следующим образом:
d (Дм) /dt—ax\N—dN/dx—\п/х,
где N — число квантов излучения, падающих на полупро-
водник объемом 1 см3 в 1 с; Дп — концентрация неравно-
весных (возбужденных) носителей; т — среднее время жиз-
ни носителей; х— толщина образца.
В установившемся режиме d(^n)/dt — Q, dN/dx=0.
Тогда
ДНуст=СП].\ т,
откуда следует, что стационарная концентрация неравно-
весных носителей, генерируемых под действием оптическо-
го излучения, пропорциональна интенсивности излучения и
среднему времени жизни носителей.
Изменение под воздействием оптического излучения
удельной электропроводности полупроводника, называемое
фотопроводимостью,
ДОст=er] aN (х) цпх.
Если фотопроводимость обусловлена одновременно
электронами и дырками, то
Дост=ет]а(ЕЛф//!г) (цпТп-[-ЦрТр),
3-3274
33
где Е — освещенность (облученность) полупроводника;
Лф — приемная площадь фоточувствительного элемента
(полупроводника), равного 1 см2.
Электропроводность полупроводников изменяется пря-
мо пропорционально изменению интенсивности падающего
излучения только в том случае, когда время жизни носи-
телей не зависит от их концентрации. Это имеется тогда,
когда концентрация неравновесных носителей намного
меньше концентрации равновесных носителей (АПст’СИо)-
Если Лист сравнимо с п0 или больше, то линейная зависи-
мость между Аост и Е нарушается. В большинстве таких
случаев Дост <х ]/7>
2.2. ПРИНЦИПЫ ПРИБОРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЯВЛЕНИЙ
ФОТОПРОВОДИМОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИЕМНИКАХ
ИЗЛУЧЕНИЯ
Во всех фотоприемниках на основе внутреннего фото-
эффекта используется явление фотопроводимости, однако
в зависимости от группы приборов механизм преобразова-
ния оптического излучения в электрический сигнал осу-
ществляется по-разному.
Фоторезисторы представляют собой простейшие струк-
туры- полупроводниковых фотоприемников с одним типом
проводимости. При этом проводимость может быть как
собственной, так и примесной (рис. 2.1). Под воздействием
падающего на них оптического излучения происходит из-
менение (уменьшение) их сопротивления. Включая фоторе-
зистор в замкнутую электрическую цепь, содержащую
внешний источник питания, можно выделить электрический
сигнал (в виде тока или напряжения на сопротивлении
нагрузки), пропорциональный значению облученности (ос-
вещенности) его фоточувствптельной площадки.
Уравнение вольт-амперных характеристик »/O6m=f(G)
фоторезистора имеет следующий вид:
/общ==/т_|_/ф=£/рСт-|-1/ pAG= Ep/Rt-\-^S[,
где 1т, 1ф — соответственно темновой ток и фототок; Up —
напряжение, приложенное к выводам фоторезистора; GT —
темновая проводимость; AG — фотопроводимость; RT — тем-
новое сопротивление фоторезпетора; Ф— поток оптического
излучения, воспринимаемый фоточувствптельной площад-
кой; S, — токовая чувствительность фоторезистора. Урав-
нение представляет собой семейство симметричных относи-
тельно начала координат прямых, ограниченных функцией
34
Рис. 2.1. Энергетические зонные диа-
граммы фоторезисторов:
а — собственных; б — примесных
Рис. 2.2 Семейство вольт-амперных характеристик фоторезисторов
Ррас max = IU, ГДе Ррас max — МЭКСИМЭЛЬНаЯ МОЩНОСТЬ, рЭС-
сеиваемая фоточувствительным элементом (рис. 2.2).
Связь чувствительности фоторезисторов с их конструктивными па-
раметрами, определяемыми конструктивно-технологическими особенно-
стями, может быть выражена следующими уравнениями [20]:
а) для фоторезисторов с собственной проводимостью и равномер-
ной генерацией носителей в толще полупроводника (ad<Cl):
с е -л т Г (1 । \ 1 d и-
si, = 77 plV 1 + pj] ’
б) для беспримесных фоторезпсторов с неравномерной генерацией
носителей по объему полупроводника:
е (1 + Pj/P,.) LdJ
Sh = Hc ~ ₽>-) ~ (L + st) !2
при сф>£, ad^> 1 и 1;
{Л sh (i L) -У <т 'ch (' Л)—11} (Л 4-st) .
S/,= S/, (Лг + зЧ )sh(/ Z.) 4-2Zst ch (/, Z.) np!I d=!:L‘
d (L + st)
= S/i £ [2st d (1 $гтг/£г)1 ПрИ d L’
rjig 1$ — длина фоточувствительного элемента; s — скорость поверхност-
ной рекомбинации. Обозначение остальных величин упоминалось ранее.
Фотодиоды представляют собой монолитную полупро-
водниковую структуру, содержащую две области с различ-
ными типами проводимости (п- и p-типа). На границе этих
областей образуется область объемного пространственного
заряда (положительный потенциал в полупроводнике п-ти-
3* 35
Рис. 2.3. Энергетическая зоииая диа-
грамма фотодиода:
а — необлученный фотодиод; б — фотоди-
од облучен по обе стороны от p-zi-nepe-
хода
па и отрицательный в полу-
проводнике p-типа), называе-
мая р-п-переходом, которая об-
ладает выпрямляющими свой-
ствами. При освещении фото-
диода в обеих областях обра-
Р П
зуются пары носителей заряда. При этом дырки из «-обла-
сти полем пространственного заряда переносятся в р-об-
ласть, а электроны — из р-областп в /г-область, т. е.
р-/г-переход осуществляет пространственное разделение
носителей заряда, возникших вследствие оптической гене-
рации (рис. 2.3). Разделенные носители заряда уменьшают
объемный пространственный заряд и создают между п- и
p-областями разность потенциалов, т. е. при освещении
фотодиод становится источником ЭДС.
Направление токов, протекающих в различных обла-
стях фотодиода и во внешней цепи, показаны на рис. 2.4.
При отсутствии внешнего электрического поля (рис. 2.4,а)
Рис. 2.4. Работа р-п-перехода в равновесном состоянии (о) и при при-
ложении к нему напряжения в прямом (б) и обратном (в) направле-
ниях
диффузионный ток основных носителей уравновешивается
дрейфовым током неосновных носителей и ток во внешней
цепи равен нулю. При приложении к р-п-переходу внеш-
него электрического поля в прямом направлении
(рис. 2.4,6)' высота потенциального барьера и ширина об-
ласти пространственного заряда снижаются. Число носите-
36
лей заряда, преодолевающих потенциальный барьер, увели-
чивается, и ток основных носителей заряда через р-п-пере-
ход возрастает.
При определенном значении обратного смещения диф-
фузионный ток основных носителей становится равным ну-
лю (рис. 2.4,6). Во внешней цепи протекает только неболь-
шой обратный ток, образованный неосновными носителями:
А === /лр-р/рп.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) неосвещенного
фотодиода приведена на рис. 2.5 (кривая /), а ее матема-
тическая запись имеет следующий вид:
I== Inir\-Ipp—Inp—Ipn== Is [exp (ellIkT) — 1],
где U — напряжение, приложенное к р-п-переходу.
Вольт-амперная характеристика освещенного фотодио-
да (кривая 2) выражается следующим образом:
1—1ф—Is[exp(eU/kT) — 1]
— для фотовольтаического режима работы (когда во внеш-
ней цепи отсутствует источник питания),
1=I*-h [exp (е (IRH-U)/kT) -1 ]
— для фотодиодного режима (когда к фотодиоду приложе-
но обратное смещение внешнего источника напряжения).
В этих выражениях /ф — фототок; /Ф=ф5/ (S, — токо-
вая чувствительность; Ф — по-
ток излучения). z‘ Lz
Из рис. 2.5 следует, что по-
ложение рабочей точки фото-
диода в зависимости от режи-
ма работы может выбираться
в широком диапазоне возмож-
ных значений напряжений сме-
щения. Если фотодиод нагру-
жен на высокоомную нагруз-
ку (рабочая точка А), паде-
ние напряжения на фотопрп-
емнике соответствует режиму
разомкнутой цепи. Работа в
режиме низкоомной нагруз-
ки соответствует рабочей
точке В, при этом ток равен току короткого замыкания.
При подаче на переход обратного напряжения смещения
(рабочая точка С) фотодиод является высокоомным эле-
ментом и напряжение сигнала снимается с нагрузочного
37
Рис. 2.5. Вольт-амперная ха-
рактеристика фотодиода
сопротивления, включенного последовательно с фотопрйеМ-
ником.
При подаче на фотодиод прямого смещения фототок
становится слаборазличимым на фоне большого прямого
тока основных носителей.
По сравнению с фоторезнсторами фотодиоды обладают
рядом преимуществ:
большей обнаружительной способностью (в 2 раз)
при работе в режиме, ограниченном флуктуацией излуче-
ния фона (режим ОФ);
меньшей (на несколько порядков) постоянной времени;
значительно меньшим изменением фотоэлектрических
параметров при колебаниях рабочей температуры р-н-иере-
хода фотодиода;
значительно большим динамическим диапазоном.
Фотодиоды с поверхностным потенциальным
барьером (фотодиоды Шоттки). Обычные диффузионные
фотодиоды имеют низкую чувствительность к коротковолновому (уль-
трафиолетовому и фиолетовому'
Металл Чолупроводнак
Рис. 2.6. Зонная диаграмма
фотодиода с барьером Шот-
тки
излучению (вследствие ее резкого
спада на коротких длинах волн из-
за сильного поверхностного поглоще-
ния излучения) и совсем нечувстви-
тельны к излучению с длиной волны,
большей ХГр, определяемой шириной
запрещенной зоны полупроводниково-
го материала. В определенной степе-
ни отмеченных недостатков лишены
фотодиоды, у которых потенциальный
барьер образуется не в толще полу-
проводника, а на его поверхности.
Такие фотодиоды получили название
поверхностно-барьерных или фото-
диодов Шоттки.
Смещение потенциального барь-
ера на поверхность полупроводника
приводит к тому, что все коротковолновое излучение, поглощаемое
в поверхностном слое, по существу поглощается в области объемного
заряда, что обеспечивает увеличение фототока в коротковолновой
области.
Барьер Шоттки образуется путем напыления в сверхвысоком ва-
кууме на слон полупроводника тонкого полупрозрачного слоя металла.
Зонная диаграмма фотодиода Шоттки показана на рис. 2.6.
Электроны, уходя нз зоны проводимости полупроводника и поверх-
ностных состояний в металл, образуют обедненную ими область объем-
ного заряда. Потенциальный барьер создастся за счет искривления
38
энергетических зон полупроводника в месте контакта его с металлом,
т. е. на поверхности полупроводника.
Фототок в таком фотодиоде образуется как за счет межзоииых пе-
реходов электронов в полупроводнике, так н вследствие фотоэмиссии
электронов из металла в полупроводник над потенциальным барьером
<[в. При этом ток фотоэмиссип возникает даже тогда, когда hv<Ee. До-
статочно, чтобы выполнялось условие /iv><ps. При этом решающий
вклад в фототок вносят электронно-дырочные пары, возбуждаемые
в полупроводнике в пределах диффузионной длины от обедненного
слоя. Фототок вследствие межзонных переходов на два порядка боль-
ше тока фотоэмиссии.
Наличие в фототоке составляющей тока фотоэмиссни позволяет при
соответствующем выборе типа металла, наносимого на полупроводник,
получить чувствительность к излучению, длина волны которого превы-
шает границу внутреннего фотоэффекта полупроводника. Например,
кремниевые фотодиоды с барьером Шоттки при использовании в каче-
стве металлической пленки золота могут иметь чувствительность до
3—4 мкм. Длинноволновая граница таких фотодиодов определяется
только значением потенциального барьера.
Фотодиоды на основе обычных р-/г-переходов с разме-
ром фоточувствптельной площадки в несколько квадрат-
ных миллиметров обладают недостаточно высоким быстро-
действием (постоянная времени не более 10~5—10“6 с),
ограничивающим их применение в широкополосных систе-
мах обработки информации (лазерные дальномеры и лока-
торы, волоконно-оптические линии связи и др.). В сущест-
венной степени постоянную времени фотодиодов при малом
их последовательном сопротивлении можно снизить путем
создания в них р - i- п - с т р у к т у р ы. Последняя создает-
ся за счет образования сильнолегированных р- и н-областей
с двух сторон пластинки из высокоомного полупроводнико-
вого материала с собственной проводимость!®, имеющего
сопротивление в 106—10s раз больше сопротивлений /г- и
р-областей.
При приложении к области с собственной проводи-
мостью (t-область) обратного напряжения смещения, со-
здающего достаточно высокую напряженность электриче-
ского поля, область пространственного заряда растягивает-
ся на всю ширину i-области, и в ней происходит увеличение
скорости дрейфа носителей заряда, образовавшихся под
действием света.
Время пролета носителей т, определяющее постоянную
времени фотодиода, со скоростью их дрейфа (нДР) связано
39
следующей зависимостью:
т=щ/с'др,
где w — толщина /-области.
Это время в р-/-п-фотодиодах значительно меньше вре-
мени пролета в обычных р-п-фотодиодах, в которых имеется
диффузия носителей [5]:
т . Т]
pin akT.e см’
где исы — напряжение смещения фотодиода; п=2з-8— по-
стоянный коэффициент. Как было сказано ранее, п- и р-об-
ласти имеют малые сопротивления, что обеспечивает низ-
кое последовательное сопротивление фотодиода, а большая
(по сравнению с п- и p-областями) толщина /-области
определяет его низкую емкость, так как
Сфд = Sp-n esjw,
(Sp.n — площадь перехода), и обеспечивает оптимальные
условия для поглощения излучения в объеме поле провод-
ника, способствующие повышению чувствительности фото-
диода.
Недостаточная чувствительность обычных фотодиодов
может быть улучшена путем применения лавинных фо-
тодиодов, обладающих лавинным усилением фототока,
протекающего через освещенный р-н-переход. Механизм
работы таких фотодиодов основан на использовании лави-
нообразного нарастания числа носителей заряда, образую-
щихся вследствие ударной ионизации в области объемного
заряда, ширина которой превышает длину свободного про-
бега неосновных носителей заряда. Необходимая энергия
для возбуждения решетки неосновными носителями, втя-
гиваемыми в область перехода, достигается путем создания
в области р-п-перехода соответствующей напряженности
электрического поля.
Коэффициент лавинного умножения может быть опре-
делен из выражения
М=1/[1-(Пс.3/Пл.п)“],
где ио,3 — напряжение, падающее на объемном заряде;
Un.n — напряжение лавинного пробоя; а—постоянный
коэффициент (его значение в зависимости от типа полупро-
водника может изменяться от 1.2 до 4)
Уравнение вольт-амперных характеристик лавинного
фотодиода имеет следующий вид:
J —__________!±._______,
40
Где /ф — фототок в безлавинном режиме; U„„T — напряже-
ние источника питания.
Усиление фототока может достигаться также в струк-
турах с двумя р-д-переходами, на основе которых создают-
ся фототранзисторы. Один из р-д-переходов фото-
транзистора включен в прямом направлении, второй — в
обратном (рис. 2.7). Так как база в фототранзисторе, ра-
ботающем в пороговом режиме, как правило, к схеме не
подключена (фототранзистор с плавающей базой), то, хотя
эмиттерный переход включен в прямом направлении, ток
через этот переход очень мал. Это происходит вследствие
Рис. 2.7. Схема включе-
ния фототранзистора (а)
и его зонная диаграм-
ма (б)
того, что объемный положительный заряд на этом перехо-
де препятствует проникновению в базу дырок. При осве-
щении базы в ней возникают пары носителей. Дырки сво-
бодно переходят в коллекторную область, а электроны
остаются в базе и понижают положительный потенциал
объемного заряда эмиттерного перехода. Это приводит к
резкому увеличению инъекции дырок из области эмиттера
в базу. Так как толщина последней меньше диффузионной
длины, то вся основная масса этих дырок перемещается
полем пространственного заряда коллекторного перехода
в коллекторную область. Это приводит к резкому увели-
чению тока коллектора, который возрастает зя счет этих
дырок в значительно большей степени, чем за счет дырок,
образованных непосредственно под действием излучения
на базу.
Ток коллектора фототранзистора определяется по фор-
муле
1к=В (Д-|-/ф),
где В = (1— 3) • 102 — коэффициент усиления.
В заключение рассмотрим принцип действия
МДП-структур, на основе которых в настоящее время
создается ряд перспективных видов фотоприемников.
Структура МДП — это структура, состоящая из трех
41
различных по степени электрической проводимости обла-
стей (металл — диэлектрик — полупроводник), находящих-
ся в определенной последовательности в непосредственном
контакте друг с другом (рис. 2.8).
Наличие на поверхности полупроводника большого чис-
ла структурных дефектов вызывает появление дополни-
тельных, локализованных па поверхности полупроводника,
Рис. 2.8. МДП-структура:
1 — металл; 2 — окисел; 3 — по-
лупроводник; 4 — обедненная
область
а также на поверхности и в объеме диэлектрика состояний,
которые в зависимости от степени сродства к электрону и
дырке и положения уровня Ферми на поверхности могут
проявлять себя как донорные или акцепторные ловушки
захвата или рекомбинационные ловушки носителей заряда.
При наличии донорных состояний поверхность полупро-
водника заряжается положительно, при наличии акцептор-
ных состояний — отрицательно. Эти состояния образуют
поверхностный заряд Qss. При этом учитывается только
заряд быстрых состояний, так как заряд медленных по-
верхностных состояний не успевает рассасываться за вре-
мя процессов, протекающих в реальных приборах, и влия-
ние этих состояний можно не учитывать [21].
Наличие поверхностного заряда Qss приводит к измене-
нию электрического поля как в окисле, так и в полупро-
воднике. При термодинамическом равновесии в приповерх-
ностной области в присутствии заряда на поверхностных
состояниях электронейтральность обеспечивается тем, что
электрическое поле, вызванное зарядом Qss, приводит к
перераспределению подвижных носителей заряда в припо-
верхностной области полупроводника, в результате чего в
ней возникает пространственный заряд Qsc, равный по
значению и противоположный по знаку заряду, накоплен-
ному на поверхностных состояниях [21].
Появление избыточных носителей в слое пространствен-
ного заряда приводит к изменению проводимости слоя..
Возникающий двойной электрический слой экранирует
объем полупроводника от действия поля заряда Qss. По-
верхностный заряд приводит к изменению'энергетических
состояний полупроводников на границе раздела, а следо-
вательно, к изменению проводимости приповерхностного
слоя.
42
Возможные состояния МДП-структуры показаны на
рис. 2.9 с помощью зонных диаграмм, а также графиков
распределения плотности заряда и электрического по-
ля [22].
Состояние обогащения (рис. 2.9,а). Для этого режима
характерен изгиб вниз границ энергетических зон у поверхности полу-
проводника п-типа. С этим связано появление в узком обогащенном
слое объемного заряда Qsc вследствие увеличения концентрации электро-
Рис. 2.9. Возможные состояния МДП-структчры:
Ес — энергетический >ровснь зоны проводимости; Еь — то же валентной зоны
нов на поверхности. Режим обогащения в приповерхностной области
полупроводника может быть получен путем приложения внешнего поля,
притягивающего электроны к поверхности. В режиме обогащения тип
проводимости обогащенного слоя остается таким же, как и у остально-
го объема полупроводника, однако значение проводимости увеличи-
вается
Состояние обеднения (рис. 2.9,6). В режиме обеднения
границы зон у поверхности изгибаются вверх. Концентрация электронов
у поверхности ниже, чем в объеме. Появляется связанный положитель-
ный заряд QB, обусловленный вонами легирующей примеси.
43
Суммарный заряд, накопленный в обедненной области при условии
четкого отделения последней от остального объема полупроводника и
одномерного представления электрического поля,
<2в=е1Удхй, (2.1)
где Nn — концентрация донорных атомов; xd — толщина обедненной
области.
С учетом принятых допущений можно написать следующее соотно-
шение для распределения электрического поля:
E=—QB[s&, (2.2)
где еа — абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника.
Знак минус указывает на то, что составляющая вектора электри-
ческого поля направлена в сторону металлического затвора (обратную
направлению оси х).
Для получения режима обеднения приповерхностного слоя может
использоваться также внешнее электрическое поле.
Состояние инверсии (рис. 2.9,в). При увеличении степени
обеднения приповерхностного слоя, уже h:iхолящегося в состоянии
обеднения, может наступить момент, когда проводимость поверхности
становится собственной. При этом уровень Ферми на поверхности по-
лупроводника ЕР станет равным уровню Ферми собственного полупро-
водника Ei. По мере дальнейшего изгиба зон уровень Et вблизи по-
верхности становится выше уровня Ер и концентрация дырок превы-
шает концентрацию электронов. В этом случае поверхность имеет про-
тивоположный по сравнению с подложкой тпп проводимости. Такое
состояние поверхности полупроводника называют инверсным.
В этом случае напряженность поля в полупроводнике
£=-(<2в—Qr)/ea, (2.3)
где Qi — подвижный заряд в инверсной области, отнесенный к едини-
це площади; Qb— связанный заряд ионизированных атомов примеси.
Как уже говорилось ранее, образование состояний обо-
гащения, обеднения или инверсии поверхностного слоя мо-
жет быть получено при приложении к МДП-структуре
соответствующей разности потенциалов. Каждому состоя-
нию поверхности МДП-структуры соответствует определен-
ное значение суммарной емкост (рис. 2.10). Существен-
ную роль в формировании емкостных свойств МДП-струк-
туры играет окисел. Емкость окисла определяется из
выражения
Сок Гок.а/л.'К, (2.4)
где Еок.а — абсолютная диэлектрическая проницаемость
окисла; хок — толщина окисла.
44
В режиме обогащения суммарная емкость МДП-струк-
туры всецело определяется емкостью окисла (рис. 2.10).
Когда к затвору приложено напряжение, достаточное для
образования обедненной области, суммарная емкость зат-
вор — подложка представляет собой последовательное со-
единение емкостей окисла Сок и обедненного слоя С0.с:
I/C^I/Cok+1/Co.c (2.5)
При расширении обедненной области емкость С0.с
уменьшается, что приводит к уменьшению суммарной емко-
сти. При образовании инверсного слоя изменение ширины
Рис. 2.10. Зависимость суммарной емкости от напряжения на затворе
обедненного слоя прекращается и емкость Со.с при даль-
нейшем увеличении напряжения на затворе больше не
уменьшается.
Реально только часть индуцированного в полупровод-
ник внешним полем заряда Qsc участвует в создании по-
верхностной проводимости, другая часть, т. е. Qss, захва-
тывается на поверхностные состояния. Тогда
Синд Сок Сск== zE Qsr И-Qss- (2.6)
При переходе из режима обогащения в режим обедне-
ния энергетические уровни полупроводника и диэлектрика
вытягиваются горизонтально до самой поверхности. Это
означает, что поле в полупроводнике отсутствует и, следо-
вательно, плотность объемного заряда равна нулю, т. е.
подвижные носители заряда в подложке полностью урав-
новешивают заряд примесных атомов. Аналогично заряд
поверхностных состояний Qss равен нулю, и энергетиче-
ские зоны в окисле проходят горизонтально (рис. 2.11,с).
Практически это условие не осуществимо при Сз =0, так
как в МДП-структурах существенную роль играют работы
выхода с уровня Ферми металлического электрода и кри-
сталла полупроводника в зону проводимости диэлектрика.
45
Рис. 2.11. Влияние связанного заряда в окисле на изгиб энергетиче-
ских зон
Соответствующие потенциальные барьеры срм и ср,, показа-
ны на рис. 2.11,6 при плоских зонах и отсутствии заряда в
окисле.
Обедненный слой, образуемый при приложении соответствующего
напряжения к затвору между поверхностью и объемом полупроводни-
ка, аналогичен обедненному слоя р-н-перехода. В соответствии с этим
ширина обедненной области лд может быть определена нз выраже-
ния [22]
= (2е;.с.а|~:фв|/е’Л'пр)1/2, _ (2.7)
где Л'пр — концентрация примеси.
Заряд, который можно сконцентрировать гри этом в обедненной
области,
Qo.c= (2бо.с,аС\ гр I ЩЦ s !) "2. (2.8)
Для создания инверсии необходимо на затвор подать соответствую-
щее пороговое напряжение U3 .иОр, которое складывается из напряже-
ния, необходимого для обеспечения условия плоских зон, плюс изгиб
зон для обеспечения условия сильной инверсии, плюс напряжение, не-
обходимое для удержания заряда Q0.c в обедненной области [22]:
63 пор = б'з + <?S Qo.c/Сок — ?М Г1 <fs Qss/CoK Qo.o Сок- (2.9)
При этом
Qo.c = (2e0.c.ae:VnpI ±(17пег—Cfs) Il'2,
где (Упер — напряжение на р-п-переходе обедненная область — объем
полупроводника подложки.
Накапливаемый в потенциальной яме описанной МДП-структуры
заряд может возникать за счет фотогенерацнп при освещении струк-
туры внешним источником оптического излучения. Реакцией такой
МДП-структуры на освещение, следовательно, будет пропорциональное
4G
ему значение заряда. Указанное свойство может быть использовано при
создании линейных н матричных фоточувствительных структур.
2.3. ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
КРИСТАЛЛАХ
Явление фотопроводимости, как было показано в пре-
дыдущем параграфе, имеет селективный характер по
спектру длин волн. Поэтому независимо от конкретного
принципа организации структуры все фотоприемники на
основе внутреннего фотоэффекта обладают избирательной
чувствительностью. Существует ряд других физических
принципов создания приемников излучения. Важное место
среди них во многих случаях принадлежит тепловым при-
емникам, обладающим практически равномерной чувстви-
тельностью во всем диапазоне длин волн. Независимо от
конкретного проявления реакции чувствительного элемента
на воспринимаемое оптическое излучение общим для всех
тепловых приемников является использование температур-
ного состояния чувствительного элемента (значения тем-
пературы или скорости ее изменения). Наиболее распро-
страненными и перспективными из числа тепловых являют-
ся пироэлектрические приемники.
В основу работы пироэлектрических приемников (пиро-
приемников) положен пироэлектрический эффект кристал-
лов, сущность которого заключается в изменении поляри-
зации пироактивного кристалла в процессе изменения тем-
пературы на его гранях. Поляризация кристалла — это про-
странственное разделение зарядов, при котором на одной
из граней кристалла возникает положительный заряд, а
на второй — отрицательный. Она наступает спонтанно при
отсутствии внешнего электрического поля при постоянной
температуре. Однако при постоянстве температуры поверх-
ностные заряды компенсируются объемной и поверхностной
проводимостями кристалла и не могут быть обнаружены.
Поэтому пироэлектрический эффект проявляется только
при наличии изменения температуры кристалла во време-
ни, т. е. при регистрации (приеме) модулированного или
импульсного излучения. Параметры пироэлектрических
материалов можно найти в [23].
Спонтанная поляризация в разных частях кристалла
может иметь различное направление. Характеристики пи-
роэлектрического эффекта зависят от доменной структуры
кристалла. Кристалл, имеющий два домена с равной, но
противоположно направленной поляризацией, пироэлектри-
ческим эффектом не обладает.
47
Пироэлектрический ток при изменении температуры пйроактивного
кристалла может быть выражен следующим образом [23]:
I=dPe{dt= (dPc/dT) (dT/dt) =y(dT/dt),
где Pc — спонтанная поляризация кристалла; Т — температура; у — пи-
роэлектрический коэффициент.
Для пироактивпого кристалла, воспринимающего оптическое излу-
чение, можно написать следующее уравнение теплового баланса [23]:
cdU'/dt -\-GT = аФаАф (1 + elwt),
с — теплоемкость кристалла; G— коэффициент теплопотерь; а —
коэффициент поглощения; Фа — амплитуда плотности синусоидального
модулированного потока излучения; Лф — площадь приемной площадки
фоточувствительного элемента (кристалла).
Решение этого уравнения для установившегося процесса имеет сле-
дующий вид:
7"= афаЛфе'ш'/(С + /сое) + G
где первое слагаемое характеризует переменную составляющую приро-
ста температуры, непосредственно определяющую значение сигнала
в кристалле, а второе слагаемое — постоянную составляющую нагрева
кристалла.
Возникающий при этом пироэлектрический ток
I = Д (u7 :t) = а;фаЛ2ф/со<Л% (G + .
Ёслп облучаемый пирокристалл подключить к внешнему сопротив-
лению нагрузки и представить его как генератор тока, то интегральная
вольтовая чувствительность пирокристалла
SU = ^фюаТ^экв/СоО (1 + <024) ’ - (1 + сЛ2)1/2 ,
где /?экв — эквивалентное сопротивление, значение которого опреде-
ляется параллельно подключенными сопротивлениями кристалла и на-
грузки (/?_1ЭКв=Д_1кр-|-^'’1н); Со — суммарная емкость кристалла и
измерительной схемы (С0 = СКрДСвх); со — круговая частота модуля-
ции потока; x-r=c[G — тепловая постоянная времени; тэ=^эквС0 —
электрическая постоянная времени.
Пороговый поток пироприемника определяется температурным и
джонсоновским шумами:
Фп =
4fe7~Af (Ga + coV) ]1/2
4^7’*-4о° + .42фсо’оД2/?;
(2.Ю)
Вольтовая чувствительность принимает максимальное значение
Su тааг^ЛфСЦ’Тэ/СоС (Тт-рТэ) (2.11)
на частоте со= (тттэ) О'2.
Как следует из приведенных выше выражений, решающее влияние
на основные параметры пироэлектрических приемников оказывает зиа-
48
чение пироэлектрического коэффициента. Численные значения послед-
него для различных пироактивных материалов можно найти в [23].
Максимальное значение пироэлектрический коэффициент принимает
при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода
(так называемая точка Кюри).
2.4. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ
ФОТОПРИЕМНИКОВ
Изменение оптического излучения на входе фотоприем-
ника преобразуется в соответствующее изменение электри-
ческого сигнала (напряжения, тока) или сопротивления.
Для реализации максимального отношения сигнал/шум,
снимаемого с нагрузки фотоприемника, решающее значе-
ние при выборе параметров входных элементов электриче-
ской схемы имеют параметры собственно фотоприемника
как элемента этой схемы. С этой целью необходимо пред-
ставить фотоприемник его эквивалентной схемой заме-
щения.
Рис. 2.12. Обобщенные эквивалентные схемы фотоприемников:
а — схема генератора напряжения; б — то же тока; в — схема пироэлектрическо-
го приемника
Всю совокупность наиболее распространенных групп
фотоприемников можно свести к двум характерным схе-
мам: генератора тока или генератора напряжения. Обоб-
щенные эквивалентные схемы различных типов фотоприем-
ников приведены на рис. 2.12. Общие выражения для эле-
ментов приведенных схем замещения имеют следующий
вид:
для фоторезистора
U^ikTNf (Ян+/?т) (/?„//?,)2/ (1 +/?н//?т)2;
/?Экв=ЯнЯт/(Яи+Ят);
£'пнт=£ (Ян/Ят) / (1 +7?и/7?т);
4—3274
49
Для фотодиода, работающего в фотодиодном режиме,
/2ш=2е/тД/; /ф=5/Ф,
где — сопротивление нагрузки; Ri— темновое сопротив-
ление фоторезистора; Епт — ЭДС источника питания; Ф —
поток оптического излучения; Af — ширина полосы пропу-
скания схемы; Т — температура фоточувствительного эле-
мента.
Выражения для шумов и сигнала пироэлектрического
приемника могут быть найдены из (2.10) и (2.11) на осно-
ве известных соотношений.
Частотные свойства фотоприемника определяются
ЯС-параметрами его эквивалентной схемы, а пороговые
(по обнаружению сигнала на фоне шума) — уровнем шу-
мов, создаваемых эквивалентными генераторами шумового
тока или напряжения.
Так как процессы поглощения носят селективный ха-
рактер, то чувствительность фотоэлектрических приемни-
ков в диапазоне от 0,4 до 20 мкм может быть обеспечена
только за счет использования значительного числа по-
лупроводниковых материалов (беспримесных и примес-
ных) .
В настоящее время в этом диапазоне спектра исполь-
зуется более 20 полупроводниковых материалов.
Типовые значения параметров простейших фотоприем-
ников, являющихся входными элементами любых ФПУ,
необходимые для расчета электрических схем последних,
приведены в табл. 2.1 и 2.2 [23, 54, 59, 60, 82].
При выборе элементов электрической схемы ФПУ сле-
дует помнить, что параметры фотоприемников в сильной
степени подвержены воздействию температуры и постоян-
ной фоновой засветки. Если влияние изменения окружаю-
щей температуры может быть компенсировано, например,
путем применения охлаждения фоточувствительного эле-
мента, то от воздействия внешних постоянных фоновых
засветок избавиться не удается, так как внешняя фоновая
засветка поступает через входную апертуру фотоприемни-
ка вместе с полезным (модулированным) сигналом. Реаль-
ные пути компенсации ухудшения параметров фотоприем-
ников за счет постоянных фоновых засветок открываются
только при использовании схемотехнических решений в
канале обработки сигнала. Практические решения этой
задачи в ФПУ будут показаны на отдельных примерах в
гл. 4.
50
•^Таблица 2.1. Типовые значения параметров фотоэлектрических и тепловых приемников излучения
Параметры ФР Si ФВ Si ФР PbS ФР PbS ФР PbS
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента, Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способность, см-Гц1/2 Вт1 Сопротивление чувствительного эле- мента площадью 1 мм2, Ом Постоянная времени, с 295 0,4—1,1 0,8—0,9 5.10"—МО” 1-108 5 • 10-6 295 0,4—1,1 0,8—0,9 2-1012—1 1013 МО5 5-10-7 295 1—3 2,5 8-10”—1,5-10" 1-10® 3-ю-4 195 1—3,5 2,7 (4—7). Ю11 1-10’ 5-10-’ 77 1—4 3,1 2.10" 2Д0’ 3.10-3
Параметры ФВ Ge ФР PbS ФР PbS ФР PbS ФР InSb
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способность, см-Гц1''2 Вт1 Сопротивление чувствительного эле- мента площадью 1 мм2, Ом Постоянная времени, с 295 0,4—1,5 1,5 5Д010 2-105 М0-’ 295 1—4,5 3,4 2.10’—2- 10” 2 • 10s 2-10-6 195 1-5,1 4,1 (2—5) • 1 O'0 5-10’ 3-10-5 77 1—6,5 4,8 (3-5)-10” 5 103 4-10-5 77 1—5,4 5,3 8.10”—MO" M04 5 • 10-6
ел
to
Параметры ФВ InSb
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способность, см-Гц'/2 Вт1 Сопротивление чувствительного эле- мента площадью 1 мм*, Ом Постоянная времени, с 77 1-3,4 5,1 (1—11,2) • 10” 1-Ю5 1-ю-6
Параметры ФР Ge:Cu
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способность, см-Гц1'2 Вт1 * Сопротивление чувствительного эле- мента площадью 1 мм2, Ом Постоянная времени, с 4,2 2—28 23 (3—5) • 1010 1-Ю8 5-Ю7
Продолжениз табл. 2.1
ФВ JnAs ФР Ge: Au ФР GeHg ФР Ge:Cd
77 60 27 4,2
1—3,5 2-9 2—14 2-23
3,1 5 10,5 16
(4—7)-10” (1—2) • 1010 (2—5). IO10 (2-4). 10”
5-Ю5 1.10s 1 • 10s 1.10s
5-10-’ 1-ю-’ 2-10-7 MO-’
ФР Ge:7.n ФР HgCdTe ФВ HgCdTe ФВ PbSnTe
4,2 77 77 77
2—38 — 8—13 8-13
36 5 10^ 10,6
(2,5—5)-10” (1—5)-IO”! 5-109-2-1010 2-10”
2,5-10s 50—100 26 —
2-Ю-8 7<l-10-8 1 - io-8 5-10-’
Параметры ФР Si:Jn
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способность, см Гц1'’2 Вт1 Сопротивление чувствительного эле- мента площадью I мм2, Ом Постоянная времени, с 4,2 2—7,5 6 1 10’“ 50 1-10-’
Параметры Тригл ипинс ульфат
Рабочая температура фоточувствитель- ного элемента Т, К Диапазон спектральной чувствитель- ности, мкм Длина волны, соответствующая макси- муму спектральной чувствительности, мкм Обнаружительная способности, см-Гц1/2 Вт1 Сопротивление чувствительного эле- мента площадью 1 мм2, Ом Постоянная времени, с 295 1—20 2-108—2.10’ з. io-s-1 • ю-2
Продолжение табл. 2.1
ФР Si:Ga ФР Si:Se ФР Ge:Zn Болометр полу- проводниковый
18 4—17 15 2-1010 105 4,2 12—23 20 (1—2)-10” 7-10® 5-Ю-7 4,2 2—100 90 6-Ю1’ 5-Ю4 I ю-е 259 1—20 1-10’—1,5-10’ 4-Ю6—3- 10s 2-1Q-3—1-10-2
Ниобат лития Ниобат стронция, бария Танталат лития Титанат бария
295 1—20 5-105—1.10s 1-ю-3 295 1—20 1-Ю7—2-10® з-ю-5 295 1—20 6-Ю7 5-10-5 295 1—20 (2—5) • 107 5-10-2
£ Таблица 2.2. Типовые значения монохроматической токовой чувствительности фотодиодов
Тип материала Значения токовой монохроматической чувствительности, А/Вт, на различных длинах волн, мкм
0,63 0.69 | 0,84—0,92 | 1,06 1.15 | 1.54
Кремний 0,15—0,35 0,15—0,35 0,3—0,6 0,1-0,5 — —
Германий — — — 0,4—0,8 0,4—0,8 0,7—1,1
Арсенид индия — — — — — 0,1—0,3
Антимонид ин- — — — — 0,1-0,4
дия
Тич материала Значения токовой монохроматической чувствиге.тьности, A/Вт, на различных длинах волн, МКМ
1,63 2,1 2,8 3,39 3,5 5.3
Кремний — — — — — —
Германий 0,3—0,7 — — — __ —
Арсенид индия 0,1—0,3 - 0,3—0,8 0,8—1,4 0,4—0,8 0,3—0,6 —
Антимонид ин- 0,1—0,4 0,4—0,5 0,5—0,7 0,6—0,75 0,8—1,0 2,8—3,2
ДИЯ
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ МИКРОФОТОЭЛЕКТРОНИКИ
И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ЭЛЕМЕНТАМ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
МИКРОФОТОЭЛЕКТРОНИКИ
В основу классификации изделий микрофотоэлектрони-
ки могут быть положены различные критерии. Фотоприем-
ные устройства классифицируются:
а) по числу входных каналов оптической информации:
одноэлементные (одноканальные); многоэлементные (мно-
гоканальные) ;
б) по виду принимаемых оптических сигналов:
для регистрации гармонических сигналов, т. е. ФПУ,
предназначенные для приема и преобразования в элект-
рические сигналы с последующим их усилением и обработ-
кой непрерывных периодических и квазипериодических
оптических сигналов, гармонические составляющие которых
изменяются много медленнее длительности нестационар-
ных процессов в цепях электронного тракта ФПУ. Такие
ФПУ используются в различных системах автоматики и
измерительной техники, в некоторых типах тепловых (опти-
ческих) головок самонаведения. Принимаемый ими опти-
ческий поток модулируется по закону, близкому к синусои-
дальному;
для регистрации импульсных сигналов, т. е. импульсные
ФПУ, предназначенные для приема импульсных оптических
сигналов различной формы и амплитуды. Нестационарные
процессы в фоточувствительных элементах и в электронных
трактах таких ФПУ должны протекать настолько быстро,
чтобы форма принимаемых сигналов этими процессами не
искажалась. Применяются, как правило, в системах тепло-
видения, оптической локации и дальнометриройания;
для приема постоянных (немодулированных) или мед-
ленно меняющихся оптических сигналов. Находят приме-
нение в фотокинотехнике при создании фотоэкспонометров
и других аналогичных устройств;
преобразовательные, выходные электрические сигналы
которых представляются в виде двух уровней, соответст-
вующих двоичному коду: 0 или 1. Применяются в системах
считывания информации с перфолент, перфокарт и коди-
рующих дисков в ЭВМ;
в) по частотным свойствам принимаемых оптических
сигналов:
55
постоянного потока (преобразователи медленно Изме-
няющихся фотосигналов), принимающие оптические сигна-
лы любой частоты — от нижней fH->0 до верхней [в, т. е.
принимающие как переменную, так и постоянную состав-
ляющие сигнала;
низкочастотные, принимающие только переменные со-
ставляющие модулированных оптических сигналов в поло-
се частот от нижней рабочей f„ до верхней fB (рабочий диа-
пазон от 0,05 до 50 кГц);
высокочастотные, предназначенные для приема оптиче-
ских сигналов, модулированных высокой частотой (от де-
сятков килогерц до сотен мегагерц);
г) по виду частотной характеристики электронного
тракта:
избирательные или селективные, принимающие оптиче-
ские сигналы, модулированные в узкой полосе частот, ко-
торые в свою очередь подразделяются на:
1) резонансные (частотная характеристика имеет вид
резонансной кривой с fP, равной частоте модуляции потока
оптического излучения /м);
2) полосовые (частотная характеристика имеет строго
определенную полосу пропускания, ограниченную резкими
фронтом и срезом);
широкополосные, принимающие оптические сигналы,
модулированные в широкой полосе частот (от единиц ки-
логерц до единиц мегагерц);
д) по ширине спектрального диапазона принимаемых
оптических сигналов:
селективные, которые регистрируют излучение в доста-
точно узком спектральном диапазоне. В качестве фоточув-
ствительных элементов в таких ФПУ применяются полу-
проводниковые материалы, обладающие внутренним фо-
тоэффектом;
неселективные, регистрирующие излучение ’фактически
на любой длине волны. В качестве фоточувствительных
элементов в этих ФПУ применяются неселективные фото-
приемники типа болометров и пироэлектрических прием-
ников;
е) по конструктивным особенностям исполнения:
блочные (узлы фоточувствительных элементов и усили-
тель выполнены конструктивно отдельно друг от друга);
модульные (все элементы, входящие в состав ФПУ,
собраны в едином корпусе);
ж) по технологическим особенностям исполнения:
56
дискретные (все элементы электрической схемы ФПУ
собраны из навесных элементов);
гибридные (электрическая схема ФПУ, в том числе и
фоточувствительный элемент, собраны с применением как
дискретных навесных элементов, так и гибридно-пленочных
схем);
твердотельные (интегральные). Фоточувствительный
элемент и вся схема последующей обработки сигнала
(предусилитель, усилитель и др.) выполнены в едином
технологическом цикле и в одном кристалле;
з) по числу рабочих спектральных диапазонов:
однодиапазонные;
многодиапазонные (чувствительны в двух-трех диапа-
зонах оптического спектра);
и) по температурному режиму работы фоточувстви-
тельного элемента:
неохлаждаемые;
охлаждаемые.
В свою очередь многоэлементные фотоприемные уст-
ройства могут быть классифицировены на следующие
группы:
а) по принципу преобразования оптического излучения
в электрический сигнал:
мгновенного действия;
с частичным накоплением;
с полным накоплением;
б) по характеру взаимного расположения фоточувстви-
тельных элементов:
линейные (линейки), в которых фоточувствительные
элементы располагаются в один ряд (строку). При этом
размеры элементов и зазоры между ними могут быть как
одинаковыми, так и различными;
матричные, в которых элементы располагаются по стро-
кам и столбцам; «
в) по физическому принципу действия и способу орга-
низации отдельных фоточувствптельных ячеек:
фототранзисторные (ФТ) (рис. 3.1,а);
фотодиодные (ФД) (рис. 3.1,6);
фоторезисторные (ФР) (рис. 3.1,в);
фоторезистор-диодные (ФР-Д) (рис. 3.1,а);
фоторезистор-емкость-диодпые (ФР-С-Д) (рис. 3.1 Д);
фотодиод-диодные (ФД-Д) (рис. 3.1,£>);
фотодиод-транзисторные (ФД-Т, ФД-2Т, ФД-ЗТ)
(рис. 3.1,ж);
г) по принципу коммутации электрического сигнала:
р внешней коммутацией:
57
1) с полной электрической развязкой отдельных эле-
ментов друг от друга;
2) с внутренними электрическими связями между
элементами;
с внутренней электронной! коммутацией;
д) по способу выборки информации:
с параллельной выборкой (информация со всех эле-
Рис. 3.1. Способы организации многоэлементных структур изделий
микрофотоэлектроинки
ментов структуры снимается одновременно по параллель-
ным каналам);
с последовательной выборкой (информация снимается
поочередно, в соответствии с номером элемента в струк-
туре) ;
58
со словарной выборкой (информация считывается одно-
временно со всех элементов выбранной строки);
с регистровой выборкой (информация считывается од-
новременно со всех элементов выбранного столбца);
с произвольной выборкой (выборка элементов в струк-
туре может производиться по любому, заранее заданному
схемой управления закону).
Принципы построения большинства изделий микрофо-
тоэлектроники, перечисленных выше, излагаются в после-
дующих главах.
3.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ, ВХОДЯЩИМ
В СОСТАВ ИЗДЕЛИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
МИКРОФОТОЭЛЕКТРОНИКИ
Основным элементом изделий микрофотоэлектроники
является собственно фоточувствительный элемент, преоб-
разующий оптическое излучение в электрический сигнал.
В качестве этого элемента могут применяться приемники
оптического излучения, основанные на различных физиче-
ских принципах действия, изготавливаемые из различных
полупроводниковых и сегнетоэлектрических материалов.
Электрический сигнал, снимаемый непосредственно с
фоточувствительного элемента, как правило, не пригоден
для непосредственного использования в исполнительных
устройствах аппаратуры как по амплитуде, так и по фор-
ме (спектру). Поэтому его необходимо усиливать и под-
вергать определенной обработке. Эти функции возлагаются
на предварительный усилитель. К электрической, схеме
усилителя предъявляются требования по уровню собствен-
ных входных шумов, входному сопротивлению и входной
емкости, определяемые свойствами фоточувствительного
элемента и принципом его действия. «
Сложность оптимального согласования фотоприемника
и предусилителя заключается в том, что фотоприемники,
работающие в различных диапазонах спектра, изготавли-
ваются из материалов, обладающих различными значения-
ми электрофизических параметров. Так, например, напря-
жение шумов фотоприемников изменяется от 0,01 до
20 мкВ, сопротивление от десятков ом до сотен мегаом и
более, собственная емкость от единиц до нескольких сотен
пикофарад. Аналогичные параметры подавляющего боль-
шинства выпускаемых отечественной промышленностью
интегральных микросхем (ИМС) изменяются в следующих
пределах: напряжение шумов, приведенное ко входу, от
59
1,S до 100 мкВ, входное сопротивление от 103 до 10® Ом,
входная емкость не менее 20 пФ.
Из этого общего сопоставления выходных параметров
фотоприемников и входных параметров ИМС видно, что по
напряжению шумов и емкостям они практически не согла-
суются друг с другом. Это означает, что при совместном
включении фотоприемника и серийных ИМС не удается
реализовать максимальную пороговую чувствительность
фотоприемника. По указанным причинам в качестве пред-
усилителей, работающих совместно с фотоприемником, се-
рийные ИМС, как правило, не применяются, а вместо них
для этой цели вынуждены разрабатывать специальные
ИМС частного применения или собирать предусилители
из дискретной элементной базы. В наибольшей степени это
относится к первому (входному) каскаду предусилителя.
Принцип подхода к определению требований к'входным
устройствам изделий микрофотоэлектроники более подроб-
но будет рассмотрен в следующей главе на конкретных
схемах фотоприемных устройств. Здесь же ограничимся
рассмотрением только самых общих требований к элемент-
ной базе изделий микрофотоэлектроники.
Большинство изделий функциональной микрофото-
электроники выполняется в виде гибридных интегральных
микросхем или микросборок, часть компонентов которых
может иметь самостоятельное конструктивное оформление.
Такими компонентами могут быть пассивные электрорадио-
элементы, дискретные полупроводниковые приборы и функ-
циональные узлы (рис. 3.2).
Основу элементной базы изделий функциональной мик-
рофотоэлектроники составляют электрорадпоэлементы и
электронные узлы, выполненные в виде бескорпусных пас-
сивных и активных компонентов. В качестве пассивных
компонентов наиболее широкое распространение получили
конденсаторы, резисторы и катушки индуктивйости в бес-
корпусном микроминиатюрном исполнении. В качестве
активных компонентов используются бескорпусные диск-
ретные полупроводниковые приборы и бескорпусные интег-
ральные микросхемы.
Конденсаторы. Из всех трех групп пассивных приборов бескорпус-
ные конденсаторы отличаются наибольшим разнообразием по числу вы-
пускаемых типов приборов. В бескорпусных конденсаторах, как прави-
ло, используются один из трех различных типов электротехнических
материалов: керамика, тантал и пленки из окиси металла.
Высокостабпльная керамика предназначена для таких применений,
где существенное значение имеет высокая добротность и допускается
60
Рис. 3.2. Элементная база изделий функциональной микрофотоэлектроникп
очень небольшое изменение емкости в зависимости от температуры
окружающей среды. Типичные значения параметров такой керамики
следующие: диэлектрическая проницаемость ег = 8-г-150, а температур-
ный коэффициент емкости (ТК.Е) равен +30-10-3 1 /еС при изменении
температуры от —55 до - |125СС.
Диэлектрики со стабильным значением диэлектрической проницае-
мости используются в конденсаторах, устанавливаемых в качестве раз-
делительных элементов, и в цепях обратной связи, для которых до-
пустим некоторый уход емкости и умеренные значения добротности.
Для этой группы конденсаторов диэлектрическая проницаемость лежит
в пределах от 250 до 2400, а изменение емкости прн изменении темпе-
ратуры окружающей среды в диапазоне от —55 до 125°С допус-
кается в пределах +15 % значения при комнатной температуре.
Керамические конденсаторы с большим значением диэлектрической
проницаемости являются приборами широкого применения, значение
емкости которых в диапазоне температуры от —55 до —р-125 СС может
изменяться от 20 до 90 %- Однако благодаря их высокой диэлектриче-
ской проницаемости, лежащей в пределах от 2500 до 15 000 и выше,
они отличаются наибольшей удельной объемной емкостью среди всех
керамических конденсаторов.
Отечественные бескорпусные керамические конденсаторы типов
К10-9 и КЮ-17 в зависимости от стабильности поддержания номиналь-
ного значения емкости в рабочем диапазоне температур (от —60 до
-ф-125°С) делятся на группы ПЗЗ, М47, М750, Ml500, Н50 и Н90,
имеющие соответственно следующие допустимые отклонения емкости от
номинального значения: +5, + 10, +20, и + oq%. Номинальные
значения емкостей конденсаторов изменяются от 2,2 пФ до 0,68 мкФ.
Габаритные размеры конденсаторов находятся в пределах от 1.5Х1.2Х
Х1,0 до 8,5x6,5X1.8 мм. Рабочее напряжение 25 и 50 В.
Танталовые бескорпусные конденсаторы с твердым электролитом
выпускаются на диапазон емкостей от 0,1 до 100 мкФ с точностью нх
поддержания от +5 до +20 % и номинальными напряжениями 4—50 В.
Габаритные размеры конденсаторов находятся в пределах от 2,5X
XL27X1,27 до 7,25X3,81X3,81 мм.
В топкопленочных бескорпусных конденсаторах с диэлектриком на
основе окисла металла используется окись кремния либо окись тан-
тала. Они имеют сравнительно малые значения емкостей: от 1 до
3000 пФ. Однако их достоинство заключается в том, что при толщине
0,08—0,2 мм по своим размерам они близки к типовым активным полу-
проводниковым кристаллам.
Бескорпусные резисторы могут быть условно разделены на две ка-
тегории: дискретные и резистивные сборки, содержащие по два или
несколько резисторов на одной подложке.
Большинство дискретных бескорпусных резисторов изготавливается
из толстопленочного материала типа кермета, который характеризуется
62
температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), равным +(200—
300)-10-6 1/°С, или из другого резистивного сплава или металла. Но-
минальные значения мощности, рассеиваемой бескорпусными резистора-
ми, имеющими размеры от 1,0X1,0X0,5 до 5,0X3,0X0,5 мм, находятся
в пределах от 100 до 300 мВт. Номинальные значения сопротивлений
бескорпусных резисторов обычно заключены в диапазоне от 1,0 Ом до
15—20 МОм при типовых допусках +20 %- Бескорпусные резисторы
могут иметь номинальную мощность около 0,5 Вт при значениях сопро-
тивлений около 1012 Ом.
Бескорпусные катушки индуктивности изготавливают путем напыле-
ния в вакууме слоев металла и диэлектрика или путем намотки сверх-
тонкой проволокой. Индуктивности таких катушек находятся в диапа-
зоне 10 нГн-—10 мГн при допуске от +5 до +20 %. Широкого рас-
пространения в изделиях микрофотоэлектроннки они не получили.
Активные компоненты. В качестве дискретных активных
компонентов широко используются бескорпусные фотодио-
ды и фоторезисторы, светодиоды и излучающие диоды,
выпрямительные и импульсные полупроводниковые диоды,
варикапы и фотоварикапы, стабилизаторы напряжения и
терморезисторы, биполярные и полевые транзисторы и
фототранзисторы.
Параметры и характеристики многих дискретных ак-
тивных компонентов можно найти в [24, 80].
Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, входящие
в состав изделий функциональной микрофотоэлектроники,
используются в качестве входных элементов, осуществляю-
щих преобразование оптического излучения в электриче-
ский сигнал. Их основные параметры и особенности работы
рассмотрены в гл. 2.
Светодиоды, ИК-излучающие диоды, терморезисторы,
стабилитроны и варикапы используются в системах стаби-
лизации различных параметров и автоматического регули-
рования отдельных параметров изделий функциональной
микрофотоэлектроники. «
Широкое применение в изделиях микрофотоэлектроники
получили бескорпусные биполярные и полевые транзисто-
ры, которые выполняют практически все основные функ-
ции, связанные с согласованием источника сигнала, посту-
пающего с приемника излучения.
Важнейшими параметрами транзисторов, используемых
в изделиях функциональной микрофотоэлектроники, яв-
ляются: коэффициент шума F, коэффициент передачи то-
ка в схеме с общим эмиттером h\i3, крутизна характери-
стики S, предельная частота усиления fa, обратный ток
коллекторного перехода /до, ток затвора /3, входная ем-
63
кость С'к и С3н и максимально допустимая постоянная
мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк тах или стоке
РС тпх- и
В настоящее время выпускается большое число типов
биполярных бескорпусных транзисторов и несколько типов
бескорпусных полевых транзисторов, которые могут исполь- - -
зоваться в изделиях микрофотоэлектроники. Основные па-
раметры транзисторов имеют следующие значения: стати-
ческий коэффициент передачи тока от 10 до 480, предель-
ная частота усиления от 1 до 1400 МГц, входная емкость
от 1 до 15 пФ.
Следует отметить, что число транзисторов с нормиро-
ванным коэффициентом шума крайне ограничено, причем
коэффициент шума этих транзисторов нормируется только
в нормальных климатических условиях, что оказывается
явно недостаточным, чтобы судить о пригодности данного
типа транзистора для обеспечения оптимального режима
согласования его с фотоприемником, входящим в состав ।
ФПУ, во всем рабочем диапазоне температур. Кроме того,
нормированное значение коэффициента шума большинст-
ва'транзисторов гарантируется только на частотах от 3 до
400 МГц, хотя во многих случаях низкочастотные шумы
транзисторов представляют не меньший интерес.
Коэффициент шума транзистора в общем виде определяют по сле-
дующей формуле [43]:
ГЭ I ГБ . (^Г + 1'э + гб)2 1 _^К0 / f VI
1 +Ж/ яГ ’ 2а0/?ггэ [ В ' 1Э J >
где гБ —сопротивление базы транзистора; гэ —сопротивление эмит-
тера; а0 — коэффициент передачи тока в схеме с ОБ; В — коэффициент
передачи тока в схеме с ОЭ; Rr — сопротивление источника сигнала
(генератора); f — рабочая частота; fa —предельная частота усиления
транзистора в схеме с ОБ; /ко — обратный ток коллекторного перехо-
да; /э —ток эмиттера. *
Коэффициент шума транзисторов на низких частотах (менее
100 кГц) имеет зависимость от температуры, близкую к параболиче-
ской. Минимум этой характеристики находится вблизи комнатной тем-
пературы.
Характер изменения коэффициента шума транзисторов от темпера-
туры зависит, помимо собственных шумовых свойств транзистора, от
того, остается ли температура источника сигнала постоянной или ме-
няется вместе с температурой транзистора. Отметим [44], что при не-
больших сопротивлениях источника сигнала /?г (/?г</?г.опт) У крем-
ниевых планарных транзисторов увеличивается не только коэффициент
шума Г,,,..,, но и степень рассогласования по шумам /?г.оит//?г- При
64
больших сопротивлениях источника сигнала Rr (Rr>Rr.cni) степень
рассогласования по шумам будет уменьшаться. Следовательно, при по-
вышении температуры коэффициент шума при малых сопротивлениях
источника сигнала Rr будет расти быстрее, чем при больших.
При температурах ниже комнатной более стабильным окажется ко-
эффициент шума при малых сопротивлениях источника сигнала. Кру-
тизна изменения коэффицента шума в зависимости от сопротивления
источника сигнала определяется по формуле [25]
<IF ^min 1 (R\ R* г.тт\
dR~2 (С + 1) \ ₽М?%.Опт )’ ' '
где С — коэффициент корреляции.
Из (3.1) следует, что если относительный рост коэффициента шума
Fmin при повышении температуры меньше относительного роста сопро-
тивления Rv.oni, то повышение температуры будет вызывать уменьше-
ние величины dF/dRr для фиксированных значений сопротивления
источника сигнала 7?г, превышающих оптимальное значение сопротив-
ления при повышенной температуре. Это может приводить к тему, что
при относительно медленном возрастании коэффициента шума Гт1п
с ростом температуры, но при значительном увеличении сопротивления
Кг.опт значение коэффициента шума при больших сопротивлениях Рг
при повышенных температурах бсдст меньше его значения при ком-
натной температуре. Нетрудно заметить, что аналогичное явление мо-
жет происходить и в области отрицательных температур, но при малых
значениях сопротивления источника сигнала (Rr^Rr.nm)
Так как у германиевых транзисторов сопротивление /?г.опт умень-
шается при изменении температуры в обе стороны от комнатной, то при
малых значениях /?г изменение коэффициента шума будет менее рез-
ким, чем при больших.
При понижении температуры транзисторов еще одной из причин
роста шума в транзисторах могут быть сопутствующие снижению тем-
пературы увеличения механических напряжений в различных областях
структуры прибора, возникающие из-за разности коэффициентов тем-
пературного расширения контактирующих элементов конструкции тран-
зистора при охлаждении. Этот эффект может способствовать увеличе-
нию как поверхностного шума (l/f), так и контактного, спектр кото-
рого также обратно пропорционален частоте [26].
Рабочие частоты большинства изделий функциональной
микрофотоэлектроники находятся в пределах от 1 Гц до
40 кГц, где существенное влияние оказывают фликкер-шу-
мы биполярных транзисторов. Неопределенность происхож-
дения фликкер-шумов значительно затрудняет проведение
количественных оценок шумов расчетным путем, поэтому
выбор типа транзистора и оценку влияния условий работы
на его шумовые параметры производят на основе эксперп-
5—3274 65
ментальных данных и измерении параметров транзистора
в реальных условиях эксплуатации.
Следует отметить, что для кремниевых планарных
транзисторов характерно наличие так называемого им-
пульсного шума (его значение, как правило, не оговари-
вается в технических условиях), который особенно опасен
в импульсных оптико-электронных системах. Импульсный
шум [25, 27, 28] представляет собой наложенные на нор-
мальный шумовой сигнал выбросы (импульсы). Эти им-
пульсы обычно имеют постоянную амплитуду, в то время
как их частота и длительность меняются случайно и
независимо. Длительность импульсов шума может дости-
гать нескольких сотен миллисекунд, а максимальное зна-
чение амплитуды, приведенной ко входу транзистора, не
более 1 мкА. Минимальное значение амплитуды импульсов
шума определить невозможно, так как эти нмпутьсы мас-
кируются шумами других типов. Импульсный шум очень
похож на сигнал, возникающий во время переходных про-
цессов при переходе схемы из одного устойчивого состоя-
ния в другое.
При понижении температуры импульсный шум растет
по экспоненте. Эту зависимость можно представить сле-
дующим образом [25]
72,,=A„exp(--7’/7’r.)2,
где Аи — постоянная величина; То — комнатная темпера-
тура.
Понижение температуры окружающей среды может
привести к появлению импульсных шумов транзисторов, у
которых в нормальных условиях последние заметны не бы-
ли, т. е. при отрицательных температурах происходит ано-
мально резкое возрастание уровня собственных шумов
транзистора, обусловленное импульсными шумами.
Транзисторы с заметным уровнем импульсных шумов
составляют, от 29 до 90% общего числа транзисторов (в
зависимости от типа транзистора'). Амплитуда выбросов
шума изменяется пропсрпионально согр^'ив тению источ-
ника сигнала, включенного на вхде тганм-:с~о?а. Импульс-
ный шум, как правило, не зависит от натяжения на кол-
лекторном переходе, но увеличивается с ростом тока эмит-
тера и тока. базы. Эмпирическое выражение, связывающее
интенсивность импульсного шума с током базы, имеет
вид [25]:
/’н= А/вД[/[1+(т//2Я)’]. .
6б
Где А — коэффициент, зависящий от типа транзистора; а —
частота возникновения импульсов.
Частота появления импульсов шума возрастает при
увеличении напряжения на коллекторе.
Импульсный шум наиболее опасен при работе с высо-
коомными приемниками излучения. Для снижения уровня
и вероятности появления импульсов шума принимают сле-
дующие меры:
производят контроль и отбор транзисторов по мини-
мальному значению импульсного шума;
обеспечивают жесткую стабилизацию режима работы
входных транзисторов с выбором оптимальных режимов
по постоянному току;
обеспечивают оптимальное согласование фоточувстви-
тельного элемента с входом электронного тракта.
Коэффициент шума полевых транзисторов обычно значительно ниже
коэффициента шума биполярных транзисторов. Основными источниками
шума полевых транзисторов являются токи утечки по цепи затвор —
капал. Шумы полевых транзисторов, так же как и шумы биполярных
транзисторов, на частотах ниже 200 Гц увеличиваются. Коэффициент
шума полевого транзистора не зависит oi тока стока (возрастает на
очень низких частотах) и довольно слабо зависит от напряжения
сток — исток [2s, 29]
Шумы пи.тевено транзистора слабо зависят от температуры окру-
жающей среды, если она не превышает некоторого определенного зна-
чения (например, 50'С для кремния). При температуре выше этой шум
транзистора резко возрастает с ростом температуры.
При отрицательных температурах у отдельных типов полевых тран-
зисторов наблюдается рост крутизны и уменьшение шума [30, 31].
Однако значение фликкер-шума для каждого транзистора различно.
Оптимальное значение сопротивления источника сигнала для бипо-
лярных транзисторов, работающих в режиме .мнкротоков, составляет
около 1000 Ом. Изменение значения сопротивления источника сигнала
в 1,_ -1,0 раза в _. или иную сторону от оптимального .^ало изменяет
коэффициент шума, а нолевых транзисторов наименьший коэффициент
шума обычно соответствует внутреннему сопротивлению источника сиг-
нала порядка единиц мегаом.
У современных малошумящих биполярных транзисторов, работаю-
щих в правильно выбранном режиме, коэффициент шума не превышает
1,5—3,0 дБ, а у высококачественных нолевых транзисторов 0,5—2,0 дБ.
Функциональные узлы. Широкое распространение в качестве ком-
понентов изделий микрофотоэлектроники получили функциональные
элементы, выполненные в виде полупроводниковых интегральных микро-
схем (ИМС).
Параметры и характеристики полупроводниковых ИМС достаточно
5* 67
полно представлены в (32, 33]. При использовании полупроводниковых
ИМС в качестве усилителей сигнала приемника излучения важнейшими
параметрами их являются: коэффициент шума, входная емкость, вход-
ное и выходное сопротивления, полоса пропускания, коэффициент уси-
ления.
Выбор конкретного типа электрорадиоэлемента или функциональ-
ного узла определяется возможностью их технической (конструктивной
и параметрической) совместимости.
Выбор типа активного элемента или функционального узла произво-
дят с учетом особенностей их работы совместно с приемником излуче-
ния фотопрнемного устройства. Для входных устройств изделий функ-
циональной микрофотоэлектроники основным критерием отбора элемен-
тов является значение коэффициента шума, которое должно быть
значительно ниже уровня собственных шумов приемника излучения.
Зная значение сопротивления источника сигнала и шумовые харак-
теристики применяемых элементов, оптимальное значение сопротивления
источника сигнала и коэффициента шума элемента или узла для неко-
торого произвольного значения RT можно определить по формуле [25]
Rl’.OllT ~ I £Дщ/7“ш ) /' т i n 1 < О-щ/'ш 1 " ".
Д=1-р[(/? min—l)/2] (Rr/Rr.om~\ -Rr.out/Rr),
где F — коэффициент шума; Fmin— минимальный коэффициент шума;
7Ш — шумовой ток; иш — шумовое напряжение; k — постоянная Больц-
мана; Т — температура элемента; Л/ — полоса пропускания; Rr — со-
противление источника сигнала (Rr=R^Rn/(R<ti-\ Rn)); Rt>—сопротив-
ление фотоприемника; Ru — сопротивление нагрузки; Rr.cn-— опти-
мальное сопротивление источника сигнала (генератора).
При разработке усилителей фотосигналов приемников
излучения необходимо учитывать также особенности рабо-
ты входных биполярных транзисторов в режиме микрото-
ков, заключающиеся в том, что при этом существенно
уменьшается коэффициент усиления транзисторов, умень-
шается их быстродействие, ухудшается термостабильность
схемы, возрастает число отказов по сравнению с числом
отказов при нормальном режиме работы транзисторов.
К параметрам транзисторов, работающих в режиме микро-
токов, предъявляются следующие требования [32]: коэф-
фициент усиления должен быть достаточно высоким при
минимальном рабочем токе коллектора и минимальной
температуре; обратный ток переходов должен быть на
два-три порядка ниже минимального рабочего тока кол-
лектора; напряжение на переходах должно быть ио воз-
можности малым.
В малошумящих схемах предпочтительно использовать
высокочастотные транзисторы. При этом уменьшаются шу-
С>8
мы на высокой частоте за счет улучшения фронтов им-
пульсов. При недостатке справочных данных о транзисто-
рах или микросхемах в режимах нормированного шума во
всех условиях эксплуатации разработчики изделий микро-
фотоэлектроники вынуждены проводить дополнительные
граничные испытания или электротермотренировки и спе-
циальный контроль.
Энергетические показатели работы изделий опреде-
ляют требования к элементной базе по мощности рассеи-
вания и предельной температуре. Следует учитывать, что
при повышении температуры снижаются предельно допу-
стимые напряжения и мощности, ухудшаются также элект-
рические характеристики. Возможно появление механиче-
ских дефектов, нарушения герметичности, трещин в кри-
сталлах, обрывов соединительных проводников и металли-
заций. К таким же последствиям могут привести резкие
изменения температуры.
Электрическая схема усилителя, сопряженного с фото-
приемником, должна разрабатываться с учетом большого
числа специфических требований, основными из которых яв-
ляются следующие:
электрическая схема усилителя должна быть предельно
простой;
число каскадов усиления, активных и пассивных эле-
ментов схемы должно быть минимальным; значения сопро-
тивлений, емкостей и индуктивностей схемы должны быть
минимальными из-за ограниченных размеров подложки;
мощность, потребляемая схемой усилителя, должна
быть также минимальной;
схема усилителя должна нормально функционировать
при значительном разбросе (20—30%) параметров входя-
щих в нее элементов в диапазоне температур от —60 до
+ 125 °C;
уровень собственных шумов, приведенных ко’входу уси-
лителя, должен быть в 3—10 раз ниже уровня шумов при-
емника излучения;
входное сопротивление усилителя должно в 5—10 раз
превышать темновое сопротивление приемника, а выходное
сопротивление должно быть не более 150—500 Ом;
коэффициент усиления по напряжению должен быть от
20 до 50 для импульсных ФПУ и от 50 до 100 для ФПУ
гармонических сигналов;
динамический диапазон по напряжению без учета дей-
ствия АРУ должен быть не менее 60 дБ для импульсных
ФПУ и не менее 40 дБ для ФПУ гармонических сигналов,
69
Чтобы обеспечить требуемое число градаций передаваемого
сигнала.
Кроме того, операционные усилители, применяемые в
ФПУ, должны иметь минимальный дрейф нуля, а усили-
тели считывания должны иметь узкую область переброса
и минимальную зону гистерезиса.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ОДНОКАНАЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
4.1. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Состав одноканальных фотоприемных устройств. Обоб-
щенная структурная схема фотоприемного устройства на
основе фоторезистора приведена на рис. 4.1. Рассмотрим
назначение основных узлов ФПУ.
Рис. 4.1. Обобщенная структурная схема ФПУ на основе фоторсзпс-
тора:
— темновое сопротивление фоторезистора; Ra — сопротивление нагрузки фо-
торезистора; Ср — разделительный конденсатор; / — согласующий каскад; 2 —
усилительный каскад; 3 — выходной каскад; 4 — каскад АРУ; 5 — фильтр:
Спит п — напряжение питания приемника; Спит у — напряжение питания уси-
лителя '
Типовой схемой включения фоторезистора в электри-
ческую цепь является последовательное его включение с
источником питания и сопротивления нагрузки /?„. При
облучении приемной площадки фоторезистора на сопро-
тивлении нагрузки /?н выделяется напряжение фотосигна-
ла Uc. Сопротивление нагрузки, как правило, выбирается
равным темновому сопротивлению фоторезистора /?т (ре-
жим согласованной нагрузки), но в некоторых случаях это
сопротивление может подбираться экспериментально по
максимальному отношению сигнал/шум.
70
Разделительный конденсатор Ср обычно применяется
в ФПУ, предназначенных для приема гармонических или
импульсных сигналов, и служит для предотвращения про-
хождения постоянной составляющей тока или напряжения
смещения первого усилительного элемента электронного
тракта ФПУ в источник питания и попадания постоянной
составляющей напряжения от источника питания на вход
усилительного элемента, которые могут нарушать режим
работы как источника питания, так и усилительного эле-
мента. В некоторых случаях в качестве разделительного
элемента применяют микроминиатюрный трансформатор.
Наиболее ответственным узлом электронного тракта
ФПУ является согласующий каскад /. Именно его пара-
метры определяют чувствительность ФПУ. Согласующий
каскад или предусилитель 1 служит для оптимального со-
гласования фоторезистора с усилителем и увеличения
амплитуды фотосигнала приемника излучения до значения,
пригодного для последующей его обработки. Выбор прин-
ципиальной схемы согласующего каскада электронного
тракта ФПУ определяется параметрами используемого
фоторезвстопа (темновым сопротивлением, интегральной
вольтовой чувствительностью, уровнем собственных шумов)'
и назначением ФПУ. По значению темнового сопротивле-
ния и уровню собственных шумов согласующие каскады
электронного тракта ФПУ (входные каскады, предусилите-
ли) можно условно разделить на три группы:
для низкоомных фоторезисторов на основе германия,
легированного медью, и на основе тройных соединений с
темновым сопротивлением 20—1000 Ом и уровнем собст-
венных шумов 0,5—10,0 нВ/Гц,/2;
для охлаждаемых фоторезисторов на основе антимо-
нида и арсенида индия и других материалов с темновым
сопротивлением 1.0—10.0 кОм и уровнем собственных шу-
мов 10.0—50.0 нВ/Ги1'2:
для высокоомных фоторезпеторов на основе халькоге-
нидов свинца и легированного германия с темновым со-
противлением до 1 — 10,0 МОм и уровнем собственных шу-
мов 50,0—1000 нВ/Гц1/2.
Согласующие устройства для пизкоомных приемников
излучения разрабатываются с использованием малошумя-
щих транзисторов, включенных по схеме с общей базой
(ОБ) и работающих в режиме микротоков (Л,-<0,5 мА)
(рис. 4.2,д). Часто используют параллельное включение
нескольких транзисторов по схеме с общим эмиттером
(ОЭ) (рис. 4.2,6). При этом среднеквадратичное значение
71
тока сигнала, передаваемого в нагрузку каскада, увеличи-
вается в п раз (где п — число параллельно включенных
транзисторов), а среднеквадратичное значение шумового
тока увеличивается только в У п раз, поскольку эквива-
лентные шумовые генераторы отдельных транзисторов не
коррелировапы. Таким образом, отношение сигнал/шум
увеличивается в п раз. по мощности по сравнению с отно-
шением сигнал/шум каскада с одним транзистором. В от-
Рис. 4.2. Принципиальная схема ФПУ на основе низкоомных фоторе-
зисторов Cd Hg Те:
а — входной каскад по схеме с ОБ; б — входной каскад с параллельным вклю-
чением входных транзисторов; в — входной каскад с использован нем входного
согласующего 1рансфсрматора
14
дельных случаях применяются специально разработанные
микроминиатюрные входные трансформаторы (рис. 4.2,в),
применение которых позволяет реализовывать малые шумы
при небольших сопротивлениях генератора сигналов.
Рис. 4.3. Принципиальная
электрическая схема ФПУ на
основе фоторезпстора из анти-
монила индия с включением
входно!о каскада по схеме
с иЭ
Рис. 4.4. Принципиальная
электрическая схема ФПУ на
основе высокоомного фоторе-
зистора с включением входно-
го каскада усиления по схеме
с ОИ
Согласующие устройства для охлаждаемых фотоприем-
ников на основе антимонида индия с темновым сопротивле-
нием 1,0—10,0 кОм строятся на транзисторах, включенных
по схеме с ОЭ (рис. 4.3). При использовании фоторезисто-
ров с темновым сопротивлением около 1,0 кОм применяют-
Рис. 4.5. Принципиальные электрические схемы ФПУ на основе высо-
коомных фоторезисторов со схемой эмиттерного (а) и истокового (б)
повторителей
73
Рис. 4.6. Принципиальные электрические схемы ФПУ с охлаждаемыми
предусилителями:
а— транзистор с изолированным затвором; б —транзистор с каналом р-тина;
Гр — рабочая температура
ся германиевые транзисторы, а фоторезисторов с темновым
сопротивлением около 10,0 кОм — кремниевые.
Согласующие устройства (каскады) для высокоомных
фоторезисторов выполняются на полевых транзисторах.
При темновом сопротивлении приемника излучения до
1,0 МОм полевой транзистор включается по схеме с общим
истоком (ОН) (рис. 4.4), а при сопротивлении более
1,0 МОм (что присуще ряду охлаждаемых фоторезисторов)
применяются эмиттерпые (рис. 4.5,а) или истоковые
(рис. 4.5,6) повторители.
Для снижения уровня собственных шумов электронного
тракта ФПУ практикуется охлаждение сопротивления
нагрузки и элементов согласующего каскада до низкой
температуры (6—100 К). В этом случае элементы как со-
гласующих, так и усилительных каскадов выполняются,
как правило, на полевых транзисторах (рис. 4.5,6; 4.6,а, б).
Для достижения максимального отношения сигнал/шум
в согласующих каскадах могут использоваться схемы про-
Рис. 4.7. Функциональная схе-
ма цепи коррекции постоянной
времени фотоприемника
тивошумовой коррекции [34,
явной времени приемника из-
35] и схемы коррекции посто-
лучения [36].
Если постоянная времени
приемника излучения больше
минимальной длительности ре-
гистрируемого импульса, то
применяют специальные меры
коррекции инерционности фо-
топрнемнпка. Возможность та-
кой коррекции впервые была
74
показана в [36]. Сущность коррекции инерционности
фотоприемника заключается в следующем. С точки зрения
инерционных свойств приемник излучения во многих слу-
чаях можно представить в виде простого апериодического
RC-звена с постоянной времени т, равной времени реком-
бинации носителей тока. Если в схему электронного трак-
та ФПУ включить дифференцирующее звено, постоянная
времени которого равна постоянной времени фотоприем-
ника т—RC (рис. 4.7), то последовательное соединение
фотоприемника с таким звеном эквивалентно некоторому
новому апериодическому звену с постоянной времени
Тэ = /?эСэ=т/«, (4.1)
где
a^lRt+RJ/Rz.
Так как а>1, то тэ<т и система становится более
быстродействующей.
Естественно, что уровень шумов при этом возрастает.
Однако, если шум отличается от белого, а его спектраль-
ная плотность убывает обратно пропорционально частоте,
шум при коррекции увеличивается меньше чем в а раз.
Введение коррекции даст при этом определенные преиму-
щества. Среднеквадратичное значение напряжения шума
на выходе электронного тракта при введении коррекции
увеличивается в у2 раз, где
да + 1 1п 1 + (Мд/д)5
г _ 1 2 1 + (2^нт/д)*
7 - ln(fB/fH)
При 100 (где и —соответственно верхняя и
нижняя граничные частоты пропускания электронного
тракта ФПУ) у^о/2,5; следовательно, напряж’ение шума
на выходе электронного тракта при введении коррекции
увеличивается в меньшей степени, чем уменьшается по-
стоянная времени фотоприемника.
Введение в схему электронного тракта ФПУ диффе-
ренцирующей цепочки позволяет решать задачи регистра-
ции коротких импульсов излучения при использовании
высокоомных фоторезисторов с большой собственной ем-
костью. В этом случае корректируется постоянная времени
цепи электронного тракта. Так как при введении звена
коррекции постоянной времени приемника излучения
прежде всего увеличиваются шумы, источники которых на-
ходятся между корректируемой и корректирующей цепями,
75
цепь коррекции желательно включать непосредственно
в затвор первого транзистора.
Применение цепей коррекции постоянной времени при-
емника излучения следует избегать в тех случаях, когда
в процессе эксплуатации постоянная времени фотоприем-
ника и его темновое сопротивление резко изменяются под
воздействием принимаемого оптического излучения.
Усилительный каскад 2 (см. рис. 4.1) предназначен
для усиления и обработки информации (смеси фотосигна-
ла и шума), поступающей с выхода согласующего каскада.
Рис. 4.8. Принципиальная электрическая схема ФПУ с' резонансной
формой частотной характеристики
В этом каскаде происходит формирование необходимой
полосы пропускания (рис. 4.8), производится частотная и
противошумовая коррекции (рис. 4.9), дифференцирование
или интегрирование сигнала (корректирующие элементы
и звенья на рисунках обведены пунктиром). Усилительный
каскад выполняется на элементах (транзисторы, интеграль-
ные микросхемы), обеспечивающих усиление фотосигнала
и шума приемника излучения до уровня, необходимого для
работы выходного каскада в рабочей полосе частот ФПУ.
76
Выходной каскад 3 (см. рис. 4.1) электронного тракта
ФПУ служит для передачи усиленного сигнала и шума из
выходной цели последнего усилительного элемента усили-
тельного каскада в нагрузку. Основным требованием,
предъявляемым к выходному каскаду, является обеспече-
ние усиления по мощности и малого выходного сопротив-
ления. Для построения выходных каскадов используют
транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором
(ОК) или общим стоком (ОС).
Динамический диапазон по напряжению электронного •
тракта ФПУ для схем линейного усиления составляет 40—
80 дБ. Однако необходимость использования ФПУ в ши-
Рис. 4.9. Принципиальная электрическая схема ФПУ с противошумо-
вой и частотной коррекциями на основе высокоомных фоторезисторов
Ge : Hg и Ge : Zn
роком диапазоне изменения регистрируемого потока излу-
чения обусловливает потребность значительного расшире-
ния динамического диапазона ФПУ до 100—150 дБ, что
требует применения специальных мер, т. е. введения авто-
матической регулировки чувствительности и усиления 4
(схем АРЧ и АРУ).
Для расширения динамического диапазона ФПУ используются раз-
личные варианты схем, изменяющих чувствительность приемника излу-
чения или коэффициент усиления электронного тракта ФПУ при изме-
нении уровня потока излучения на входе. Наиболее простой способ
расширения динамического диапазона ФПУ-—это изменение рабочего
напряжения фоторезистора при изменении мощности потока излучения,
падающего на приемную площадку. Однако применение этого метода ие
всегда удобно. Часто применяются способы управления чувствитель-
77
Рис. 4.10. Принципиальные схемы регулирования чувствительности ФПУ:
а — при помощи управляемого аттенюатора на полевом транзисторе; б — то же
аттенюатора на диодах; в — с замкнутой схемой АРУ; г— с управляемым пи-
ментом, шунтирующим истоковую нагрузку; д—при помощи нолевого транзисто-
ра, шунтирующего нагрузку фотоприемника; е — при помощи оптрона, шунти
рующего нагрузку приемника
костью ФПУ при помощи схемы автоматического регулирования коэф-
фициента усиления электронного тракта. При этом наряду с режимными
АРУ, в которых усиление регулируется путем изменения режима тран-
зистора по постоянному току, нашли также применение схемы АРУ,
78
е)
работающие по принципу управления глубиной отрицательной обратной
связи, изменения затухания управляемых делителей напряжения
(рнс. 4.10,а—в), а также шунтирования коллекторной (стоковой) на-
грузки (рис. 4.10,г). Возможно управление чувствительностью ФПУ при
помощи изменения сопротивления нагрузки приемника излучения
(рис. 4 10,3, е).
Кроме, того, значительное расширение динамического диапазона
ФПУ можно получить, применяя схемы усилительных каскадов с лога-
78
рифмической амплитудной характеристикой. Включая иа выходе лога-
рифмического усилителя усилительный каскад, имеющий экспоненциаль-
ную амплитудную характеристику, можно восстановить первоначальную
ситуацию по амплитуде иа входе ФПУ и получить необходимую инфор-
мацию, заложенную в амплитуде сигнала [37]. Однако реализация по-
добных систем в микроминиатюрном исполнении создает определенные
технические трудности.
Сглаживающий фильтр 5 (см. рис. 4.1) развязывает цепь
питания фотоприемника от возможной обратной связи с
другими цепями и элементами электронного тракта ФПУ
через источник питания и от шумов и пульсаций .источника
питания фотоприемника. Основная цель фильтра — умень-
шить (сгладить) напряжение шумов и пульсаций цепей пи-
тания фотоприемника до уровня, значительно меньшего
его собственных шумов.
Элементы расчета основных параметров ФПУ. Исход-
ными данными для расчета ФПУ и выбора элементов его
электрической схемы являются заданные значения удель-
ной обнаружительной способности ФПУ D* на рабочей
частоте модуляции /м оптического излучения, максимальное
выходное напряжение фотосигнала ис.вых.тах, минималь-
ное допустимое напряжение шума на выходе (Уш.вых.»1мп,
а также параметры полупроводникового фоточувствитель-
ного элемента (напряжение шума, темновое сопротивление,
постоянная времени, размеры приемной площадки, инте-
гральная вольтовая чувствительность) '.
В качестве примера приведем порядок расчета основ-
ных параметров линейного фотоприемного устройства,
структурная схема которого приведена на рис. 4.1. Расчет
ФПУ сводится к расчету параметров и характеристик его
электронного тракта.
Сначала определяется допустимый уровень собствен-
ных шумов электронного тракта, приведенных к входу в
единичной полосе пропускания: *
иш.3=Уи1 2шг-и2ш,
где иш — напряжение собственных шумов приемника излу-
чения; иШ£=$и V A^/D* — напряжение шумов (приведен-
ное ко входу электронного тракта ФПУ при подключенном
приемнике излучения), при котором должна обеспечивать-
ся заданная обнаружительная способность ФПУ; здесь
1 Определения и размерности встречающихся здесь и далее пара-
метров ФПУ приведены далее в табл. 4.1.
80
S'u — интегральная вольтовая чувствительность приемника
излучения.
Затем производят расчет полосы пропускания электрон-
ного тракта ФПУ.
При синусоидальной модуляции потока излучения поло-
са пропускания электронного тракта
Afo,7=2fM>
где /м — частота модуляции потока излучения.
При прямоугольной модуляции потока излучения поло-
са пропускания электронного тракта определяется по фор-
муле
А/о,7=/в—fa,
где
где Хпип — минимальная длительность прямоугольного им-
пульса на входе ФПУ; хтах— максимальная длительность
прямоугольного импульса на входе ФПУ; о — спад пло-
ской вершины прямоугольного импульса на выходе ФПУ.
При этом должно выполняться условие
/в^1/2лт,
где х — постоянная времени фотоприемника.
Если неравенство не выполняется, то производится кор-
рекция инерционности фотоприемника (см. § 4.1) или вы-
бирается фотопрнемник с меньшим значением постоянной
времени.
Эффективную (шумовую) полосу пропускания элек-
тронного тракта ФПУ для некорректированного приемника
определяют по формуле
П0,1 = /р 1П (/b/Fh) ,
*
где fp — резонансная частота усилителя.
Обычно отношение 77o,i/Afo,7 может находиться в диа-
пазоне 1,01 —1,57. Это отношение определяется частотной
характеристикой электронного тракта ФПУ и в каждом
конкретном случае подбирается экспериментально. Для
приближенных расчетов принимают
По,1= 1,22Д/о,7-
Затем определяют коэффициент усиления электронного
тракта ФПУ по напряжению:
%U — U,u.BbX КЦ>,1-
6-3274
81
где Um.вых min — минимально допустимое напряжение шума
на выходе ФПУ.
Пороговый поток излучения на входе ФПУ определяют
по формуле
Фп^иш/8и,
где V — требуемое отношение сигнал/ шум.
Максимальный поток излучения на входе ФПУ находят
по формуле
Фщах==Фп^ ,
где D — динамический диапазон ФПУ по мощности.
После этого определяют максимальное напряжение фо-
тосигнала па выходе ФПУ при воздействии на его вход
максимального потока излучения:
Uс max==®maxSuKU'
Если максимальное напряжение фотосигнала на выходе
ФПУ превышает максимально допустимое напряжение на
выходе электронного тракта, то необходимо введение схе-
мы АРЧ или АРУ с коэффициентом регулирования
с max/ Uвых тах>
где Овыхтах — максимально допустимое напряжение на вы-
ходе электронного тракта ФПУ.
На основании данных расчета допустимого уровня соб-
ственных шумов электронного тракта, верхней границы ча-
стот, ширины полосы пропускания, коэффициента усиления
электронного тракта, коэффициента регулирования чувст-
вительности в канале АРУ и темпового сопротивления фо-
топриемника производится подбор активных элементов
электрической схемы ФПУ (транзисторов, микросхем, емко-
стей и др.). Способы расчета усилителей электрических
сигналов достаточно широко освещены в литературе и
здесь не рассматриваются.
Приведенные в этом параграфе соотношения могут быть
использованы также для расчета ФПУ на основе фотодио-
дов с учетом приведенных в последующих параграфах кон-
кретных выражений входящих в них параметров, опреде-
ляемых особенностями структурной схемы ФПУ.
4.2. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ФОТОДИОДОВ
И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
На основе фотодиодов возможно создание ФПУ различ-
ного назначения, работающих в широком диапазоне моду-
ляции оптического сигнала — от приема постоянных и мед-
ленно изменяющихся потоков до приема высокочастотных
82
и импульсных сигналов. В зависимости от вида регистри-
руемого сигнала и режима работы фотоприемника функ-
циональные схемы ФПУ могут иметь различный вид
(рис. 4.11).
Для приема немодулированного и медленно изменяю-
щегося потока излучения может использоваться функцио-
нальная схема ФПУ, состоящая из фотодиода, включен-
ного в фотовольтаическом (рис. 4.11,а) или в фотодиодном
(рис. 4.11,6) режиме, и усилителя постоянного тока.
Для приема синусоидально модулированного потока из-
лучения часто используется функциональная схема ФПУ,
состоящая из фотодиода, включенного в фотодиодном ре-
Рис. 4.11. Функциональные схемы ФПУ на основе фотодиодов:
а — фотодиод (ФД), работающий в фотовольтаическом режиме; б — то же в
фотодиодном режиме; в- то же в фотодиодном режиме с разделительным кон-
денсатором; г —то же в фотодиодном режиме с оптимальным фильтром и раз-
дели I ел ьн им конденсатором
жиме, разделительного конденсатора и усилителя перемен-
пого напряжения (рис. 4.11,в).
Для приема импульсного модулированного сигнала
обычно используется функциональная схема ФПУ, содер-
жащая фотоприемпик, включенный в фотодиодном режиме,
разделительный конденсатор, усилитель импульсного сиг-
нала и квазиоптимальный фильтр (рис. 4.11,г).
Особый интерес представляет использование фотодио-
дов в высокочувствительных ФПУ, работающих при отно-
сительно низких частотах модуляции потока излучения и
в условиях изменяющихся фоновых нагрузок. Работа фо-
6* 83
тодиода в подобных условиях эксплуатации ограничива-
ется двумя взаимно противоречивыми требованиями:
- с одной стороны, для достижения максимальной обна-
ружительной способности на р-я-переходе необходимо
поддерживать постоянное напряжение смещения, близкое
к нулевому в заданном диапазоне изменения фоновых за-
светок, что обеспечивает отсутствие избыточных шумов фо-
тодиода и его работу в линейной области;
с другой стороны, сопротивление нагрузки фотодиода
должно быть настолько большим, насколько это необходи-
мо с точки зрения минимизации шумового вклада сопро-
тивления нагрузки.
Это противоречие может быть преодолено путем исполь-
зования в качестве предусилителя ФПУ операционного уси-
лителя, охваченного отрицательной обратной связью по на-
пряжению и гальванически связанного с фотодиодом
[38, 39].
Фотоприемные устройства на основе пары фотодиод —
операционный усилитель. Для создания фотоприемных
устройств, обладающих максимальной обнаружительной
способностью в условиях изменяющихся фоновых нагру-
зок, широко используются операционные усилители.
Напомним, что операционный усилитель (ОУ) — это
усилитель постоянного тока с дифференциальным вхо-
дом, обладающий очень большим коэффициентом усиления
(до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянно-
го тока до 100 МГц), высоким (до 1000 МОм) входным
сопротивлением и низким (десятки Ом) выходным сопро-
тивлением.
Эквивалентная схема ФПУ на основе пары фотодиод —
операционный усилитель (ФД—ОУ) приведена на рис. 4.12
Рис. 4.12. Эквивалентная схема ФПУ на основе пары фотодиод — опе-
рационный усилитель (ФД—ОУ)
84
[40]. В этой схеме фотодиод действует как генератор тока
(сигнала Zc и шума /ш), а ОУ служит преобразователем
этого тока в напряжение. Подобная схема включения име-
ет ряд преимуществ. Если ОУ с разомкнутой петлей обрат-
ной связи (ОС) имеет коэффициент усиления Ко и входное
сопротивление /?вх, то при замкнутой петле ОС входное со-
противление уменьшается и становится равным
R 'вх=Ro.c/Ко,
где /?<>.<•— сопротивление в цепи обратной связи.
Входное сопротивление ОУ при замкнутой петле ОС
является нагрузкой фотодиода. При коэффициенте усиле-
ния /<о=1О4-^-1О5 входное сопротивление ОУ при замкнутой
петле ОС обычно не превышает десятков ом. Использова-
ние нпзкоомной нагрузки позволяет увеличить быстродсй-
Рис. 4.13. Вольт-амперные ха-
рактеристики кремниевого фо-
тодиода:
/ — нагрузочная характеристика
несмещенного фотодиода при поч-
ти нулевом сопротивлении нагруз-
ки; 2—то же при смещении на фо-
тодиоде—13 В и почти нулевом со-
противлении нагрузки; 3 — то же
несмещенного фотодиода ппн
большом сопротивлении нагрузки;
/ф — фототок; £/см — напряжение
смещения
•РипиМи однь/и фотивольгпаи чесний
ствие фотодиода, поскольку в этом случае исключается
влияние его емкости. Уменьшение нагрузки фотодиода
(рис. 4.13) также позволяет повысить линейность световой
характеристики ФПУ: при малой нагрузке нагрузочная ха-
рактеристика фотодиода имеет вертикальное‘направление
и пересекает линейную область ВАХ, соответствующую
действию фотоприемника в фотодиодном режиме (прямые
1 и 2).
Если сопротивление нагрузки фотодиода, создаваемое
входным сопротивлением ОУ, не является низкоомным, то
при отсутствии напряжения смещения нагрузочная харак-
теристика пересечет нелинейную область ВАХ (прямая 3),
соответствующую работе фотодиода в фотовольтаическом
режиме.
Е1апряжение сигнала на выходе ФПУ определяется при
Ло»1 по формуле
^С.ВЫХ=::52/?,О.С^}ИЗЛ) (4.2)
85
где Sj—интегральная токовая чувствительность фото-
диода; /?о.с — сопротивление в цепи обратной связи;
Риал — мощность потока излучения, падающая на чувстви-
тельную площадку.
Из (4.2) следует, что напряжение сигнала на выходе
ФПУ зависит от сопротивления обратной связи и чувстви-
тельности фотодиода. Вследствие этого при использовании
/?о.с с небольшим ТКС требуется производить температур-
ную компенсацию только чувствительности фотодиода. При
использовании кремниевого фотодиода в фотовольтаиче-
ском режиме температурный коэффициент интегральной то-
ковой чувствительности составляет ±0,05% /°C. При мо-
нотонном повышении температуры чувствительность фото-
диода сначала увеличивается, затем уменьшается, потом
снова увеличивается, однако ее изменение не превышает
4% в диапазоне температур от —18 до ±52 °C [39].
Существенным преимуществом данной схемы включе-
ния является отсутствие необходимости стабилизации ко-
эффициента усиления ОУ.
Вольтовая чувствительность ФПУ при приеме немодулированного
потока излучения рассчитывается по формуле
$17 _ = $/^o.ci
при приеме синусоидально модулированного потока излучения — по
формуле
Su^S/Ro.c-' 1 + (2лМ2 ^V.cC’o.c
где Со.с — емкость в цепи обратной связи; — частота модуляции по-
тока излучения.
Шумовые характеристики схемы ФД — ОУ (см. рис. 4.12) близки
к характеристикам ОУ, зашунтированного по входу сопротивлением ОС,
которое выбирается достаточно большим [41, 42].
Полное напряжение шума на выходе ФПУ определяется следую-
щим образом [39]:
Ци.вых = Ан.у + (А + *2ц1ФД + ‘~ro W-.c’ (4-3)
где еш.у — спектральная плотность напряжения шума усилителя; i\ —
спектральная плотность шумового тока усилителя; 11Пфд— спектраль-
ная плотность шумового тока фотодиода; inoc_ — спектральная плот-
ность шумового тока сопротивления ОС; Ки — коэффициент усиления
по напряжению.
Шумовые характеристики ОУ приводятся в его документации или
определяются экспериментально. Для современных ОУ спектральные
плотности шумового тока и шумового напряжения соответственно со-
ставляют (1—2)-10“14 А/Гц1/2 и (1—7)-10-8 В/Гц'/2.
86
Остальные составляющие шума определяются по следующим фор-
мулам:
плотность шумового тока фотодиода, работающего в фотодиодном
режиме,
'шФД = .
где е — заряд электрона; /т — темновой ток фотодиода; Л/—эффектив-
ная полоса пропускания электронного тракта;
плотность шумового тока фотодиода, работающего в фотовольтаи-
ческом режиме,
<шФД = ^4А7’ДГ/Лд,
где k — постоянная Больцмана; Т — температура р-п-перехода; —
динамическое сопротивление несмещенного р-п-перехода;
плотность шумового тока сопротивления в цепи ОС
= V 4kTbf/Roc.
о. с
Следует отметить, что на спектральную плотность шума фотодиода
существенное влияние оказывает емкость р n-перехода. На частотах,
при которых емкостная составляющая полного сопротивления фотодио-
да меньше полного сопротивления ОС, происходит увеличение шумового
напряжения, действующего иа входе усилителя, пропорциональное
отношению этих двух сопротивлений. На этих частотах спектральная
плотность шума может возрастать со скоростью 6 дБ на октаву. Ско-
рость возрастания зависит от соотношения между уровнем шума на
входе ОУ, уровнем шума фотодиода и уровнем шума сопротивления
в цепи ОС.
Выбор ОУ с минимально возможным значением входной емкости
позволяет уменьшить зависимость спектрального распределения шума
от емкости фотодиода [39].
При применении малошумящего ОУ преобладающую роль в (4.3)
начинают играть шумы фотодиода и резистора обратной связи. Поэто-
му можно записать:
Цп.вых = К (‘аш.ФД + ) Л2о.с-» (4.4)
Используя (4.3) и (4.4), получаем следующее выражение для отно-
шения спгпал/шум ФПУ:
(Ус/^„)вых = ^шФД + 18ЯО с*
При использовании фотодиода в фотовольтаическом режиме сопро-
тивление в цепи ОС выбирается большим, чем эквивалентное сопротив-
ление несмещенного р-п-церехода (Ro.c>Ra). В этом случае спектраль-
ная плотность шума фотодиода «шфд намного больше спектральной
плотности шума сопротивления нагрузки и отношение сигиал/шум пре-
образуется к виду
(^сДАп)вых = Рцзл$/ "|/4Л7’Д[/7?д.
87
Отсюда пороговый поток в заданной полосе частот в этом случае
при отношении сигнал/шум, равном 1, может быть рассчитан по
формуле
В этом предельном случае значение Фп определяется интегральной
токовой чувствительностью фотодиода Si и внутренним сопротивлением
RK несмещенного р-л-перехода. Для обнаружения пороговых потоков
излучения применяют фотодиоды с большой интегральной чувствитель-
ностью, малыми темновыми токами и высоким внутренним сопротивле-
нием несмещенного р-л-перехода.
Например, при использовании кремниевого фотодиода с интеграль-
ной чувствительностью 0,5 A/Вт и внутренним сопротивлением несме-
щенного р-л-перехода 5,0 МОм, подключенного к ОУ с сопротивлением
ОС более 10 МОм, в полосе 1 Гц можно получить пороговую чувстви-
тельность до 1,1-10-'3 Вт.
Обнаружительная способность ФПУ может быть определена по
формуле
~ {'шФд+'ш.у + с + I 2фд| 4-1 /о.с|/|гФд| |Zo.clD1/2 ’
где |2фд | — импеданс фотодиода; |ZO.C | — импеданс цепи ОС; Si —
токовая чувствительность фотодиода.
Особенности работы ФПУ при низких уровнях осве-
щенности. В схеме, приведенной на рис. 4.11,а, напряже-
ние на выходе ФПУ возникает даже при неосвещенном
р-/г-переходе. Такое остаточное выходное напряжение обус-
ловлено наличием: входного остаточного напряжения опе-
рационного усилителя Uост, которое полностью передается
на выход усилителя; тока смещения /см на входе усилите-
ля, протекающего по сопротивлению ОС; темнового тока
/т, возникающего при подаче на фотодиод напряжения сме-
щения. Полное выходное остаточное напряжение' опреде-
ляется выражением
Пост.вых^3 (/смЧ~/т) -
При обнаружении пемодулированных потоков с низким
уровнем освещенности, когда приходится использовать ре-
зисторы обратной связи с большим сопротивлением, необ-
ходимо всеми мерами уменьшать входной ток смещения
ОУ и темновой ток фотодиода, так как в противном случае
возникает заметное выходное остаточное напряжение. В по-
добных случаях используют ОУ на полевых транзисторах
и p-i-л-фотодиоды с малыми темновыми токами.
88
Возможность существенного уменьшения выходного
остаточного напряжения не устраняет проблемы темпера-
турного дрейфа t/ост, /см, /т- Темновой ток, например, крем-
ниевого фотодиода удваивается при повышении температу-
ры на каждые 10 °C, поэтому во многих случаях фотодиод
используется в фотовольтаическом режиме, когда /т^=0.
Проблему температурного дрейфа t/0-T и /См можно
преодолеть, используя ОУ с прерывателями или модулято-
рами.
При использовании ФПУ в устройствах обнаружения
модулированного потока излучения ОУ соединяют с после-
дующим каскадом усиления без связи по постоянному току
(т. е. через разделительный конденсатор) и тогда темпера-
турный дрейф постоянного выходного остаточного напря-
жения не сказывается. В таких случаях для уменьшения
емкости фотодиода и увеличения быстродействия к р-п-пе-
реходу прикладывается напряжение смещения (рис. 4.14).
Частотная характеристика ФПУ на основе ОУ. Частот-
ная характеристика на основе ФД — ОУ в основном опре-
деляется частотными свойствами ОУ и сопротивлением це-
ни ОС.
Важнейшим преимуществом схемы, показанной па
рис. 4.14, является то, что фотодиод здесь нагружается поч-
ти короткозамкнутой цепью, поэтому любой возможный
заряд с фотодиода практически мгновенно передается на
ОУ. Благодаря этому емкость фотодиода, которая может
быть очень большой и достигать 1000 пФ в фотовольтаиче-
ском режиме, непосредственно не определяет частотной
характеристики.
Если ФПУ предназначено для приема импульсных оп-
тических сигналов или для работы в широком диапазоне
частот модуляции потока излучения, то необходима кор-
рекция амплитудно-частотной характеристики электронного
тракта ФПУ. «
Частотная коррекция АЧХ, необходимая для обеспече-
ния максимального отношения сигнал/шум или для фор-
мирования полосы частот, требуемой для пропускания им-
пульсного сигнала с минимальным искажением его формы
при сохранении высокого отношения сигнал/шум, может
быть осуществлена либо в последующих каскадах элек-
тронного тракта, либо па выходе ОУ, либо в цепи обратной
связи. Такая коррекция может быть осуществлена, напри-
мер, с помощью простой дифференцирующей /<С-цеиочки
при относительно небольших (по отношению к оптимально-
му фильтру) потерях для наиболее часто встречающихся
в задачах обнаружения формах оптического сигнала.
89
Обычно при создании ФПУ, предназначенных для прие-
ма импульсных сигналов, применяют двухзвснпую струк-
турную схему, состоящую из интегрирующего и дифферен-
цирующего звеньев. Здесь необходимо отметить, что пара
ФД — ОУ может выполнять функцию интегрирующего зве-
на квазиоптимального фильтра, где интегрирование проис-
ходит не на собственной /?С-цепочке фотодиода, как при
простой противошумовой коррекции, а на /?С-цепи ОС.
Формирование необходимой частотной характеристики
электронного тракта ФПУ, выполненного с применением
одного или нескольких ОУ, может быть проведено по из-
вестным принципам, приведенным в [43], когда форми-
рующий каскад включается после пары ФД — ОУ.
Рис. 4.14. Схема ФПУ на ос-
нове пары ФД—ОУ
Рис. 4.15. Схема с корректиру-
ющими элементами в цепи об-
ратной СВ/13 (
Специфическим случаем применения пары ФД ОУ
является установка дифференцирующей цепочки па выхо-
де ОУ или в цепи ОС.
Схема включения дифференцирующей цепочки в цепи
ОС представлена на рис. 4.15. Для удобства элементы в
цепи ОС представлены в виде импедансов Z,-. Необходимо
отметить при этом, что цепь ОС для низкочастотных поро-
говых схем должна обязательно иметь коэффициент пере-
дачи, отличный от нуля на постоянном токе (условие под-
держания нулевого смещения на фотодиоде), т. е. пмпедан-
сы Zo.c и Z, могут быть чисто емкостными только при нали-
чии специально организованной ОС по постоянному току
(например, оптической — с помощью оптрона). С учетом
некоторых упрощений получаем выражение для передачи
фототока 7ф на выход ФПУ, содержащего Zj-элементы:
^вых ~ ~ Л/о.с (1 4-^i/Z?).
90
В этом выражении величина Zo.c — это импеданс ОС,
имеющий свойства интегрирующей цепочки. Дифференци-
рующая цепочка в простейшем случае может быть образо-
вана двояким образом. Во-первых, путем установки в ка-
честве Z2 емкости С2 (при этом Z^=l/jaC2), а в качест-
ве Zi активного сопротивления /?, (Д<С/?о.с). При этом
Пвых — Iqfio.c (1 Д- Д)-
Модуль выходного напряжения при этом имеет вид:
I Д- I - ЛЛ.с Г Г1 + “^о.ЛД.е. (4.5)
При соблюдении равенства Ro.cCo.c=R\C2 (4.5) преоб-
разуется к виду
| Пвых| =—-/фЯо.о
Амплитудно-частотная характеристика сигнала ФПУ
становится частотно-независимой от реактивных элементов
цепей входа и ОС, начиная с нулевой частоты, и определя-
ется полностью АЧХ ОУ.
При Д|С2>/?о.сСо.с корректировка АЧХ сопровождает-
ся эффектом усиления выходного сигнала по напряжению
в RiCi/Rn.eCo.c раз и ослаблением глубины ОС на тех ча-
стотах, где имеется усиление по напряжению.
Вторым способом организации дифференцирующего зве-
на в цепи ОС является способ, при котором Zi есть чисто
активное сопротивление Ri, a Z2 выполняется в виде по-
следовательно соединенных /?2 и С2 (при этом Rt^>Ru.c).
Тогда
I Д I =(1/«Сг)/1 +<»чд(д,
а модуль выходного напряжения ФПУ может быть найден
из выражения
I Дых | = - /ФДО.С J 1+^о.сС’о.с.
При w = 0 напряжение на выходе ФПУ райно входному
току /ф, умноженному на сопротивление /?о.с-
Г1рЫ (0->оо
I UВЫХ |->-/ф(1+Д1/Д2)/®Со.с,
т. е. коррекция проявляется в усилении напряжения сиг-
нала в цепи ОС в 14-/?1/Д2 раз. При этом следует отме-
тить, что такой способ коррекции, как и в предыдущем
случае при /?1С2^>/?о.сСо.с, приводит к ослаблению влияния
отрицательной ОС с ростом частоты. Другими словами,
формирование рабочей полосы частот по сигналу ФПУ с
усилением по напряжению лишает его ряда положительных
91
Рис. 4.16. Амплитудно-частотные характеристики ФПУ, формируемые
цепью ОС
качеств, связанных с наличием глубокой отрицательной
ОС именно в рабочей полосе частот.
На рис. 4.16 приведены амплитудно-частотные харак-
теристики ФПУ в виде диаграмм Боде при формировании
рабочей полосы при различных со-
Рис. 4.17. Схема ФПУ с
корректировкой АЧХ
дифференцирующей це-
почкой на выходе ОУ
отношениях между интегрирующи-
ми (Ло.сСо.с) и дифференцирующи-
ми (/?1С2) элементами в цепи ОС.
Коррекцию амплитудно-частот-
ной характеристики ФПУ на основе
пары ФД — ОУ можно осущест-
влять на выходе ОУ путем подклю-
чения делителя напряжения, со-
стоящего из двух элементов, один
из которых выполняется в виде па-
раллельной /?С-цепочки, а другой—
в виде активного сопротивления г
(рис. 4.17).
Напряжение на выходе ФПУ в точке 1 с учетом того,
что г включает в себя входное сопротивление последующе-
го каскада электронного тракта, может быть записано фор-
мулой
I
' ^о-с 1 + co’W2
ф (1-Н? г) VI + ю2Л'2с..сС2...
X ~г-=- ..--г . (4.6)
z У 1 +юЧЯС (1 + /?r)Js ’
Пз (4.6) следует, что в этом случае происходит расши-
рение начального участка АЧХ электронного тракта ФПУ.
Если выбрать значение RC, равное значению /?o.tC0.c, то
92
получим:
|^вых|.
Я,.с
(1+Л/П
1
Это означает, что в цепи обратной связи как бы вклю-
чен резистор, сопротивление которого уменьшено в \-\~Rjr
раз без ухудшения порога чувствительности ФПУ и без
уменьшения входного импеданса. Соответственно постоян-
ная времени цепи обратной связи также как бы уменьша-
ется в 1 -\-R/r раз.
На рис. 4.18 показана амплитудно-частотная характе-
ристика ФПУ, сформированная указанным способом. При
выборе сопротивлений R и г (см. рис. 4.17) необходимо
Рис. 4.18. Амплитудно-частотные характеристики ФПУ, сформирован-
ные делителем напряжения па выходе ОУ
учитывать, что значение выходного шума должно оставать-
ся существенно большим значения шума короткого замы-
кания. *
Очевидно, что такого рода коррекция приводит к ослаб-
лению выходного сигнала в \-\-Rjr раз и повышению вы-
ходного сопротивления в точке 1. Поэтому, если к ФПУ
предъявляются требования по обеспечению высокой выход-
ной вольтовой чувствительности и низкого выходного со-
противления, то между точкой 1 и выходом ОУ необходимо
включать дополнительный каскад, выполняющий либо
функцию усилителя напряжения, либо функцию трансфор-
матора сопротивления, либо обе функции вместе. Очевид-
но, что наиболее подходящим электронным узлом для ре-
шения этих задач является ОУ.
93
Сравнивая рассмотренные способы коррекций ампли-
тудно-частотных характеристик электронного тракта ФПУ,
можно отметить следующее:
коррекция АЧХ в цепи ОС возможна как при сохра-
нении первоначального коэффициента передачи по напря-
жению, так и при увеличении его путем выбора соответ-
ствующих элементов цепи ОС. Однако увеличение коэффи-
циента передачи сопряжено с ослаблением действия
отрицательной ОС, что в ряде случаев приводит к нежела-
тельным последствиям (уменьшению динамического диа-
пазона ФПУ, уменьшению диапазона независимости воль-
товой чувствительности ФПУ от температуры при исполь-
зовании охлаждаемых фотодиодов). Кроме того, при
реализации такой коррекции в ФПУ, выполняемом методами
и средствами микроэлектроники, могут возникнуть затруд-
нения с подбором или изготовлением высокономииальных
реактивных элементов (в частности, конденсаторов);
коррекция АЧХ на выходе операционного усилителя
обязательно сопряжена с уменьшением вольтовой чувстви-
тельности ФПУ на низких частотах. При этом сохраняются
преимущества отрицательной ОС во всем рабочем диапа-
зоне частот. Однако такая коррекция вызывает необходи-
мость использования в ФПУ дополнительного усилитель-
ного (или согласующего) элемента для обеспечения высо-
кой вольтовой чувствительности и малого выходного сопро-
тивления электронного тракта ФПУ.
Работа ФПУ на основе пары ФД — ОУ в логарифмиче-
ском режиме. Использование ОУ в ФПУ в качестве уси-
лительных элементов открывает широкие возможности для
создания ФПУ, работающих в логарифмическом режиме
преобразования немодулированного потока излучения.
Функциональные схемы ФПУ, работающих в логарифми-
ческом режиме преобразования потока излучения, приведе-
ны на рис. 4.19.
Особенности указанных схем ФПУ состоят *в следую-
щем:
крутизна логарифмической характеристики (коэффици-
ент пропорциональности между входным и выходным сиг-
налами) в схемах на рис. 4.19,а составляет 5 = Л'г,-р«?7’/е,
где р — множитель в показателе экспоненты вольт-ампер-
ной характеристики фотодиода; /\г— коэффициент усиле-
ния по напряжению;
в схемах на рис. 4.19,6 крутизна характеристики может
регулироваться как за счет использования неполной ОС
(нг#=1), так и при изменении числа логарифмических дио-
дов п в цепи нагрузки фотодиода;
94
в схемах на рис. 4.19,в вместо ЛЪ взят коэффициент tn,
характеризующий глубину' ОС;
в схеме на рис. 4.19,а значение крутизны характеристи-
ки определяется значением S=$kT/e.
Очевидно, что крутизна характеристики логарифмиче-
ского преобразования в схемах на рис. 4.19,6—г не зави-
сит от значения коэффициента усиления ОУ по напряже-
нию и его изменений, обусловленных колебаниями темпе-
ратуры окружающей среды и напряжения питания.
Рис. 4.19. Функциональные схемы ФПУ с логарифмическим преобразо-
ванием сигнала:
А — логарифмический элемент на входе ОУ; б — то же в цепи ОС; в — то же
на входе ОУ, делитель напряжения на выходе ОУ; г — то же в виде оптрона
на выходе ОУ
95
Во всех рассматриваемых схемах фототок наблюдается
на фоне входного тока ОУ. Очевидно, что для конкретного
случая особенно существенными становятся преимущества
ОУ, входные каскады которых выполняются на МОП-тран-
зисторах.
Особенностью схем на рис. 4.19,6 и г является наимень-
шее влияние на значение минимальной регистрируемой ос-
вещенности (или минимального потока излучения) разност-
ной ЭДС. Эти схемы имеют преимущества с точки зрения
минимальной регистрируемой освещенности, при которой
характеристика выходного сигнала выходит на логарифми-
ческий участок. Если в схемах на рис. 4.19,а и в нижний
предел регистрируемых освещенностей определяется зна-
чением фототока, при котором ВАХ фотодиода выходит на
логарифмический участок, то в схеме на рис. '4.19,6 этот
фототок в Алог/Аф раз (где АЛОг— площадь логарифмиче-
ского диода; Аф— площадь фотодиода), а в схеме на
рис. 4.19,г в ЛоптАэпт/Лф раз меньше (где Копт— коэффи-
циент передачи оптрона по току; Аопт — ПЛОЩЗДЬ ИЗЛуЧЯЮ-
щего диода оптрона).
Следует отметить, что при использовании в качестве
логарифмических элементов полупроводниковых диодов
(либо фотодиода, как в схемах на рис. 4.19,а и в, либо
специальных логарифмических диодов, как в схемах на
рис. 4.19,6 и г) имеет место температурная нестабильность
ВАХ, обусловленная, в основном, температурной зависимо-
стью обратного тока диода. Обратный ток полупроводни-
кового прибора па основе кремния при изменении темпе-
ратуры окружающей среды на 10'С изменяется в 2 раза.
Во всех рассматриваемых схемах температурная неста-
бильность выходного напряжения ФПУ, обусловленная
указанной причиной, устраняется путем введения в схему
дополнительного опорного диода из того же материала,
находящегося в режиме прямого смещения, подключенного
к источнику тока. В этом случае выходное напряжение
является разностью фото-ЭДС и напряжения прямого сме-
щения на опорном диоде, причем эта разность практиче-
ски не зависит от температуры.
В схемах на рис. 4.19,о, в, г компенсирующий диод
целесообразно выполнять на единой подложке с фотодио-
дом. Компенсация может быть также осуществлена и пу-
тем использования дополнительного оптрона.
Заметим, что при использовании усилителей с регули-
руемой ЭДС смещения компенсации входного тока ОУ
можно добиться путем этой регулировки. Однако такая
компенсация не может быть эффективной, так как темпе-
96
ратурные зависимости входного тока и ЭДС смещения раз-
личны. Целесообразным является также метод компенса-
ции входного тока усилителя в составе ФПУ с помощью
внешнего источника или согласования нелинейных элемен-
тов.
Работа ФПУ на основе пары ФД — ОУ в линейном режиме при
приеме немодулированного излучения. Эквивалентная схема ФПУ с ли-
нейной зависимостью выходного сигнала от значения падающего пото-
ка излучения приведена на рис. 4.20. В этой схеме фотодиод подключен
на вход ОУ между инвертирующим и неинвертирующим входами. Сим-
метричные нагрузки Ro.ci и R0.C2 подключены соответственно в цепи
ОС и утечки; RA и RB — входные сопротивления ОУ.
Напряжение на выходе ФПУ определяется по формуле
Ивы х——2ДО.С (/ф 4-A//2--|-AZ?c/2/^ ос )=
^—ZAi.SjRo.e (£'+Д//2Лф524-Д£'о/2Лф52 J?o.c),
где Ii,=Ai,SiE — фототок; Дф — площадь фоточувствительного элемен-
та фотодиода; Е — регистрируемая освещенность; &Е0 — входная ЭДС
смещения нуля ОУ; Д/ — разность входных токов ОУ.
Минимальная регистрируемая освещенность может быть рассчита-
на по Формуле
Е-..- = [(Д/ 2)—(ДЕ /гЯо.сИ/ДфЕ,.
Максимальная регистрируемая освещенность ограничивается напря-
жением питания ОУ и определяется по формуле
Ет ах— ив ых max /2До.сЛф£1=0,7ППИТ. у/2До.сДф£г,
где Ппит.у — напряжение питания ОУ; (Дых max— максимальное на-
пряжение на выходе ОУ.
Динамический диапазон работы ФПУ
£)=0,7(7пит.у/ДЕ
Работа ФПУ на основе пары ФД — ОУ в режиме на-
копления. Фотопрнемное устройство на овнове пары
ФД — ОУ является оптимальным прибором не только в
качестве схемы линейного преобразователя немодулиро-
ванного потока излучения (рис. 4.20), но и для реализации
так называемого режима накопления (интегрирования).
Такой режим представляет сравнительно большой интерес
для решения экспонометрических задач при разработке
экспонометров и экспозиметров, так как обеспечивает авто-
матическое перекрытие потока излучения, воздействующе-
го на фоточувствительный материал, после того как этот
материал воспринял заданное количество света (при этом
интенсивность излучения за время кадра может быть не-
стационарной) .
7-3274 97
Схема ФПУ, работающего в режиме накопления
(рис. 4.21), отличается от схемы линейного преобразова-
ния немодулированного потока излучения только тем, что
вместо сопротивлений 7?о.с 1 и У?о.с2 в цепях ОС устанавли-
ваются емкости Co.Cj и Со.с2 .обычно выбираемые равными
Со.с. В режиме подготовки устройства к работе емкости
шунтируются, например, с помощью ключей 7(л.
Рис. 4.20. Эквивалентная схема ФПУ с линейным преобразованием
сигнала
При замкнутых ключах Кл напряжение на выходе ФПУ
независимо от освещенности фоточувствительного элемента
£/вых=-/СоД£о/(Яо+1 W&).
При одновременном размыкании ключей Кл в момент
времени /=0 (переход в рабочий режим накопления) на-
пряжение на выходе ФПУ начинает возрастать и в каждый
момент времени может быть вычислено по формуле
Ц>ых(0— ~ j ^экв"Г (1—^ ') -
<4-7’
До + 1 «
где 7?экв определяется из выражения 1 /7?экп=
4-1/27?в; /?д=7?фд4/Аф— динамическое сопротивление фо-
тодиода в нуле ВАХ; /?фд„ —удельное дифференциальное
сопротивление материала фотодиода;
Т= /?ЭКвСа1;в = АэКВ [ -рСв/2-рС ФД +
4-Со.с (14~^о) / 2]^7?дСо.сКо/2;
Сфд — емкость фотодиода.
Относительная погрешность определения энергии излу-
чения за заданный промежуток времени (равная погреш-
ности определения времени экспозиции) при линеаризации
98
экспоненты
-^-= ± (x/f)ln[l/(l -Ь//х)]
и при /|<Ст/3 не превышает 10% («+» при малых уровнях
освещенности, а «—» при больших).
Если при этом выбрать выходное напряжение срабаты-
вания много большим ДЕ о, то (4.7) запишется следующим
образом:
Т1 _________ ^ср-^ф1^/ Г,, . Д/ 2 4~ /Rsm
^вых.ераб— Сос2 |С-Г Лф5/
При этом в любой момецт времени напряжение на фо-
тодиоде примерно в Л'о раз меньше входного, т. е. всегда
обеспечивается условие ЕФД ^kT/e.
Относительная погрешность установления времени экс-
позиции (/ср) определяется (помимо погрешности спрям-
ления экспоненты) неточностью калибровки, температурной
Рис. 4.21. Эквивалентная схема ФПУ, работающего в режиме накоп-
ления
или временной нестабильностью параметров: Ейых.сраб, Со.с,
Дф, Sj. Независимость времени срабатывания от коэффи-
циента усиления Ео, изменяющегося с изменением напря-
жения питания ОУ и температуры окружающей среды,
обусловлена наличием глубокой отрицательной обратной
связи по напряжению.
Минимальную регистрируемую освещенность в режиме
накопления в диапазоне температур можно определить по
формуле
(Д//2+ДЕ0//?экв ) /ДфЗр.
Расширение динамического диапазона работы ФПУ на
основе пары ФД — ОУ при воздействии фона. Одним из
7* 99
основных требований, предъявляемых к ФПУ, является со-
хранение линейности выходного сигнала при воздействии
на вход устройства значительных фоновых нагрузок.- Осо-
бенно важным это требование становится при регистрации
модулированного оптического сигнала на фоне немодули-
рованного, медленно или скачками изменяющего свое зна-
чение в больших пределах.
Фотоприемное устройство (см. рис. 4.14) реагирует на
постоянную составляющую потока излучения, воздействую-
щего на чувствительную площадку фотодиода, и компенси-
рует через сопротивление /?0.с напряжение смещения, воз-
никающее на фотодиоде под действием этой постоянной
составляющей.
В ФПУ, где ОУ осуществляет компенсацию ЭДС от из-
лучения фона, коэффициент усиления ОУ при выбранном
сопротивлении /?о.с определяется точностью поддержания
заданного напряжения смещения на фотодиоде и поэтому
должен удовлетворять условию
Я» > Л^о.с/ At/фд,
где Ко — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой цепью
ОС; /'ф — фоновый ток фотодиода; Д[7фд —точность под-
держания напряжения смещения на фотодиоде.
Максимальное значение фонового тока фотодиода
1'фтах (вызываемого фоновым потоком), при котором уси-
литель еще выполняет функции стабилизации рабочей точ-
ки, определяется диапазоном нелинейности ОУ и выбран-
ным значением сопротивления в цепи ОС:
I фтах^^Квых тах/Ко.с,
где t/вых max — максимально допустимое напряжение на вы-
ходе ОУ.
Фоновый ток фотодиода может быть определен экспе-
риментально или расчетным путем. Так, для охлаждаемых
фотодиодов он может быть рассчитан по формуле
0Л4Д]?Ъ sin2 (а-2)
I г __ 'max ,
'ф — :—
^•а^тах Г
где ст—постоянная Стефана-Больцмана; То— температура
фона (окружающей среды); — площадь фоточувстви-
тельного элемента фотодиода; щ. ; v—квантовый выход в
максимуме характеристики спектральной чувствительности
фотодиода; а—плоский угол зрения фотодиода; hvmax—
энергия фотона с длиной волны излучения, равной ЪтаХ’>
е — заряд электрона; Ки— коэффициент использования из-
100
лучения для черного тела с температурой, равной темпе-
ратуре фона.
Компенсация ЭДС от излучения фона при использова-
ния ОС через R0.c позволяет расширить динамический
диапазон работы ФПУ в условиях воздействия фоновых
нагрузок примерно в 10—15 раз, что в ряде случаев явля-
ется недостаточным.
Другим известны^ способом расширения динамического диапазона
ФПУ является использование в цепи обратной связи логарифмического
элемента, обеспечивающего высокий коэффициент сжатия выходного
сигнала по отношению к входному. Однако для случая регистрации мо-
дулированных потоков излучения на фоне медленно или скачкообразно
изменяющихся постоянных потоков такая схема оказывается неприем-
лемой, так как в ней нелинейно преобразуется также сигнал от источ-
ника модулированного излучения, причем рабочая точка на характери-
стике нелинейного (логарифмического) элемента задается нестационар-
ным фоном.
Еще одним известным способом расширения динамического диапа-
зона ФПУ является разделение постоянной и переменной составляющих
сигнала с помощью полевого транзистора, включенного в цепь ОС £44].
Постоянная составляющая определяется статическим сопротивлением
транзистора, а переменная — динамическим, благодаря чему расширяет-
ся диапазон изменения входных токов ОУ с одновременным сохране-
нием независимости от режима по постоянному току амплитуды вы-
ходного сигнала. Однако и такой способ не обеспечивает достаточной
глубины регулирования коэффициента передачи постоянной составляю-
щей сигнала в цепи ОС. Одним из наиболее эффективных способов
расширения динамического диапазона ФПУ при изменении фоновых
потоков в широких пределах является использование оптической обрат-
ной связи с помощью оптронной пары фотодиод—излучающий диод.
Эквивалентная схема ФПУ, включающего в себя опти-
ческий канал ОС, приведена на рис. 4.22. Низкочастотный
активный фильтр (НАФ), осуществляющий функцию уси-
ления выходного напряжения в заданном диапазоне частот,
Рис. 4.22. Эквивалентная схема ФПУ с оптической ОС
101
обеспечивает развязку между фоновым и рабочим сигна-
лами.
Напряжение на выходе ФПУ в рабочем диапазоне ча-
стот определяется по формуле
—w
и Лр, — KonTfonT (е ~ — 1)
вых - -- Ло |УФД|+ !(/<„ +1)|УОХ| •
а входное — по формуле
—хи
Г J /ф] ^оп/опт (р ~ 1)
ВХ=; Пфд1+(А'о + 1)|Уо.с| ’
где I$t —фототок сигнального (рабочего) фотодиода;
/опт — ток насыщения излучающего диода оптрона; Кот-
коэффициент передачи оптрона; £7Вых=—постоянное на-
пряжение на излучающем диоде оптрона (пропорциональ-
ное напряжение на выходе операционного усилителя);
УФД —проводимость фотодиода; Уо.с— проводимость це-
пи обратной связи; 'K^e/kT, где е — заряд электрона.
Напряжение на выходе и входе ОУ в диапазоне частот
от нулевой до некоторой граничной, лежащих в полосе уси-
ления низкочастотного активного фильтра, могут быть оп-
ределены по следующим формулам:
^ВЫХ = ( 1/М 1п (/ф//(опт/опт) ;
/Л>Х= ( 1 /АЛо) In (/ф/ Лопт/опт) -
При наличии оптической ОС в полосе частот, усиливае-
мых активным фильтром, обеспечивается логарифмический
режим преобразования входного оптического сигнала в элек-
трический, т. е. значительное расширение динамического
диапазона по постоянной фоновой засветке при сохранении
малого напряжения на фотодиоде фд ). При этом
полоса частот активного фильтра должна выбиваться та-
кой, чтобы обеспечить своевременную отработку изменения
фоновых нагрузок, если они нестационарны по времени.
По существу оптическая обратная связь через оптрон обеспечивает
расширение динамического диапазона ФПУ при воздействии постоянной
и низкочастотной составляющих фонового потока за счет коррекции
частотной характеристики, которая обусловлена протеканием встречного
компенсирующего фототока в цепи отрицательной ОС.
В принципе использование резистора в цепи ОС при наличии оптро-
на, обеспечивающего оптическую ОС, не обязательно. Можно использо-
вать только емкость в цепи ОС, что имеет смысл при увеличении тре-
буемого номинала резистора ОС до значения более 1010 Ом.
162
При обеспечении условий максимальной компенсации фонового фо-
тотока шумовой вклад фотодиода оптрона в общие шумы
ФПУ равен шумовому вкладу сигнального (рабочего) фотодиода, что
приводит к ухудшению обнаружительной способности ФПУ в <Г раз
(остальные шумовые вклады при протекании фонового тока оказыва-
ются существенно меньшими).
Это ухудшение происходит только при работе оптрона, т. е. при
наличии фоновых нагрузок на входе ФПУ. В темновом режиме (т. е.
при отсутствии фона) вклад шумов фотодиода оптрона в шумы ФПУ
может быть достаточно малым, так как его геометрические размеры
могут быть сведены к минимальным по сравнению с размерами основ-
ного (рабочего) фотодиода.
Основные требования к параметрам ОУ, используемых
в ФПУ на основе пары ФД — ОУ. Основные требования к
малошумящим ОУ определяются параметрами фотодиода
и оптико-электронного прибора, в котором они использу-
ются.
Требования к шумовым параметрам ОУ выражаются
через спектральные плотности шумового тока и ЭДС шума
усилителя:
7гш у< 2<?/т + 4/гД/?д; Е\,у < О^/шФД'С^
где 1- — темновой ток фотодиода; Т — рабочая температу-
ра фоточувствительного элемента; ти — длительность опти-
ческого импульса;/,НФд = Т/2г/т—шумовой ток фотодио-
да; Свх — эквивалентная емкость входной цепи; /?д — дина-
мическое сопротивление фотодиода в рабочей точке ВАХ.
Минимальное сопротивление в цепи ОС определяется
из условия
(1//?о.с)^(2е/т/4^7’)4-(7’//?д7’н),
где Тп — температура резистора в цепи ОС.
Максимальное сопротивление в цепи ОС определяется
из условия
^о.с^^ьгх max/Sl®max>
где ивыхтах — максимально допустимое напряжение на вы-
ходе ОУ; S/ — токовая чувствительность фотодиода; Фтах—
максимальное значение потока излучения на входе ФПУ.
Коэффициент усиления операционного усилителя при
разомкнутой цепи обратной связи при использовании его
в ФПУ, где требуется уменьшение постоянной времени
входной цепи, определяется по формуле
/<0>2^осСвх/ти,
103
где /?о.с — сопротивление в цепи обратной связи; Свх —
эквивалентная емкость входа ОУ; ти — длительность при-
нимаемого импульса.
При использовании ОУ в ФПУ, где требуется компен-
сация ЭДС от излучения фона, коэффициент усиления ОУ
определяется по формуле
У ф max ^о.с/^^ФД’
где ЛИ фд —точность поддержания напряжения смещения
на фотодиоде; Гф тах— максимальное значение фонового
тока фотодиода.
Особенности построения ФПУ для регистрации им-
пульсных оптических сигналов. Схемы оптимизации отно-
шения сигнал/шум. Импульсные ФПУ применяются в двух
основных видах оптико-электронной аппаратуры. Назначе-
ние аппаратуры первого вида — обнаружить появление це-
ли в поле зрения фотоприемника. Эта аппаратура на осно-
ве оценки амплитуды сигнала должна выдавать альтерна-
тивные решения — присутствуют события пли нет. Такая
аппаратура обычно используется в устройствах автомати-
ческого сопровождения целей.
Аппаратура этого типа в процессе работы может сильно
искажать принимаемый сигнал. Ее единственной целью
является принять правильное решение (о наличии или от-
сутствии сигнала), используя максимум априорной инфор-
мации о характере ожидаемого сигнала. В этом случае для
формирования сигнала слежения за целью достаточно
определить среднее положение фронта импульса. Элек-
тронная схема устройств такого типа должна быть рассчи-
тана так, чтобы максимизировать отношение сиг-
нал/ шум
Назначение аппаратуры второго вида — не только уста-
навливать наличие сигнала, но и определять его форму.
Примером такой аппаратуры являются сканирующие ка-
меры, аппаратура для снятия тепловых карт, сканирующие
спектрометры. Аппаратура этого типа должна воспроизво-
дить сигнал как можно более точно с минимальным иска-
жением за счет шумов. Одновременно с этим должны быть
приняты меры по максимизации отношения сигнал/шум.
При построении импульсных ФПУ используются раз-
личные методы максимизации отношения сигнал/шум.
Одним из наиболее широко используемых методов являет-
ся использование фильтров, позволяющих с наименьшими
потерями выделять сигнал из смеси сигнала и шума. Филь-
тры, отвечающие критерию максимума отношения сиг-
нал/шум. носят название оптимальных. Отметим, что при-
104
менение оптимальной фильтрации (в смысле максимизации
отношения сигнал/шум) возможно только для сигналов
ограниченной длительности, т. е. для импульсных сигналов.
Функциональная схема ФПУ с оптимальным фильтром
приведена на рис. 4.23.
В общем виде требования к линейному фильтру, макси-
мизирующему отношение сигнал/шум, могут быть сформу-
лированы следующим образом [45]. На вход линейного
“ff/iiim.n
--------о
+Дпцгг.п
1-------О
• Рис. 4.23. Функцио-
нальная схема ФПУ
с оптимальным фильт-
ром
s(t)
n(t)
Рис. 4.24. Схема пре-
образования сигнала
пВых№)
четырехполюсником
четырехполюсника с постоянными параметрами и переда-
точной функцией /((/со) подается аддитивная смесь сигна-
ла s(0 и шума п(1) (рис. 4.24). Сигнал полностью изве-
стен (это означает, что заданы его форма, амплитуда и
положение на оси времени). Шум представляет собой ста-
ционарный вероятностный процесс с заданными характе-
ристиками— законом распределения вероятности и спек-
тром IFn(/) [или корреляционной функцией /?«(/)].
Требуется синтезировать фильтр, обеспечивающий по-
лучение на выходе в заданный момент времени максималь-
ного отношения сигнала к среднеквадратичному значению
шума. При этом не ставится условие сохранения формы
сигнала, так как для обнаружения в шумах форма сигнала
значения не имеет. Решение поставленной задачи в общем
виде сводится к двум этапам: ’
1) определению передаточной функции оптимального
фильтра /((/’со) (формы частотной характеристики);
2) отысканию структуры и параметров цепи по найден-
ной передаточной функции.
Первая из этих двух задач обычно не вызывает труд-
ностей и может быть однозначно решена для любого фи-
зически реализуемого сигнала. При решении этой задачи
считают, что импульсная характеристика фильтра, опти-
мального для заданного сигнала на фоне белого шума,
является зеркальным отображением самого сигнала. При
шуме, отличном от белого, с неравномерным спектром
105
Wn (co) передаточная функция фильтра должна быть согла-
сована не только со спектром сигнала S(co), но также и
со спектром шума W'n(co). При этом применяют наиболее
простой способ отыскания требуемой передаточной функ-
ции /< (/со) — приводят заданный шум к белому [45].
Для выяснения сути этого способа рассмотрим вспомогательную
функциональную схему, приведенную на рис. 4.25, более подробно. На
этой схеме через К(/то) обозначена искомая передаточная функция син-
тезируемого фильтра, а через Ki (/’со) и 1 /J(t (/со) — передаточные функ-
I----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
I__________________________________________________________________________________________________________________________________I
Рис. 4.25. Функциональная схема квазиоптимального фильтра
ции двух вспомогательных (условных) четырехполюсников, введение
которых не оказывает никакого влияния на работу устройства, так как
их результирующая передаточная функция равна единице.
Так как функцию Ki(/co) можно выбрать произвольно, то зададим
модуль этой функции в виде
Д', (со) = КIF0/U7n(co), _ (4.8)
где U'c— постоянная величина.
Тогда на выходе первого четырехполюсника будет действовать шум
с равномерным спектром
W, (со) = Wn (со) [Ki(co)]2=U7o=const,
т. е. белый шум.
Сигнал на выходе этого четырехполюсника отличается от входно-
го, так как спектральная плотность Si (co)=S(<o) Ki (j(A) отличается
от S(co).
Однако это обстоятельство не существенно. Основной задачей явля-
ется максимизация отношения сигнал/шум на выходе всего устройства,
и форма сигнала при этом роли не играет, важно только отношение
энергии сигнала к спектру шума.
Так как в рассматриваемых точках схемы шум является белым, то
для получения на выходе максимума отношения сигнал,, шум вся после-
дующая часть устройства должна иметь передаточную функцию, отве-
чающую условию
А'опт (/“) = (га) ; s* (<о) = S (<о)
Таким образом, получаем:
К (jco)//<i (/со) = S*i(co)e—(4.9)
Левая часть этого выражения является результирующей передаточ-
ной функцией четырехполюсника, обведенного на рис. 4.25 пунктиром,
а правая — функцией, комплексно-сопряженной по отношению к спектру
Si (со), дополненной множителем
Из (4.9) получаем:
к (/со) = S*, (со) Kj (/со) e-iafa .
Но так как
Si(co)=S(<o)Ki(/<o),
то ,
S*i (<o)=S* (со) K*i (/со).
Таким образом,
К (/со) = S* (со) К*! (/со) Л, (/со) = S* (со) [Л, (со)]г^-/ю'".
Подставляя сюда (4.8), окончательно получаем:
К (/со) = (S* (со)/Г„ (со)) (4.10)
Нетрудно истолковать смысл полученного выражения.
Как и для белого шума, для максимизации отношения сигнал/шум
в фильтре должна осуществляться компенсация начальных фаз спектра
входного сигнала 5(ш). Поэтому в правую часть (4.10) входит ком-
плексно-сопряженная функция S*(co). Однако модуль передаточной
функции должен быть, во-первых, пропорционален модулю S(<o) (как
для белого шума) н, во-вторых, обратно пропорционален спектру шума
на входе фильтра. Тем самым отличаются те компоненты спектра сиг-
нала, при которых интенсивность шума меньше.
Из (4.10) ясно, что задержка сигнала t0 должна сопоставляться
с длительностью сигнала Т на выходе фильтра КД/со), т. е. t0>T.
Вторая задача (отыскание структуры и параметров це-
пи по найденной передаточной функции) является значи-
тельно более сложной и не имеет однозначного решения.
Более того, не всякая передаточная функция, отвечающая
заданному сигналу, может быть реализована. В связи с
этим в теории оптимальной фильтрации важное значение
имеет выявление физической реализуемости (осуществи-
мости) оптимального фильтра [44, 45].
Кроме того, задачей линейного фильтра (наряду с очи-
щением сигнала от помех) может быть также какое-нибудь
его линейное преобразование, например усиление, диффе-
ренцирование, интегрирование и т. п.
В ряде случаев реализация линейных оптимальных
фильтров оказывается затруднительной, поэтому для прак-
тической реализации используют, как правило, квазиопти-
107
мальные фильтры — линейные фильтры, форма частотной
характеристики которых заранее задана и максимум отно-
шения сигнал/шум обеспечивается только соответствую-
щим подбором полосы пропускания этой частотной харак-
теристики. Другими словами, квазиоптимальным фильтром
считается такой фильтр, у которого оптимальной является
не форма частотной характеристики, а только полоса про-
пускания. Квазпоптимальный фильтр дает небольшой про-
игрыш (до 1—3 дБ) по сравнению с оптимальным при
сравнительной простоте его реализации [45].
Кроме того, при использовании квазиоптимального
фильтра отклонение полосы пропускания фильтра от ее
Рис. 4.26. Эквивалентная схема ФПУ с оптимальным фильтром:
А — идеальный усилитель; ОФ — оптимальный фильтр
оптимального значения сказывается значительно меньше,
чем при применении оптимального фильтра. Следователь-
но, в построении оптимальных фильтров нет острой необ-
ходимости.
При построении электронных трактов ФПУ с исполь-
зованием квазиоптимального фильтра учитывают парамет-
ры оптического сигнала, применяемого фотодиода, усили-
теля и его элементов [48—51].
В качестве примера приведем порядок определения основных пара-
метров квазиоптимального фильтра электронного тракта ФПУ, предна-
значенного для регистрации коротких оптических импульсов колоколо-
образной формы в аппаратуре слежения. Эквивалентная схема элек-
тронного тракта ФПУ приведена на рис. 4.26.
В процессе расчета определяют полосу пропускания электронного
тракта ФПУ через постоянную времени фильтра для шума тш [48, 49]:
тш=Еш.уСн/(72-ф72у+4*Т//?в+Еш.у//?я)1 2
где Р=2е/Т; k— постоянная Больцмана; Т — температура фотодиода
и элементов электронного тракта.
Остальные обозначения те же, что на рис. 4.26.
Затем при известной частотной характеристике фильтра К(со) =
=сотф [1—(сотф)2] (при этом Тф принимает значения от тшть до
108
Тштпх) производят расчет шума Г7Ш иа выходе:
Тф72ш(1+ 2« + «Ь) £2ш.у
I =8СН (1 + аУ (1 + ЬУ(1 + ab}+ 8тф (1 + д)5 ’ (4’П)
где д=т/Тф; й=Тф/тн (при этом 6^1); т—постоянная времени фото-
диода; тн — постоянная времени нагрузки фотодиода; тн=£нСн.
Напряжение сигнала на выходе ФПУ определяется по формуле
Uc.vux—BQS iKy/Ca, (4.12)
где В — коэффициент пропорциональности (В=0,3-*-0,7); Q — энергия
оптического импульса; Si — монохроматическая токовая чувствитель-
ность фотодиода; СЕ — емкость нагрузки фотодиода; Ку — коэффи-
циент усиления электронного тракта.
Рнс. 4.27. Функциональная схема ФПУ с квазиоптимальным фильтром
После этого путем деления (4.12) на (4.11) определяют отношение
сигнал/шум и по его максимальному значению выбирают значения Тф
и сопротивления нагрузки фотодиода RB с учетом изменений темпе-
ратуры.
По выбранному значению Тф строят нормированную передаточную
характеристику квазиоптимального фильтра:
А(ы)/А(С0)тах = 2ыТф/[1+ (С0Тф)]2.
Амплитуду выходного импульса определяют по формуле
Нс.вых(0= (QSiКу/Св)f(х, а, Ь),
где
1 [ Ье~ь* ]
f (х, а, Ь) =(]__{,) (1 _ Й6) ((I —b)(l—ei) +
, (1 — ab) е~х — (1 —Ь) е~х/0, х [(1 —дЬ) ё~х + (!—&) е~х,а\ _
+ (1 — &) (1 — а) (1 — а&) Г (1 — а)2
|(1 — Ь) а* + (1 — ab)] (е~х — е~х'п) 1.
(1-«)3 Г
=== ^/^ф» = ^..'"^ф» b - Тф тн.
109
Если форма импульса на выходе ФПУ не удовлетворяет требуе-
мой, то изменяют Тф.
После определения оптимальных значений Тф и RE определяют спо-
соб реализации заданной передаточной функции фильтра. В рассматри-
ваемом случае передаточную функцию ' квазиоптимального фильтра
удобнее всего реализовать с помощью последовательно включенных
двух звеньев: интегрирующего и дифференцирующего с одинаковой по-
стоянной времени (рис. 4.27):
ютф _ 1 «Тф2
(1+(йХф)8 ! + ((ОТфр 1 + (ьЛф>) >
где l/(l-| wr4i) — интегрирующая /?С-ценочка; соТф^ДН-отф s) —диф-
ференцирующая /?С-цепочка; Тф=Тф 1 =тф г.
В зависимости от конкретных требований к параметрам
ФПУ его электрические схемы могут содержать формирую-
щие цепи в виде нескольких звеньев, использующих инте-
Рис. 4.28. Принципиальная электрическая схема ФПУ с формирующей
цепью, содержащей линию задержки
грнрующие и дифференцирующие цепи на /?С-элементах,
линиях задержки, сосредоточенных /?С£-элементах и рас-
пределенных 7?С-структурах [46, 50] (рис. 4.28, 4.29).
При построении импульсных ФПУ, предназначенных
для применения в оптико-электронной аппаратуре второго
типа, учитывают, что входной сигнал должен воспроизво-
диться с минимальными искажениями при обеспечении
максимального отношения сигнал/шум. Устройства, слу-
жающие для усиления импульсов с приемников излучения
с минимальными искажениями, иногда называют усилите-
лями видеоимпульсов или видеоусилителями. Эти усилите-
как правило, отличаются достаточно широкой полосой
пропускания. При проектировании видеоусилителей имеют
в виду, что при расширении полосы пропускания искаже-
ния импульса сигнала уменьшаются, но зато уровень шу-
мов на выходе устройства увеличивается. Поэтому всегда
стремятся выбрать компромиссное решение, при котором
полоса пропускания должна быть достаточно широкой, что-
бы не создавать значительных искажений формы сигнала,
и в то же время достаточно узкой, чтобы уровень шумов
Рис. 4.29. Принципиальная электрическая схема с формирующими
LC- и /?С-цепями
не был чрезмерно велик. В этом случае только характери-
стики определенной формы и ширины дают максимальное
отношение сигнал/шум.
В [52] показано, что при любой форме огибающей ви-
деоимпульсов (вероятностной, трапецеидальной, треуголь-
ной или прямоугольной) наиболее приемлемой оказывает-
ся вероятностная форма частотной характеристики элек-
тронного тракта. Практически для определения оптималь-
ной полосы пропускания можно пользоваться формулой
А/оПТ = (0,9--1,0)/Тех, (4.13)
где А/опт — полоса пропускания видеоусилителя на уровне
0,5; Тех — длительность импульса на входе ФПУ на уров-
не 0,5.
Полученное соотношение некритично, и отклонение в
пределах А/тВх=0,6-5-1,5 заметно не ухудшает отношения
сигнал/шум. Максимум отношения сигнал/шум получается
только в том случае, когда искажение формы импульса
невелики. При оптимальном значении А/, в соответствии
с (4.13) длительность импульса на выходе электронного
тракта ФПУ
Твых— (1,4-5—1,5) Твх-
111
Если увеличить ширину полосы пропускания электрон-
ного тракта до значения, равного
Д/=( 1,35-s-l,5)/твх,
то точность воспроизведения формы импульса повышается
и его длительность на выходе электронного тракта умень-
шается до значения Твых^ЕЗтвх при снижении отношения
сигнал/шум всего на 10%. Дальнейшее увеличение ширины
полосы пропускания электронного тракта, если оно не дик-
туется другими соображениями, нецелесообразно, так как
при незначительном улучшении формы выходного сигнала
снижение отношения сигнал/шум будет значительным.
При построении импульсных ФПУ, предназначенных
для использования в тепловизорах или сканирующих пиро-
Рис. 4.30. Эпюры входных и выходных напряжений ФПУ при воздей-
ствии на вход оптического импульса прямоугольной формы
метрах, полоса пропускания электронного тракта ФПУ
определяется длительностью импульсов излучения, воздей-
ствующих на приемник излучения. Длительность наиболее
короткого импульса зависит от мгновенного поля зрения
и скорости сканирования оптико-электронного прибора и
может иногда составлять 1—2 мкс.
Чтобы различать два импульса минимальной длитель-
ности, следующих друг за другом через промежуток време-
ни, равный длительности импульса (рис. 4.30,а и б), необ-
ходимо иметь верхнюю границу полосы пропускания
L >1/2гвх . .
Максимальная длительность импульса соответствует
длине строки, просматриваемой оптико-электронным при-
бором, так как объекты больших размеров могут занимать
основную часть поля обзора.
Во многих случаях длительность строки может дости-
гать 20 мс. Если допустить некоторое изменение яркости
по строке при ее воспроизведении на экране прибора, то
112
нижнюю границу полосы пропускания электронного тракта
можно определить из соотношения
^7<1п(1/(1-а))/2^вхтах,
где о — спад плоской вершины прямоугольного импульса
на выходе устройства.
При минимальной (около 1 мкс), максимальной (около
20 мс) длительности импульса и спаде, плоской вершины,
равной 10%, полоса пропускания электронного тракта
ФПУ должна быть от 0,8 Гц до 500 кГц. Такая широкая
полоса пропускания приводит к значительным трудностям
при создании стабильных усилителей фототока с большим
коэффициентом усиления (особенно в микроминиатюрном
исполнении). Особенно неприятен низкочастотный участок
частотной характеристики прежде всего тем, что спектраль-
ная плотность шума большинства применяемых приемни-
ков излучения и транзисторов изменяется обратно пропор-
ционально частоте. Это обстоятельство вынуждает созда-
телей аппаратуры вводить несущую частоту путем скорост-
ной коммутации визирной линии в процессе сканирования.
Однако ограниченные возможности механических коммути-
рующих устройств позволяют применять их только при
малых скоростях сканирования. При больших скоростях
сканирования необходимая частота коммутации возрастает
до 150 кГц и более и от использования несущей частоты
приходится отказываться.
В тех случаях, когда приемник излучения имеет очень
большое темновое сопротивление (германиевые и кремние-
вые фотодиоды), т. е. практически является генеоатором
тока, а полоса рабочих частот устройства велика, сущест-
вует возможность, как показано в [34, 50], значительно
увеличить отношение сигнал/шум при помощи так назы-
ваемой противошумовой коррекции [35, 50].
Принцип действия простой противошумовой коррекции заключается
в оптимальном согласовании высокоомного приемника излучения с вхо-
дом электронного тракта. Наиболее часто применяется простая противо-
шумовая коррекция на собственной /?С-цепочке фотоприемника, суть
которой заключается в следующем. Поскольку низкочастотная состав-
ляющая напряжения сигнала на входе электронного тракта устройства
возрастает пропорционально сопротивлению нагрузки фотоприемника
RB, а напряжение теплового шума сопротивления нагрузки — пропор-
ционально то для увеличения отношения сигнал/шум сопротив-
ление нагрузки фотоприемника выбирают возможно большим, так что-
бы сопротивление входной цепи почти во всем диапазоне рабочих ча-
стот стало емкостным. Частотные искажения, возникающие при этом во
входной цепи усилителя за счет влияния паразитных емкостей, коррек-
8—3274 113
тируются дифференцирующим каскадом. Этот способ простой противо-
шумовой коррекции приводит также к частичному подавлению шума
входного каскада усилителя.
Структурная схема электронного тракта ФПУ с простой противошу-
мовой коррекцией приведена на рис. 4.31. В этой схеме увеличение Ra
сильно повышает отношение напряжения сигнала к напряжению тепло-
вого шума, так как входной сигнал при увеличении RB возрастает
сильнее шума. При увеличении сопротивления нагрузки входная цепь
вносит значительные частотные (а, следовательно, и переходные) иска-
жения, так как ее сопротивление уменьшается почти обратно пропор-
ционально частоте (рис. 4.31,6). Для компенсации этих искажений
Рис. 4.31. Функциональная схема ФПУ с простой противошумовой
коррекцией (а) и его частотные характеристики:
б — входной цепи; в — корректирующего каскада; г — всего устройства
усилитель выполняют с частотной характеристикой, обратной характе-
ристике входной цепи (рис. 4.31,е). При этом результирующая частот-
ная характеристика устройства, а вместе с ней и переходная оказы-
ваются скорректированными (рис. 4.31,г).
При использовании сложной противошумовой коррекции колеба-
тельный контур обычно вводят во входную цепь устройства или в по-
следующие каскады усиления. Резонансную частоту контура, полосу
пропускания и коэффициент включения контура выбираю!, исходя из
условий обеспечения максимального отношения сигнал/шум с коррек-
цией в каскадах усиления амплитудно-частотных и фазовых искажений,
внесенных входной цепью.
При выборе типа противошумовой коррекции приходится учиты-
вать не только ее эффективность, но и степень усложнения электронно-
го тракта ФПУ за счет введения каскадов, корректирующих частотные
искажения, внесенные входной цепью. Поскольку применение простой
и сложной противошумовых коррекций связано с необходимостью точ-
ного сопряжения частотных характеристик входной цепи и корректи-
рующих каскадов, прн переводе таких устройств на тонкопленочное и
интегральное исполнение возникают значительные трудности, вызван-
114
ные недопустимостью регулировки микросхем при изготовлении и экс-
плуатации. Кроме того, использование этих видов противошумовой кор-
рекции приводит к некоторому сужению динамического диапазона ра-
боты устройства. Уменьшить эти недостатки без значительного ухудше-
ния шумовых свойств электронного тракта позволяет применение отри-
цательной обратной связи, в цепь которой и включают корректирующие
элементы. На рис. 4.32 приведена функциональная схема ФПУ с ква-
зиоптимальным фильтром и сложной противошумовой коррекцией.
При разработке импульсных ФПУ определенные труд-
ности вызывает решение еще двух задач: обеспечения зна-
Рис. 4.32. Функциональная схема ФПУ с квазиоптимальным фильтром
и сложной противошумовой коррекцией:
и BG — коэффициенты усиления усилителей; твх — постоянная времени .вход-
ной цепи; Тк—то же компенсирующего (дифференцирующего) звена; ти— ю
же интегрирующего звена; Q — добротность контура в цепи ОС; со0 — резонанс-
ная частота контура
чительного (до 100 дБ) динамического диапазона ФПУ и
необходимой разрешающей способности изделия при воз-
действии паразитного импульса большой мощности.
Динамический диапазон ФПУ, как известно, определя-
ется по формуле
£>=Фтох/Фп, (4.14)
причем
Фп=ЧгС/ш/51/?и; (4.15)
Фтах3^ t/вых max/SiRhKu, (4-16)’
где Фп — пороговый поток излучения, падающий на прием-
ную площадку; Фтах—максимальный поток излучения, па-
дающий на приемную площадку; Si — монохроматическая
токовая чувствительность фотодиода; 7?н — сопротивление
нагрузки фотодиода; Ки — коэффициент усиления элек-
8* 115
тронного тракта ФПУ по напряжению; иБЫХтах—макси-
мально допустимое напряжение на выходе электронного
тракта ФПУ.
Из (4.14) — (4.16) видно, что динамический диапазон
ФПУ по мощности определяется максимально допустимым
напряжением на выходе ФПУ, чувствительностью фотодио-
да, сопротивлением нагрузки и коэффициентом усиления
электронного тракта ФПУ.
Для увеличения динамического диапазона ФПУ доста-
точно уменьшить значения величин Sj, Ки и Дн, но по-
стоянное снижение этих параметров приведет к снижению
чувствительности ФПУ и всей системы обнаружения в це-
лом.
Увеличение максимально допустимого напряжения на
выходе электронного тракта ФПУ ограничено возможно-
стями используемой элементной базы, а также необходи-
мостью увеличения напряже-
ния ФПУ, а следовательно,
увеличения потребляемой мощ-
ности, что не всегда возмож-
но.
Для расширения динами-
ческого диапазона изделий
обычно применяют методы
синхронного уменьшения чув-
ствительности аппаратуры при
увеличении потока излучения
на входе ФПУ. Для этого ис-
пользуют специальные схе-
мы АРЧ и АРУ, которые вме-
сте с аппаратурой составляют
замкнутые системы автомати-
ческого регулирования. Для
уменьшения чувствительности ФПУ используют управляе-
мые элементы (например, транзисторы), которые подклю-
чаются параллельно сопротивлению нагрузки фотодиода
(рис. 4.33) или включаются в цепь питания пер-
вого каскада усиления электронного тракта (рис. 4.34).
Управление этими элементами может осуществляться как
по цепям питания фотоприемника (рис. 4.33, 4.34). так и
по отдельным цепям (рис. 4.35). При уменьшении напря-
жения питания происходит отпирание транзистора
(рис. 4.33) и шунтирование нагрузки фотодиода открытым
каналом сток — исток полевого транзистора или запирание
транзистора (рис. 4.34) и уменьшение напряжения питания
первого каскада усиления. Происходит уменьшение чувст-
116
Рис. 4.33. Функциональная
схема регулирования чувстви-
тельности ФПУ при помощи
полевого транзистора, шунти-
рующего нагрузку фотодиода
Рис. 4.34. Принципиальная электрическая схема ФПУ с регулировани-
ем чувствительности при помощи управляемых элементов в цепи пита-
ния первого каскада усиления
Рис. 4.35. Принципиальная электрическая схема ФПУ с аттенюатором,
управляемым по отдельной цепи
вительности фотодиода if коэффициента усиления элек-
тронного тракта, что приводит к увеличению Фтз.т, а сле-
довательно, и динамического диапазона ФПУ.
Увеличение динамического диапазона ФПУ, достигае-
мое только путем уменьшения напряжения питания фото-
диода, крайне нежелательно, так как это приводит к уве-
личению собственной емкости р-л-перехода и как следст-
вие к значительному ухудшению временных характеристик
аппаратуры.
При подаче на вход ФПУ последовательно двух опти-
ческих импульсов (паразитного и полезного) при опреде-
ленном временном интервале между ними на входе ФПУ
117
Паразитный,
импульс
Импульс
от цела
л, (полезный)
Рис. 4.36. Эпюры напряжения
на выходе ФПУ при воздейст-
вии на его вход паразитного
и полезного импульсов излуче-
ния
наблюдается значительное ослабление полезного импуль-
са (рис. 4.36). Это явление особенно заметно при воздей-
ствии на вход ФПУ паразитного оптического импульса
большой мощности (до 1 Вт), что характерно при исполь-
зовании ФПУ в системах оптической локации и дальноме-
трии, когда паразитный импульс представляет собой не что
иное, как отражение (блик) от элементов конструкции ло-
катора или от близко расположенных предметов, имеющих
высокую отражающую способность.
Интервал времени между фронтами паразитного и по-
лезного импульсов, при котором ослабление полезного им-
пульса происходит в допусти-
мых пределах, носит название
разрешающей способности
устройства /р.
В современных ФПУ зна-
чение разрешающей способно-
сти может находиться от еди-
ниц микросекунд до единиц
миллисекунд при уровнях па-
разитного потока излучения
до 1 Вт. Значение разрешаю-
щей способности ФПУ опре-
деляется уровнем линейных и
нелинейных искажений, воз-
никающих в электронном тракте при воздействии сигналов
большой амплитуды в области больших времен. Эти иска-
жения зависят от динамического диапазона ФПУ, посто-
янной времени фотодиода и входной цепи, постоянных вре-
мени цепей обратной связи и т. д.
о
t
Для уменьшения разрешающей способности широко применяются
такие методы, как выбор минимального зиачеиия сопротивления на-
грузки фотодиода, уменьшение емкостей входных цепей и,цепей отри-
цательной обратной связи, увеличение емкостей разделительных кон-
денсаторов н т. п. Если указанных мер недостаточно, применяют спе-
циальные меры, которые сводятся к введению в схему электронного
тракта ФПУ и аппаратуры специальных устройств, защищающих элек-
тронный тракт от перегрузки в момент воздействия на ФПУ мощного
паразитного импульса. Эти устройства, как правило, представляют со-
бой различного рода ключевые схемы, которые запирают тракт в мо-
мент воздействия паразитного импульса. Конструктивно эти устрой-
ства могут выполняться на полевых или биполярных транзисторах.
Управление такими электронными ключами осуществляется при по-
мощи строб-импульса, подаваемого на вход ключа в момент действия
паразитного импульса.
118
На рис. 4.37 приведена схема ФПУ с ключом иа полевом тран-
зисторе, который шунтирует нагрузку фотодиода в момент воздействия
паразитного импульса. Схема ФПУ, в котором строб-импульс запира-
ет входной транзистор, приведена на рис. 4.38.
Однако включение на входе ФПУ ключевых устройств (рис. 4.37,
4.38) приводит к появлению на выходе ФПУ импульса коммутацион-
ной помехи, амплитуда которого значительно превышает амплитуду
Рис. 4.37. Функциональная схема
ФПУ с ключевым устройством на
полевом транзисторе
Рис. 4.38. Функциональная
схема ФПУ с запиранием
входного каскада усиления
полезного сигнала. Поэтому использование ФПУ с подобными устрой-
ствами требует значительного усложнения электронного тракта аппа-
ратуры.
Особенности преобразовательных ФПУ. Преобразова-
тельные ФПУ применяются для считывания информации
с перфолент, перфокарт, кодирующих дисков и других но-
сителей оптической информации.
При прохождении носителя информации через луч счи-
тывания значение потока излучения, падающего на фото-
чувствительный элемент, изменяется постепенно от мини-
мального к максимальному (или наоборот), что обуслов-
ливает аналогичное изменение сигнала с приемника излу-
чения, приводящее к появлению неопределенности зоны
считывания [14].
Для устранения неопределенности необходимо, чтобы
электронный тракт преобразовательного ФПУ формировал
выходные сигналы высокого и низкого уровней со значи-
тельной разницей между ними.
Обычно преобразовательные ФПУ представляют собой
устройства, состоящие из приемника излучения и элек-
тронного тракта. Электронный тракт такого ФПУ, в свою
очередь, содержит усилитель тока и дискриминатор уров-
ней сигнала — формирователь сигналов с прямоугольными
119
Рис. 4.39. Принципиальная электри-
ческая схема усилителя считывания
для одного разряда
Рис. 4.40. Характеристика
порогового элемента
Ч®’ и
Рис. 4.41. Принципиальная
электрическая схема усилите-
ля считывания с форсирующей
PC-цепочкой для одного раз-
ряда
фронтами. Такой электронный
тракт часто называют усили-
телем • считывания. Усилители
считывания должны иметь вы-
сокую чувствительность, узкую
область переброса, минималь-
ную зону гистерезиса и макси-
мальное отношение сигнал/
шум.
Схема усилителя считыва-
ния приведена на рис. 4.39
[14]. Она включает в себя уси-
литель тока, выполненный
на транзисторе 1\, включенном
по схеме с ОК, и дискри-
минатор уровней сигналов на транзисторах Т2 и Т3, пред-
ставляющий собой упрощенный вариант триггера Шмитта.
Характеристика порогового элемента усилителя приведена
на рис. 4.40.
Достоинства схемы: предельная простота, малое число
элементов и отсутствие реактивностей, что дает возмож-
ность реализовать все устройство в виде твердотельной по-
лупроводниковой интегральной микросхемы; недостаток —
малое быстродействие.'
Быстродействие схемы можно улучшить путем умень-
шения постоянной времени насыщения транзистора Т3 за
счет включения в его базовую цепь форсирующей ДС-це-
почкн (рис. 4.41).
Сопротивление нагрузки RB является регулировочным
элементом. Оно предназначено для установки требуемого
значения тока срабатывания. При затемненном фотодиоде
транзистор Т] открыт током /о, протекающим через рези-
стор Дн. Этот ток, усиленный транзистором 7\, поддержи-
120
вает транзистор Т2 в открытом состоянии. Транзистор Тз
при этом зак-рыт, и напряжение выходного сигнала, соот-
ветствующее логическому нулю, примерно равно ЭДС
источника питания (£7овых~Длит). При освещении фото-
диода, что соответствует сигналу логической единицы,
часть тока 1о будет ответвляться в цепь фотодиода. Тран-
зистор Т1 закрывается, что вызывает опрокидывание триг-
гера Шмитта (рис. 4.39, 4.41).
Напряжение выходного сигнала н отношение снгнал/шум опреде-
ляют по следующим формулам:
/7выхи1’=0/пит.у (7?27?4-|-7?з/?4)/ (/?2/?3“|“^2^4_|_^3^4) » (4.17)
v= (RzRs+R^+RM I (RzRi+RM. (4.18)
По заданному отношению сигнал/шум на основании (4.17) и (4.18)
может быть определено сопротивление резистора /?4:
/?4=W(V-l)(/?+l),
где K=RzlR3-
Отношение снгнал/шум может быть увеличено путем включения
в выходную цепь устройства полупроводникового диода, осуществляю-
щего сдвиг уровня.
Сопротивление резистора /?3 выбирается таким образом, чтобы
обеспечить надежное срабатывание схем, подключенных к выходной
шине триггера. Кроме того, должно быть выдержано условие /квас>
»/кси«л. где /к нас^Ппит.у/(^з+^4) — ток коллектора транзистора
7"з в режиме насыщения; /котах — обратный ток коллекторного пере-
хода при максимальной рабочей температуре.
Значения токов /Сраб и /ОТп, соответствующие переходу схемы из
состояния 1 в состояние 0 и наоборот, определяются по следующим
формулам:
/сраб= (Ппнт.у —U )/РФг^гТ-й///р17?1- (4.19)
/отп = (//впт.у-//")/₽1₽2/?2+П"/₽Л-/К0.1-1” (4.20)
где «
И' = ОБЭ + О'1:нг.у (/?2/?4 + /?3/?4)/(^/?3 + RaRt + RM; U" =
= 6^бэ 4” ^nnT.yRt/(Rs + Rt);
?K0 j, —обратный ток коллектора транзистора ТБ иБЭ —напряжение
отпирания транзистора; рь р2— коэффициенты усиления по току тран-
зисторов Tt и Т3 соответственно.
Ток гистерезиса усилителя находят из (4.19) и (4.20) как раз-
ность токов срабатывания и отпускания:
Д/г= (t/"-t/')/₽1p2/?2+ (U'-U") /$м
а сопротивление резистора нагрузки фотодиода находят из соотно-
121
тения
F*b— (t/пвт.у—UEg ~~U")i'U(Iобщ—/т) /2],
где /общ и /т — соответственно общий и темновой токи фотодиода, и
окончательно уточняют в процессе настройки схемы.
Особенности построения ФПУ на основе лавинных фо-
тодиодов и фототранзисторов. Отношение сигнал/шум схе-
мы с использованием лавинного фотодиода определяется
из выражения
Ue ____________ICMR„__________
иш = У 4kTFAfRH+2г/тЛР+xAf А*н ’
(4-21)
где 1С — ток сигнала; М — коэффициент лавинного умно-
жения; RH — сопротивление нагрузки; Т — окружающая
температура; F — коэффициент шума усилителя; Af—по-
лоса пропускания усилителя; /т — темновой ток фотодиода
в безлавинном режиме; х—показатель степени шум-фак-
тора лавинного умножения, и имеет максимальное значе-
ние при величине М, равной
MOnT=(4kTF/eITRH) >'2.
Рис. 4.42. Зависимость
коэффициента лавинно-
го умножения германие-
вого фотодиода от тем-
пературы и напряжения
смещения
Коэффициент лавинного умножения зависит как от тем-
пературы (се значение влияет на значение темнового тока,
который в рабочем диапазоне тем-
ператур для некоторых типов фо-
тодиодов может изменяться на два-
три порядка), так и от напряжения
смещения р-п-перехода (рис. 4.42).
Указанные обстоятельства приводят
к тому, что в реальных условиях
эксплуатации аппаратуры без при-
нятия специальных мер практически
невозможно использовать потенци-
альные возможности лавинных фо-
тодиодов (ЛФД) по пороговой чув-
ствительности, причем поддержание
в отдельности постоянства рабочей
температуры (термостабилизация)
или рабочего напряжения смеще-
ния (стабилизация источника пита-
ния) не обеспечивает оптимального
режима работы фотодиода. При
температурных колебаниях окру-
жающей среды оптимальный режим работы фотодиода
может быть обеспечен только тогда, когда напряжение сме-
щения будет изменяться вслед за изменением температу-
122
ры, т. е. будет осуществляться автоматическая регулировка
напряжения смещения.
Существует ряд схем построения ФПУ на лавинных
фотодиодах, некоторые нз которых рассматриваются да-
лее, причем все представленные схемы по принципам, за-
ложенным в основу их построения, могут быть разбиты на
две группы, к одной из которых относятся схемы стабили-
зации параметров ФПУ [53], а к второй — схемы оптими-
зации параметров в широком интервале рабочих темпера-
тур [55]
Термостабилизация режима работы лав и иного
фотодиода предполагает поддержание постоянства рабочей тем-
пературы фоточувствительного элемента лавинного фотодиода в ши-
роком диапазоне изменения температуры окружающей среды [53]. Од-
Рис. 4.43. Структурная схема ФПУ со стабилизацией режима ЛФД:
/—-термостат; 2 — усилитель сигналов; 3 — термоэлектрическая батарея; 4—
источник питания термобатареи; 5 — источник питания фотодиода
ним из возможных вариантов такого решения может быть размещение
ЛФД вместе с нагрузочным сопротивлением и входным каскадом уси-
лителя в вакуумном термостате, температура в котором поддержи-
вается постоянной с помощью термоэлектрической полупроводниковой
батареи, подключенной к термостабилизированному источнику питания
(рис. 4.43).
Обеспечивая постоянство температурного режима ЛФД при
эксплуатации, этот способ требует поддержания с высокой точностью
напряжения смещения р-п-перехода. Кроме того, ему присущи и дру-
гие недостатки — относительно большая потребляемая мощность, зна-
чительные габариты п масса, а также большое время выхода иа
режим.
Схема температурной стабилизации коэффи-
циента лавинного умножения опорным фотодио-
дом (рис. 4.44). Напряжение смещения подается на рабочий лавин-
ный фотодиод ЛФД, не с источника постоянного напряжения й/ПИт.п,
123
а с делителя, образованного опорным лавинным фотодиодом ЛФД2,
защищенным от света, и ограничительным сопротивлением R\. Это
напряжение определяется по формуле
U см“б/пит.п—7T2R1,
где /’2—темновой ток опорного лавинного фотодиода ЛФД2.
При изменении окружающей температуры происходит изменение
темнового тока 7Тг опорного лавинного фотодиода, а следовательно, и
синхронное смещение напряжения смещения рабочего лавинного фо-
тодиода.
Работа такой схемы возможна в том случае, когда пробивное
напряжение опорного лавинного фотодиода будет несколько меньше
пробивного напряжения рабочего фотодиода, а характеристики обоих
Рис. 4.44. Принципиальная
электрическая схема ФПУ с
опорным фотодиодом
Рис. 4.45. Выбор рабочей точки
ЛФД в ФПУ с опорным фотодио-
дом
фотодиодов будут параллельны (рис. 4.45). Рабочее напряжение опор-
ного фотодиода выбирается близким к пробивному напряжению, а ра-
бочая точка — так, чтобы во всем диапазоне изменения окружающей
температуры она находилась на линейном участке характеристики. При
этом точка 1 выбирается, исходя из допустимого значения темнового
тока. Напряжение питания определяется по точке пересе^ния нагру-
зочной характеристики, проведенной через рабочие точки на ВАХ
опорного фотодиода при крайних значениях эксплуатационных тем-
ператур, с осью абсцисс (напряжений).
Простота схемного решения оптимизации параметров ФПУ на
основе ЛФД с помощью опорного фотодиода сопряжена тем не ме-
нее с большими практическими трудностями по подбору двух фото-
диодов, ВАХ которых были бы одинаковыми.
Схема терморегулируемого источника смеще-
н и я. Из рис. 4.42 видно, что в достаточно широком интервале рабо-
чих температур максимальное значение коэффициента лавинного умно-
жения изменяется практически по линейному закону и только при
124
низких температурах (ниже —20 °C) наблюдается отклонение от ли-
нейного закона. Поэтому режим оптимального коэффициента лавин-
ного умножения можно обеспечить практически с помощью источника
смещения с линейной температурной зависимостью его напряжения от
температуры с некоторой коррекцией этой зависимости в области низ-
ких температур. Схема такого источника смещения ЛФД может быть
реализована на стабилитронах с компенсирующими терморезисторами
(рис. 4.46). При положительных температурах сопротивление термо-
резнстора Ri^Ry-^-Rs, а поэтому при его изменении напряжение на
делителе Rt—Rz почти не меняется. При пониженных температурах
сопротивление Rt имеет большое значение, а поэтому напряжение иа
делителе Ri—Rz заметно снижается Аналогично может осуществлять-
Рис. 4.46. Схема питания ЛФД со стабилизацией режима
ся коррекция напряжения смещения (при необходимости) и при по-
вышенных температурах с помощью терморезистора R3, показанного
на схеме пунктиром.
Порог чувствительности ФПУ на основе ЛФД может
быть определен из (4.21) при условии, что Uc/Um=l-
Так как l^=PSi, где Р — мощность принимаемого сиг-
нала, Si — токовая чувствительность, то
р _ (4ftrFAf/?„+2e/TAF +V„)‘12
п°р — ^SrMR„ t
Минимальное значение РПор определяется из условий
dPnov/dM=0 и d2Pr^/dM2>0
и равно
з ___
пор— S, V RH — п-
Из этого выражения следует, что чем больше сопротив-
ление нагрузки, тем лучше порог чувствительности ФПУ,
так как с ростом RH растет амплитуда напряжения сигна-
ла. Однако максимально допустимое значение сопротивле-
ния нагрузки выбирается из условия обеспечения необхо-
125
димого времени .установления фронта выходного импуль-
са г*:
»пах=:Тф/С>о,
где Со — суммарная емкость фотодиода и входного каскада
усилителя.
Верхняя граница усиливаемых частот определяется из
выражения
/гр.в= 1/2л/?н тахСо-
Если значение этой частоты ниже требуемого, то необ-
ходимо вводить частотную коррекцию с помощью емко-
сти, поставленной в эмиттерную цепь одного из транзи-
сторов усилителя.
Нижнее значение частоты определяется значением пере-
ходной емкости.
Полоса пропускания усилителя для передачи формы
фронта импульса может быть найдена из следующей си-
стемы уравнений:
(Uc = AUcmaX;
\] —1] «“''ФрСу
с — с max >
где А — коэффициент передачи импульса (для передачи
импульса треугольной формы Л=0,8); ту—постоянная
времени выходной цепи усилителя.
Приравнивая правые части уравнений, находим выра-
жение для длительности фронта импульса:
Тфр==Ту In А,
а использовав известное соотношение между длитель-
ностью фронта и верхней граничной частотой полосы про-
пускания [58], получим:
/г1>.в=0,35/тфр=0,35/ту In А.
Остальные параметры ФПУ могут быть определены
исходя из требований, задаваемых при разработке. Как пра-
вило, исходными для расчета ФПУ являются значения ми-
нимального порогового потока Ф, выходного сигнала
t/с.ВЫХ и минимального отношения сигнал/шум Т. Тогда
вольтовая чувствительность (коэффициент преобразования
излучения) определяется как
Su^Uc • ВЫХ /ф,
а допустимое напряжение шума
Е'ш^с.вых/W,
где Ки — коэффициент усиления усилителя.
126
Рис. 4.47. Принцнипальная электрическая схема ФПУ на основе ЛФД
с операционным усилителем
Требуемое значение К.и может быть найдено следую-
щим образом:
Ku^Sv/SjM [(l+fo^nC)2]
где St — токовая чувствительность фотодиода в безлавин-
ном режиме; М — коэффициент лавинного умножения.
Схема ФПУ, в которой в качестве усилительного эле-
мента используется операционный усилитель, представле-
на на рис. 4.47.
Применение в ФПУ операционного усилителя (ОУ) для
совместной работы с ЛФД расширяет рабочий диапазон
частот, динамический диапазон и повышает устойчивость
к воздействию фона.
Для эквивалентной схемы ЛФД — ОУ, представленной на рис. 4.12,
можно написать следующие выражения для основных параметров
ФПУ [57]:
б^с. вых =
7?фд7?ВХ^О.С
'SKB = (1 + I |) /?фд/?нх + /?фд/?о.с + /?вх/?ос"
__________________________1_____________
1 j<^ [Сфд + Озх 4- (1 + | Ао I) Go.c] "*
АфдАвх^О.С
* ^О.С^ВХ 4" Яо.С^фД 4- (! 4- I А о| ) /?фД Авх
127
^Лп.вых----^о^экв {2е [AW, + /ут + 1Ш +
+ мт (/?-• + /?-’)/е] I 2фД + Z-* 1 + Z-’ |2}1/2};
фп. = Е WZ= spr (2* [Л«о + /у.т + /ш +
+^7- (^х1 + ] + ?.Х. Р (С’вхСфд +
2 “|) 1/2
КФД + £вх' + fio.c
1 _________________________
^2Гр \ £фД ^ВХ “Ь Go.C
где /ут—ток утечки (при наличии избыточного шума под этой ве-
личиной понимают эквивалентный шумовой ток).
На частотной характеристике порогового потока Фп можно вы-
делить участок, где пороговый поток постоянный (избыточные шумы
при этом отсутствуют), а также участок, где преобладающими явля-
ются шумы усилителя и пороговый поток увеличивается с ростом ча-
стоты. Граничная частота перехода от одного участка к другому
2е Л-Р70 -}- /у.т + /ш 4- е (^в,1 +/?о.с)
“гр = ——еш(Сфд + Свх + С0.с)
откуда следует, что граничная частота ыгр при увеличении коэффи-
циента лавинного умножения смещается в сторону более высоких
частот. Улучшение порогового потока ФПУ происходит до того мо-
мента, пока шум ЛФД не станет сравнимым с остальными шумами.
Оптимальное значение лавинного коэффициента умножения, при
котором может быть достигнут минимум порогового потока, может
быть определен из соотношения
' 2 1
X —2 /0
Л1огт —
^ул + /ш + е (Явх +/?о.с) -Г
1 - 1)1/*
“Ь “Ь ^о.с) ,
Максимально допустимый поток излучения, определяющий дина-
мический диапазон ФПУ иа основе ЛФД и ОУ,
Фт«х= [(Мо/М—0,5)2—0.25J
где Л/с — начальное значение коэффициента лавинного умножения при
отсутствии засветки; п=2-е-6 — постоянный коэффициент; С’пр — напря-
жение лавинного пробоя.
Из этого выражения следует, что величина Фта1 обратно пропор-
циональна эквивалентной нагрузке. Поскольку у операционного уси-
лителя эта нагрузка в 1-1-|К0| раз меньше, чем в схеме с обычным
усилителем, то, следовательно, для схемы ЛФД — ОУ во столько же
раз больше динамический диапазон ФПУ.
128
Ограничение динамического диапазона наступает вследствие того,
что падение напряжения на сопротивлении обратной связи не может
превышать напряжения питания операционного усилителя. Из этого
следует, что
Ф т а х < Un р /S j Mq R о. с -
Максимально допустимое значение фонового потока [57]:
Фф.п »nax=Ctt7np/fi(C7np U),
где U — напряжение, приложенное к ЛФД, а величина а определяет-
ся из выражения
____________2________1 _|,2а4-(1 + 4а)1/2 .
Alp - (14.4а)1/2 + 1 1 + 4а+(1 4-4а)1/2 ’
Л 1~ — коэффициент умножения переменного сигнала. При А4~/Л1о=
=0,707 а=0,37.
Фотоприемные устройства, содержащие в одном корпусе
фотоприемник и схему обработки сигнала, являются про-
стейшей ступенью интеграции изделий микрофотоэлектро-
ники, позволяющей получить выигрыш в габаритах и мас-
се, надежности и стоимости аппаратуры. Максимальный
эффект может может быть достигнут тогда, когда фото-
приемник и электронная схема обработки сигнала изготав-
ливаются з интегральном исполнении.
Большинство разработанных ФПУ (в том числе и
в интегральном исполнении) выполнено на фотодиодах.
При этом используются фотодиоды как без внутреннего
усиления, так и с внутренним лавинным умножением.
Однако широко используются также ФПУ, построенные
на фототранзисторах и работающие с разомкнутой базой
или в режиме биполярного транзистора (при подаче напря-
жения смещения в эмиттерную и коллекторные цепи). Пре-
имущество схем ФПУ на фототранзисторах перед схемами
на обычных фотодиодах состоит в том, что сами фототран-
зисторы обладают свойством усиления тока, q следова-
тельно, имеют большее отношение сигнал/шум и обеспечи-
вают более простое согласование с последующими каскада-
ми (для получения той же амплитуды сигнала, что и у фо-
тодиода, требуется нагрузка, равная #,1фт = #нфд//йгш,
где /?нфд —сопротивление нагрузки фотодиода; h2i3 —
коэффициент усиления транзистора).
В первом случае (работа фототранзистора в режиме
фотодиода) темновой ток, протекающий через фототранзи-
с~ ? будет минимальным (равным обратному току фото-
д да. умноженному на коэффициент усиления), а следо-
вгге'ьно. б'.дет иаилучшим порог чувствительности. Но
129
в этом режиме будет получено незначительное усиление
сигнала. Примеры построения ФПУ на основе фототранзи-
сторов, работающих в режиме с разомкнутой базой, приве-
дены на рис. 4.48.
В схеме на рис. 4.48,6 может быть получено более вы-
сокое быстродействие, лучшая устойчивость к воздействию
постоянных фоновых засветок и большее усиление, однако
Рис. 4.48. Принципиальная
электрическая схема ФПУ на
основе фототранзисторов с
применением в качестве усили-
тельных элементов биполярных
(а) и полевых (б) транзисто-
ров и микросхем ОУ (е)
при этом происходит увеличение темновых токов, приводя-
щее к ухудшению порога чувствительности ФПУ.
Простейшей схемой, выполненной на фототранзисторе
полностью в интегра'льном исполнении, является ФПУ на
основе составного транзистора. В этой схеме коллекторы
двух транзисторов (одним из которых является фототран-
зистор, а вторым обычный транзистор) соединены вместе
и являются общим выводом, а эмиттер первого транзистора
подсоединен к базе второго, причем в качестве' фоточувст-
вительного транзистора (т. е. фототранзистора) может
использоваться как первый (рис. 4.49,а), так и второй
транзисторы (рис. 4.49,6).
Схемы подобного типа известны под названием схем
Дарлингтона. Разновидностью указанных схем являются
схемы, в которых преобразование оптического излучения
в электрический сигнал осуществляется фотодиодом, а уси-
ление электрического сигнала — обычной схемой Дарлинг-
тона (рис. 4.50).
Схемы Дарлингтона применяются для получения большого коэф-
фициента усиления по току и напряжению и большого входного и
130
малого выходного сопротивлений. Так, например, в схеме с общим
эмиттером схема Дарлингтона имеет коэффициент передачи по току
базы [58]
В ~В [-[-[ Д1В2,
где Bi, Bi — коэффициент передачи тока базы соответственно первого
и второго транзисторов, который может достигать нескольких тысяч.
Выходное сопротивление (/?кэ) при Bj=kB2
Ввых — ''KSi 2 (I + Вг),
где Rj& — сопротивление цепи коллектор — эмиттер первого транзи-
стора, а входное
Ввх = (2ВЭ1 + ^Б,)/0 + ^2),
где R3t —сопротивление в цепи эмиттера первого транзистора; —
сопротивление в цепи базы второго транзистора.
Простейшие схемы составных фототранзисторов обла-
дают сравнительно низким быстродействием, которое мо-
Рис. 4.49. Фоточувствительные
ИМС на основе фототранзисторов
Рис. 4.50. Фоточувствптельная
ИМС на основе фотодиода и
схемы Дарлингтона
жет быть оценено временем нарастания сигнала (до уровня
90%) [81]:
= 4/-L-4.^CKb/?2h)12. . (4.22)
где р — общий коэффициент усиления схемы по току; f —
результирующая предельная частота; Сцб —емкость пе-
рехода коллектор— база фототранзистора; /?н — сопротив-
ление нагрузки.
Анализ этого выражения показывает, что время нара-
стания сигнала может быть уменьшено двумя способами:
путем уменьшения либо сопротивления нагрузки, либо
коэффициента усиления по току.. В [81] описаны схемы
составных фототранзисторов повышенного быстродействия.
На рис. 4.51,а приведена схема, в которой нагрузкой фото-
транзистора является малое дифференциальное сопротив-
9* , 131
ление 7?дпф транзистора Tt:
R^ = kTleI31.
В этой схеме время нарастания сигнала тнар определя-
ется в основном первым членом уравнения (4.22). При этом
чувствительность фототранзистора остается неизменной,
как и в обычном составном фототранзисторе. На базе та-
кой каскадной схемы формируются дифференциальные
схемы (рис. 4.51,6). Дальнейшее снижение инерционности
этой схемы может быть осуществлено за счет уменьшения
коэффициента усиления, что достигается путем подключе-
Рис. 4.51. Принципиальные электрические схемы ФПУ на основе фото-
транзисторов с повышенным быстродействием
ния между базовым и эмиттерным выводами транзистора
71 резистора Ri. В этой схеме часть фототока фототранзи-
стора минует транзистор Г] и не усиливается им.
Более существенное снижение тнар может быть достиг-
нуто путем подключения между коллектором транзистора
7\ и базой фототранзистора ФГ резистора Ri, что также
снижает р. Наряду с этим это сопротивление является
элементом обратной связи (по постоянному и переменному
токам), снижающим тнар. Благодаря введению обратной
связи по постоянному току уменьшается влияние разброса
параметров на темновой ток. Этим же сопротивлением ре-
гулируется ток в нагрузке (рис. 4.51,в).
4.3. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Особенностью пироэлектрических приемников излуче-
ния является то, что они, будучи по существу емкостными
элементами, имеют очень большое внутреннее сопротивле-
ние (1010—1011 Ом) и низкие выходные токи (10~12—
132
10~13А), что создает значительные трудности при согласо-
вании их с входными каскадами усилителей. К входным
цепям усилительных устройств, работающих совместно
с пироэлектрическими приемниками, предъявляется ряд
специфических требований. К их числу следует отнести не-
обходимость большого входного сопротивления и малой
входной емкости.
В наибольшей степени, особенно по значению необходи-
мого входного сопротивления первого каскада усиления,
работающего на высокоомный пироэлектрический прием-
Рис. 4.52. Фотоприемиое
устройство на основе пи-
роприемника с потоко-
вым повторителем па
входе
Рис. 4.53. Принципиальная электри-
ческая схема пироэлектрического
ФПУ с применением потокового по-
вторителя и линейного усилителя
ник, этому требованию удовлетворяют полевые транзисто-
ры, входное сопротивление которых на низких частотах
чрезвычайно большое (10—100 МОм). Входное сопротив-
ление истокового повторителя, по схеме которого иногда
выполняется входной каскад усилителя пироэлектрического
ФПУ (рис. 4.52), может быть определено из соотноше-
ния [29]
/?вч = Язи'(1 - Ки} - Язи (5.,1ПДЯН - 1) <2SmaxR„ - 1),
где R ,п —сопротивление цепи затвор — ис,ток; Ки~
=S caA’.-./iS ,-ivA’.i+l)—коэффициент усиления по напря-
жению; Smar — максимальное значение крутизны вольт-
амперной характеристики транзистора; Ян— сопротивление
нагрузки.
Значение эффективной входной емкости в этом случае
при использовании активной нагрузки может быть найдено
из следующего выражения;
Свх = Сзс -ф (1 — Ки) Сзи.
где Сзс. Сзи —емкости соответственно цепи затвор —
сток и затвор — исток.
133
Рис. 4.54. Принципиальная электрическая схема пироэлектрического
ФПУ с использованием дифференциального усилителя
Рис. 4.55. Принципиальная электрическая схема пироэлектрическою
ФПУ с использованием ОУ
Так как пироприемник является емкостным датчиком,
то режим работы затвора входного полевого транзистора
обеспечивается путем подключения к нему высокоомного
нагрузочного резистора, сопротивление которого может
достигать значений от единиц до десятков гигаом. Значение
этого сопротивления определяет пороговый поток, который
может быть выделен на фоне шума: чем больше это сопро-
тивление, тем меньше значение порогового потока.
134
Рис. 4.56. Принципиальная
электрическая схема непо-
средственного подключения
пироэлектрического элемен-
та к ОУ
Для повышения -коэффициента усиления по напряже-
нию кроме полевого транзистора в схемах ФПУ могут при-
меняться также линейные микросхемные усилители
(рис. 4.53).
Простейшие схемы пироэлектрических ФПУ, собранных
по схеме истокового повторителя (рис. 4.52), обладают не-
достаточной температурной стабильностью параметров.
Поэтому чаще применяются
схемы с использованием диф-
ференциальных усилителей,
собранных на навесных эле-
ментах (рис. 4.54), или опера-
ционных усилителей (рис.
4.55), охваченных петлей об-
ратной связи. Возможно так-
же непосредственное подклю-
чение пироэлектрического эле-
мента к операционному усили-
телю (рис. 4.56).
Основные параметры схемы
ФПУ на основе дифферен-
циального усилителя могут быть определены из следую-
щих соотношений:
выходное сопротивление ФПУ
Ушлх—/?диф.у/(Н РАдиф.у),
где Ддпф.у, Ддиф.у — соответственно выходное сопротивле-
ние и коэффициент усиления дифференциального усилите-
ля без обратной связи; р — коэффициент обратной связи;
напряжение выходного сигнала
= +(^о.с)2] [1 +(-п)21}'/2 .
где Тг=^?нСп; — сопротивление нагрузки пироэлектриче-
ского элемента; Сп — собственная емкость пироэлектриче-
ского элемента; тп — постоянная времени пироэлектриче-
ского элемента; Sr — интегральная вольтовая чувствитель-
ность пироэлектрического элемента; Ф — поток излучения,
воспринимаемый пироэлектрическим элементом;
напряжение шума, приведенное к входу .в единичной по-
лосе частот,
Г 4kT 2eb, 4kTtg8 (юСД2 ]1/2
+ + + j .(4.23)
где /3 — ток затвора входного полевого транзистора; Т —
окружающая температура; tg б — тангенс угла потерь пи-
135
Таблица 4.1 Параметры ФПУ
Наименование пара- метра и его размерность Обозначение, формула для вычисления Определение
Напряжение фото- Напряжение сигнала
сигнала, В на выходе ФПУ, выз- ванное действием из- лучения на фоточувст- вительный элемент
Ток фотосигнала,А /с Ток в цепи нагрузки на выходе ФПУ, выз- ванный действием из- лучения на фоточувст- вительный элемент
Напряжение шума, В '4. Среднеквадратичное значение флуктуации напряжения на выходе ФПУ в полосе частот электронного тракта в отсутствие излучения
Темновой ток, А / т Ток, протекающий в цепи нагрузки на вы- ходе ФПУ при отсутст- вии облучения фото- чувствительного эле- мента
Ток шума, А Среднеквадратичное значение * флуктуации тока, протекающего в цепи нагрузки ФПУ в полосе частот электрон- ного тракта
Отношение сиг- нал шум, отн. ед. Ф=(7С,-17Ш; Ф = /с,/ш Отношение напряже- ния (тока) сигнала на выходе ФПУ при облу- чении фоточувстви- тельного элемента за- данным потоком к на- пряжению *(току) шу- ма на выходе устрой- ства
Полоса пропуска- ния, Гц Af Полоса частот моду- ляции оптического из- лучения, падающего на фоточувствитель- ный элемент ФПУ, в пределах которой на- пряжение фотосигнала ФПУ не выходит за допустимые пределы (как правило, не ниже 0,707 максимального значения)
136
Продолжение табл. 4.1
Наименование пара- метра и его размерность Обозначение, формула для вычисления Определение
Эффективная (экви- n=(J^U, Полоса пропускания
валентная) шу- мовая полоса, Гц J А 2у тах где Kv (f) — зависимость коэффициента усиления от частоты; Кутах — максимальное значение коэффициента усиления 5и^ис!Ф т электронного тракта ФПУ, представленная
Интегральная воль- тбвая чувстви- тельность, В Вт Интегральная то- ковая чувстви- тельность, А Вт Монохроматп ве- ская токовая чувствитель- ность, А Вт Постоянная вре- мени, с в виде полосы идеаль- ного фильтра с прямо- угольной частотной ха- рактеристикой, и амп- литудой, равной макси- мальному значению ко- эффициента усиления реальной характери- стики, эквивалентной характеристики по пе- редаче мощности шума реальному фильтру с произвольной формой частотной характе- ристики Отношение напряже- ния фотосигнала ФПУ к падающему на фото- чувствительный эле- мент немонохрома- тическому потоку излу- чения заданного спек- трального состава Отношение тока фо- тосигнала ФПУ к па- дающему на фото- чувствительный эле- мент немонохроматн- ческому потоку излуче- ния заданного спект- рального состава Отношение тока фото- сигнала на, выходе ФПУ к падающему на фото- чувствительный эле- мент монохроматиче- скому потоку излучения Время с начала воз- действия прямоугольно- го импульса оптического излучения на фоточув- ствительный элемент ФПУ до момента, когда напряжение фотоепг- нала ФПУ достигнет значения, равного 1—1/е максимального значения
137
Продолжение табл. 4.1
Наименование пара- метра н его размерность Обозначение, формула для вычисления Определение
Пороговый поток в заданной полосе, Вт Пороговый поток в единичной поло- се, Вт,Гц1/2 Удельный порого- вый поток, Вт/Гц’/2 Удельная обнару- жительная спо- собность, смГгД2 .Максимальный по- ток, Вт Относительный ди- намический диа- Фп = иш/5и ИЛИ <J’n = An/Sz Фп, — UiJsu VП или Фп.^ш'^П Ф% = /ш/5/Г%П, где Лф — площадь фото- чувствительного эле- мента D*= 1.Ф*П Фтах D = Ф^х.Фп Минимальное средне- квадратичное значение потока излучения опре- деленного спектрально- го состава, падающего на фоточувствительный элемент ФПУ, при кото- ром среднеквадратич- ное значение напряже- ния (тока) на выходе устройства равно сред- неквадратичному зна- чению напряжения (то- ка) шума в заданной полосе частот Среднеквадратичное значение действующего на фоточувствительный элемент ФПУ потока из- лучения определенного спектрального состава, при котором среднеквад- ратичное значение на- пряжения (тока) шума равно среднеквадратич- ному значению напря- жения (тока) шума в единичкой полосе частот Пороговый поток ФПУ в единичной полосе ча- стот, отнесенный к еди- ничной площади фото- чувствительного элемен- та Величина, % обратная удельному потоку Максимальное значе- ние потока излучения определенного спект- рального состава, па- дающего на фоточувст- вительный элемент, при котором искаже- ния сигнала па выходе не выходят за пределы допустимых значений Отношение макси- мального потока излу-
138
Продолжение табл. 4.1
Наименование пара- метра и его размерность Обозначение, формула для вычисления Определение
п|«он (по мощ- ности), отн. ед. Максимальное на- пряжение (гок) сигнала, В (А) Длительность при- нимаемого вход- ного опшческо- го импульса, с Длительность вы- ходного импуль- са, с ^вых так (^вых max) ти.зх ’СП.ЕЫХ чен на НЫГ пор ? чен ка) ФП вне на ный ром нал не доп И мея тор нон нал вин зна О и мея тор ход го CT3I СИМ Uc 7,0 о,ь ия, падг фоточувст] элемент ФП оговому поток Максимальное ие напряжение сигнала на У, вызванное м потока изл фОТОЧуВСТ! элемент, при искажения а на выходе выходят за п устимых значе нтервал в еду точками, ых амплитуда э оптического а составляет у максима чення :-р ющего зитель- У, к У зна- (то- выходе дейст- учення зитель- кото- сиг- ФПУ ределы .НИЙ земени в ко- вход- енг- поло- льного L
нтервал в еду точками, ых амплитуда но го электр! сигнала ФЕ зляет половину ального значет тА t земени в ко- вы- зческо- У со- т мак- 1ИЯ
t
139
Продолжение табл. 4.1
Наименование пара-
метра и его размерность
Обозначение, формула для
вычисления
Определение
Длительность
фронта выходно-
го импульса, с
тфр
Интервал времени
между точками пересе-
чения прямых, прове-
денных на уровнях 0,1
и 0,9 максимального
(амплитудного) значе-
ния выходного элект-
рического сигнала, с
фронтом выходного
импульса сигнала ФПУ
*
Разрешающая спо- fp
собность, с
Интервал времени
между фронтами двух
импульсов (полезно-
го и паразитного), воз-
действующих на вход
ФПУ, измеренный на вы-
ходе при заданном ос-
лаблении уровня полез-
ного сигнала
Относительный
спад плоской
вершины прямо-
угольного выход-
ного импульса,
отн. ед.
б==ПфР-озсрез 1со%
Офр
a = _f_ 100%
Пфр
Отношение разности
амплитуд фронта и
среза прямоуголь-
ного импульса выход-
ного электрическо-
го сигнала ФПУ к ам-
плитуде фронта этого
импульса
140
Продолжение табл. 4.1
Наименование пара- метра и его размерность Обозначение, формула для вычисления Определение
Выходное сопро- тивление нагруз- ки, Ом Ra Сопротивление на- грузки, подключенное к выходу ФПУ, при котором обеспечи- ваются его основные параметры
Выходное сопро- тивление, Ом ^ВЫХ Величина, равная от- ношению приращения напряжения сигнала на выходе ФПУ к прира- щению активной со- ставляющей выход- ного тока при задан- ных значениях вход- ного оптического сиг- нала
Напряжение пита- ^пит.у Напряжение питания
ния, В электронного тракта ФПУ, при котором обеспечиваются па- раметры ФПУ
Рабочее напряже- ние фотоприем- ника ФПУ, В Потребляемый ток, А ^1-ИТ.П Напряжение пита- ния приемника излу- чения, при котором обеспечиваются ос- новные параметры ФПУ Ток, потребляемый электронным трак- том ФПУ от источника питания в заданном режиме работы
роэлектрического элемента; Kf — спектральная плотность
напряжения шума входного транзистора усилителя на за-
данной частоте f.
В (4.23) первый член представляет собой составляю-
щую теплового шума входного резистора, второй — состав-
ляющую дробового шума входного полевого транзистора,
третий — составляющую шума пироэлектрического элемен-
та и четвертый — составляющую шума усилителя, приве-
денного к входу.
4.4. ПАРАМЕТРЫ ОДНОКАНАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
Параметры, описывающие свойства всех разновидно-
стей ФПУ, можно разделить на четыре группы: 1) кон-
141
структивные; 2) функциональные электрические и фото-
электрические; 3) режимные; 4) характеризующие устой-
чивость ФПУ к воздействию факторов внешней среды (тем-
пературы, давления, влажности, механических нагрузок,
электромагнитных полей, ионизирующих излучений и т. д.)
Параметры ФПУ, относящиеся к первой и четвертой груп-
пам, ничем не отличаются от аналогичных параметров
всех групп обычных фотоприемников и поэтому здесь не
рассматриваются. Не упоминаются здесь и характеристики
ФПУ, перечень которых также полностью повторяет харак-
теристики обычных фотоприемников [60].
Перечень параметров, записываемых в нормативно-тех-
ническую документацию (техническое задание на разработ-
ку, технические условия, паспорт, справочник и др.) на кон-
кретный тип ФПУ, зависит от целевого назначения аппара-
туры, в которой применено данное ФПУ. В табл. 4.1 при-
ведены электрические и фотоэлектрические параметры
ФПУ с учетом большинства возможных областей их при-
менения.
ГЛАВА ПЯТАЯ
МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
5.1. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
К устройствам данной группы относятся фотоприемные
устройства (структуры) с полной электрической развязкой
отдельных элементов и устройства с внутренними электри-
ческими связями между элементами. Структуры первого
типа формируются путем набора их из отдельных фоточув-
ствительных элементов (иногда даже из готовых одноэле-
ментных фотоприемников) или выделения отдельных фото-
чувствительных площадок на единой подложке методами
фотолитографии или резки монокристалла. Между элемен-
тами существует полная электрическая развязка. Каждый
элемент имеет свой самостоятельный канал обработки сиг-
нала с регулируемым коэффициентом усиления. При при-
менении наборной матрицы из готовых фотоприемников
(такие матрицы иногда называют мозаиками) не может
быть обеспечена высокая плотность размещения элемен-
тов в матрице, зато при необходимости достигается высо-
кая равномерность параметров во всех элементах ма-
трицы.
142
Общим недостатком структур такого типа является на-
личие большого числа выводов (2н, где п — число элемен-
тов), что накладывает существенные ограничения на число
элементов в структуре вследствие большого объема, зани-
маемого экранированными выводами, а также длительное
время подключения структуры к электронному тракту, осо-
бенно при проведении измерений параметров. Реализация
такого принципа построения ФПУ для большого числа эле-
ментов при малом шаге между элементами сопряжена со
значительными технологическими и схемотехническими
Рис. 5.1. Многоэлементная линейная структура ФПУ на основе фото-
резисторов с одним общим выводом
трудностями. В наибольшей степени это относится к проб-
леме выполнения контактов к отдельным элементам для
охлаждаемых фотоприемников, в связи с чем охлаждае-
мые ФПУ выполняются, как правило, только в виде линей-
ных структур.
Указанными обстоятельствами и объясняется то, что
число элементов в подобных структурах не превышает 200,
а отсюда в сочетании с высокой стоимостью таких струк-
тур и вытекают их ограниченные перспективы применения.
Более перспективными с точки зрения возможности
практического использования являются линейные и ма-
тричные структуры, фоточувствительные элементы в кото-
рых по электрическим цепям связаны между собой. Про-
стейшими из этой группы являются структуры, у которых
от каждого элемента имеется только по одному выводу,
а вторые выводы объединены (запараллелены) (рис. 5.1).
Общее число выводов такой структуры п-f-l, где п — число
элементов.
Наиболее распространенными являются структуры
с взаимно ортогональными контактными шинами, позво-
ляющие резко сократить число внешних коммутационных
143
соединений за счет использования группового параллель-
ного присоединения фоточувствительных элементов к вза-
имно перпендикулярным токоведущим шинам, где элемен-
ты столбцов присоединены к отдельным вертикальным ши-
нам, а элементы строк к горизонтальным (рис. 5.2а).
Опрос элементов в таких ФПУ осуществляется элек-
трическим способом с помощью вертикального и горизон-
тального коммутирующих устройств в заданной последо-
вательности. Наличие внутренних электрических связей
между элементами позволяет при числе элементов в струк-
туре, равном mXn, при последовательном опросе каждого
элемента использовать внешние коммутаторы с числом ка-
налов тип. Выигрыш в числе необходимых коммутируе-
мых каналов по сравнению со структурой с полной элек-
трической развязкой составляет
fC'=2(mX«) / (m-j-n),
где тип — соответственно число строк и столбцов.
144
Структурам с внутренней электрической связью прису’
щи и недостатки, такие как утечки по токоведущим шинам
и на подложку, коммутационные переходные процессы и
перекрестные связи.
Перекрестные связи, проявляющиеся в наложении на
сигнал с опрашиваемого элемента ^сигналов с неопраши-
ваемых элементов, приводят к искажению сигнала с опра-
шиваемого элемента, а иногда и к полной его потере. Это
происходит потому, что, хотя источник питания подключа-
ется непосредственно только к опрашиваемому элементу,
через сопротивление нагрузки идет ток не только от опраши-
ваемого элемента, но и со всех остальных элементов, при-
чем степень вклада в общий ток, проходящий через на-
грузку, токов с неопрашиваемых элементов зависит от
способа коммутации сигнала.
Подключение к источнику питания необходимых строк
и столбцов осуществляется с помощью ключевых элемен-
тов. Поэтому в принципе возможны различные способы
коммутации ключей:
а) все ключи всех неопрашиваемых элементов ра-
зомкнуты, замкнуты только ключи опрашиваемого эле-
мента;
б) все ключи свободных от опроса элементов зазем-
лены;
в) все столбцовые ключи свободных от опроса элемен-
тов заземлены, а строчные разомкнуты;
г) все столбцовые ключи свободных от опроса элемен-
тов разомкнуты, а строчные заземлены.
Рассмотрим процессы коммутации фоторезистор-
ной матрицы квадратной формы (иХ«) применительно
к перечисленным выше вариантам в предположении, что
сопротивление разомкнутого ключа /?к.р=оо, а замкнутого
Якз=0 и сопротивление всех элементов матрицы одина-
ково.
Принципиальная электрическая схема опроса элемента
матрицы, соответствующая первому варианту, .представле-
на на рис. 5.2,а, а ее эквивалентные схемы — на
рис. 5.2,6, в. Из схемы на рис. 5.2,6 видно, что верхние
элементы в каждой шунтирующей ветви образованы эле-
ментами той строки, где находится коммутируемый эле-
мент, а нижние — элементами столбца, в котором располо-
жен коммутируемый элемент. Через эти элементы прохо-
дят одинаковые токи, значения которых в п—1 раз боль-
ше токов, протекающих через остальные элементы, где
п — число столбцов (строк) в матрице.
10—3274 145
Ток в нагрузке при неосвещенной матрице
i=l
где /т — темновой ток, протекающий через опрашиваемый
элемент; /'т — темновой ток, проходящий через неопраши-
ваемую параллельную ветвь; I— номер неопрашиваемой
ветви.
Сопротивление всей матрицы (исключая опрашиваемый
элемент) (рис. 5.2,в) [61]'
/?м=/?т(2и—1)/(п-1)2,
где Rt — сопротивление одного элемента; п — число строк.
Отношение тока опрашиваемого элемента к току всех
остальных неопрашиваемых элементов при отсутствии осве-
щения матрицы или равномерного освещения всех ее эле-
ментов
/п—1
3 Л. = ^м^опр = (2/г-!)/(«-I)2. (5.1)
Z= 1 ‘
Если опрашиваемый элемент освещен, а все остальные
элементы не освещены, то
/ п—1
^р/2 /'T = Wonp=/<(2n-!)'(«-I)2. (5.2)
/ Z = 1
где К — кратность изменения сопротивления освещенного
элемента.
При этом следует отметить, что при опросе неосвещен-
ных элементов матрицы, находящихся в одной строке и
одном столбце с освещенным элементом, токи, снимаемые
с этих элементов, больше токов, снимаемых с остальных
неосвещенных элементов. В этом именно и проявляются
так называемые перекрестные искажения, когда на индика-
торе вместо яркой точки виден светящийся крест с более
ярким центром, являющимся изображением светлой точки
на фотоприемной матрице. Если освещенный элемент на-
ходится в одной строке (или столбце) с опрашиваемым не-
освещенным элементом, то отношение токов в соответствии
с эквивалентной для этого случая схемой (рис. 5.2,в) при-
нимает вид [61]:
/опр _ (« — 1 + Л'ч) (2/г — 1)
(п — 1)[Щ— 2) р>-1 +Кг) + (2/г — 1)К] "
146
Фотоприемные матричные структуры разрабатываются,
как правило, для преобразования оптических изображений
в электрический сигнал. Из этого следует, что Тогда
приведенные выше формулы (5.1) — (5.3) принимают
более простой вид:
/П—1
= (5.1а)
/=1
/ /7—1
/опр/ (5.2а)
/ i=!
/«—1
2 2 (1+Л)/[2К + «(1+/<)]. (5.3а)
/—1
Схемы опроса матрицы, соответствующие вариантам
коммутации б—г, представлены на рис. 5.3,а—в, из кото-
рых видно, что во всех трех случаях имеется параллельное
подключение ряда однотипных ветвей к источнику питания
и к сопротивлению нагрузки. Так, в схеме на рис. 5.3,а
Рис. 5.3. Эквивалентные схемы, фоторезистор ной матрицы:
а — ключи неопрашиваемых элементов заземлены; б — ключи неопрашиваемых
столбцовых элементов заземлены, а строчных разомкнуты; в — ключи неопраши-
ваемых столбцовых элементов разомкнуты, а строчных заземлены; г — обобщен-
ная эквивалентная схема вариантов а—в
10* 147
параллельно источнику (г, — внутреннее сопротивление
источника) подключаются неопрашиваемые элементы, на-
ходящиеся в одной строке с опрашиваемым элементом,
а параллельно сопротивлению нагрузки — элементы, нахо-
дящиеся в одном с ним столбце.
Схемы на рис. 5.3,6 и в отличаются от схемы на
рис. 5.3,а тем, что к неопрашиваемым элементам последо-
В'ательно подключаются параллельные ветви, состоящие из
диагональных элементов, причем в схеме на рис. 5.3,6 они
подсоединяются к неопрашиваемым элементам, находя-
щимся в столбце, а в схеме на рис. 5.3,в — к неопрашивае-
мым элементам, находящимся в одной строке с опрашивае-
мым элементом.
Все три схемы опроса могут быть сведены к одной
эквивалентной схеме, приведенной на рис. 5,3,а, где Rt —
эквивалентное сопротивление всех цепей, подключенных
параллельно источнику питания, a R2— эквивалентное
сопротивление нагрузки и параллельно подключенных
к ней цепей, /?Опр— сопротивление опрашиваемого эле-
мента.
Из представленных схем видно, что выходное напряже-
ние, снимаемое с нагрузки, определяется не только ее со-
противлением, но и сопротивлением элементов, подключен-
ных параллельно как к нагрузке, так и к источнику пи-
тания.
Выходное напряжение, снимаемое с эквивалентной на-
грузки,
6вщ=/ onpA?2i
где /0Пр — ток, протекающий через опрашиваемый эле-
мент.
Нетрудно показать, что при неосвещенной матрице
Iопр=С7?1/ [т?1 (/?опрЧ“/?2) 4~П (/?опр4“^?24“^?1) ] •
Тогда »
Ubi,ix=URiR2/ 1^1 (^?опр-|-/?2) + Г г (/?опр-|-/?1-|-/?2)] •
(5.4)
Сопротивления Ri и R2 в указанных схемах опроса ма-
трицы определяются из следующих выражений:
в схеме на рис. 5.3,а
/?, =— 1);
RrRH
Rs =
Rt +(«-!)/?„
в схеме на рис. 5.3,6
Ri=Rt/ (п—1); R2=nRTRH/ [л#т+ (n— 1) 2flH]
148
в схеме на рис. 5.3,в
R 1=nRr/ (п— 1)2; R2=RTR„/ [Ят+ (п— 1) Ян],
где Ят— сопротивление отдельного неосвещенного элемен-
та матрицы; п — число строк (столбцов) в квадратной ма-
трице.
Подставляя в (5.4) соответствующие значения Я1 и Яг,
получаем необходимые выражения для выходных сигналов
для каждой схемы опроса матрицы.
Если принять n=0 и учесть, что для неосвещенной ма-
трицы Яопр=Ят, то
^ВЫХ= ПЯг/(Я1+Я2).
После соответствующих подстановок будем иметь:
для схем на рис. 5.3,а и в
^ВЫХ = ПЯн/(пЯ„+Ят); (5.5)
для схемы на рис. 5.3,6
Пвых=ППЯн/ [Ян (и2—п-f- П 4-пЯт] •
Если опрашиваемый элемент освещен, а остальные не
освещены, имеем:
для схем на рис. 5.3,а и в
Пвь1х=ПЯЯн/[(п—1+Л)Ян+Ят];
для схемы на рис. 5.3,6
Пвых=ггПЯЯн/{пЯт+Ян [ (п—1 )2+пК]},
где R — кратность изменения сопротивления опрашиваемо-
го элемента при его освещении.
Если в одном столбце с опрашиваемым неосвещаемым
элементом находится т равномерно освещенных элемен-
тов, то для схем на рис. 5.3,а и в
Яг=ЯтЯн/{Ян [т (Я— 1) +п— 1 ] +ЯТ},
а соответствующее выходное напряжение *
ПВЫХ= ПЯн/ {Ян [т (Я—1) +П-1 ] +Ят}. (5.6)
Аналогично могут быть найдены значения Яг и (Лых и
для схемы на рис. 5 3,6.
Из (5.6) следует, что на значение выходного напряже-
ния, снимаемого с неосвещенного элемента, оказывает
влияние только уровень освещенности (облученности) эле-
ментов, находящихся в одном с ним столбце.
Из (5.5) и (5.6) следует, что при наличии в матрице
освещенного элемента сигналы с остальных элементов, на-
ходящихся в одном с ним столбце, будут меньше сигналов
149
со всех остальных элементов матрицы. При построении на
индикаторном устройстве изображения точечной цели это
приведет к появлению темной вертикальной полосы (по
сравнению с остальным фоном), идущей вверх и вниз от
яркого изображения освещенного элемента.
Когда из т равномерно освещенных элементов одного
столбца находится и опрашивается один элемент, то его
выходное напряжение для схем на рис. 5.3,а и в [61]'
Ивых==ПК7?н/{Rs [ (ш-|-1) (К— 1) -|-п] -|-7?т} (5.7)
Уровень освещенности и число освещенных элементов,
находящихся в одной строке с опрашиваемым элементом,
как следует из (5.7), на значение выходного напряжения
на нагрузке не влияют.
Если г,=И=0, то для т освещенных элементов, находя-
щихся в одной строке с опрашиваемым, [75]
ивык=и----------------------------------------—
П [(п— 1 — т) + тК + ЯгДЯопр + Яг)] + Яг Яопр + Я„
При изменении освещенности элементов вдоль строки происходит
изменение фактического напряжения, прикладываемого к цепи опроса
при переходе от одного элемента к другому. Это приводит к тому,
что в этом случае, кроме темной вертикальной полосы, идущей от
освещенного элемента, появляется еще и горизонтальная темная по-
лоса, т. е. на изображение яркой точки накладывается темный крест.
Аналогичные, искажения наступают во всех трех вариантах схем
коммутации. Различие состоит только в том, что в схеме на рис. 5.3,6
вертикальная полоса креста более светлая по сравнению с горизон-
тальной, а в схеме на рнс. 5.3,в горизонтальная полоса креста более
светлая.
Приведенные выше выражения для R\ и Яг находились из усло-
вия равномерной освещенности определенного числа элементов. Если
освещенность элементов неравномерна, то эквивалентные значения
сопротивлений находятся аналогичным образом иа основе использо-
вания уравнений проводимостей параллельных ветвей в самом общем
виде. Например, сопротивление одной из ветвей, подключенных па-
раллельно нагрузке, для схемы иа рис. 5.3,6 должно определяться из
выражения
1 1 • 1
Яв =ЯТ/Л'СТ +J
Ьжжг
<=1
где Яв—сопротивление ветви; Дет — кратность изменения сопротивле-
ния элемента, находящегося в одном столбце с опрашиваемым эле-
ментом; Ki — кратность изменения сопротивления элемента, не нахо-
150
дящегося в одном столбце или в одной строке с опрашиваемым эле-
ментом.
Проведенный анализ показывает, что при любых ва-
риантах коммутации матрицы фоторезисторов в снимаемом
с нагрузки выходном сигнале имеются искажения вслед-
ствие наличия связей между элементами матрицы через
соединяющие их шины опроса. Поэтому такие матрицы мо-
гут применяться только для преобразования излучения
ограниченного числа точечных источников.
Условием нормального функционирования матричной
структуры на основе фоторезисторов при преобразовании
протяженных изображений является обеспечение мини-
мального шунтирования неопрашиваемыми элементами
опрашиваемого элемента, т. е.
( Унеопр(тХп)—1/Уопр) 1»
где /<шн—коэффициент шунтирования; Унеопр(тХл>-1— про-
водимость (mXn) —1 неопрашиваемых элементов; УОпр —
проводимость опрашиваемого элемента.
Для матрицы, содержащей элементов, это условие
может быть записано в следующем виде [63]:
= 1, (5.8)
где а=Унеопр/Уопр; Унеопр, Уопр — проводимости соответст-
венно неопрашиваемого и опрашиваемого элементов.
Из этого выражения можно определить значение коэф-
фициента а, если задано допустимое значение Л’шн (тхп):
а = -Кшн № -!)(«-!)- Кта (тхп) (т + п - 2)].
Отсюда следует, что при заданном значении степени шун-
тирования опрашиваемого элемента коэффициент а зависит
от числа элементов в структуре.
При достаточно больших значениях тип это выраже-
ние может быть упрощено:
а ~ *шн ы1\тп - -Кшн (тХп) (т + «)].’ (5.9)
Возможные конструктивные решения матрицы фоторе-
зисторов показаны на рис. 5.4. В первом случае (рис. 5.4,а)
на противоположных гранях полупроводника, чувствитель-
ного к оптическому излучению и обладающего низкой тем-
новой проводимостью (р^Ю7 Ом-см), методом легирова-
ния образуют взаимно перпендикулярные контактные до-
рожки, обладающие высокой проводимостью (р=Ю-1-^-
10~2 Ом-см). Расположенные параллельно электроды каж-
дой контактной системы разделены между собой узкой по-
лосой высокоомного полупроводникового материала. Фото-
151
чувствительные элементы образуются в местах пересечения
контактных шин, и их размеры определяются шириной
шин, в перекрестиях которых находятся элементы. Направ-
ление протекающего тока в такой структуре параллельно
направлению принимаемого оптического излучения.
Во втором случае (рис. 5.4,6) фоточувствительные эле-
менты и контактные шины методами фотолитографии на-
носятся на общую подложку. При этом между горизон-
тальными и вертикальными токоведущими шинами в ме-
стах их пересечения наносится слой диэлектрика. Направ-
ление тока через чувствительный элемент в этой структуре
перпендикулярно направлению падающего излучения.
Из (5.8) следует, что когда матрица составлена из фо-
торезисторов (а=1), она оказывается неработоспособной.
Однако, изменив схему включения, можно добиться ее ра-
Рис. 5.4. Конструктивные решения фоторезисторных матриц:
1 — подложка; 2 — фоточувствитсльный элемент; 3 — диэлектрик; 4, 5 — верти-
кальные и горизонтальные токоведущие шины
ботоспособности. Это достигается путем подключения ко
всем вертикальным шинам, кроме коммутируемой, допол-
нительных сопротивлений Ri и R2 и принятия условия, что
Rn=Ri- При этом должно обеспечиваться соотношение
R2=mR\, где т— число строк в матрице. Практическая
реализация этого варианта связана с подключением
к столбцам второго коммутатора параллельно коммутато-
ру нагрузки и инверсной его работой по отношению к это-
му коммутатору [63]. В этом случае общее выходное со-
противление коммутатора должно быть равным сопротив-
лению Т?2 и схема, представленная на рис. 5 2, превращает-
ся в сбалансированный мост (рис. 5.5), через нагрузку ко-
торого проходит только ток опрашиваемого элемента. На
рис. 5.5 приняты следующие обозначения: 7?к.опр — сопро-
тивление опрашиваемого выхода коммутатора цепи пита-
ния; /?к.неопр/щ — сопротивление неопрашиваемых выходов
коммутатора цепи нагрузки; RK/m— сопротивление нс-
опрашиваемых выходов коммутатора цепи питания.
152
Однако равновесие моста в рабочем состоянии (когда
матрица освещается) не соблюдается, что приводит к по-
явлению в диагонали моста уравновешивающего тока, ко-
торый добавляется к току сигнала и искажает его. При
допустимом значении этих искажений, равном g, для обес-
печения работоспособности фоторезисторной матрицы
обратное сопротивление ключа [63]
где /?т — темновое сопротивление фоторезистора; К —
кратность изменения сопротивления, а сопротивление на-
грузки
R^R^/ZmK-
Условие (5.8) может быть обеспечено, если в качестве фо-
точувствительных элементов используются фотодиоды,
причем опрашиваемый элемент смещен в прямом направ-
Рис. 5.5. Эквивалентная схема
фоторезисторной матрицы, об-
ладающей нормальной работо-
способностью
Рис. 5.6. Принципиальная
электрическая схема фотопри-
емнон матрицы типа фоторе-
зистор — диод (ФР — Д)
лении. В этом случае его проводимость Уопр значительно
превосходит проводимость неопрашиваемых элементов
Унеопр И (1<1, а следовательно, и /Сшн <тх») < 1 - Однако чув-
ствительность фотодиода в прямом направлении очень низ-
ка, и поэтому такие структуры неперспективны.
Если при опросе фотодиодной матрицы опраши-
ваемый элемент смещен в обратном направлении, его чув-
ствительность к- изменению освещенности достаточно вы-
сока. Однако при этом У,1СОпрЗ> Уоир и а^>1, т. е. массив
неопрашиваемых элементов в сильной мере шунтирует
опрашиваемый элемент и условие (5.8) не выполняется.
Наряду с этим фотодиоды опрашиваемого столбца откры-
ты напряжением опроса и шунтируют сопротивление на-
грузки. Таким образом, и фотодиодная матрица без до-
полнительной развязки элементов также неработоспособна.
153
Для устранения перекрестных связей между элемента-
ми используется блокирование неопрашиваемых фоточув-
ствительных элементов с помощью последовательного
включения с каждым из элементов ключа, выполненного
на диоде, транзисторе или других элементах. Тог-
да при опросе одного из элементов матрицы неопрашпвае-
мые элементы запираются благодаря включению диодов,
смещенных в обратном направлении (ключевых элемен-
тов). Нельзя, естественно, считать, что в этом случае раз-
вязка между элементами идеальная, так как ключи также
имеют конечное значение сопротивления.
Рассмотрим структуру фоторезистор — диод
(ФР — Д), у которой в момент опроса ключевой диод
включен в проводящем направлении. Ее принципиальная
схема представлена на рис. 5.6, откуда следует, что парал-
лельно опрашиваемому элементу включены ветви, содер-
жащие диод, смещенный в обратном направлении. Ток в
нагрузке неосвещенной матрицы будет определяться сум-
мой токов, проходящих через диоды, смещенные в обрат-
ном направлении, всех ветвей.
Обратное сопротивление диодных ключей может быть
определено (исходя из заданного значения коэффициента
а, при котором выполняется условие Кшн^'1) из следую-
щего соотношения:
СРт4"Ти.пр)/(Рт+Гд.обр) ^ct, (5.10)
где Гд.пр и Гд.обр — сопротивление диода соответственно при
прямом и обратном смещении.
Так как гд.пР<С/?т и а<^1, то получим:
Гд.обр^^т [ (1 —а) / а] / а.
Как следует из (5.9) и (5.10), обратное сопротивление
ключевых диодов с увеличением числа элементов в матри-
це должно увеличиваться.
Сопротивление одной из ветвей, подключенных парал-
лельно опрашиваемому элементу [62],
Rb = (^т+Гд.обр) / (tl—1)Т-/?т =
= [Ят (2n— 1) 4-Гд.обр] / (n— 1),
а всего массива параллельных ветвей матрицы
Ям=Яв/ (и— 1 ) = [Яг (2/1— 1) -{“Гд.обр] / (и—-1) "
Отношение токов, проходящих через опрашиваемый
элемент и всю остальную часть матрицы,
/п—1
2 \. = ЯЛр=1Ят(2« - 1) + Гд.оОрЖ {п - I)2.
1=1
154
Легко заметить, что это отношение больше отношения
токов в рассмотренной ранее структуре из фоторезисторов.
Считывание сигнала с нагрузки структур ФР — Д
(рис. 5.7) осуществляется с помощью двух коммутаторов
(горизонтального и вертикального), осуществляющих с за-
данными частотами периодическое подключение к ячейкам
структуры источника питания и нагрузки. С помощью го-
ризонтального коммутатора обеспечивается работа ключей:
на диоды с помощью источника До подается обратное сме-
щение и отсоединяются от земли элементы, находящиеся
в столбцах. С помощью вертикального коммутатора при
• этом все неопрашиваемые элементы замыкаются на землю,
а на опрашиваемый элемент подается рабочее напряжение
U в прямом направлении. При этом ток в нагрузке
U
Н Ц.(Ян + Я-г)
1)]>
Рис. 5.7. Принципиальная элек-
трическая схема включения
матрицы типа ФР—Д
где Тп — длительность коммутирующего импульса; трл—
время диэлектрической релаксации фотопроводника.
Роль ключевых элементов, осуществляющих подсоеди-
нение коммутаторов к матрице, выполняют блоки раздели-
тельных транзисторов. Даже при таком включении емкость
матрицы составляет 1000—
2000 пФ, а поэтому требуются 1_______,
специальные низкоомные вход-
ные цепи усилителя.
Особенность матрицы типа
ФР — Д состоит в отсутствии
в ячейках как отдельного эле-
мента блокировочного диода.
Его функцию выполняет запор-
ный контакт на границе фото-
проводника и одного из токо-
проводящих электродов, обра-
зующийся путем подбора соот-
ветствующих материалов.
Такая структура может
быть получена также следую-
щим образом. Путем проведе-
ния локальной диффузии не-
обходимой примеси в фотопроводнике и-типа образуют р-
области, играющие роль элементов фоторезисторов. Роль
развязывающего ключа выполняет диффузионный р-и-пе-
реход. Роль одной из шин выборки выполняет диффузион-
ная область-и+-типа, вторая шина наносится путем напы-
155
ления металлизированных (алюминиевых) шин. Топология
подобной структуры показана на рис. 5.8.
Матричные структуры на осцове фоторезисторов (как
с развязывающими ключами, так и без них) относятся к
так называемым структурам мгновенного действия (без
учета переходных процессов), поскольку работают без на-
копления заряда в режиме установившегося значения фо-
тотока. Поэтому время коммутации опрашиваемого эле-
мента ти, т. е. время подключения его к источнику пита-
ния U, должно быть не менее собственной постоянной вре-
Рнс. 5.8. Топология построения матрицы типа ФР—Д:
1 — фоточувствительная площадка; 2, 3 — соответственно вертикальная и гори-
зонтальная токоведущие шины; 4 — окисел SiO2; 5 — подложка (Si л-типа)
мени фотоприемника (ти^т). Области применения таких
структур ограничиваются числом элементов, содержащих-
ся в них. Увеличение числа элементов в структуре приво-
дит к увеличению времени кадра Тк, так как
Л;5г(тХ«)т„= (fflXn)r,
где tn^n — число элементов в структуре.
5.2. ФОТОПРИЕМНЫЕ СТРУКТУРЫ С НАКОПЛЕНИЕМ СИГНАЛА
Структурам, работающим в режиме мгновенного дей-
ствия, свойствен низкий уровень сигналов, снимаемых с
нагрузки. При воздействии на видеосигнал перекрестных
искажений и фронтов коммутирующих импульсов выделе-
ние полезного сигнала в такой структуре без при-
менения специальных схем обработки сигнала стано-
вится проблематичным. В этой связи представляют значи-
тельный интерес структуры, в которых в период времени
между двумя очередными опросами элемента может осу-
ществляться полное или частичное интегрирование (накоп-
156
Рис. 5.9. Схема фото-
приемной матрицы ти-
па ФР—Д с частичным
накоплением
ление) установившегося значе-
ния электрического сигнала.
Принцип действия структур с
накоплением заряда основан на
использовании процессов заряда
и разряда емкости.
Режим частичного накоп-
ления может быть достигнут путем
подключения в ранее рассмотренной
матрице типа ФР—Д конденсаторов к
каждой адресной, (столбцовой) шине
матрицы (рис. 5.9). Все конденсаторы
заряжаются одновременно фототоком
элементов той строки, на которую по-
дан импульс кадровой развертки. Раз-
ряд конденсаторов происходит в момент
подачи строчных импульсов. Процесс
накопления заряда в этой структуре происходит за время опроса од-
ной строки:
7 нак—ПТи,
где п — число столбцов.
При подключении источника смещения к строке происходит заряд
внешней емкости через опрашиваемый фоторезистор. Напряжение иа
емкости [64]
U
ь'с(0 = (от_1)7?св/Гдобр+1 х
J / R-r /?св [^тАд.бзр (т —0 4“ П
Х)1 - еМ ------------f / г
где т—-число элементов в строке; /?т и RCB—соответственно тем-
новое и световое сопротивления опрашиваемого элемента матрицы;
Сэ— емкость опрашиваемого элемента.
Разность напряжений, снимаемых с внешних емкостей, содержит
в себе информацию об облученности матрицы.
Выходной сигнал этой матрицы в т раз больше сигнала обычной
матрицы ФР — Д. Для структур, изготовленных из фоточувствитель-
пых материалов, у которых /?т//?Св~1 (например, сульфиды и селени-
ды свинца и Др.), оптимальное значение выходного сигнала обеспе-
чивается при
t=T
Структуры с частичным накоплением обладают недостатком, за-
ключающимся в том, что в этой схеме может происходить частичное
смешивание сигналов соседних строк, обусловленное завышенной дли-
тельностью сканирующих импульсов. В результате этого разрешающая
способность матрицы в вертикальном направлении снижается.
157
Наибольший эффект от использования принципа инте-
грирования сигнала можно получить в так называемых
схемах с полным накоплением. Такие схемы реализуются
путем использования заряда емкости самого фоточувстви-
тельного элемента (например, емкости фотодиода в струк-
туре типа ФД — Д либо емкости конденсатора, подключае-
мого параллельно каждому фоторезистору в структуре
ФР-Д).
Принцип действия структуры с полным накоп-
лением заряда (ФР—С—Д) может быть проиллю-
стрирован с помощью принципиальной схемы на рис. 5.10.
При замыкании ключа Кл через емкость Сфр протекает
зарядный ток, заряжающий емкость Сфр неосвещенного
элемента до напряжения U с постоянной времени т3 =
=Гд.пр(Сфр +Сд). При размыкании ключей емкость Сф
разряжается темновыми токами утечки или фототоками
(возникающими под воздействием излучения, падающего
на матрицу) с постоянной времени, равной тР = /?фСфр.
Значение разряда емкости
т
1нак
о
где /Р(/) —разрядный ток; Гнак — время между двумя со-
седними импульсами опроса, определяемое степенью осве-
щенности (облученности) элемента. Таким образом, после
первого разряда емкости потенциал в фоточувствительной
ячейке уменьшается на значение, пропорциональное облу-
ченности элемента. При следующем опросе элемента ем-
кость Сфд дозаряжается до напряжения источника пита-
ния U на значение заряда
AQ3 = p3(0^-
о
где ти — длительность опрашивающего импульса* причем
т
Анак
AQ3 = AQp=J /р(/)Л,
о
При этом ток дозаряда Д(0> зависящий от степени
предшествующего разряда, создает на нагрузке напряже-
ние фотосигнала, в котором заключена информация о зна-
чении средней облученности элемента Е за время между
соседними импульсами опроса, называемое временем на-
копления Тнак- Временные диаграммы процессов, происхо-
дящих в структуре с полным накоплением, показаны на
рис. 5.11.
158
Легко заметить, что значение информационного заряда
при постоянных параметрах схемы (Ефр, СфР), электри-
ческом (67) и световом (Е) режимах ее работы определя-
ется временем накопления ТНак, удовлетворяющим условию
Тнак< Qni/Ert
где Qm — заряд, обусловленный шумовыми токами термо-
генерации фоторезистора, диода и схемы коммутации; /т—
суммарный ток термогенерации и утечки (темновой ток).
Эквивалентная схема матрицы в самом общем виде
представлена на рис. 5.12,а. Заряд емкости Сфр проис-
ходит через сопротивления диода, ключа коммутатора и
нагрузки. При этом сопротивление Ефр может не учиты-
ваться, так как по сравнению с сопротивлением упомяну-
Рис. 5.10.
электрическая
ры с полным
ряда
Принципиальная
схема структу-
накоплением за-
Рис. 5.11. Временные диаграм-
мы процессов, происходящих в
структуре с полным накопле-
нием заряда
тых элементов цепи оно значительно выше. Не учитывает-
ся также и емкость ключа коммутатора ввиду ее малости.
Емкость достаточно быстро разряжается через сопротивле-
ние блокирующего диода, включенного в прямом направ-
лении. В этом случае эквивалентная схема матрицы
ФР — С — Д может быть приведена к виду, показанному
на рис. 5.12,6, где шунтирующая емкость
Сш = пСфрС (Сфр -р- Сд).
В значение Сш входит также емкость ключей коммута-
тора, подключающего нагрузку к опрашиваемому эле-
менту.
159
Рис. 5.12. Эквивалентные схемы структуры с полным накоплением
заряда
При размыкании ключа емкость Сфр разряжается фо-
тотоком через сопротивление фоторезистора /?фр опраши-
ваемого элемента и подключенные параллельно фоторези-
сторы неопрашиваемых элементов и диодов, смещенных
в обратном направлении.
Режим накопления обеспечивается при следующих усло-
виях:
тз = гд.пр (СфР + Сд) < ТИ < S ^нак = < тр;
^д.обр ^д.пр» СФр>Сд,
где т — собственная постоянная времени фоторезистора.
Значение ти может быть определено из условия [65]
Ти=2тз=4/?нСш,
где /?н выбирается из выражения
^H=rH.np(Qp + CJ/Cm.
Тогда
ти = 4гд пр(СФР-[- Сд).
Процесс разряда емкости Сфр может быть описан
уравнением
UR, Г г, „„ I t
L' (0=нп сфр ' ' R 4- где При исфр^Т^ R. -.„J11 « “pl JI' обр (^ФР ^д)/ ^*д .обр) • Г « . *д.<ор / ^нак \ 1 +7 1 + ~R~ ехР "V Г i 'д.пр L л \ тр / J
160
Оптимальное время накопления определяется из усло-
вия
^нак = ^.(Офр-|-Сд) 1пЛ'у(Л —1). (5.11)
где Л — кратность изменения сопротивления фоторезистор-
ного элемента.
Импульс тока в нагрузке при опросе элемента
Iнак.тах 1Q3/ хи иак/тн>
а это означает, что в данной схеме достигается усиление
выходного фототока в Тнак/тц раз по сравнению с усилени-
ем схемы мгновенного действия. Степень этого усиления,
как следует из (5.11), будет тем больше, чем больше ем-
кость Сфр.
Матричные фотодиод-диодные (ФД—Д)
структуры. Емкость р-п-перехода фотодиода, смещенно-
го в обратном направлении, при облучении разряжается
неосновными носителями, разделяемыми областью объем-
ного заряда. Скорость этого разряда может быть представ-
лена следующим образом:
dUfdt= 1,2ХФ11/С/Дф
(Ф — мощность падающего на элемент потока излучения;
С/Дф — удельная емкость р-н-перехода; Дф— площадь фо-
точувствительного элемента; i] — квантовый выход), отку-
да следует, что чем больше падающий поток, тем больше
скорость разряда емкости p-zz-перехода. Отсюда следует,
что и ток заряда емкости также определяется мощностью
излучения и временем накопления (разряда).
Заряд на емкости р-и-перехода
Q=CU, (5.12)
где С—ДЛфД-*; D — коэффициент, зависящий от свойств
фотопроводникового материала; b — коэффициент, опреде-
ляемый характером объемного заряда (Z? = 2-^3J.
Взяв производную от (5.12), можно написать выраже-
ние для разрядного тока (фототока):
I*=Iv=dQldt=CdUldt+UdC dt.
С другой стороны,
/ф=еФДфХ/»| Ich. (5.13)
Так как
dC/dt=A$DbU (^dU/dt,
то
Гнак=ГР и
J /ФЛ = Д^(1-Й) у и-bdU,
О По
11—3274
161
где Uо — начальное напряжение смещения на фотодиоде
(при /=0).
Интегрируя это выражение, получаем:
-1фТиак^АфО[и1~ь-и0'-ь],
откуда с учетом (5.13) можно найти значение напряжения
на емкости фотодиода к концу его разряда, т. е. при t=
= Т'нак-'
ФНнакЧ I'/d-fc)
chD J
ЩТ’нак^ко Ь
Рис. 5.13. Схемы осуществления выборки сигнала из матрицы фото-
приемников, работающей в режиме накопления заряда, с помощью
транзисторного ключа (а), двунаправленного ключа и усилителя (б)
и схемы измерения заряда (в)
Соответствующее изменение заряда
AQ=Qo-----Аф-Dft/ (Тнак)]-2’-
Для считывания информации с фотоприемной матрицы,
работающей в режиме накопления заряда, применяются
различные способы (рис. 5.13): с помощью транзисторного
ключа, двунаправленного ключа и усилителя и схемы, ра-
ботающей на принципе измерения заряда. ‘
Работа фотоприемной матрицы в режиме накопления предопре-
деляет некоторые особенности системы параметров, необходимой для
ее оценки. Рассмотрение необходимой системы параметров целесооб-
разно начать с анализа обобщенной эквивалентной схемы структуры
с накоплением заряда (рис. 5.14). На этой схеме приняты следующие
обозначения; 1$ — генератор фототока; /тг— генератор тока темновой
термогенерации; Сваи — накопительная емкость; Скл— емкость ключа
выборки.
Накапливаемый на емкости Снак заряд
Qc — Qt + Оф = Отг + Ок + Qut.v + Оф.
как
162
где QT — темновой заряд, обусловленный токами при отсутствии об-
лучения фотсчувствительной ячейки; Qф — заряд, обусловленный фо-
тотоком; QTr — заряд, обусловленный токами темновой термогенера-
ции фоточувствительного элемента и элементов схемы; QK — заряд,
обусловленный коммутационным шумом; Qm.y — заряд, обусловленный
входными шумами усилителя.
Как было показано ранее, накапливаемый заряд зависит не только
от -принципа организации схемы (типа фоточувствительной ячейки, спо-
соба ее коммутации), ио и от времени накопления и характера све-
тового воздействия. Если принцип организации для однотипных схем
является общим, то последние два фактора в зависимости от кон-
кретных условий работы структуры могут различаться. Это создает
Рис. 5.14. Обобщенная эквивалентная схема структуры с накоплением
заряда
определенные трудности для сравнительной оценки матриц, если их
параметры получены при различных значениях времен накопления и
облученности.
В общем виде заряд <2Ф может быть представлен следующим об-
разом:
7"нак
<2Ф = 5/ J Ф(0Л,
о
где Sj—токовая чувствительность фотопрпемннка; Ф(/)—закон из-
менения во времени потока оптического излучения, воспринимаемого
фоточувствптельным элементом. '
Если произвести усреднение потока излучения в пределах времени
накопления:
?нак
Ф.==—----- I Ф(/)Л.
- нак J
О
можно написать
нак=^>1 ЕоАфТнак, (5.14)
где £о — облученность (освещенность) фотоприемника; —площадь
единичного фоточувствительного элемента.
11* 163
Так как для конкретного фотоприемннка Дф=сопз1, SJ=const, то
заряд, накапливаемый на емкости СНак, пропорционален произведению
потока облученности на время накопления. Отсюда следует, что по-
роговая чувствительность матрицы с накоплением заряда должна
оцениваться величиной, имеющей размерность ватт-секунда или
джоуль в энергетических единицах или люкс-секунда в светотехниче-
ских единицах.
Пороговый поток, воспринимаемый матрицей, может быть найден
из (5.14) при условии, что Q®=QT:
Qt 1
фп = 5/7’иак“5/Тиак + <2к + Ош.у) =
в 1 / Ок + Ош.у\
С т \ ^нак “4“ / I *
1 нак \ <тг /
ЕСЛИ ГНак<^ //тг» ТО можно считать, что прн малых
временах накопления пороговый поток является постоянным и
Рис. 5.15. Структура МДП-фототранзисторного элемента (а) и эквива-
лентная схема линейки МДП-фототранзисторов (б):
цп — поверхностная подвижность электронов; о — плотность поверхностного за-
ряда; Кок, Кп — диэлектрические постоянные окисла н полупроводника соответ-
ственно; хок — толщина окисла; xd — ширина области обедненного заряда
164
равным
Фц — (Qk +Qxu.y)/Si 1тгТ нак тг-
при <2тг^ Фп=/тг/5т, т. е. пороговый поток целиком
определяется уровнем тока термогенерации фоточувствительного эле-
мента и элементов схемы.
МДП-фототраизисторные структуры. Формируемый
под затвором канал служит для передачи носителей, образованных за
счет генерации под действием света, падающего на открытую пото-
ковую область (рнс. 5.15,а), представляющую собой в этом случае
Счить/ваемь/й
стРляегпся перезаряд
Рис. 5.16. Схема МДП-фототранзисторпого элемента, работающего в
режиме обогащения
фоточувствительный р-п-переход. Упрощенная принципиальная схема
линейной МДП-фототранзисторной структуры представлена на
рис. 5.15,6.
Фототранзисторные структуры могут работать в режимах постоян-
ного тока и накопления заряда. В первом случае выходной сигнал
пропорционален только уровню освещенности элементов структуры и
не зависит от времени (исключая переходные процессы).
Во втором случае выходной сигнал пропорционален общему ко-
личеству фотонов, падающих на фоточувствительную площадку при-
бора в интервале времени между двумя выборками сигнала, т. е.
его значение является также функцией времени и оно больше, чем
в первом случае.
В качестве примера рассмотрим МДП-фототранзисторный элемент
с каналами p-типа, работающий в режиме обогащения (рис. 5.16). Ис-
токовая и стоковая области p-типа у такого прибора образуют р-п-
переходы с подложкой п-типа.
Если р-п-переход сток — подложка сместить в обратном направ-
лении, а на затвор подать отрицательное напряжение, то между ис-
током и стоком образуется канал с низким сопротивлением. При этом
емкость р-п-перехода исток — подложка будет заряжаться за счет
165
протекающего через канал тока. При снятии напряжения с затвора
емкость р-л-перехода исток — подложка начинает разряжаться за
счет образования термогенерированных носителей. Скорость этого раз-
ряда увеличивается, если фототранзисторный элемент дополнительно
осветить (рис. 5.17).
Прн подаче иа затвор вновь отрицательного импульса напряжения
р-л-переход исток — подложка перезаряжается через низкоомный ка-
Рис. 5.17. Характеристики раз-
ряда МДП-фототранзисторпо-
го элемента в зависимости от
уровня освещения (Ф1<Ф2<
<Фз)
нал. В зависимости от степени
разряженности этого перехода в
момент выборки выделяется им-
пульс зарядного тока на сопро-
тивлении нагрузки.
Амплитуда импульса заряд-
ного тока пропорциональна пото-
ку излучения, поглощаемому за
время накопления.
Фототранзисторные
структуры с поверхност-
ным зарядом. Фототранзи-
стор с поверхность™ зарядом
представляет собой МДП-струк-
туру, изображенную на рис. 5.18.
Его работа основана иа накопле-
нии заряда, генерированного пото-
ком излучения и возникающего вследствие термогенерацип, в обеднен-
ной области под истоком и последующей его передаче в более обшир-
ную обедненную область, формируемую под стоком. Затвор выполняет
роль ключа [66].
Связь между толщиной обедненной области x,i, создаваемой под
фоточувствительным затвором, и суммарной концентрацией неосновных
носителей, накапливаемых в этой области, можно выразить следующим
образом [67]:
xd = (2/л)'/2 [(А2/4 - Пи - Qj/Cok) */2 - А/2],
где
а = гЛГд/еоеСг; А = (1 Сок) (2<?Е„еСгЛд) */2 ;
ес г —относительная диэлектрическая проницаемость; Qr =Qm-)
Qu, — заряд, возникающий за счет фотогенерации; (2Ш — шумовой за-
ряд, определяемый в основном скоростями генерации и рекомбинации
в объеме и по поверхности раздела полупроводник — диэлектрик [68].
Остальные обозначения такие же, как в (2.1) — (2.9).
Для передачи накопленного заряда необходимо первоначаль-
но создать уровень обеднения под истоком и стоком, как это изобра-
жено на рис. 5.18. После установления заданных потенциалов перенос
заряда осуществляется путем понижения потенциального барьера под.
166
Рис. 5.18. Схема фототранзистора с поверхностным зарядом
управляющим затвором, при котором заряд может перетекать по ка-
налу из потенциальной ямы истока в более глубокую потенциальную
яму стока. По мере перетекания заряда поверхностный потенциал
истока падает до тех пор, пока он не станет равным потенциальному
барьеру под затвором. Такая структура может работать только в ре-
Рис. 5.19. Схема включения фототранзистора с поверхностным заря-
дом (о) и его эквивалентная схема (б)
жиме накопления заряда. Однако если сравнить времена переноса и
накопления заряда, которые отличаются на два-три порядка, то мож-
но говорить о квазистатическом режиме работы [66}.
Пороговая чувствительность элемента зависит от уровня флуктуа-
ционного сигнала, обусловленного собственными шумами, к которым
относятся дробовый, тепловой, радиационный, а также шумы комму-
тации и шумы захвата носителей поверхностными лоцушками.
Схема практического включения элемента приведена на рис. 5.19,о.
Для расчета параметров элемента при малых сигналах можно ис-
пользовать эквивалентную схему, приведенную на рис. 5.19,6. Расчет
дает следующее значение заряда, перенесенного за счет уменьшения
потенциала области затвора Д(73 [69]:
Д<2 = Сж-3 (^ок-И + С'И) ^И^з/^ок—3 + Сок-с)’
где Сок—з, Сок_с, Сок_и — удельная емкость окисла соответствевно
под затвором, стоком и истоком; С'и — удельная емкость обедненной
области истока; Ли— площадь истока.
167
ГЛАВА ШЕСТАЯ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ
СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ
СВЯЗЬЮ
6.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ связью
И ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ СТРУКТУРЫ
Принципиальным недостатком описанных в гл. 5 спосо-
бов создания многоэлементных ФПУ является раздельное
конструктивное исполнение фоточувствительных элементов
и схем коммутации. Это усложняет электрическое согласо-
вание фоточувствительной матрицы с трактом коммутации
и усиления сигнала, приводит к возникновению постоянных
шумов коммутации, увеличивает габариты и мощность по-
требления, ухудшает топологию согласования и снижает
надежность ФПУ.
Структура прибора с зарядовой связью (ПЗС) пред-
ставляет собой регулярную последовательность элементар-
ных МДП-конденсаторов, выполненных на общей полупро-
водниковой подложке в едином технологическом цикле.
Рис. 6.L Схема передачи заряда в ПЗС-структуре
Принцип действия ПЗС-структуры состоит в следующем.
Если к металлическому электроду в некоторый момент вре-
мени приложить напряжение, знак которого совпадает с
типом проводимости подложки (минус при подложке п-
168
Амплитуда импульса , 3
Рис. 6.2. Зависимость заряда,
передаваемого ПЗС-структу-
рой, от формы тактовых им-
пульсов
типа и плюс при подложке p-типа), то основные носители
в слое полупроводника, прилегающем к границе с окислом,
отталкиваются от электрода и образуют под ним обеднен-
ную основными носителями область, называемую потен-
циальной ямой, в которую затем стекаются неосновные но-
сители. Последние образуются вследствие термогенера-
ции, инжекции электрическим путем или оптической
генерации при поглощении излучения.
Управляя процессом образования потенциальных ям в
регулярной (тактовой) последовательности рядом располо-
женных единичных МДП-конденсаторов путем подачи на
электроды с соответствующей периодичностью напряжений
определенной амплитуды, мож-
но осуществлять перенос за-
ряда вдоль поверхности струк-
туры. Принцип передачи заря-
да в ПЗС-структурах показан
на рис. 6.1, из которого следу-
ет, что за время каждого так-
тового импульса заряд пере-
мещается от одной ячейки к
другой.
Чтобы управлять процессом
переноса заряда в ПЗС-струк-
туре, необходимо новую потен-
циальную яму создавать еще в
тот момент, когда существует
старая. Это означает, что так-
товые импульсы должны пере-
крываться друг другом. Мак-
симальный заряд, который может передаваться вдоль
ПЗС-структуры, зависит как от амплитуды, так
и от формы тактовых импульсов. Так, например, при
управлении трехфазной ПЗС-структурой синусоидальными
тактовыми импульсами передаваемый заряд на 25% мень-
ше, чем при управлении прямоугольными импульсами
(рис. 6.2) [70]. Так как для тактового генератора ПЗС-
структура представляет собой емкостную нагрузку, то да-
же при прямоугольных импульсах генератора напряжение
на электродах ПЗС-структуры изменяется по закону, близ-
кому к трапецеидальному. Чтобы процесс передачи заряда
вдоль структуры осуществлялся непрерывно, необходимо
соблюдать условие, при котором длительность фронтов
импульсов напряжения на затворах по отношению к перио-
ду повторения тактовых импульсов Т подчиняется следую-
щему соотношению [71]:
169
для полностью заполненных потенциальных ям
/фр=7/6;
для потенциальных ям, заполненных наполовину,
<Фр^7’/4,5.
Для установления соотношений между глубиной потен-
циальной ямы, параметрами структуры и режимом ее рабо-
ты необходимо рассмотреть зонные энергетические диа-
граммы МДП-структуры. Когда к управляющему электро-
ду приложено напряжение, происходит искривление энер-
гетических зон (рис. 6.3). Потенциал на границе раздела
диэлектрик — полупроводник под этим электродом стано-
вится меньше потенциала в объеме полупроводника на
величину tps<>, называемую поверхностным потенциалом или
глубиной потенциальной ямы. При попадании в потенци-
альную яму неосновных носителей степень искривления
ДиэлеДтрикУ^ееМ^ми
Полупроводник
р-типа
с)
Металл
Диэлектрик
Рис. 6.3. Зонные диаграммы МДП-структуры:
а — при пустой потенциальной яме; б— яма частично заполнена неосновными
носителями
энергетических зон полупроводника уменьшается и про-
исходит уменьшение глубины потенциальной ямы до значе-
ния <ps. Выражение для глубины потенциальной ямы может
быть определено из условия равенства эффективного па-
дения напряжения на емкости структуры сумме поверх-
ностного потенциала и падения напряжения на окисле. Ре-
шение этого условия дает следующее выражение для глу-
бины потенциальной ямы [72]:
где U3 — напряжение на затворе; С7пл.з — потенциал пло-
ских зон; е — заряд электрона; N — число носителей заря-
да на единицу площади; Сок —емкость окисла; Na — кон-
170
центрация легирующей примеси; ег — диэлектрическая про-
ницаемость полупроводника.
Из этого выражения видно, что, меняя толщину окисла,
значение напряжения на затворе и концентрацию леги-
рующей примеси, можно существенным образом воздейст-
вовать на глубину потенциальной ямы.
Максимальная плотность электронов в потенциальной яме МДП-
структуры может быть найдена из (6.1) при условии, что ср,=
=2/гТ/е 1п(М0/п,), где rii—.концентрация носителей в собственном по
лупроводнике. После соответствующих преобразований получаем:
Nmax^ е [Дз — б'пя.з 2ys J*
Так как три последних члена в квадратных скобках значительно
меньше напряжения на затворе, то
Nmax @ *
По мере заполнения потенциальной ямы значение поверхностного
потенциала <р6 приближается к нулю. В этом случае избыток заряда
будет инжектироваться в подложку (объем полупроводника) и реком-
бинировать там с основными носителями. Для нормальной работы
ПЗС-структуры на все электроды необходимо подать напряжение
выше порогового Г70 (напряжение на затворе, при котором наступает
инверсия поверхности полупроводника [22]), чтобы предотвратить
инжекцию в подложку части сигнального заряда, захватываемого на
поверхностные состояния.
Максимальный заряд, собираемый в потенциальной -яме,
Ео еокг
С = Г/3ДСОК = {/3Л-^—
иок
где А — площадь электрода; С€К — емкость окисла на единицу пло-
щади; don — толщина окисла (диэлектрика); е0К/. — диэлектрическая
проницаемость окисла.
Повышая напряжение на затворе, можно увеличить заряд Q. Од-
нако его максимальное значение не должно превышать» предельного
значения, определяемого из выражения
Опред ввок^тах.
где Етах — максимальное значение напряженности электрического
поля, при которой наступает пробой окисла.
Описанный выше этап в работе ячейки ПЗС-структуры носит
название режима накопления (или хранения) заряда. Следующим эта-
пом в ее работе является режим передачи заряда вдоль структуры.
В общем случае перенос заряда осуществляется в результате
дрейфа и диффузии носителей. Преобладающее значение имеет дрейф
носителей вследствие наличия разности потенциалов между двумя
соседними электродами, краевого поля, возникающего в результате
171
взаимодействия электрических полей у краев соседних потенциальных
ям, и самоиндуцированного дрейфа, вызванного электростатическим
отталкиванием носителей заряда.
Процесс передачи заряда за счет тепловой диффузии можно
представить, используя приведенные в [70] выражения для поверх-
ностной плотности носителей в потенциальной яме N, следующим об-
разом:
От.д (0 = NAe — Ле cos ехр
б б
где L — длина электрода; D — коэффициент диффузии носителей.
Для случая самоиндуцированного дрейфа иа основании [72] мож-
но написать:
Сс.др(П=^е[1-(1+</т)-']=^е[^/(т+0].
где т=2£2С0к/л|1ейо; И — подвижность носителей.
Этот дрейф происходит до тех пор, пока плотность оставшегося
заряда не станет равной
QoCT= [kT/с) Сок-
Приближенное уравнение для заряда, перенесенного вследствие дей-
ствия электрического поля, выражается следующим образом:
Qhp (0 =Л^Л е [ 1 —ехр (—</тДР) ]
при
тДР^/-/|и7:т;„ н £т;„=к(2/3) (ДПпеа/£2Сон),
где :\U — разность потенциалов между электродами.
Условие полного переноса заряда осуществляется при
соблюдении следующего соотношения между амплитудами
импульсов напряжений хранения U\ и передачи зарядов
U2 на затворах [73J:
t72>6i-|-52oc/2-]-Boc (fti -1-
-|-В2ос/2—Ппл.з—NAe/Co„Y'2,
где
bj = UI -\-NAe / Сок—Вос (В2ОС /4—[—
+ П1-[/пл.з)1/2+а/72;
5ос=1/Сок(2в8г8оЛГд)1/2; с=еУд/Е8о;
/ — длина зазора между электродами.
Процесс переноса заряда в ячейке ПЗС-структуры во
времени состоит из двух этапов. На первом этапе проис-
ходит быстрая передача основной части заряда за счет
дрейфа носителей, а на втором, более длительном отрезке
времени — за счет диффузии. Из этого следует, что перенос
172
заряда не может быть мгновенным и полным, что накла-
дывает определенные ограничения на скорость передачи
заряда и число его переносов в структуре. Так как при
каждом акте переноса часть заряда остается в потенциаль-
ной яме, то после некоторого числа переносов происходит
смешивание информационных зарядов, т. е. искажение пе-
редаваемой информации. Это явление в наибольшей сте-
пени сказывается на высоких частотах.
Другой причиной, вносящей искажения в передаваемую
информацию, является захват части неосновных носите-
лей поверхностными состояниями (ловушками) на границе
раздела полупроводник — диэлектрик.
Рис. 6.5. Организация ПЗС-
структуры с объемным кана
лом; -----------эквипотенци-
альные лицин
Рис. 6.4. Характер искажения
последовательности из десяти
импульсов после 100 (а), 400
(б) и 1600 (в) переносов
Число носителей на единицу площади, уходящих из
первого зарядового пакета на поверхностные состояния
за один перенос, при соблюдении определенных условий
равно [70]
NуХ=kT N п.с In (рлн-|-1),
где Nn.c — плотность поверхностных состояний на 1 элек-
трон-вольт; р — число фаз в ПЗС; п„ — число нулевых сиг-
налов, прошедших перед первым сигнальным импульсом.
Когда сигнальный заряд переносится под соседний элек-
трод, часть захваченного ловушками заряда генерируется
обратно и переходит вместе с основным зарядом. Однако
большая часть из захваченных поверхностными состояния-
ми носителей генерируется в последующий пакет заряда.
Если передается последовательность равных по амплитуде
импульсов, то при их передаче амплитуда первого импуль-
са становится меньше амплитуды остальных импульсов, а
за последним импульсом образуется «хвост» — ложный
выброс (рис. 6.4).
Существуют два способа борьбы с этим недостатком
ПЗС-структур с поверхностным каналом. При первом спо-
173
собе искажения могут быть значительно уменьшены за счет
предшествующего внесения в каждую потенциальную яму
фонового заряда, равного примерно 10% заряда насыще-
ния (иногда его называют «жирный нуль»), который ком-
пенсирует (заполняет) все поверхностные состояния. В этом
случае устанавливается динамическое равновесие между
числом носителей, генерируемых поверхностными состояния-
ми, и числом носителей, уходящих из сигнального заряда
на освобождающиеся ловушки, при котором искажения пе-
редаваемого сигнала значительно меньше.
Второй способ состоит в том, что канал, по которому
идет передача заряда вдоль структуры, смещается в глубь
Рис. 6.6. Энергетические диа-
граммы ПЗС-структуры с объ-
емным каналом:
а — при отсутствии напряжения
смещения; б — при подаче напря-
жения смещения; в — при наличии
заряда и потенциальной яме
поверхности полупроводника. Это достигается путем со-
здания в приповерхностном слое полупроводника специаль-
ного слоя, тип проводимости которого противоположен
типу проводимости подложки (рис. 6.5). Если на р-и-пе-
реход, образованный р-подложкой и n-слоем, подать на-
пряжение смещения обратной полярности, то вблизи гра-
ницы раздела появляется потенциальная яма и связанный
с ней обедненный объемный канал. Энергетические диа-
граммы ПЗС-структуры с объемным каналом, показаны на
рис. 6.6. Сигнальный заряд сосредоточивается в области
между Xi и х2. Он равен
Q=eNn(x2~Xi) при Х]<х2<хк.
Значение потенциала в канале определяется из выра-
жения [70]
<₽к— ^пл.з eNдХ ,/2еге0 eN BxiICjOK,
xt = A's — QleN^; хг — xK
Г 2еЛ^(ук + ?л„) H/2
1 ^д^а + ^д) I
174
Так как объемный канал удален от электродов на боль-
шее расстояние, то эффективная емкость окисла меньше,
чем в ПЗС-структуре с поверхностным каналом. Следо-
вательно, максимальный заряд, передаваемый ПЗС-струк-
турой со скрытым каналом, тоже меньше. Их отношение
при одинаковых размерах электродов, структуре и управ-
ляющих напряжениях равно
-^ = 1+%к^/2еЛк.
Чс.к г
где Qn.K и QC.K — заряд, передаваемый в ПЗС-структуре
соответственно с поверхностным и скрытым каналами.
Передаваемые заряды на выходе ПЗС-структуры де-
тектируются выходным
диодом и выделяются на
емкостном элементе вы-
ходной цепи. Схема счи-
тывания выходного сигна-
ла приведена на рис. 6.7.
При замыкании ключа
транзистора сброса про-
исходит заряд емкости до
напряжения U, создаю-
щего обратное смещение
на диоде. При размыка-
U
сброса
Выхобной
ffuoS
Рис. 6.7. Выходная цепь усилителя
сброса
/1ре$усил11.те.ль
нии ключа на емкости появляется спадающий импульс на-
пряжения, вызываемый прохождением тактового импульса
в транзистор сброса. Зарядовый пакет поступает в выход-
ной диод и снижает его обратное смещение. Затем цикл
снова повторяется. Диаграмма изменения напряжения на
емкости показана на рис. 6.8.
При достаточно большой нагрузочной емкости С сни-
маемое с нее напряжение АДВых может быть определено
по приближенной формуле [73]:
А (Увых^Лс Q / Сок—7-ZQ/C,
где /<c=LZCok/C — отношение полной емкости окисла за-
твора ПЗС-структуры к нагрузочной емкости; L и Z — раз-
меры затвора ПЗС-структуры.
В напряжении, снимаемом с емкости, присутствуют шу-
мовая составляющая, равная (kT/C)1/2, и тактовый шум.
Эти составляющие шумов могут быть исключены на выхо-
де, если выходная схема будет выполнена по так называе-
мой схеме двойной коррелированной выборки [70]
(рис. 6.9), при которой осуществляется инвертирование и
175
Рис. 6.8. Диаграмма напряжения в
выходной цепи усилителя сброса
Цепь хранения Цепь Выдирки
Рис. 6.9. Схема считывания выходного сигнала по методу двойной кор-
релированной выборки
запоминание напряжения шума в момент сброса (точка А
на рис. 6.8), а затем его вычитание из общего напряжения,
соответствующего точке В. При этом необходимо, чтобы
интервал времени между точками А и В был существенно
меньше 0,5/?ВыклС, при котором существует корреляцион-
ная связь между значениями шума в точках А и В.
Образующийся массив потенциальных ям в полупровод-
нике ПЗС-структур создается за счет импульсного питания
периодической последовательности электродов. Существу-
ют различные конструктивно-технологические способы
организации ПЗС-структур, основные из которых представ-
лены на рис. 6.10. Они отличаются числом электродов, со-
ставляющих элементарную ячейку ПЗС-структуры, числом
фаз, физическими условиями переноса заряда, числом про-
водящих слоев и фотолитографических операций, необхо-
димых для их изготовления.
6,2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЗС-СТРУКТУР
К числу основных параметров и характеристик фото-
чувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС) от-
176
Классификация ПЗС по технологическому принципу
- диэлектрик
НМ _ металла ческие электроды
Рис. 6.10. Классификация ПЗС-структур по конструктивно-технологическим принципам
носятся те же параметры и характеристики, что и у обыч-
ных фотоприемников, а также эффективность передачи за-
ряда, разрешающая способность или частотно-контрастная
характеристика (ЧКХ), пороговая освещенность, вытекаю-
щие из особенностей ПЗС-структур и ряд режимных пара-
метров (амплитуда управляющих напряжений, время на-
копления и др.).
Область спектральной чувствительности ФПЗС цели-
ком определяется спектральными характеристиками по-
глощения полупроводникового материала (при освещении
со стороны подложки), а также диэлектрика и поликри-
сталлического кремния, из которого изготавливаются скры-
тые затворы (при освещении со стороны затворов).
Если речь идет о ФПЗС, созданных на основе кремния
с собственной проводимостью, то их диапазон спектральной
чувствительности лежит в пределах от 0,4 до 1,1 мкм.
Свойство ФПЗС преобразовывать оптическое излучение
в электрический сигнал характеризуется интегральной
вольтовой (токовой) чувствительностью Su(S/), представ-
ляющей собой отношение приращения напряжения (тока)
выходного сигнала [при освещении фотоприемной матрицы
потоком с освещенностью (облученностью) £] к освещен-
ности:
5и=АПвых/Е; 5г=Д/вых/Е.
Каждый акт переноса заряда из одной потенциальной ямы в дру-
гую сопровождается потерей части заряда, равной Aq. Если считать,
что эти потери одинаковы при каждом последующем переносе за-
ряда, то при передаче единичного заряда через всю структуру зна-
чение передаваемого заряда будет меняться в следующей последо-
вательности:
1, 1—Д?, (1—Д<7)Д<7, (1— Д?)Л<72,
(1—Д?)Д?3... и т. д.
Общие потери заряда при передаче вдоль строки ПЗС-структуры
Kq=nAq,
где и — число элементарных актов переноса, а эффективность пере-
носа заряда вдоль всей структуры
T]= 1—Д?=1—n\q,
где Дд и Дд выражаются в относительных единицах.
Потери заряда за счет его захвата на поверхностные состояния
выражаются следующим образом [72]:
feq^kTNа,/>!(я€~|-псо)] In (1-ф2[т/^1Лг.с),
Z7?
Где Л'п.в — АЛвШШЬ ЙЮИёрХНОСТИЫХ соетоиний м гршцв
раздела; ле —число сигнальных электронов иа единицу площади;
Псп— число электронов на единицу площади при фоновом заряде
(«жирном нуле»), ft — тактовая частота; kx — Постоянный коэффи-
циент, зависящий от поперечного сечения захвата (Й1^1О~2 см-с-1).
Затухание амплитуды синусоидально изменяющегося
сигнала с частотой f при передаче его вдоль ПЗС-структу-
ры изменяется по закону [70]
£7цых/ ^Л)Х== ехр {—п\q [ I—cos (2nf/fT) ]}.
Его зависимость от числа актов переноса и частоты сиг-
нала показана на рис. 6.11. Наступающее при этом запа-
ио„х/ивх
о 0,7 о,г 0,3 0,4 0,5 0,6 f/fr
Рис. 6.11. Ослабление выходного сигнала и деградация его структуры
в зависимости от частоты, числа актов переноса и величины потерь за-
ряда при единичном переносе
й
здывание по фазе
Д(р=яД<7 [sin (2л///'т) — 2л[//т] -
Максимальная разрешающая способность ФПЗС, опре-
деляемая геометрическими размерами элементов струк-
туры,
1/т (£+/), (6.2)
где т — число тактовых электродов, приходящихся на одну
ячейку ПЗС; L — длина электрода; I — междуэлектродный
зазор.
12* 179
Однако вследствие ряда причин (уровня освещенности,
диффузионного расплывания заряда под соседние элемен-
ты, потерь заряда при переносе) реальная разрешающая
способность R всегда меньше Rmax.
Так, например, реальная разрешающая способность R
и максимальная разрешающая способность, определяемая
геометрическими размерами элементов структуры Rmax,
связаны между собой следующим образом [70]:
., р К1^5{ЛфГтк е
*= (£5Иф7нак/й + ^ш)1^ ’
где R — контраст изображения; Е — энергетическая облу-
ченность; Sj — интегральная токовая чувствительность;
Аф — площадь фоточувствительного элемента; Т11ак — вре-
мя накопления; Nm — полное число шумовых электронов
ПЗС.
Преобразование пространственной частоты входного
гармонического сигнала ФПЗС характеризуется ЧКХ, оп-
ределяющей изменение амплитуды и сдвиг по пространст-
венной фазе на выходе прибора при изменении пространст-
венной частоты входного сигнала. Для ФПЗС с длиной
прямоугольной ячейки Ах и периодичностью структуры р
х _ sin
где
fmax—’ 1 / Р-
Зависимость ЧКХ от нормированной пространственной
частоты представлена на рис. 6.12.
При низких уровнях освещенности разрешающая спо-
собность зависит от значения отношения сигнал/шум. Если
отношение сигнал/шум на отдель-
ном элементе меньше необходимого
значения, то в этом случае должны
усредняться сигналы смежных эле-
ментов, а это ведет к снижению раз-
решающей способности. Минималь-
ная облученность элемента Emin, из-
меряемая в люксах в секунду, обес-
печивающая заданное отношение
сигнал/шум Д, определяется из
Рис. 6.12. Зависимость ЧКХ от нормиро-
ванной пространственной частоты для
строчно-кадрового (1) и кадрового перено-
са (2) заряда
180
выражения (70j
^„.„^ФЛ'п/^нТнакЛф,
где Nn — средняя величина шума одного зарядового паке-
та; К — контраст объекта с фоном; т) — квантовая эффек-
тивность полупроводника; Тнак — время накопления; Лф—
площадь фоточувствительного элемента.
Для передачи изображения с разрешающей способ-
ностью R минимальная облученность
Em in (R)——E-min (R/Rmax) ,
где Rmax— максимальная разрешающая способность, опре-
деляемая геометрическими размерами фоточувствительно-
го элемента в соответствии с (6.2).
В твердотельных приемниках изображения разрешаю-
щая способность может быть равна Rmax при условии, ког-
да отношение сигнал/шум 4^5 [73].
В ФПЗС имеются следующие виды шумов: фотонный,
переноса заряда, обусловленный темновой генерацией, и
выходного усилителя.
Фотонный шум обусловлен случайным процессом приходящих от
источника излучения фотонов. Флуктуации заряда, вызванные этим
шумом, определяются соотношением
фот=е(£,т]7иабАф) ^р.
Гтри переносе происходит двойная флуктуация заряда: вследствие
отставания части заряда от предыдущего зарядового пакета и флук-
туаций той части заряда, которая отстает от данного пакета.
Считая эти флуктуации независимыми, для среднеквадратичного
значения общей флуктуации заряда можно написать [70]
AQc=(2nAQ2)’/2 для пА?<1,
где п — число переносов заряда; AQ2 — среднеквадратичная флуктуа-
ция для каждого переноса.
При полном переносе заряда основным источником шума являются
флуктуации заряда, захватываемые па поверхностные состояния, при-
чем решающий вклад вносят те состояния, постоянная времени гене-
рации которых соизмерима с временем переноса заряда. Их значение
может быть определено следующим образом [70]:
ЛСп.с=е(ИАфЛ'п.с 1п2)'/2.
где Л'п.с — плотность поверхностных состояний на границе раздела.
Как следует из этого выражения, амплитуда шума поверхностных
состояний не зависит от времени.
181
Для ФПЗС с объемным каналом
^Q'n.e3® Л'л.овхр ( — 1/4) [1 — ехр (»-//<)]]
I I '
Где У3 — объем полупроводника под затвором; t — Постоянная вре'
мени генерации; Nn.o — плотность ловушек в объеме.
Тепловые колебания кристаллической решетки приводят к непре-
рывной' генерации носителей, являющейся причиной появления тем-
нового тока. Его значение накладывает ограничения на время на-
копления, под которым понимается время, за которое темновой ток
полностью заполняет потенциальную яму. Время накопления
Т нак—СкакЛП//т,
где Снак—эффективная накапливающая емкость на единицу площа-
ди потенциальной ямы: Л/7— высота барьера между потенциальными
ямамн; /т—плотность темнового тока, имеющего три компоненты:
термогенерация на границе раздела полупроводник — окисел, в обла-
сти обеднения и в нейтральном объеме [72].
Основным источником темнового тока является генерация носи-
телей генерационно-рекомбинационными центрами (центрами термо-
генерации) в обедненной области. Значение этого тока может быть
определено из выражения [70]
/Tr = eniot>Tx0.cWi/2,
где nt — концентрация носителей; о-—сечение захвата объемных ло-
вушек; Ni — плотность объемных ловушек с энергией, лежащей в се-
редине запрещенной зоны; — тепловая скорость электронов; хо.с —
ширина обедненной области.
Средние значения темнового тока в отдельных ячейках ФПЗС
различны, что приводит к образованию неоднородности темнового
тока Д/т. Естественно, что структура может обнаружить только такой
сигнал, значение которого /е>Д/т. Структурную неоднородность тем-
нового тока называют иногда «геометрическим шумом».
Случайный характер процесса тепловой генерации во времени
приводит к появлению шумовой составляющей темнового Тока
/Ш.т = 1/К.
где 12т — среднеквадратичное значение флуктуации темнового тока.
Температурная зависимость темнового тока может быть представ-
лена следующим образом:
/т=ехр(—EglkT),
где Ее — ширина запрещенной зоны. Снижение температуры фото-
чувствительного элемента на каждые 10 °C приводит к уменьшению
темнового тока в 2 раза. В этом кроется один из резервов повышения
чувствительности ФПЗС.
182
Источником шума выходного каскада ФПЗС является диод, сме-
щенный в обратном направлении, или плавающий затвор. Эквивалент-
ная схема емкостного источника шума, связанного с предусилителем,
приведена на рис. 6.13, где Сд, Сев, Свх — емкости соответственно
детектирующего диода, паразитной связи и входа усилителя. Напря-
жение смещения подается на диод через сопротивление смеще-
ния /?СМ.
Флуктуация заряда [70]
Д02=8йГ/?5С2о/Гт,
где Rs — сопротивление, эквивалентное источнику шума £ш; С0=Сд-|-
-j-CeB-[-CBJI; Гт — период тактовой частоты.
Динамический диапазон характеризует тот диапазон
изменения значений освещенности, при котором сохраня-
ется линейная зависимость между входным оптическим и
выходным электрическим сигналами при заданном вре-
мени накопления.
Рис. 6.13. Эквивалентная шумовая схема ПЗС-ячейки
Диапазон рабочих частот ПЗС-структур может быть
определен из выражений
1/р/хр maxi fmax— l/p/пер,
где р — периодичность структуры (число фаз); /хр max
максимально допустимое время хранения заряда в одной
ячейке; tnep — время передачи зарядового пакета. Методы
определения txpmax и /пер можно найти в [73]. '
Перечисленные выше электрические и фотоэлектриче-
ские параметры характеризуют в большинстве своем еди-
ничный фоточувствительный элемент с позиций физиче-
ских процессов, происходящих в нем. Поскольку реаль-
ный прибор содержит 102—106 таких элементов, то в ря-
де случаев [особенно при необходимости выделения опти-
ческого сигнала (изображения), спроектированного на
многоэлементную структуру ФПЗС в виде кружка рас-
сеяния размером в несколько десятков микрон] система
параметров ФПЗС должна отражать также и особеннос-
ти статистического характера преобразования и обработ-
ка
Таблица 6.1. Система параметров п характеристик ФПЗС
Наименование параметра (характеристики) и его размерность Обозна- чение Определение
Относительная спект- ральная характери- стика чувствительно- сти Sy Зависимость монохроматической чувствительности ФПЗС, отнесен- ная к значению максимальной чув- ствительности, от длины волны ре-
гистрирующего потока излучения
Среднее значение темнового напряже- ния, В ит Среднее по фоточувствительному полю прибора значение напряже- ния, снимаемого с выходного уст- ройства ФПЗС в отсутствие потока оптического излучения, при задан- ных значениях питающих и управ- ляющих напряжений на нем
Дисперсия тгмнового Q — и Дисперсия значения темнового
напряжения, В напряжения по фоточувствительно- му полю прибора, определенная при заданных значениях питающих и управляющих напряжений на ФПЗС
Среднее значение на- пряжения темнового (светового) шума, В Среднеквадратичное значение флуктуации напряжения, снимаемо- го с выходного устройства ФПЗС, учитывающее временной и прост- ранственный шумы прибора в от- сутствие потока оптического излу- чения (в условиях наличия потока оптического излучения), при за- данной частоте выходного регистра
Дисперсия напряже- О— Дисперсия среднеквадратичного
ния темнового (свето- вого) шума, В ш значения флуктуации напряжения темнового (светового) шума по фо- точувствительному полю ФПЗС
Среднее значение на- пряжения фотосиг- нала, В Uc Среднее по фоточувствительному полю значение напряжения фото- сигнала, снимаемого с выходного устройства, вызванное действием на светочувствительную поверх- ность регистрируемого потока оп- тического излучения
Дисперсия йапряже- О— к Дисперсия значения напряжения
ния фотосигнала, В фотосигнала по фоточувствительно^- му полю ФПЗС при равномерной его освещенности заданным уров- нем потока излучения, измеряемого на выходном устройстве ФПЗС, при заданных значениях питающих и управляющих напряжений
|§4
Продолжение табл. 6.1
Наименование параметра
(характеристики) и его
размерность
Обозна-
чение
Определение
Минимальное значе- Uc m-ln
пне напряжения фото-
сигнала, В
Среднее значение ин- Sv
тегральной вольтовой
чувствительности, В/Вт
Дисперсия интеграль-
ной вольтовой чувстви-
тельности, В/Вт
Среднее значение по-
роговой освещенно-
сти (облученности),
лк (Вт/см2)
Дисперсия пороговой
освещенности (облучен-
ности), лк (Вт/см2)
Среднее значение от-
ношения сигнал/шум
Среднее "значение ос-
вещенности (облу-
ченности) насыщения,
лк (Вт/см2)
Дисперсия освещен-
ности (облученности)
насыщения, лк (Вт/см2)
Коэффициент взаи-
мосвязи между элемен-
тами, оти. ед.
Глубина модуляции,
% (в центре н на кра-
ях)
М
Минимальное допустимое значе-
ние напряжения фотосигнала при-
бора при заданном значении отно-
шения сигнал/шум
Отношение среднего значения на-
пряжения фотосигнала к значению
немонохроматического излучения за-
данного спектрального состава при
фиксированном значении времени на-
копления
Дисперсия значений интегральной
вольтовой чувствительности по фо-
точувствительному полю ФПЗС
Среднее по фоточувствительному
полю прибора значение внешней ос-
вещенности, при котором среднеквад-
ратичное значение напряжения фо-
тосигнала равно среднему значе-
нию напряжения шума
Дисперсия значений пороговой
освещенности по фоточувствитель-
ному полю прибора
Отношение среднего значения на-
пряжения фотосигнала при задан-
ном уровне внешней освещенности
к среднему значению суммарного
шума при той же освещенности
Среднее по фоточувствительному
полю прибора значение внешней ос-
вещенности, приводящее к полному
заполнению носителями потенциаль-
ных ям секции накопления прибора
Дисперсия значения освещенно-
сти насыщения по фоточувстви-
тельному полю прибора
Отношение напряжения сигнала с
необлученного элемента к напря-
жению фотосигнала с соседнего об-
лученного элемента, определяемое
на линейном участке энергетиче-
ской характеристики и при задан-
ных значениях питающих и управ-
ляющих напряжений ФПЗС
Отношение напряжения фото-
сигнала с мелких деталей изобра-
жения к напряжению фотосигнала
с черно-белого перепада (мелкая
деталь и черно-белый перепад оп-
ределяются в соответствии с
ГОСТ 18720.3-73)
185
Продолжение табл. 6.1
Наименование параметра (характеристики) и его размерность Обозна- чение Определение
Среднее значение ди- намического диапа- зона по напряжению, отн. ед. D Среднее по фоточувствительному полю значение отношения макси- мального напряжения фотосигнала, снимаемого с выходного устройст- ва при внешней освещенности, рав- ной освещенности насыщения, к среднему значению напряжения темнового шума при заданных пи- тающих и управляющих напряже- ниях на ФПЗС
Время накопления, с 7"нак Время между двумя последова- тельными выборками заряда с фо- точувствительных элементов чувст- вительной секции прибора
Допустимое число дефектов фоточув- ствптельного поля, шт. ,гдф Число фоточувствительных эле- ментов, значения параметров кото- рых находятся вне пределов значе- ний, установленных в НТД, при ко- тором еще может быть выполнена целевая функция изделия в аппа- ратуре с заданной вероятностью
Допустимое распре- деление дефектов по фоточувствитель- ному полю Допустимое относительное поло- жение дефектных элементов ФПЗС по фоточувствительному полю и между собой
ки в ней сигнала как во времени, так и в пространстве
(т. е. по всему полю фоточувствительных элементов при-
бора). В систему параметров прибора могут входить так-
же параметры, учитывающие характер электрических и
фотоэлектрических связей между элементами и связь
(согласование) прибора с последующими элементами
электронного тракта аппаратуры. С учетом Сказанного
реальная система функциональных параметров ФПЗС
приведена в табл. 6.1.
6.3. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ААНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ
ФОТОПРИЕМНИКОВ НА ОСНОВЕ ПЗС-СТРУКТУР
К настоящему времени создано значительное число
вариантов схем организации линейных и матричных фо-
топриемников на основе ПЗС-структур. Однако все мно-
гообразие можно свести к нескольким наиболее общим
вариантам внутреннего построения приборов.
186
Линейные фотоириемные структуры. Возможные схе-
мы организации многоэлементных линейных фотоприем-
ных структур показаны на рис. 6.14. В приборах, постро-
енных по схеме на рис. 6.14,а, накопление фотогенериро-
ванного заряда происходит под одним из фазовых затво-
ров ПЗС-структуры, т. е. в самом канале передачи заряда
регистра сдвига. При этом во время процесса накопления
заряда на затворы ячеек накопления подается постоянный
Фоточуветви тельные
элементы
Фоточувстви -
, тельные
ячей ни
ПЗС- регистр сдвига
ПЗС регистр сдвига
Двулра эрядный
ПЗС регистр
сдвига
Затвор .
переноса
Рис. 6.14. Способы организации многоэлементных линейных фотопри-
емников на основе ПЗС-структур:
а — фоточувствительнымн элементами являются специальные электроды хране-
ния в регистре сдвига; б — фоточувствительная линейка с одним регистром
сдвига; в — то же с двумя регистрами сдвига
потенциал. Считывание накопленного заряда обеспечива-
ется путем подачи на все остальные затворы структуры
соответствующих импульсных напряжений, осуществляю-
щих перенос заряда вдоль структуры к выходному уст-
ройству. Удовлетворительная передача заряда получается
при Т'нак^Т’пср, где Тнак — время накопления, 7пер— время
передачи заряда.
Более качественная передача заряда может быть до-
стигнута при разделении секции накопления п капала пе-
реноса заряда па основе ПЗС-регистра сдвига (рис.
6.14.6). Секция накопления представляет собой массив
187
МДП-конденсаторов, отделенный от ПЗС-регистра сдвига
с помощью затвора переноса. При подаче управляющего
потенциала на затвор переноса информационные заряды
с каждого фоточувствительного МДП-конденсатора пе-
ретекают под соответствующие затворы регистра сдвига.
После снятия потенциала с затвора переноса в фоточув-
ствительных элементах вновь начинается процесс накоп-
ления заряда, а перенесенный в регистр сдвига заряд
считывается к выходному устройству.
При такой организации структуры при большом числе
элементов эффективность переноса заряда заметно сни-
жается. Потери заряда могут быть уменьшены, если ис-
пользовать принцип организации, показанный на рис.
6.14,в. В последнем случае фоточувствительная линейка
представляет собой две гребенчатые структуры МДП-кон-
денсаторов, вставленные друг в друга, причем каждая из
структур имеет свой ПЗС-регистр сдвига, отделенный от
фоточувствительных МДП-конденсаторов затвором пере-
носа. Заряды с нечетных элементов считываются в один
регистр сдвига, а с четных — в другой. Заряды с этих бо-
ковых регистров затем передаются в третий (вертикаль-
ный) двухразрядный регистр сдвига в том порядке, в
каком они были образованы.
Последний способ организации линейных фотоприем-
ников на основе ПЗС-структур позволяет обеспечивать на-
иболее высокую плотность размещения фоточувствитель-
ных ячеек.
Для получения правильного фазового сложения сиг-
налов, снимаемых с каждой гребенки фоточувствитель-
ных элементов, необходимо, чтобы число фаз управления
регистров сдвига было четным. В противном случае ста-
новится необходимым дополнительный регистр, выполня-
ющий роль мультиплексора.
Матричные фотоприемные структуры. Схем^ органи-
зации таких структур представлены на рис. 6.15. Они об-
разуют четыре разновидности организации структур: строч-
ную, кадровую, строчно-кадровую и адресную. При строч-
ной организации (рис. 6.15,а) матрица состоит из опти-
ческой секции, скомпонованной из линейных структур с
накоплением заряда в каналах переноса, и выходного
сдвигового регистра. Через ключи, управляемые верти-
кальным сдвиговым регистром, на каждую из строк пода-
ются тактовые импульсы, переносящие заряды в выход-
ной сдвиговый регистр. Недостатком данного способа
организации матричной структуры является то, что заря-
ды, выходящие из строк, на пути к выходному устройст-
ве
ву проходят различное число разрядов выходного регист-
ра. Для получения изображения видеосигналы с отдель-
ных строк должны вводиться в устройство отображения
с задержкой по времени, пропорциональной удалению от
выходного диода сдвигового регистра, что усложняет схе-
му обработки выходного сигнала с такой матрицы.
Более простое управление режимом работы матрицы
может быть получено при кадровой организации (рис.
6.15,6), при которой в указанную выше схему оргпизации
Рис. 6.15. Способы организации матричных фотоприемников на основе
ПЗС-структур:
а — строчная организация; б — кадровая организация; в — строчно-кадровая
матрицы вводится буферное устройство в виде секции
хранения (регистр хранения). Число элементов в этой
секции равно числу элементов оптической секции. Заряды,
накопленные в оптической секции, после истечения време-
ни кадра Тк с помощью тактовых управляющих импуль-
сов сдвигаются в регистр хранения. В течение времени
следующего кадра заряды с секции хранения построчно
передаются в выходной регистр. При этом тактовая час-
тота сдвига выходного регистра должна быть в п раз
больше тактовой частоты в регистре хранения (п — число
элементов в строке). Это необходимо для того, чтобы к
189
моменту прихода зарядов следующего кадра обеспечить
передачу зарядов предыдущего кадра. Схема позволяет
осуществить чересстрочную развертку.
Однако этой схеме присущи и свои недостатки. К
ним относятся необходимость создания большого числа
электродов в структуре, что влечет за собой технологи-
ческие трудности получения бездефектной структуры
таких сверхбольших интегральных микросхем. Наличие
даже единичных дефектных ячеек в структуре приводит
к потере информации целых столбцов.
Строчно-кадровая организация матрицы (рис. 6.15,в)
представляет собой компоновку линейных структур с раз-
деленными секциями накопления и переноса. По истече-
нии времени накопления заряды из секций накопления
сдвигаются в регистры переноса, а оттуда построчно в
выходной регистр. Эффективное время накопления в та-
ких структурах в 2 раза больше времени накопления в
структурах с переносом кадра. Коэффициент заполнения
для них ниже из-за необходимости экранировать от света
регистры переноса.
Для повышения отношения сигнал/шум в ФПЗС
может применяться режим временной задержки и интег-
рирования [72]. Этот режим обеспечивается следующим
образом. Матричная структура строится не по строчному
принципу (см. рис. 6.14,а), а по столбцовому. Изображе-
ние перемещается относительно матрицы по направлению
столбцов. Тактовые управляющие напряжения вдоль
столбцов подаются со скоростью перемещения изображе-
ния по структуре. В этом случае при числе фоточувстви-
тельных элементов в столбце (по оси у), равном пу,
напряжение сигнала равно Uc—Vcny, где VCl — сигнал с
одной ячейки ПЗС-структуры. Шумы, накапливаемые при
переносе (дробовый шум темнового тока и шум от процес-
са захвата ловушками), некогерентны и после*ну ячеек
равны Um= (ну)
Тогда
Пс/Пга=^С1Пу/ПШ1(цу) «/2= (Пу)
т. е. отношение сигнал/шум в этом случае в (иу)1/2 раз
выше, чем при применении обычной (однострочной) ли-
нейной ПЗС-структуры.
Все перечисленные выше способы формирования
мпогоэлементных фотоприемников на основе ПЗС-струк-
тур обладают общим существенным недостатком — воз-
можностью выхода из строя части строки, всей строки
ISO
или всего прибора при нарушении работоспособности хотя
бы одного элемента в регистре переноса (строчного или
выходного).
Этот недостаток устраняется в структурах на основе
приборов ic инжекцией заряда в подложку (рис. 6.16).
Процесс накопления в этой структуре такой же, как и у
обычных ПЗС-структур. Считывание сигнала произво-
дится путем инжекции заряда из потенциальной ямы в
объем полупроводника при снятии напряжения с затвора.
Основу матричных структур составляют пары зарядово-
Рпс. 6.16. Матричный фотопрнемннк с инжекцией заряда в подложку:
а — схема организации структуры; б — принцип действия прибора
связанных МДП-конденсаторов, в каждой из которых
один подключен к генератору горизонтальной развертки,
а второй — к генератору вертикальной развертки. При
подаче на. электроды строк напряжения происходит на-
копление под ними заряда. При подаче напряжения на
электроды столбцов и снятии напряжений с элементов
строк заряды из-под последних переходят под электроды
столбцов. Когда напряжение снимается со всех электро-
дов, заряд переходит в подложку (рис. 6.16,6). Таким
образом, считывание информации производится путем
одновременного снятия напряжения смещения с обоих
191
элементов элементарной ячейки. Данный принцип органи-
зации структуры позволяет осуществлять произвольную
выборку элементов.
Матричные структуры приборов с инжекцией заряда
имеют паразитные связи между чувствительными элемен-
тами. Так, при опросе неосвещенного элемента освещен-
ной матрицы можно получить ложный сигнал. Это связа-
но с тем, что при инжекции накопленного заряда из-под
электрода часть его растекается в потенциальные ямы,
находящиеся под электродами ближайших ячеек матри-
цы. Это приводит к некоторому размыванию изображе-
ния.
Следует отметить, что искажения в таких приборах
зозникают не только вследствие растекания носителей, но
Рис. 6.17. Схема организации гибридного ИК ПЗС-фотоприемника
и за счет шунтирования емкостью структуры опрашива-
емого элемента в момент коммутации.
Недостатком матрицы приборов с инжекцией заряда
является значительная выходная емкость и соответствен-
но высокий уровень тепловых шумов во входной цепи
предварительного усилителя. Эффективным средством
улучшения отношения сигнал/шум является простая про-
тивошумовая коррекция. При этом на выходе предусилите-
ля получается следующее отношение сигнал/шум:
где Q — инжектируемый заряд; С — суммарная выходная
емкость матрицы; k — постоянная Больцмана; Т — абсо-
лютная температура; [max — верхняя частота видеосигна-
ла; — эквивалентное сопротивление шумов активного
элемента первого каскада предусилителя.
Изложенные выше принципы используются для пост-
роения линейных и матричных фотоприемников па основе
ПЗС-структур как в видимой, так и ИК-областях спектра.
Однако работа таких монолитных структур ИК-диапазона
основана, как правило, па использовании примесного
192
кремния, работающего при низких температурах. По-види-
мому, более перспективными будут так называемые гиб-
ридные фотоприемники (рис. 6.17), в которых кремниевые
ПЗС-структуры будут использоваться в качестве регист-
ров сдвига, а фоточувствнтельные секции таких приборов
могут быть из любого фоточувствительного материала, из
которого изготавливаются обычные фотоприемники. Сое-
динение этих элементов друг с другом будет производить-
ся через специальные входные цепи пли непосредственно.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ОСНОВЫ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЙ
МИКРОФОТОЭЛЕКТРОНИКИ '
7.1. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО
ЭЛЕМЕНТА
Изделия микрофотоэлектроники в зависимости от
своего назначения и типа используемого фоточувствитель-
ного элемента (ФчЭ) имеют самую различную конструк-
цию. При всем разнообразии конструктивного исполнения
изделия микрофотоэлектроники имеют общую структуру.
Они состоят из фоточувствительного элемента, электрон-
ного тракта, подложки (или кристаллодержателя), корпу-
са с входным окном и выводами. Кроме того, для обеспе-
чения оптимальных условий работы ФчЭ в состав изде-
лий микрофотоэлектроники могут входить такие вспомога-
тельные устройства, как микрохолодильники, охлаждае-
мые и неохлаждаемые диафрагмы и фильтры, иммерсион-
ная оптика, интегрирующие камеры, схемы электронного
обрамления (для ПЗС), схемы стабилизации рабочей
точки ФчЭ и т. д.
При этом определяющее значение при «разработке
кострукции изделий микрофотоэлектроники принадлежит
типу фоточувствительного элемента и технологии изготов-
ления изделия (на дискретной элементной базе, с исполь-
зованием гибридно-пленочной или интегральной техноло-
гии).
Конструктивное оформление ФчЭ зависит от техноло-
гии его изготовления. Он может быть выполнен как в
пленочном (рис. 7.1), так и в монолитном исполнении
(рис. 7.2). Обычно пленочная технология изготовления
ФчЭ используется при создании фоторезисторов и боло-
метров.
13—3274 193
При монолитном исполнении ФчЭ изготавливаются из
кристаллов полупроводниковых материалов и сегнетоэлек-
триков, на которых известными в технологии полупровод-
никовых приборов методами наносятся контактные элемен-
ты и выделяются фоточувствительные области. Для созда-
ния фоторезисторов, фоточувствительных МДП- и ПЗС-
приборов, как правило, используются униполярные струк-
туры, а для создания фотодиодов и фототранзисторов —
биполярные полупроводниковые структуры (рис. 7.3).
Полупроводниковые переходы могут быть сформированы
путем вплавления, диффузии, эпитаксии, ионного легиро-
вания соответствующей донорной или акцепторной примеси
в исходную пластину полупроводника. В качесте исходно-
Рис. 7.1. Многоэлементная
структура фоточувствительных
элементов на основе пленоч-
ных фоторезисторов:
1 — контактный слой; 2 — фоточув-
ствительный слой; 3 — подложка;
4— общий контактный слцй (элек-
трод)
Рис. 7.2. Фоточувствительный
элемент на основе фоторези-
стора из антимонида индия:
1 — кристалл; 2 — контактный
слой; 3 — кристаллодержатель;
4 — вывод
го материала широко используются германий, антимонид
индия, арсенид индия, материалы на основе твердых раст-
воров тройных соединений (типа HgCdTe и РвЗпТеидр.).
Конструктивное оформление пироэлектрического чувстви-
тельного элемента показано на рис. 7.4.
Чувствительные элементы пироэлектрических прием-
ников полного поглощения выполняют в виде конусообраз-
ного, клинообразного или сферического черного тела [23].
Конфигурация ФчЭ может быть самой разнообразной (круглой,
прямоугольной, крестообразной, уголковой и т. п.), что определяется
назначением изделия. Однако с целью оптимизации параметров и
достижения максимальной чувствительности его геометрию прежде
всего определяют с учетом особенностей отражения и поглощения из-
лучения. Для достижения максимальной чувствительности ФчЭ пока-
затель поглощения т]«> определяемый как отношение мощности, по-
глощенной в ФчЭ, к мощности, падающей на элемент, должен иметь
максимальное значение [7]. Значение т]п определяется нз выражения
7)и = (1 — R) (1 — C-“d) (1 — Re-ad) -1,
.194
а) л-тип' б)
Рис. 7.3. Разновидности чувствительных элементов фотоприемников
на основе р-/г-переходов:
а—на основе тянутого р-л-перехода из антимонида индня (/—контактный слой;
2 — кристаллодержатель; 3 — область резкого перехода; б — на основе сплавно-
го р-л-перехода (/ — компенсирующий контактный слой; 2 — кристаллодержа-
тель; 3— кристалл; 4 — вывод); в — на основе диффузионного р-я-перехода (/ —
кристалл; 2 — вывод; 3 — кристаллодержатель); г — на основе р-п-перехода
(/— кристалл; 2 — кристаллодержатель; 3 — вывод коллектора; 4—вывод
эмиттера)
где а — коэффициент поглощения излучения материалом ФчЭ;
й=(1—Ке)г/(1 + Ке )»,
— коэффициент отражения поверхности ФчЭ; е — диэлектрическая
проницаемость материала ФчЭ; d — толщина ФчЭ в направлении рас-
пространения излучения.
Очень часто при выборе геометрии монолитного ФчЭ учитывают
так называемый геометрический фактор GT, значение которого для
Рис. 7.4. Чувствительный элемент
на основе пироэлектрического эф-
фекта:
I — полупрозрачное просветляющее по-
крытие; 2 — полупрозрачный металли-
ческий электрод; 3 — вывод; 4— кри-
сталлодержатель; 5 — пластина пиро-
электрика
обеспечения максимальной чувствительности должно быть минималь-
ным. Значение 6’г определяется из выражения [77]
Gr = ^Г-4ф</О1|/'>]1|,
где Лф — площадь ФчЭ; г]ц — показатель поглощения; don — оптиче-
ская толщина ФчЭ, причем
— azd; Z = V|j. /s,
где <з — электропроводность материала ФчЭ; ц — магнитная проницае-
мость материала ФчЭ; z — волновое сопротивление ФчЭ.
13*
195
При изготовлении ФчЭ стремятся увеличить показатель поглоще-
ния >]п и уменьшить коэффициент отражения R. Для уменьшения ко-
эффициента отражения от передней (приемной) поверхности ФчЭ ее
покрывают специальными просветляющими слоями. Обратную сторону
ФчЭ стараются сделать зеркальной, что увеличивает показатель т)п.
Толщину фоточувствительного элемента d выбирают равной при-
мерно 1/а, где а — коэффициент поглощения материала ФчЭ, изме-
ренный при рабочей температуре на рабочей длине волны. Для соб-
ственных полупроводников d много больше 1/а, так как а в этом
случае равен 103—104 см-1.
При использовании в качестве ФчЭ примесных полупроводников
(Ge : Си, Ge : Hg, Ge : Аи и т. д.) коэффициент примесного поглощения
Рис. 7.5. Фоточувствительный
элемент на основе фоторези-
стора из примесного германия:
I — кристалл; 2 — вывод; 3 — кон-
тактный слой; 4 — кристаллодер-
жа'тель
Рис. 7.6. Фоточувствительный
элемент на основе фоторези-
стора из примесного германия,
размещенный в интегрирующей
камере:
1 — корпус интегрирующей камеры;
2 — кристалл; 3 — вывод; 4 — кри-
ста ллодержатель
составляет от 0,1 до 100 см-1, что требует увеличения толщины ФчЭ
до нескольких миллиметров (примерно до 5 мм). Использование эле-
ментов с такой толщиной не всегда удобно, так как связало с умень-
шением обнаружительной способности приборов.
Для уменьшения толщины ФчЭ заднюю поверхность элемента об-
резают под углом Брюстера (рис. 7.5). Изготовление ФчЭ из при-
месного германия с обратной стороной в виде двугранного угла, рав-
ного 62°, увеличивает эффективную толщину элемента в 3 раза [7, 20].
При необходимости использования ФчЭ с малыми геометрическими
размерами наиболее эффективным является применение интегрирую-
щих камер [7, 20], в которые помещают фоточувствительный элемент
-(рис. 7.6). При малых углах зрения использование интегрирующих ка-
мер увеличивает чувствительность прибора в 2—5 раз в зависимости
от конструкции камеры.
196
При использовании интегрирующей камеры оптимальный объем
фоточувствительного элемента может быть определен по форму-
ле [20]
Го пт— (Лк-|-/?Л ф) /4«;> (N|Л'д) ,
где Лк —площадь входного отверстия интегрирующей камеры; R —
коэффициент отражения стенок камеры; аг — сечение захвата излу-
чения активной примесью; А'а — концентрация акцепторной примеси;
NB — концентрация донорной примеси.
Геометрические размеры отдельной приемной площадки (площадь
ФчЭ) и число элементов определяются исходя из характера задач, ре-
шаемых оптико-электронной аппаратурой, и характеристик ее отдель-
ных элементов (прежде всего, оптической системы). Так, например,
требуемый линейный размер а фоточувствительной площадки опреде-
ляется из выражения
®=fo6tg со,
где [об — фокусное расстояние оптической системы (объектива); со —
мгновенный угол поля зрения аппаратуры. Из аналогичных рассужде-
ний можно определить число элементов в структуре и зазоры между
ними.
7.2. КОНСТРУКЦИЯ ИЗДЕЛИЙ МИКРОФОТОЭЛЕКТРОНИКИ
Фоточувствительные элементы большинства извест-
ных фотоприемников и ФПУ при помощи клея, компаунда
или припоя закрепляют на специальной подложке или
кристаллодержателе. В качеств подложки обычно исполь-
зуются материалы, имеющие термический коэффициент
расширения (ТКР), близкий к ТКР материала ФчЭ. Наи-
более широкое распространение получили ковар, молиб-
ден, медь, стекло, сапфир, кварц, ситалл, керамика 22ХС
и другие материалы. В отдельных случаях на подложке
вместе с фоточувствительный элементом располагают и
электронный тракт прибора (усилитель фотосигнала, ком-
мутатор и т. п.), выполненный в виде полупроводниковой
или гибридно-пленочной интегральной микросхемы.
Для защиты подложки и размещенных на ней элемен-
тов от воздействия вредных факторов окружающей среды
их помещают в специальный корпус (рис. 7.7). Неохлаж-
даемые фоточувствительные элементы и микросхемы,
предназначенные для использования в составе изделий
микрофотоэлектроники, устанавливают в пластмассовые,
металлостеклянные или металлокерамические корпуса. В
этих случаях чаще всего используются стандартные корпу-
са, применяемые для герметизации1 микросхем и полупро-
водниковых приборов, но в крышке корпуса устапавлива-
197
ется окно, прозрачное для излучения. Многоэлементные
ФчЭ и многоканальные изделия размещаются в много-
выводных корпусах.
Для работы фоточувствительных элементов в средне-
волновой и длинноволновой областях ИК-спектра необ-
ходимо охлаждение ФчЭ. При этом рабочая температура
ФчЭ должна быть ниже температуры тепловой генерации
Рис. 7.7. Примеры конструктивного оформления неохлаждаемых ФПУ:
а — одноэлементное ФПУ (1 — ФчЭ: 2 — корпус; 3 — выходной кабель; 4 — пред-
усилитель); б — многоэлемеытное ФПУ в гибридно-пленочном исполнении (/ —
входное окно; 2— корпус; 3, 5, 7, 8— схемы усиления и электронного обрамле-
ния; 4 — вывод; 6 — многоэлементная фоточувствительная структуру)
носителей с примесных или «мелких» уровней. Для реа-
лизации пороговой чувствительности ФчЭ температура
охлаждения должна быть равной
ТОХ Л^АД ,г/20 k,
где А£,_2 — энергия ионизации примеси.
Для охлаждения ФчЭ используются специальные кор-
пуса — криостаты, выполненные в виде миниатюрного со-
суда Дьюара (рис. 7.8). Криостат представляет собой
сосуд с двумя стенками, пространство между которыми
откачано до высокого вакуума. Для предотвращения за-
198
потевайия ФчЭ давление внутри Корпуса криостата не
должно превышать 0,133 Па при нормальной температу-
ре окружающей среды. При воздействии повышенной
температуры давление внутри корпуса должно быть не
более 1,33-10-3 Па. Для снижения теплопритоков внутрен-
ние стенки сосуда серебрят или алюминируют. Корпуса'
охлаждаемых изделий микрофотоэлектроники делают
стеклянными, металлическими или металлостеклянными.
Простые криостаты (рис. 7.8) обычно используются до
Рис. 7.8. Размещение фоточувст-
вительного элемента в корпусе-
дьюаре:
1 — вывод; 2 — внутренний стакан; 3—
внешний стакан; 4 — пленочный ФчЭ;
5 — контактный слой
Рис. 7.9. Криостат, работающий
при температуре ниже 77 К:
1 — патрубок внутреннего стакана;
2 — экранирующий стакан; 3 — вывод;
4 — фланец; 5 — внутренний стакан;
6 — ФчЭ; 7—входное окно; 8 — охлаж-
даемый фильтр; 9 — кристаллодержа-
тель
температур примерно 70 К. Для охлаждения до темпера-
тур ниже температуры жидкого азота используются спе-
циальные криостаты с предварительным охлаждением
(рис. 7.9). При использовании таких криостатов возмож-
но охлаждение ФчЭ до температур примерно 20 К- Более
низкая температура охлаждения достигается при исполь-
зовании специальных криостатов, выполняемых из метал-
ла (меди) и использующих в качестве основного хлад-
агента жидкий гелий, а в качестве вспомогательного жид-
кий азот [78]. Входные окна корпусов изготавливаются
из материалов, прозрачных в области работы ФчЭ (лей-
косапфира, кремния, германия, иртрана, оптической ке-
рамики и т. д.). Входное окно обычно впаивается (непо-
199
средственно или через промежуточные компенсирующие
элементы) прямо в наружную стенку сосуда Дьюара.
Для охлаждения ФчЭ до рабочей температуры широ-
кое распространение получили два основных способа: не-
посредственной подачи жидкого хладагента во внутрен-
ний стакан криостата и использования для охлаждения
внутреннего стакана специальных миниатюрных охлаж-
дающих устройств (мпкрохолодильников).
В качестве охлаждающих жидкостей широко 'исполь-
зуют сжиженные газы; азот (77 К), кислород (83 К), ар-
гон (87 К), воздух (79 К), неон (27 К), водород (20 К)>
гелий (4,2 К).
При разработке конструкций охлаждаемых изделий
микрофотоэлектроники стремятся использовать определен-
ные преимущества низкотемпературного охлаждения для
повышения надежности и улучшения фотоэлектрических
параметров изделий. Например, одним из способов увели-
чения срока службы приборов с жидким хладагентом
(«заливных») во внутренней полости корпуса-криостата
(рис. 7.10) выделяют специальный объем, заполняемый
адсорбентом. Обычно в качестве адсорбента используют
активированный уголь, цеолиты или силикагели, обладаю-
щие хорошей газопоглощающей способностью при охлаж-
дении до температуры жидкого азота и ниже. При залив-
ке хладагента во внутренний стакан криостата охлажден-
ный адсорбент работает как вакуумный насос, в резуль-
тате чего газы, появившиеся во внутренней полости
криостата в процессе длительной работы прибора за счет
натеканий или газовыделения стенок криостата, погло-
щаются адсорбентом и во внутренней полости криостата
устанавливается разрежение, необходимое для нормаль-
ной работы ФчЭ. Срок службы прибора при этом значи-
тельно увеличивается.
Другой способ повышения надежности охлаждаемых
приборов состоит в том, что вместо вакуумированного
сосуда Дьюара используется герметичный газонаполнен-
ный сосуд Дьюара. Сосуд заполняется чистым, осушен-
ным, газообразным азотом, находящимся внутри крио-
стата под нормальным или немного повышенным давле-
нием (до 1,33-105 Па). В этом случае сохранить герме-
тичность сосуда гораздо легче, так как перепад давлений
газа между внутренней полостью и окружающей средой
минимален. При охлаждении внутреннего стакана кор-
пуса-криостата его наружная поверхность работает как~
криогенный насос, конденсируя находящийся в сосуде
200
азот и создавая тем самым необходимое разряжение
внутри криостата.
Для увеличения обнаружительной способности ФчЭ,
чувствительность которых ограничена фоном, используют
охлаждаемые диафрагмы и фильтры, размещенные внут-
ри криостата (рис. 7.9 и 7.11). При оптимальном выборе
спектральной характеристики охлаждаемого фильтра об-
наружительную способность фотоприемника можно уве-
личить примерно на порядок [2].
Для получения температур ниже температуры кипе-
ния охлаждающей жидкости используют откачку паров
Рис. 7.10. Криостат с адсор-
бентом:
1 — фланец; 2 — жидкий хладагент;
3 — полость, заполняемая адсор-
бентом; 4 — входное окно; 5 —
ФчЭ; 6 — крнсталлодержатель 7 —
вывод
I £
Рис. 7.11. Криостат многоэле-
ментного охлаждаемого фото-
приемника:
1 — фланец; 2 — вывод; 3 — много-
элемеитная фоточувствительная
структура; 4 — охлаждаемый
фильтр; 5 — входное окно; 6 — кор-
пус «
хладагента до затвердевания последнего. В этом случае
твердый азот обеспечивает температуру охлаждения ФчЭ
54—58 К. Однако при этом становится обязательным до-
полнительное охлаждение прибора жидким азотом (см.
рис. 7.9).
Когда требуются (Небольшие размеры прибора и вы-
сокая надежность аппаратуры, работающей в условиях
механических воздействий (вибраций), сосуд Дьюара с
жидкостью крайне неудобен в эксплуатации. В этом слу-
?01
чае наиболее широкое распространение получили охлаж-
дающие устройства, основанные на эффекте Джоуля —
Томпсона, холодильные машины и термоэлектрические
охладители [78, 79]. Эффект Джоуля — Томпсона состоит
в понижении температуры газа за счет быстрого адиаба-
тического расширения при понижении давления этого га-
за, предварительно сжатого до (0,98—3,43) • 107 Па.
Обычно создается регенеративный цикл, при котором ча-
стично охлажденный газ охлаждает новые порции газа
до тех пор, пока не наступит сжижение. Холодильник,
основанный на эффекте Джоуля—Томпсона, фактически
является миниатюрным ожижителем газа. Газ, выходя-
щий из дроссельного отверстия (дюзы), сжижается и ох-
лаждает ФчЭ (рис. 7.12). Конструкции микрохолодиль-
ников, основанных на эффекте Джоуля—Томпсона, мо-
гут быть весьма разнообразны и при их помощи возмож-
но охлаждение ФчЭ до температуры примерно 20 К.
Расход газа микрохолодильником составляет от 3 до
200 нл/мин в зависимости от конструкции холодильника
и криостата. Время готовности от 3 до 15 мин.
Микрохолодильник размещается во внутреннем стака-
не криостата, который служит кожухом теплообменника,
изоляцией от теплопритоков из окружающей среды и вы-
полняет роль конструктивного элемента, связывающего
теплообменник с объемом охлаждения. Холодный газ или
жидкость, выходящие из дроссельного отверстия (дюзы),
омывая дно внутреннего стакана криостата, охлаждает
ФчЭ. Затем холодный газ низкого давления проходит че-
рез межтрубное пространство теплообменника, обмени-
ваясь теплом с потоком газа высокого давления.
При размещении микрохолодильника в корпусе-крио*
стате принимают меры по обеспечению минимальных теп-
лопритоков из окружающей среды и снижению темпера-
туры охлаждения. Для уменьшения теплопритоков путем
соответствующего 'выбора конструкции и материалов стре-
мятся улучшить тепловую изоляцию корпуса-криостата.
Шумы, вызванные истечением охлаждающего газа из
дроссельного отверстия, снижают путем оптимального вы-
бора направления 'выхода газа из дюзы. Обычно угол
струи, вытекающей из дроссельного отверстия, выбирают
равным примерно 45° относительно плоскости охлаждае-
мой поверхности. Кроме того, желательно, чтобы струя
газа была направлена в периферийную область дна ста-
кана криостата. Целесообразно также использование за-
щитных сеток (экранов, накопителей, мембран и т. п.),
обеспечивающих равномерно? растекание охлаждающей
жидкости no охлаждаемой поверхности и демпфирующих
удар струн газа. Флуктуации температуры охлаждения
обычно устраняются путем увеличения охлаждаемой мас-
сы, обеспечения стабильной работы теплообменника, а
также введения автоматического контроля и регулирова-
ния температуры охлаждения [78, 79].
Б холодильнике Джоуля—Томпсона не производится Повторный
сбор И использование хладагента. Поэтому для изделии с длительным
циклом работы используются охлаждающие устройства с замкнутым
Рис. 7.12. Пример компоновки
фотоприемника, охлаждаемого
при помощи дроссельного мик-
рохолодильника:
1 — входной штуцер; 2 <— вывод;
3 — мнкрохолодильник; 4 — уплот-
няющее кольцо; 5 — корпус фото-
приемника; 6 — криостат; 7 — ФчЭ;
8 — выходной штуцер
Рис. 7.13. Трехкаскадный теплообменник — сжижитель на температуру
охлаждения до 4,2 К:
/ и 4 — азотные теплообменники; 2 и 5 — водородные теплообменники; 3, 6 и
7 — гелиевые теплообменники; 8 — радиационные экраны; 9 и 10 — фланцы; 11 —
ФчЭ; 12 — входное окно
циклом (холодильные мини-машины), когда использованный хладагент
собирается и снова пропускается через систему охлаждения. Холо-
дильные машины, используемые для охлаждения ФчЭ, имеют доста-
точно высокую надежность, небольшие размеры и массу, относительно'
высокий КПД и позволяют охлаждать ФчЭ до температуры 20—70 К,
а в отдельных случаях и ниже. Масса холодильной машины, рабо-
205
Тающей по циклу Стирлинга, около 13 кг при температуре охлаж-
дения 40 К, время готовности не более 1Б мин, потребляемая мощ-
ность не более 0,5 кВт при холодильной мощности около 1 Вт. Для
глубокого охлаждения (до температуры 20—4,2 К) используются мно-
гокаскадные микрохолодильники (рис. 7.13). В конструктивном отно-
шении этот микрохолодильиик представляет собой аппарат, скомпо-
нованный таким образом, что гелиевые теплообменники экранированы
водородными, которые, в свою очередь, экранированы азотным. Внутри
гелиевого теплообменника помещен азотный для предварительного
Рис. 7.14. Варианты возможного конструктивного оформления охлаж-
даемых ФПУ:
а — одноканальное ФПУ (1 — микрохолодильиик; 2 — корпус; 3 — криостат; 4 —
предусилитель; 5 — выходной разъем); б — миогоэлемеитиое ФПУ (1 — микрохо-
лодильник; 2 — блок многоканального предусилителя; 3 — многоканальные уси-
лители; 4—печатная плата; 5 — корпус ФПУ; 6 — корпус криостата; 7 — много-
элемеишая фоточувствительная структура; 8— выходной -оазъем)
охлаждения гелия. Сердечник гелиевого теплообменника является од-
новременно обечайкой азотного. На обечайки гелиевых ’ теплообменни-
ков навиты трубки водородных, а на обечайку водородного наружный
азотный, служащий для подохлаждеиия водорода. Такая компоновка
позволяет сократить теплопритоки излучением к гелиевой и водород-
ной зонам, а также обеспечивает удобство сборки и демонтажа. Для
защиты основного гелиевого теплообменника, а также нижнего водо-
родного от излучения служат экраны, представляющие собой тонко-
стенные стальные цилиндры. Наружный экран припаян к азотной ван-
не, поэтому он охлажден в среднем до температуры жидкого азота.
Второй экран припаян к водородной ванне и имеет температуру
жидкого водорода, за счет чего теплоприток излучением нз окружаю-
204
шей среды к основному гелиевому теплообменнику сведен до пренс
брежпмо малого.
Кроме устройств, описанных выше, для охлаждения ФчЭ до тем
пературы 193- 200 К используются термоэлектрические мпкрохолодиль*
ники. Их действие основано на использовании эффекта Пельтье, за-
ключающегося в понижении температуры спая (или р-п-перехода) при
прохождении через него электрического тока [79].
Возможные 'варианты конструктивного оформления
охлаждаемых ФПУ приведены на рис. 7.14.
Фотоириемные устройства, создаваемые на основе
твердых схем (схем Дарлингтона, фоточувствительных
ПЗС-структур и др.), -В конструктивном отношении мало
отличаются от обычных полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем. Они размещаются в одних и
тех же корпусах, в которых дополнительно делаются вход-
ные окна для прохождения оптического излучения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техни-
ки.— М.: Советское радио, 1978. — 400 с.
2. Хадсон Р. Инфракрасные системы.—М.: Мнр, 1972. — 534 с.
3. Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. — М.:
Наука, 1964. —223 с.
4. Свечников С. В. Элементы оптоэлектроники. — М.: Советское
радио, 1971. — 272 с.
5. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. — М.: Советское радио, 1977.—
231 с.
6. Пляц О. М. Справочник по электровакуумным и полупроводни-
ковым приборам и интегральным схемам. — Минск: Высшая школа,
1976.—480 с.
7. Мосс Т., Патли М. Фотопроводимость. — Сб. статей.: Пер. с
англ./ Под ред. Ш. М. Когана. — М.: Наука, 1967. — 156 с.
8. Копейка С., Бордонья Д. Фоновые шумы в оптических систе-
мах связи.—-ТИИЭР, 1970, т. 58, № 10, с. 179—185.
9. Криксунов Л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные системы. —
М.: Советское радио, 1965. — 320 с.
10. Аппен А. А., Асланова М. С., Амосов Н. П. Под ред. -
А. М. Павлушкина, Стекло. Справочник.—М.: Стройиздат, 1973.—
487 с.
11. Оптические материалы для инфракрасной техники/ Е. И. Во-
ронкова, Б. Н. Гречушников, Г. И. Дистлер, И. И. Петров. — М.: Нау-
ка, 1965.—335 с.
12. Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в
атмосфере. — М.: Советское радио, 1970. — 496 с.
13. Ла Рокка. Методы расчета пропускания и излучения атмосфе-
ры в инфракрасной области спектра. — ТИИЭР, 1975, т. 63, № 1,
с. 89—111.
14. Фотоэлектрические преобразователи информации/ Под ред.
Л. Н. Преснухнна. — М.: Машиностроение, 1974. 376 с.
205
iS. Крыша t. h. Интерферемийоййые покрытия, -»Л.; МашийО*
(.троение, 1973.— 224 с.
16. Уланов Ю. И. Оптические свойства полупроводников,—М.;
Наука, 1977.— 367 с.
17. Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводни-
ках. — М.: Физматгиз, 1963. — 496 с.
18. Мосс Т. Оптические свойства полупроводников. — М.: Изд-во
иностр, лит., 1961. — 420 с.
19. Зеегер К. Физика полупроводников. — М.: Мир, 1977. — 615 с.
20. Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых
фотоэлектрических приборов. — М.: Советское радио, 1970. — 392 с.
21. Киселев В. Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и
диэлектриках. — М.: Наука, 1970. — 400 с.
22. Интегральные схемы на МДП-приборах: Пер. с англ. — М.:
Мир, 1975, —512 с.
23. Кременчугский Л. С. Сегнетоэлектрические приемники излуче-
ния.— Киев: Науксва думка, 1971, —234 с.
24. Диоды и тиристоры. Справочная серия/ Под ред. А. А. Чер-
нышева.— М.: Энергия, 1975. — 200 с.
25. Придорогин В. М. Шумовые свойства транзисторов на низких
частотах.—М.: Энергия, 1976. — 160 с.
26. Придорогин В. М. Причины возрастания низкочастотного шума
в транзисторах при отрицательных температурах. — Электронная тех-
ника. Сер. 2А. Полупроводниковые приборы, 1969, вып. 2, с. 56—57.
27. Нарышкин А. К., Врачев А. С. Теория низкочастотных шу-
мов.— М.: Энергия, 1972. — 253 с.
28. Ван дер Зил А. Шум. Источники, описание, измерение.—М.:
Советское радио, 1973. — 228 с.
29. Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. — М.: Энергия,
1970,—160 с.
30. Панкратов Н. А., Коротков В. П., Питкевич Г. Г. Темпера-
турные характеристики полевых транзисторов. — ОМП, 1975, № 2,
с. 16—17.
31. Хэнлон. Коэффициент шума ультразвукового усилителя.—
ТИИЭР, 1968, т. 56, № 2, с. 112—114.
32. Бескорпусные полупроводниковые приборы/ А. А. Чернышев,
В. И. Иванов, В. Д. Галахов и др. — М.: Энергия, 1973. — 170 с.
33. Справочник по интегральным схемам. Под ред. В. Б. Тараб-
рина.—М.: Энергия, 1977. — 584 с.
34. Брауде Г. В. Коррекция телевизионных и импульсных сигна-
лов.— М.: Связь, 1967.— 270 с.
35. Нарышкин А. К- Противошумовые коррекции в транзисторных
усилителях. — М.: Связь, 1974.— 144 с.
36. Бонч-Бруевич А. М., Имас Я. А. Радиационные измерения
температур слабонагретых тел/ Под ред. В. Г. Вафиади и М. М. Ми-
рошникова.— Минск; БГУ, 1969.— 195 с.
37. Хьюз Р. С. Логарифмические видеоусилители.—М.: Энергия,
1976.— 152 с.
38. Hamstra R. Н., Wendland Р. Noise and frequency response of
silicon photodiode operational amplifier combination. — Applied Optics,
1972, vol. 11, № 7.
39. Вендлэнд П. X. Светочувствительный датчик в виде пары
кремниевый фотодиод — операционный усилитель — Электроника, 1971,
Ле 11, с. 30—35.
40. Гершун А. А., Маркин В. А. Операционный предварительный
усилитель для фотовольтаических приемников излучения. — ОМП,
1973, № 12, с. 66—67.
206
41. Давыдов В. С., Маркин В. А. Порог чувствительности узко-
полосных систем фотоприемник — усилитель, стабилизированных об-
ратными связями. — ОМП, 1972, № 9, с. 14—15.
42. Борисовская Г. Д., Маркин В. А. Шумовые характеристики
операционных усилителей. — ОМП, 1972, № 9, с. 9—10.
43. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. — Л.:
Энергия. Ленингр. отд-ние, 1974.— 216 с.
44. Пат. 1315115 (Англия). Усовершенствование фотоприемного
устройства. Бенефт Ж.
45. Гуткин Л. С. Теория оптимальных методов радиоприема при
флуктуационных помехах. — М.: Госэнергоиздат, 1961. — 488 с.
46. Большаков И. А. Выделение потока сигналов из шума. — М.:
Советское радио, 1969. — 464 с.
47. Смирнов Р. А. Оптимизация параметров импульсных и широ-
кополосных усилителей. — М.: Энергия, 1976. — 200 с.
48. Аверин Л. Н. Прием коротких световых импульсов при помо-
щи фотодиода с квазиоптимальным фильтром. — ОМП, 1974, № 1П
с. 3—5.
49. Маркин В. А. Расчет пороговой чувствительности фотодиод-
ных устройств 'рисма световых импульсов.-—ОМП, 1973, № 12,
с. 13—16.
50. Tandon J. С., Poulston D. J. Low noise photodetector circuits
using EET’S. — Solid State Electronics, 1974, vol. 17, p. 607.
51. Henaff J. Structure hybride de detection et d’amplification
d’impulsions lumineuses breves. — EMJ 192/15-9-74.
52. Семенов H. А. Критерий выбора оптимальной частотной ха-
рактеристики в приемниках импульсных сигналов. — Радиотехника,
т. 8, № 2, 1953, с. 73.
53. Stock Laser Accessories Detectors. — Opt. Ind. Direction, 1975,
vol. 1.
54. Laser Focus Bayer Guide, 1975.
55. Температурная стабилизация фотопрпемника с лавинным фо-
тодиодом/ А. М. Бурд, Ю. А. Лейченко, Б. Н. Мотенко, А. С. По-
пов,—ПТЭ, 1975, № 4, с. 176—178.
56. Кудряшов В. А. О законах распределения шумов оптических
приемников с лавинными фотодиодами. — ПТЭ, 1972, № 1, с. 177—
178.
57. Берлизова О. М. Особенности работы фотодиода с операцион-
ным усилителем. — ОМП, 1977, № 8, с. 7—11.
58. Виноградов Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой
техники. — М.: Энергия, 1968. — 624 с.
59. DATA Optoelectronics, 1976, vol. 1. ‘
60. Аксененко М. Д., Красовский Е. А. Фоторезисторы. — М.: Со-
ветское радио, 1973. — 56 с.
61. Образование сигнала в матричных ФЭПах в процессе комму-
тации/ Н. А. Балабин, Ю. Н. Мохов, Г. П. Шеров-Игнатьев, В. Г. Чик-
ризов.— Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения, 1974,
вып. 2, с. 55—65.
62. Влияние методов коммутации матриц ФЭПов без накопления
информации на входной сигнал/ Н. А. Балабин, Ю. Н. Шеров-Игнать-
ев, В. Г. Чикрызов. — Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника теле-
видения. 1974, вып. 4, с. 19—26.
63. Барулин А. Г., Зейнеддинов Г. Н., Иванов В. Г. К расчету
твердотельных фотоэлектрических преобразователей матричного ти-
па.— Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразряд-
ные приборы, .1973, вып. 9. с. 3—11.
64. Баизникас 3. И., Жилинскас Ю. П. Расчет выходного сигнала
фотоэлектрических преобразователей изображения с построечным па-
коплением.— Радиотехника. Научные труды вузов Лит. ССР, 1974,
т. 10, № 2, с. 38.
65. Золотарев В. Ф. Безвакуумные аналоги телевизионных тру-
бок.— М.: Энергия, 1972.— 215 с.
66. Энжелер М., Таймен Д., Баерч Р. Транзистор с поверхност-
ным зарядом. — Зарубежная радиоэлектроника, 1972, № И, с. 79—
98.
67. Носов Ю. Р., Шилин В. А. Теоретический анализ режимов
хранения и передачи заряда в приборах с зарядовой связью.—Микро-
электроника, 1973, т. 2, вып. 1. с. 36—45.
68. Amelio G. F. — IEE Trans, on El. Devices, 1971, vol. ED-18, Kb 11,
p. 465.
69. IEEE Trans, on El. Devices, vol. 23, № 2, p. 215.
70. Секен К., Томпсет M. Приборы с переносом заряда: Пер. с
англ./ Под ред. В. В. Поспелова и Р. А. Суриса.—М.: Мир, 1978.—
328 с.
71. Дорофеев А. Н., Мохов Ю. Н. Выходные каскады устройств
импульсного питания затворов матричных ПЗС. — Техника средств
связи. Сер. Техника телевидения, вып. 2, 1978, с. 41—47.
72. Барбе Д. Приборы с зарядовой связью для формирования
сигналов изображения. — ТИИЭР, 1975, т. 63, с. 45—79.
73. Носов Ю. Р., Шилин В. А. Полупроводниковые приборы с за-
рядовой связью. — М.: Советское радио, 1976.— 144 с.
74. Соул Д. Электронно-оптическое фотографирование.—М.: Восн-
издат, 1972. — 404 с.
75. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлект-
роника: Пер. с англ. — М.: Мир, 1975. — 430 с.
76. Третьяков В. А., Попеко Л. А. Световая обратная связь в
низкошумящих предусилителях. — ПТЭ, 1973, № 2, с. 125—127.
77. Выставкин Л. Н. К расчету коэффициентов поглощения объ-
емных полупроводниковых детекторов излучения. — В кн.: Полупро-
водниковые приборы и их применение. — М.: Советское радио, 1968,
вып. 20, с. 212—236.
78. Антонов Е. И. Устройства для охлаждения приемников излу-
чения.— Л.: Машиностроение, 1969. — 247 с.
79. Грезин А. К„ Зиновьев В. С. Микрокриогснпая техника.—
М.: Машиностроение, 1977. — 232 с.
80. Транзисторы. Под общ. ред. А. А. Чернышева. — М.: Энергия,
1980. — 144 с.
81. Зарубежная радиоэлектроника, 1975, № 16.
82. Справочник по лазерам. Т. 2. — М.: Советское радио, 1978 —
400 с. ‘