Диссертация (1090210), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Технологические процессы по формированию структур на кремнии происходят при температурах неболее 600ºС при атмосферном давлении, а выращивание алмазных плёнок притемпературах более 850ºС. Кроме того, при температурах выше 800ºС кремнийначинает взаимодействовать с углеродом с образованием карбидов.3. Для создания многоэлементных алмазных приёмников наиболее под-ходит «сэндвичевая» структура.
Это когда детектирование УФ-излучения происходит в алмазных фотоприемниках, а обработка электрического сигнала (накопление, опрос) – в кремниевом кристалле. Электрическое соединение кристаллов осуществляется с помощью индиевых столбов, которые специальновыращиваются на каждом (либо одном) кристалле.4. Из-за малых входных токов в алмазных матрицах не возникает проблемс переполнением ёмкости накопления, в то же время из-за высокого сопротивления алмаза и, следовательно, большой входной ёмкостью, возникают проблемы с быстродействием, что требует отдельных технологических мер дляснижения входной ёмкости прибора.5. Гибридная сэндвич-матрица превосходит ПЗИ на алмазе по важномудля большинства приложений параметру – по чувствительности, обусловленной наличием оптимизированных схем обработки в кремниевом пикселе.6.
По технологиям, представленным в Главе II, были изготовлены прибо-ры и проведены измерения и испытания, доказавшие их работоспособность.7. Темновой ток встречно-штыревой конструкции линеек является доста-точно большим и неоднородным от пиксела к пикселу, и связан с поверхност-143ными токами утечки. В связи с этим и фототок также имеет значительный разброс от пиксела к пикселу (геометрический шум 23,8%).8. Чувствительность линейной структуры работающей через объём, былав шесть раз выше, чем у встречно-штыревой структуры, темновой ток былменьше в 4 раза, при геометрическом шуме 1,1%. Что показывает значительноепреимущество объёмного пиксела перед пикселом встречно-штыревой конструкции.9.
Фотопроводимость пикселов матрицы аналогична таковой у одноэле-ментным фотодетекторов. Неравномерность фоточувствительности от пикселак пикселу (геометрический шум 21,8%) обусловлена внутренними локальнымимикронеоднородностями природного кристалла алмаза, в которых, повидимому, присутствуют центры рекомбинации, резко ограничивающие времяжизни неравновесных электронов и дырок.10. Впервые в мире была изготовлена алмазная матрица форматом128х128, спектральным диапазоном от 180 до 270 нм, с геометрическим шумом8,5%, состыкованная с мультиплексором с помощью индиевых столбцов и по-лучено с её помощью УФ-изображение.1444 ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗНЫХ ФОТОДЕТЕКТОРОВ4.1 Приборы на основе алмазных материаловПринцип действия фотоприемников на основе алмаза аналогичен приборам, изготовленным из других полупроводниковых материалов, например, германия, кремния, антимонида индия и т.п.[112].
Конструкция алмазного фотоприемника также аналогична конструкциям широко известных фотоприемников.Первые отечественные опытные образцы фоторезисторов с использованием природных алмазов, были разработаны и изготовлены в начале 90х годовпрошлого века в лаборатории Кваскова В.Б. в Государственном институте алмазов и золота .Для изготовления фоточувствительного элемента алмазного фоторезистораиспользовалось околоювелирное сырье, добываемое в республике Саха и поставлявшееся в институт Гохраном РФ, как «алмазы для технических нужд».Рис. 4.1 – Конструкция алмазного фоторезистора: 1 – фоточувствительныйэлемент; 2 – подложка; 3 – корпус.Конструкция алмазного фоторезистора (АФР) приведена на рисунке 4.1.
Вметаллостеклянном цилиндрическом корпусе, имеющем отверстие для входного окна, на специальной подложке из стекла размещался фоточувствительныйэлемент. ФЧЭ изготавливался из числа предварительно отобранных кристаллов. После стандартной механической обработки (резка, шлифование, полирование и т.д.) из кристаллов неправильной формы выделялись элементы прямо-145угольной формы. Омические контакты выполнялись при помощи серебросодержащей пасты, которая вжигалась при температуре 600°С.Конструкция фоторезистора предусматривала два варианта использования:без входного окна и с окном, изготовленным из материала, прозрачного в рабочем диапазоне спектра.
В последнем случае спектральные характеристики АФРопределялась не только свойствами кристалла, но и пропусканием материала изкоторого изготавливалось входное окно.В качестве таких материалов использовался плавленый кварц, кварцевоестекло КУ или КИ, оптическая керамика КУ-1-1 и другие материалы, прозрачные в УФ-области спектра. Спектральные характеристики некоторых материалов приведены на рисунке 4.2.а)б)Рис.4.2 – Характеристики пропускания: а – стекол КУ и КИ;б – оптической керамики КУ-1-1.В 1992 году в институте ГИНАЛМАЗЗОЛОТО сотрудниками ПлотниковойС.П. и Скрипником Ф.В.
была изготовлена первая опытная партия (более 100шт.) алмазных фоторезисторов. Для изготовления опытных образцов АФР использовались кристаллы типа Iа и IIа. Площадь одного фоточувствительногоэлемента из алмаза составляла от 2 до 12 мм2, при толщине от 0,1 до 1 мм. Масса кристалла составляла от 0,03 до 0,4 карат или от 0,006 до 0,08 г.Обобщенные параметры опытных образцов АФР приведены в таблице 4.1,внешний вид – на рисунке 4.3, а спектральные характеристики некоторых фоторезисторов приведены на рисунке 4.4.146Рис.4.3 – Внешний вид алмазных фоторезисторов,разработанных в ГИНАЛМАЗЗОЛОТО.Таблица.
4.1. Обобщенные параметры опытных образцов АФР, изготовленных институте ГИНАЛМАЗЗОЛОТОПараметр, единица измеренияРазмер чувствительной площадки, мм2Спектральный диапазон чувствительности, нмТемновое сопротивление, МОм, не менееРекомендуемое сопротивление нагрузки, М0м,Интегральная токовая чувствительность, мкА/Вт, неменее.Напряжение питания на цепочки «фоторезисторсопротивление нагрузки», В, не менееПостоянная времени, сГабаритные размеры, мм3Масса, не более, га)Значение параметра2–6215 – 30030030602002,5 x 10-6D10,5 х 6,03б)Рис.4.4 – Спектральные характеристики АФР из кристаллов типа I а (а)и II а (б).147По результатам исследований опытных образцов АФР, выяснились проблемы и особенности их «поведения», в первую очередь, связанные с высокимтемновым сопротивлением фоточувствительного элемента (более 100 МОм) ивысоким напряжением питания прибора.
При разработке оптико-электроннойаппаратуры возникают трудности согласования высокоомного ФЧЭ с её входными цепями. Кроме того, возникают дополнительные затруднения из-за возрастания токов утечки и возможного электрического пробоя при использованиивысоковольтных источников питания (100 -1000В), особенно в условиях повышенной влажности (более 35%).Большинство проблем с использованием алмазных фотоприемников могутбыть решены при разработке, т.н. фотоприемных устройств (ФПУ) в состав которых, кроме «алмазного» ФЧЭ, могут входить усилитель фотосигнала, высоковольтный источник питания, схема температурного контроля и т. д. Подробнее смотри [113,114].Кроме, института ГИНАЛМАЗЗОЛОТО, в России работы по созданию фоторезисторов на основе природного алмаза выполняли и др.
организации, например, акционерная компания «АЛРОСА»Акционерной компанией «АЛРОСА» были разработаны три варианта алмазных фоторезисторов. Основные параметры АФР приведены в табл. 4.2, авнешний вид на рисунке 4.5. [115]Таблица 4.2. Основные параметры АФР, разработанных в АК АЛРОСА.Тип прибораТип АТип ВЛинейка20 элементов220±8220-300Максимумспектральнойхарактеристики, нм220250100-400100-400220-300н/д100-400Диапазон спектральной чувствительности, нмUс, ВТоковаячувствиТиптельность, корпусамА/Вт2 – 50ТО-70,05 – 1ТО-70,05 – 1DIP-22148Рис.
4.5 – Внешний вид алмазных фоторезисторов,разработанных АК АЛРОСА.4.2 Фотоприёмное устройство УФ диапазона спектра на основе алмазногоодноэлементного фотодетектора4.2.1 Изготовление алмазного одноэлементного фотодетектораРазработанная конструкция алмазного одноэлементного фотодетектора(АОФД) [116,117] описана в п.2.1.2. Он был изготовлен по технологии, описан-ной в п.2.2, 2.3.4.2.2 Изготовление фотоприёмного устройства УФ диапазона спектраКонструктивно фотоприёмное устройство УФ диапазона спектра (ФПУ)представляет собой легкий металлический корпус с объективом и электроннымблоком, батарейным контейнером, размеры 280х140х72 мм (рисунок 4.6).Мы использовали разъемный корпус, с толщиной стенок не более 2,5 мм,состоящий из двух половинок и двух боковых крышек с уплотнителями, черезкоторые он скреплялся винтами.В боковых крышках размещены светодиодные индикаторы работы устройства; «Питание» – указывающий наличие тока в электронной схеме, «Захват» –сигнализирующий о событии наличия сигнала на входе приемника излучения, ивыключатель питания, а также разъем RS 232 для передачи и обработки информации с устройства на мобильный персональный компьютер.Объектив с юстировочным узлом и электронный блок (ЭБ) на плате, представляет собой единый узел, который по направляющим одной из половин кор-149пуса монтируется внутрь и закрывается второй половиной корпуса с отверстием под объектив через уплотняющую прокладку.Рис.4.6 – Устройство ФПУПитание электронного блока осуществляется с помощью сменных батарейили аккумуляторов типоразмера ААА, с общим напряжением 6 В, помещенныхв контейнер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
