Диссертация (1090210), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

2.11 – Схема измерения спектральных характеристик УФ фотодетектора: 1 – осветительное устройство с лампой ДДС-30, 2 – УФ-излучение, 3 –монохроматор МДР-23, 4 – УФ-излучение, выделенное монохроматором, 5 –алмазный фотодетектор, 6 –фотосигнал с алмазного фотодетектора, 7 – регистрирующие устройство, 8 – напряжение смещения фотодетектора, 9 – питающиенапряжение детектора, 10 –блок питания детектора.74Была проведена серия измерений спектральных характеристик фоточувствительности УФ-фотодетектора при значениях напряжений смещения 0…150 Вс шагом 10 В (рисунок 2.12).

Спектры фоточувствительности представленытрехмерным графиком в виде относительных спектральных характеристик, т.е.характеристик, нормированных на максимум фотосигнала для каждого подаваемого напряжения смещения [77].Как видно из данных рисунка 2.12, фотодетектор обладает разными формами спектральных характеристик при разных значениях приложенного напряжения смещения. Иными словами, величина фототока при различных длинах волн падающего излучения различным образом изменяется при изменениинапряжения смещения.Возможность управления спектральной фоточувствительностью алмазныхдетекторов [69] в спектральном диапазоне 190…230 нм изменением напряжения смещения Uсм = 0…150 В позволяет создать на их основе спектрофотометрическую установку (рисунок 2.5), которая может обеспечить возможностьраспознавания состава многокомпонентных смесей в воздухе или в жидкости.Рис.2.12 – Относительные спектральные характеристики алмазного УФфотодетектора, полученные при подаче различных напряжений смещения.75Рассмотрим задачу распознавания многокомпонентных смесей в предлагаемой спектрофотометрической установке (см.

рисунок 2.13) в наиболее общем виде [78-80].Рис. 2.13 – Спектрофотометрическая установка с возможностью распознавания состава многокомпонентных смесей: 1 – немонохроматический источниксвета (дейтериевая лампа), 2 – оптический коллиматор, 3 – исследуемый образец, многокомпонентная смесь, 4 – фотодетектор на основе алмаза, 5 – блокусиления сигнала фотодетектора, 6 – аппаратура управления источником света,7 – микроконтроллер или персональный компьютер с программным обеспече-нием для обработки сигналов с фотодетектора; l – длина оптического пути в исследуемом образце.Пусть исследуемая среда состоит из одного компонента. Тогда согласнозакону Бугера-Ламберта-Бера поглощение излучения будет определяться выражением [77]:I I 0 = exp[ − Kcl ],где I, I0– прошедший и падающий потоки излучения, соответственно; K – молярный коэффициент поглощения исследуемого вещества; с – концентрация вданном растворе; l– толщина слоя вещества, через которое проходит свет.76Если среду освещать источником УФ-излучения мощностью 1Вт во всёмисследуемом диапазоне, то прошедшее излучение будет иметь интенсивностьI = exp [ − Kd ] , где d = cl .

Следовательно, фототок J, зарегистрированный на фо-топриёмнике, при потоке УФ-излучения, прошедшего через среду, запишем какJ = S exp [ − Kd ] ,где S – спектральная чувствительность фотоприёмника.Если среда состоит из n компонентов, то i =nJ = S exp  − ∑ Ki d i  , i =1(2.1)где Ki– молярный коэффициент поглощения i–й компоненты; di – параметр, зависящий от концентрации i–й компоненты.Из (2.1) следует, что при измерении фототока нельзя однозначно определить, какие вещества находятся в смеси. Изменив смещение фотодетектора,можно варьировать форму спектральной чувствительности фотоприёмника ифактически менять аппаратную функцию системы.

Зависимость фототока отпадающего излучения будет выглядеть как i =nJ j = S j exp  − ∑ Kij dij  , i =1где Sj– спектральная чувствительность фотоприёмника при j-м напряжениисмещении; Kij– молярный коэффициент поглощения i– й компоненты в j-м интервале спектра; dij– параметр, зависящий от концентрации i– й компоненты в jм интервале спектра.Преобразуем уравнение (2.1) к виду:i =n∑K diji =1ij= − ln  J j S j  .Из (2.2) следует, что если n=j, то можно записать систему уравнений:(2.2)77 K11d11 + K 21d 21 + K31d 31 + L + K n1d n1 = − ln [ J 1 K d + K d + K d + L + K d = − ln J[ 222 2232 32n2 n2 12 12 K d + K d + K d + L + K d = − ln [ J23 2333 33n3 n33 13 13M K1 j d1 j + K 2 j d 2 j + K 3 j d 3 j + L + K nj d nj = − ln  J jS1 ]S2 ]S3 ] .S j Так как Kij известна для каждого искомого вещества, а Sj– для алмазногофотодетектора, то измерив, фототок j при разных напряжениях смещения, можно определить состав многокомпонентной смеси, допустив, что при равенственулю всех di данные компоненты в растворе отсутствуют.Таким образом, можно сделать вывод о том, что благодаря нелинейной зависимости спектральной характеристики алмазного прибора от смещения появляется возможность распознавать одним детектором компоненты сложных смесей или повысить точность измерения однокомпонентной смеси.Выводы к Главе 21.

Для изготовления работоспособных приборов на основе алмаза кон-центрация азота в полупроводниковой фоточувствительной пластине алмаза недолжно превышать 2⋅1018 атомов/см3.2. Технологические приёмы изготовления алмазных датчиков были раз-работаны на базе технологии производства кремниевых интегральных схем всвязи со схожестью большинства технологических процессов изготовления ИСи АФП. Однако, наличие индивидуальных номеров для каждой пластины, атакже различные габариты (особенно толщина пластины), привели к тому, чтопришлось изготавливать специальную технологическую оснастку-держатель: –индивидуальную для одной алмазной пластины на операции травления, химической обработки, фотолитографии; групповую (до 10 посадочных мест) дляоперации напыления диэлектрических и металлических покрытий.3.

Химическая обработка, используемая в микроэлектронике для отмывкикремниевых пластин в кипящих растворах сначала «КАРО», затем «ПАО» по-78казала хорошие результаты при очистке алмазных пластин. В тоже время, дополнительная обработка в кипящем хромпике позволяет удалять и графитизацию, возникающую после высокотемпературных обработок алмазных пластин.4. Оптимальным материалом электродов для алмазных материалов, посовокупности свойств, можно считать платину с адгезионным подслоем из тантала или титана.5. Оптимальным материалом для контактных площадок является золото, ститаном или нитридом титана в качестве адгезионного подслоя.

Однако в детекторах, применяемых в условиях исключающих агрессивные среды, в качестве контактных площадок можно использовать алюминий, с последующей разваркой кристалла алюминиевой проволокой.6. Световая ВАХ алмазной пластины с верхним полупрозрачным элек-тродом имеет нелинейный вид близкий к диодному не из-за наличия потенциального барьера, а исключительно из-за разности времени жизни электронов идырок в алмазе.7. С повышением напряжения смещения форма спектра фоточувстви-тельности алмазного фотодиода меняется, причём у относительно чистых алмазов (концентрация азота < 1018) растёт фоточувствительность в области длинволн короче 210 нм, а у более «грязных» (концентрация азота ~ 1019) начинаетрасти фоточувствительность в районе 240-280 нм, обусловленная примеснымицентрами (B1 и B2).8.

В связи с разной реакцией фоточувствительности «чистых» и «гряз-ных» алмазов на изменение напряжения смещения, можно сделать вывод, о невозможности создать датчик с диапазоном чувствительности от180 до 280 нм,путём легирования его азотом или подбора алмазной пластины по этому критерию.9. Возможность управления формой спектра фоточувствительности ал-мазного фотодетектора позволяет конструировать спектральные приборы, которые за счёт изменения аппаратной функции своей оптической системы могут79распознавать состав многокомпонентных смесей, используя одиночный детектор.803 МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ АЛМАЗНЫЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ФОТОДЕТЕКТОРЫ3.1 Разработка конструкции матричных фотоприемных системПри разработке УФ матричных фотоприемных систем использовался сорокалетний опыт создания твердотельных ИК преобразователей изображения.К настоящему времени предложены десятки (если не сотни) различных типов имодификаций таких систем [81 – 83].Из проблематики создания твердотельных преобразователей изображениявыделим три группы вопросов.• архитектура матрицы в целом (состав блоков, организация, конструк-ция);• пикселы (их схемотехника);• технология.3.1.1 Архитектура матрицыПервый вопрос при объединении отдельных фоточувствительных ячеек(пикселов) в единую матричную структуру – это каким образом выводить фо-тосигналы ячеек на один выход (на группу выходов).

Иначе говоря, - каковысхемотехнические принципы соединения этих пикселов? Рассмотрим преобразователи изображения с двумя основными принципами опроса.3.1.1.1 Решетчатая структура (матрица с адресным опросом).Матрица содержит две системы шин – условно горизонтальные и вертикальные шины (решетку); на пересечении шин к ним подключаются фоточувствительные пикселы [84,85].

По горизонтальным шинам подаются импульсы опроса, а по вертикальным шинам сигнал передается на выход (выходы). Подобный прибор называется прибором с зарядовой инжекцией (ПЗИ) и является одной из двух основных разновидностей приборов с переносом заряда. К приборус зарядовой инжекцией мы вернемся ниже.813.1.1.2 Конвейерная структура.Пикселы соединяются в линейки (цепочки). В двухмерной структуре выхода всех таких линеек (столбцовых) объединяются специальной строчной линейкой, выводящие по очереди фотосигналы пакетов фотозарядов с фоточувствительных столбцовых линеек на один выход [85].

Как указывалось, первойструктурой, в которой реализовался конвейерный принцип, была пожарная цепочка. Собственно говоря, сами термины «конвейер» и «пожарная цепочка» эквивалентны [85].Основным прибором конвейерной структуры стал прибор с зарядовой связью (ПЗС) – один из двух типов (и основной тип) приборов с переносом заряда.Кремниевые ПЗС революционизировали кинофотопромышленность, привели ксозданию систем технического зрения видимого диапазона самого различногоназначения, в том числе цифровой видеотехники [85].Область спектральной чувствительности кремниевых матриц ограничена,естественно, областью собственного поглощения этого материала, и не позволяет использовать его в УФ области спектра.По конструктивному исполнению фоточувствительной площадки матрицы(связи пикселов с системой опроса и вывода сигналов с них, использованиюодного или нескольких кристаллов и полупроводниковых материалов)ИК−матрицы можно разделить на три типа.Первый тип: фоточувствительная площадка матрицы на одном полупроводнике (обычно InSb, СdHgTe, Si, PbS).На узкозонном полупроводнике (InSb, СdHgTe) формируются структуры,подобные структурам кремниевых матриц.

Характеристики

Список файлов диссертации