Тема 1. Введение. Современные инфракрасные матричные ФПУ, модули и ИК-камеры

Лекция 1

Цель курса - изучение принципов действия и основных направлений развития приборов ИК-техники, оптоэлектроники твердотельной электроники, принципов и методов построения дискретных приборов, базовых и перспективных технологических процессов, используемых в производстве приборов (жидкостная, газотранспортная и молекулярная эпитаксия, ионная имплантация и т.п.).

Наибольшее внимание будет уделено фотоэлектронике, одному из наиболее быстро развивающихся направлений полупроводниковой электроники. Без использования фотоприемников немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы теплопеленгации, тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и геофизические исследования, диагностика плазмы, выявление онкологических заболеваний, анализ загрязнения окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

Если современная микроэлектроника обходится практически только одним полупроводниковым материалом - кремнием, то в микрофотоэлектронике для получения наилучших параметров и характеристик приборов на каждом спектральном диапазоне необходимо использовать свой полупроводниковый материал, а иногда и не один. Это обусловлено областью применения, т.е. конкретными техническими требованиями и условиями эксплуатации приборов.

Фотоприемник ИК излучения предназначен для того, чтобы обнаружить фотосигнал, измерить его и извлечь необходимую для последующего использования информацию. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) и приборы, основанные на использовании нелинейных оптических эффектов, представляют собой новое слово в технике извлечения большой информации из слабых сигналов ИК-диапазона. Эти приборы, будучи прямо или косвенно связаны с основными типами фотоприемников, дают огромный выигрыш по уровню шума, компактности, затратам на систему отработки сигнала. Совместное использование ПЗС и фотоприемников начато сравнительно недавно, но быстро развивается и предвещает крупные успехи при решении проблемы выделения слабых сигналов на фоне сложных помех.

Для фотоприемников, работающих на основе внутреннего фотоэффекта, широко используются как чистые, так и легированные различными примесями кремний и германий, сульфиды свинца и кадмия, антимонид и арсенид индия, твердые растворы арсенидов галлия и алюминия. С развитием тепловидения резко возрос интерес к твердым растворам кадмия и ртути, которые выходят на первое место при использовании в системах ИК-техники, несмотря на трудности получения монокристаллов и эпитаксиальных слоев высокого качества.

ВЗАМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Существуют несколько видов взаимодействия излучения с веществом. Их можно разделить на тепловые, фотонные эффекты и эффекты волнового взаимодействия.

При тепловых эффектах происходит изменение свойств вещества из-за изменения его температуры в результате поглощения излучения. К тепловым эффектам относятся: болометрический, термоэлектрический, пироэлектрический, пиромагнитный эффекты.

К фотонным эффектам относятся все типы взаимодействия внешнего излучения с электронами вещества, которые могут быть как связанными с решеточными атомами, так и свободными. Почти во всех случаях в качестве фоточувствительного материала используется полупроводник. Фотонные эффекты можно разделить на два типа: внутренний и внешний. При внешнем фотоэффекте, который называют также фотоэмиссионным, падающее излучение вызывает эмиссию электронов с поверхности материала фотокатода в окружающее пространство. Для фотоэмиссионных детекторов известен ряд способов усиления фотоэмиссии. К внутреннему фотоэффекту относятся все те явления, при которых возбужденные излучением носители (электроны или дырки) остаются в пределах образца. Явления, относящиеся к внутреннему фотоэффекту, можно разделить на три группы. При явлениях первых двух групп фотоны взаимодействуют с электронами, связанными либо с атомами кристаллической решетки полупроводника, либо с примесными атомами, и вызывают появление свободных электронно-дырочных пар (собственный фотоэффект), либо свободного электрона и связанной дырки или дырки и связанного электрона (примесный фотоэффект). Явления третьей группы: внешнее излучение поглощается свободными носителями заряда; вследствие этого электроны переходят в более высокие энергетические состояния, однако при этом не становятся свободными.

Можно указать несколько общих закономерностей перечисленных фотоэффектов, которые справедливы для широкого круга явлении, но не носят характера универсальных законов. Фотонные эффекты обладают меньшей, по сравнению с тепловыми, инерционностью. Фоточувствительность, нормированная на единицу падающей мощности, возрастает с ростом длины волны вплоть до длинноволновой границы, за которой фотоотклик падает до нуля. Детекторы, имеющие длинноволновую границу фоточувствительности в ультрафиолетовой, видимой или ближней ИК области спектра (2¸3 мкм), работают без охлаждения при комнатной температуре (295 К). Ряд детекторов с длинноволновой границей 4¸5 мкм требуют охлаждения до температуры сухого льда (195 К). Многие типы ИК-фотоприемников требуют охлаждения до температуры жидкого азота (77 К); к ним относятся детекторы, работающие на основе собственного фотоэффекта, чувствительные в атмосферных окнах прозрачности 3¸5 и 8¸14 мкм. Некоторые детекторы с длинноволновой границей чувствительности до 30 мкм должны охлаждаться до более низких температур; наиболее низкой практически достижимой рабочей температурой является температура жидкого гелия (4,2 К).

Из существующих фотонных эффектов, только фотопроводимость, фотогальванический и фотоэмиссионный эффекты нашли широкое практическое применение.

Фотопроводимость. Это явление заключается в изменении электропроводности материала под воздействием падающего на него излучения. Практически во всех случаях электропроводность измеряется с помощью электродов, присоединенных к образцу.

Измерительная схема для регистрации фотопроводимости показана на рис. 1. Почти во всех случаях используется образец такой геометрии, при которой направление падающего излучения перпендикулярно направлению электрического поля. Фотосигнал проявляется как изменение напряжения на нагрузочном резисторе, включенном последовательно с детектором, или как изменение тока через образец. Часто фотосигнал регистрируется с использованием нагрузочного резистора, сопротивление которого равно темновому сопротивлению детектора. Однако в этом случае не всегда удается оптимизировать отношение сигнал-шум.

Рис. 1. Электрическая схема подключения фоторезистора

Собственная и примесная фотопроводимость. Фотопроводимость можно наблюдать практически во всех полупроводниках. В случае собственной фотопроводимости свободная электронно-дырочная пара возбуждается фотоном с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны. Следовательно, основное требование в этом случае

hn³ E_G, hc / l ³ E_G (1.1)

h - постоянная Планка, n - частота падающего излучения,

c - скорость света, l - длина волны падающего излучения.

Отсюда длинноволновая граница собственной фотопроводимости

l₀ = hc / E_G (1.2)

Для длин волн, больших l₀, собственная фотопроводимость невозможна. Соответствующее выражение для вычисления длинноволновой границы (в микрометрах) собственной фотопроводимости полупроводников с шириной запрещенной зоны, измеренной в электрон-вольтах, имеет вид

l₀=1,24 /E_G (1.3)

Примесная фотопроводимость наблюдается в том случае, если энергия падающих фотонов недостаточна для образования электронно-дырочной пары, но ее хватает, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон. Длинноволновая граница примесной проводимости

l₀= hc/E_I (1.4 )

E_I - энергия ионизации примеси, или

l₀= 1,24 /E_I (1.5)

l₀ дана в микрометрах, а E_I в электрон-вольтах.

Основное уравнение, описывающее работу фоторезистора, имеет вид

i_s0 = hqN_lG (1.6)

i_s0 - фототок короткого замыкания при нулевой частоте модуляции падающего излучения;

h - квантовая эффективность, т. е. число возбужденных фотоизлучением носителей, приходящееся на один поглощенный фотон;

q - заряд электрона;

N_l - число фотонов с длиной волны l, поглощаемое образцом в единицу времени;

G - коэффициент внутреннего усиления, т. е. число злектронов, которое проходит через внешнюю цепь за время жизни возбужденного фотоизлучением носителя.

Фотопроводимость связана прежде всего с увеличением под действием излучения концентрации основных носителей тока. Неосновные носители тока также могут вносить некоторый вклад в фотопроводимость, но поскольку их время жизни много меньше, чем основных, этот вклад соответственно мал.

Коэффициент фотоэлектрического усиления можно представить как отношение времени жизни свободных носителей к времени пролета

G =t / T (1.7)

В этой упрощенной модели t - время жизни основных носителей тока, а T - время пролета

T = l² / mV (1.8)

l - расстояние между токовыми контактами детектора,

m - подвижность, основных носителей тока,

V - напряжение смещения на образце.

Мощность монохроматического излучения связана с числом фотонов, поглощаемых образцом в единицу времени, соотношением:

N_l= P_ll / hc (1.9)

Тогда выражение (2.6) принимает вид:

i_s0 = hqP_llmtV / hcl² (1.10)

Таким образом, фототок короткого замыкания пропорционален поглощаемой мощности и линейно зависит от длины волны для l£l₀, где l₀ определяется выражением (2.3) или (2.5). В том случае, когда фоторезистор, имеющий сопротивление R, включен в цепь с внешней нагрузкой R_н (см. Рис. 1), фототок равен i_s0, умноженному на отношение R/(R + R_н).Тогда напряжение фотосигнала на нагрузочном сопротивлении:

DV = i_s0 R_н R/(R + R_н) (1.11)

Сопротивление фоторезистора связано с проводимостью материала s, концентрацией основных носителей тока n, длиной l, шириной w и толщиной образца d соотношением:

R = l / swd = l / nqmwd (1.12)

Предполагается, что изменение проводимости при освещении невелико по сравнению с темновой проводимостью. При R>>R_н, напряжение фотосигнала близко к напряжению разомкнутой цепи (напряжению холостого хода), которое с учетом (2.10, 2.11, 2.12) равно:

v_s0 = i_s0 R =h P_llt V / hcnlwd (1.13)

Быстродействие отражает способность фоторезистора воспринимать модулированный поток излучения, и определяется в одних случаях временем жизни основных носителей тока, в других - временем захвата на ловушках.

i_s= i_s0 / (1+ w²t²)^1/2 (1.14)

v_s= v_s0 / (1+ w²t²)^1/2 (1.15)

i_s0 и v_s0 - ток короткого замыкания и напряжение холостого хода на частоте f = w/2p,а t - временя жизни основных носителей или временя захвата на ловушках.

Таким образом, при низких частотах фотосигнал не зависит от частоты модуляции, а на высоких убывает пропорционально частоте.

Фотогальванический эффект. В отличие от эффекта фотопроводимости для реализации фотогальванического эффекта необходимо наличие внутреннего потенциального барьера со встроенным электрическим полем, которое разделяет возбужденные фотоизлучением электронно-дырочные пары. Хотя примесный фотогальванический эффект вполне осуществим, практически все фотогальванические детекторы работают на собственном фотоэффекте. Чаще всего используется обычный p-n переход, хотя возможно применение гетеропереходов, лавинных, p-i-n фотодиодов, диодов с барьером Шотки. Не исключено также использование объемного фотогальванического эффекта.

р-n переход. В наиболее простой форме фотогальванический эффект проявляется на p-n переходе, изготовленном по стандартной технологии с применением таких операций, как легирование полупроводника в процессе его выращивания, диффузия примесей или наращивание эпитаксиального слоя на подложке с проводимостью противоположного знака.

На рис. 2 схематически изображен фотодиод с p-n переходом, а на рис. 3 представлена его энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процессы фотовозбуждения и разделения носителей тока.

Рис. 2. Фотодиод с р-n переходом.

Рис.3. Фотовозбуждение в p-n переходе

В отличие от фоторезисторов, вольт-амперные характеристики которых линейны, в приборах с p-n переходом происходит выпрямление. Из рис. 4 следует, что фототок представляет собой добавку к темновому току - I_d ( току, протекающему через фотодиод в отсутствие воздействия излучения в области его спектральной чувствительности ).

Рис.4. Вольт-амперные характеристики фотодиода

По определению фотогальванический эффект должен наблюдаться в отсутствие смещения, а фотосигнал представляет собой напряжение, возникающее на клеммах фотодиода под действием излучения. Довольно часто фотоприемник с р-п переходом работает в режиме, когда на фотодиод подано обратное напряжение смещения. В этом случае говорят, что фотоприемник работает в фотодиодном режиме. Схемы включения фотодиодов, соответствующие описанным выше случаям, представлены на рис. 5.

а	б
Рис. 5. Способы подключения фотодиода
а- режим холостого хода (фотогальванический эффект);	б - режим обратного смещения

Основное уравнение, описывающее работу фотодиода, аналогично уравнению (2.6) для фоторезистора при условии равенства единице коэффициента фотоэлектрического усиления:

i_s0 = hqN_l (1.16)

i_s0 - фототок короткого замыкания фотогальванического детектора при нулевой частоте модуляции падающего излучения

С учетом соотношения (2.9) для мощности монохроматического излучения, поглощаемой образцом в единицу времени, получим:

i_s0 = hq P_ll/hc (1.17)

Чтобы получить напряжение v_s0, возникающее на клеммах фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме, ток короткого замыкания необходимо умножить на дифференциальное сопротивление dV/dI при V =0.

В общем случае вольт-амперная характеристика диода описывается выражением

I_d=I_s [ехр (qV/bkT) - 1] (1.18)

I_d - темновой ток; I_s - обратный ток насыщения; k - постоянная Больцмана; b- константа порядка единицы; T - абсолютная температура;V - приложенное напряжение (положительное в пропускном направлении).

Дифференциальное сопротивление определяют из формулы

1/R=dI/dV½_V=0 =qI_s/bkT (1.19)

Отсюда напряжение фотосигнала на выходе фотогальванического приемника

v_s0 =hP_llbkT/hcI_s (1.20)

Величина напряжения фотосигнала пропорциональна длине волны поглощаемого излучения. Заметим также, что в выражения для фотосигнала не входит время жизни основных носителей тока.

В отличие от фотопроводимости фотогальванический эффект сильно зависит от времени жизни неосновных носителей тока. Частотные зависимости фотосигнала описываются выражениями:

i_s= i_s0/(1+ w²t²)^1/2 (1.21)

v_s= v_s0 /(1+ w²t²)^1/2 (1.22)

t- время жизни неосновных носителей заряда.

Фотодиоды обладают большим, чем фоторезисторы, быстродействием, так как время жизни неосновных носителей заряда меньше времени жизни основных.

Фотоэмиссионный эффект. При внешнем фотоэффекте, который называют также фотоэмиссионным, падающее излучение вызывает эмиссию электронов с поверхности материала фотокатода в окружающее пространство. Для фотоэмиссионных детекторов известен ряд способов усиления фотоэмиссии.

Применения фотоэмиссионного эффекта весьма многочисленны. Вакуумные фотоприемные трубки, содержащие только фотокатод и анод, применяются для регистрации очень быстрых процессов. Газонаполненные приборы, имеющие высокий коэффициент внутреннего усиления из-за лавинной ионизации газа, могут использоваться без внешнего усилителя. Оптропы на основе фотоэмиссионного эффекта нашли применение в передающих телекамерах. Широко распространены фотоумножители. В них электроны, освобожденные из фотокатода в результате поглощения квантов света, испытывают соударения с последовательно расположенной системой электродов (динодов), на которые подано электрическое смещение, и вызывают появление вторичных электронов. Таким образом, каждый электрон, попавший на динод, инициирует появление одного или более вторичных электронов, что приводит к усилению первичного фотосигнала. Одной из модификаций фотоумножителя является фотоприемная трубка, внутренняя поверхность которой обладает способностью эмиттировать вторичные электроны, а электрическое смещение приложено по всей длине трубки. Электроны, пересекающие внутренний объем такой трубки, испытывают повторные соударения со стенками, что вызывает появление лавины вторичных электронов. Разработаны методы создания порядка миллиона каналов на фоточувствительной площадке размером в один дюйм. Такие приборы с фотоэмиттирующей поверхностью используются для получения изображения в условиях слабого освещения, например ночью.

Обычные фотокатоды. Фотокатод определяет спектральные свойства фотоэмиссионного прибора. Фотокатоды бывают двух типов: обычные и с отрицательным электронным сродством. Энергетические диаграммы двух фотокатодов обычного типа показаны на рис. 6.

Рис. 6. Зонные схемы фотоэмиссии: а) - из металлического фотокатода; б) - из полупроводникового фотокатода с положительным электронным сродством

Металлический фотокатод (рис. 6,а) характеризуется работой выхода qj, которая равна энергии, необходимой для перевода электрона с уровня Ферми в металле на уровень, расположенный выше потенциального барьера у поверхности металла, т. е. для удаления электрона из металла. Отсюда следует, что минимальная энергия, которой должен обладать фотон, чтобы вызвать фотоэмиссию, равна работе выхода металла. Работа выхода металлов составляет несколько электрон-вольт, поэтому металлические фотокатоды обычно используются для регистрации излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

В качестве другого фотокатода обычного тина с энергетической диаграммой, показанной на рис. 6,б, может быть использован полупроводниковый материал с положительным электронным сродством. И в этом случае минимальная энергия фотона, необходимая для фотоэмиссии, - энергия, достаточная для перевода электрона с энергетического уровня в полупроводнике на уровень в зоне проводимости, расположенный выше потенциального барьера у поверхности. Как правило, полупроводниковые фотокатоды, по сравнению с металлическими, обладают меньшей работой выхода и, следовательно, имеют фоточувствительность в более длинноволновой области спектра. И, тем не менее, даже такие фотокатоды позволяют продвинуться лишь в самую ближнюю к видимой ИК область спектра.

Рис. 7. Процесс фотоэмиссии в полупроводнике с отрицательным электронным сродством

Фотокатоды с отрицательным электронным сродством. Другим типом фотокатодов являются катоды с отрицательным электронным сродством. Некоторые специально выбранные полупроводники р -тип а с поверхностью, покрытой напыленным слоем металла, приобретают отрицательное сродство к электрону, как показано на рис. 7.

В этом случае энергия падающего излучения, необходимая для фотоэмиссии, должна лишь соответствовать ширине запрещенной зоны полупроводника. Подбирая полупроводник и материал покрытия, можно изготовишь фотокатоды, обладающие чувствительностью в ближней ИК области спектра, однако их квантовый выход уменьшается. Поэтому современные фотоэмиссионные фотоприемники эффективно работают в области спектра примерно до 1 мкм.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО И ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Фотоприемники ИК-излучения могут быть разделены на несколько основных типов, определяемых характером взаимодействия излучения с веществом детектора, а именно: на фотоэлектрические, фотоэлектронные и тепловые.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 385; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!