Источники и приёмники Излучения, страница 45

В дальнейшем на первые электроды вновь можно подать такой потенциал хранения, который обеспечивает перетекание сигнального заряда обратно под первые электроды, и цикл опроса элементов ПЗИ может быть повторен много раз. Чтобы стереть зарядовый рельеф, перед новым циклом накопления со всех электродов ячеек одновременно снимают потенциал хранения, при этом происходит параллельная иижекция всех накопленных зарядов в подложку. На основе ПЗИ-структур могут быть реализованы однострочные и многострочные (матричные) фотоприемники. На рис. 6.26 показан фрагмент типичной структуры матричного ПЗИ-фотоприемника с координатной адресацией. Каждая ячейка образована папой смежных МОП-конденсаторов. Управляющие электроды ячеек через коммутирующие ключи на МОП-транзисторах связаны с регистрами горизонтальной и вертикальной разверток, реализованными на том же кристалле.

Сигнальные заряды могут накапливаться под любым из электродов ячейки1 либо одновременно под двумя электродами. Возможен также перенос зарядов в пределах ячеек, Инжекция заряда выбранной ячейки осуществляется снятием потенциала хранения одновременно со строчной и столбцевой шин, связанных с электродами данной ячейки. В зависимости от способа подключения к такой структуре усилительных каскадов, а также ключей установки исходного потенциала (ключей сброса) можно реализовать различные методы детектирования сигнальных зарядов.

Некоторые из них подробно описаны в литературе. Чтобы улучшить основные параметры и характеристики фотоприемного устройства, предварительные каскады усилителей и ключи сброса на МОП-транзисторах часто 203 02 0„ а) бх 0,1 l Дмгл Рис. 6.25. Фрагмент структуры матричного ПЗИ- фотоприемника с координатной адресацией выполняют в едином технологическом цикле на одном кристалле с ПЗИ-структурой. В отличие от ПЗС в ПЗИ возможен опрос элементов в произвольном порядке, а также неразрушаемое считывание сигналов. Это является важнейшим достоинством ПЗИ, которое облегчает задачу их сопряжения с современными микропроцессорными средствами обработки сигнала.

Благодаря отсутствию передачи заряда от ячейки к ячейке вдоль поверхности к одному выходу в фотоприем- ' ных устройствах наПЗИ не искажается зарядовый рельеф, а также отсутствуют шумы переноса, характерные для ПЗС. В остальном системы параметров и характеристик ПЗС и ПЗИ совпадают (см. 5 6.2). Однако следует отметить, что в матричных ПЗИ-структурах вследствие значительной емкости адресных шин, к которым подключаются входные каскады усилителей, наблюдается больший по сравнению с ПЗС уровень шумов усилителя. Это же обстоятельство делает весьма сложным создание малошумящих ПЗИ-фотоприемников с большим (более нескольких тысяч) числом элементов.

Кроме того, технология изготовления ПЗИ-фотоприемников . значительно сложнее, чем аналогичных приборов на ПЗС-структурах, так как на одном кристалле помимо накопительных ячеек необходимо реализовывать систему коммутирующих ключей и управляющие регистры (либо дешифраторы кода выбранной ячейки). На базе малоформатных (32х32 или 64х64 элемента) можно . создавать многокристальные фотоприемные устройства с очень . большим числом элементов. При этом, чтобы уменьшить зазоры, 204 выводы кристаллов располагают с противоположной от фоточувствительной поверхности стороны подложки, При необходимости отдельные кристаллы ПЗИ могут размещаться на неплоской, например сферической, поверхности, оптимально согласованной с поверхностью фокусировки оптической системы.

Глава 7 ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ В тепловых ПИ взаимодействие лучистого потока с веществом приводит к появлению температурного поля в чувствительном элементе и, как следствие, к повышению его температуры. При таком изменении термодинамического состояния системы решетка— электроны увеличивается энергия электронов и изменяются их электрические свойства.

Спектральная чувствительность тепловых ПИ постоянна в широком спектральном интервале, так как энергия фотонов преобразуется в тепло неселективно (рис. 7.1, а). Для увеличения абсолютной спектральной чувствительности тепловых ПИ необходимо, чтобы чувствительный элемент поглощал все излучение вплоть до самых больших длин волн. При этом повышение температуры должно быть прямо пропорционально полному поглощенному лучистому потоку, для чего чувствительный элемент покрывают тонким слоем черни, приближая условия поглощения излучения к идеальным (как в абсолютно черном теле, когда поглощается все падающее на него излучение). На практике отмечается ограниченный спектральный интервал работы тепловых ПИ (см.

рис. 7.1, а): ).' ы — ограничивается проницаемостью материала приемного элемента и пропусканием Рис. 7.1. Спектральная чувствительность тепловых ПИ (а) и схемы вклгочения термоелементов (б, е): 1 — теоретнчсская; 2 — акснарнмснтааьаая окна ПИ, Х" ., — ростом коэффициента отражения матерна лв1' приемного элемента и материалом окна ПИ. Тепловые ПИ делятся на несколько групп: термоэлементы, болометры, оптико-акустические ПИ, пиропрнемникя, основанные на применении поляризации пироактивного кристалла при воздействии на него модулированного лучистого потока, ПИ на термоупругом эффекте кристаллического кварца (и других пьезокрис-, таллов), основанные на появлении электрической разности потенциалов на приемном элементе из-за термоупругих деформаций при облучении модулированным лучистым потоком, калориметры, тепловые преобразователи изображения.

й 7.1. Термозлемеиты В основе принципа действия термоэлемента (ТЭ) лежит прин- цип термопары — термоэлектрический эффект Зеебека, который заключаетсн в появлении термо-э. д. с. в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников при нагревании падающим лучистым потоком места их спая (рис. 7.1, в). При переменной температуре вдоль проводника электроны с горячего конца диффундируют в направлении, обратном темпера- турному градиенту, так как они имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце, возникает отрицательный заряд, а на горячем — положительный. В полупроводниках это явление выражено еще сильнее, так как э.

д. с. электронного и дырочного полупроводников складываются. У различных пар материалов значения термо-э. д. с. неодинаковы. Для изготовления ТЭ используют различные материалы (металли- ческие и полупроводниковые пары материалов). При сравнении пар пользуются удельной термо-э. д. с., кото- рая характеризуется значением э. д. с., возникающей при единич- ном температурном перепаде, ли, = балт, (7.1) где Лиг — термо-э. д. с., возникающая при нагреве спая до температуры ЛТ; ат — коэффициент термо-э. д.

с. ТЭ, численно равный разности температур в 1 'С. Удельная термо-э. д. с. металлических ТЭ составляет от единиц до десятков мкВ('С, у полупроводниковых ТЭ вЂ” значительно выше, ' так как число носителей с температурой в полупроводнике растет и электронный и дырочный токи складываются. Металлические термоэлементы изготовляют из меди, никеля, кобальта, висмута, платины, алюминия, тантала, серебра, сурьмы, железа, константана (сплава меди и никеля) и т. д.

Полупроводниковые — из сурьмы, кремния, теллура, селена. Термоэлемент в простейшем случае работает так (рис. 7.1, б): на спай падает поток излучения ЛФ и вызывает равность температур ЛТ и равность потенциалов Лиг = ат ЛТ. Через сопротивле- ', 206 ли = ли, — ли„ причем Лип = ЛФтат(от где от — полная термическая проводимость спая, Вт(К. С учетом уравнений (7.1), (7.2) и (7.4) получим Ли = атТ вЂ” (<атТ(от), (7.4) Эффект Пельтье увеличивает эффективное сопротивление цепи ТЭ на величину атТ(от Для определения тока получим следующее выражение; И+(ийтТ(от = ит ЛТ, откуда 1 = ат ЛТ(Я+ итТ(от), где й — сопротивление ТЭ. Если пренебречь эффектом Пельтье, то выражение для интегральной вольтовой чувствительности холостого хода принимает вид Я»инт =- Ют(ЛФ = ат ЛТ(ЛФ = ага(от где и — коэффициент поглощения.

Прн работе с модулированным лучистым потоком 5»„„= = аат((2я(С), где С вЂ” теплоемкость спая, Дж(К. Чтобы увеличить вольтовую чувствительность, надо увеличить а, ат и уменьшить от. Увеличить а можно чернением спая, а уменьшить от — ваккуумнрованием приемного элемента. Кроме того, применяют последовательное включение нескольких ПИ (рис. 7.1, в). Теплопроводность висмута, железа, никеля, свинца, ртути, селена составляет 0,15 — 0,015 Вт(м К, а сплавов — 0,005— 0,008 Вт(м К.

Интегральная вольтовая чувствительность металлических ТЭ находится в пределах 3 — 5 В(Вт, чувствительность 207 ние нагрузки Я потечет ток, который вызовет противоположный термоэлектрическому эффекту эффект Пельтье, заключающийся в том, что при пропускании тока охлаждается горячий спай. Коли- чество тепла, отводимого в 1 с от спая, т. е. поток тепловой энергии, ЛФт = — (7т(' (7т = итТ, где Лт — коэффициент Пельтье; 1 — ток; Т вЂ” температура про- водника, по которому течет ток 1. Следовательно, — итТС (7.2) Выделением тепла по закону Джоуля — Ленца пренебрегаем из-за малости токов. Тогда общая термо-э.