Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002) (1095905), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Идеология схемотехники ТТФЭПна основе PbS – аналогичная. Однако квантовая эффективность ТТФЭПна PbS на 2,7 мкм может достигать 25–30 %, что сильно повышает егообнаружительную способность.Но главным достоинством ТТФЭП на PbS является возможностьработы при Т = 170 К (–100 °С), что легко обеспечивается с помощью43пассивных радиационных систем охлаждения (РСО).
PbS является собственным полупроводником, поэтому у него η ≈ 25 %.По аналогичной схеме, с гораздо большими технологическими трудностями может строиться и ТТФЭП на основе фотодиодных матриц.Ïðèáîðû ñ ïåðåíîñîì çàðÿäàСуществует несколько наименований этих приборов:– ППЗ – приборы с переносом заряда;– ПЗС – приборы с зарядовой связью;– ФППЗ – фотоприемные приборы с переносом заряда;– ФПЗС – фотоприемные приборы с зарядовой связью.Бурное развитие этой новой области микроэлектроники, начиная с1969–70 гг., было подготовлено как "идеологически", так и технологически.
К моменту открытия эффекта переноса заряда вдоль поверхности полупроводника уже было достигнуто глубокое понимание физических явлений в структурах металл – диэлектрик – полупроводник, служащих основой ПЗС. Что же касается методов изготовления такихструктур, то они уже были найдены в связи с успешными разработками БИС на основе полевых транзисторов с изолированным затвором.Всего две недели потребовалось авторам для преодоления путиот исходной идеи ПЗС до экспериментального образца иСекцияеще три–четыре года до понакопленияявления в продаже серийныхобразцов.Здесь остановимся, в основном, на способах построения комплексированных фотоприемных устройств (ФПУ),Секциясодержащих ОС, охлаждаемоехраненияФПУ в оптическом криостатеи систему охлаждения, которые могут базироваться на самолетах, ракетах и КА.OutПЗС-матрицы имеют оргаВходнаяВыходнойдиффизионнизацию, условно показаннуюрегистрная областьна рис.
6.2.Рис. 6.244При работе в стандартном телевизионном режиме (25–50 кадров/с) секция накопления имеет 512×288 элементов, секция хранения – 512×288 элементов. В этом режиме секция хранения должнабыть закрыта от света. После окончания времени накопления (≈25 мс)производится быстрый параллельный перенос по вертикали всех 288 строкв секцию хранения, после чего секция накопления снова пуста, и ее, потенциальные ямы в ячейках готовы к накоплению следующего кадра, аза это время из секции хранения производится последовательный построчный вывод предыдущего кадра через выходной регистр с транзистором с плавающим затвором и транзистором сброса.
Чтобы не былоперетекания заряда между всеми 512 вертикальными регистрами в обеихсекциях имеются зоны (каналы) со стопорной диффузией, создающимипотенциальный барьер между вертикальными регистрами. В вещательном режиме частота регистра – до 50 Мгц.При работе в "малокадровом" режиме с большим временем накопления чаще всего применяемом на КА и в астрономии, для накопленияиспользуются обе секции, а считывание ведется при закрытом затворе("импульсный" режим).
Время накопления в малокадровом режиме может лежать в пределах от 1,0 с до десятков минут, а частота считывающего регистра, соответственно, от 500 до 3–5 кГц. Соответственно,сужается и шумовая полоса частот ∆ fг.р.ш. Для лучших астрономических ПЗС-матриц с числом элементов 800–800 при Т = 80 К σш == (З–5) е–/выборку сигнала. При η ≈ 25 % такой приемник можетрегистрировать поток в 15–20 фотонов (26-я звездная величина),что было зафиксировано на Паламарском четырехметровом телескопе в 1982 г.ПЗС бывают с поверхностным каналом и объемным ("скрытым")каналом переноса зарядов.При поверхностном переносе используется низкоомный кремнийn-типа, а в тонком поверхностном слое образуется поверхностныйканал переноса, зарядов p-типа. При этом, если регистрируемый поток мал, да еще и выходной регистр закрыт от света, в регистр необходимо вводить дополнительный заряд (≈ 1000 e–) так называемый "жирный нуль", чтобы обеспечить высокую эффективность переноса.
Иначе– просто нечего переносить.Во втором случае используется кремний p-типа или n-типа, а углубленный n-канал или p-канал переноса зарядов создается ионным легированием бора или фосфора в поверхностный слой, на который падает45изучение. Объемный канал уже не является обедненным неосновнымииосителями, так что ввод "жирного нуля" не требуется.Соответственно, σш ПЗС с поверхностным каналом переноса зарядов, как минимум, на 1000 e – больше σш ПЗС с объемным каналом.Все ПЗС-матрицы имеют трехфазное управление.
Система поликремниевых шин, создающих потенциальные ямы для накопления зарядов иорганизующие их перенос, закрывают всю поверхность фоточувствительного кремния. Поликремний имеет низкое пропускание в синей области спектра 0,45–0,40 мкм.Изобретены ПЗС с виртуальной фазой, где вместо третьего поликремниевого электрода используется ионно-легированный слой, создающий постоянную яму. Этот участок кремния открыт для света, поэтому чувствительность ПЗС-матриц с виртуальной фазой в синей области спектра значительно выше, η ≈ 15–20 % на λ = 0,40 мкм, а областьспектральной чувствительности простирается до 0,2 мкм.Ïðîáëåìà ñîçäàíèÿ ÈÊ–ÏÇÑ. ÈÊ-ïðèåìíèêè íàîñíîâå ÏÇÑ ñ äèîäàìè íà áàðüåðàõ ØîòòêèПриведем типичную техническую характеристику малокадровогоФПЗС (T ≤ 80,0 К):– напряжение насыщения – 0,5В;– напряжение темнового сигнала, приведенное к напряжению насыщения – 1 % ;– неравномерность чувствительности – 5 %;– динамический диапазон – 1000–1500 %;– пороговая энергетическая освещенность – 3⋅10–10 Вт/см2– глубина модуляции при передаче 200 ТВ линий – 60 %;– среднеквадратичное значение σ ш (поверхностный канал) –100 e–/выборку;– σш ( объемный канал) – 20–30 е–;– емкость ямы – 2⋅106 е–;– квантовая эффективностъ в спектральном интервале ∆λ = 0,4–0,8 мкм – 15–20 %;– на λ = 0,56 мкм – до 50 %.Попытки создать качественные ИК-ПЗС на основе примесной проводимости Si еще никому не удались.
Поэтому в последнее время всечаще применяют гибридные приборы на основе БИС ПЗС, используе46мой в качестве мультиплексора, на который посажена фотодиодная матрица на основе барьеров Шоттки из PtSi – Si ⋅ Tр ≤ 80 К, так как барьерочень низкий и зависимость темнового тока от Т: Uс ~ (Т 2 ), и даже ещесильнее.Силицид платины выполняет роль металла и образуется в результате термодиффузии после напыления в вакууме Pt на открытые участкипо Si ячеек ПЗС.Спектральная чувствительность ИК-ПЗС на диодах с барьерамиШоттки на основе силицида платины простирается от 1,06 мкм (еслиоблучение приемника вести через кремниевую подложку) до 5,5 мкмпри квантовой эффективности в максимуме спектральной чувствительности η ≈ 1 %/2–3 мкм.Ранее приводились типичные значения пороговых потоков на 2,7 мкми фоновой облученности при наблюдении цели на фоне дневной Земли:Рпор = 5⋅10–13 Вт/элемент; Eф = (1–2)⋅10–6 Вт/см2.
При этом ψ = 3–6. Приη = 1,0 % и емкости потенциальной ямы ячейки ПЗС = 2⋅106 е– фонполностью заполняет яму, т. е. сигнал нарастает до Uнас за tн Αс ≤ 0,1 с.При этом полезный сигнал может оказаться меньше σш. Для обнаружения сигнала с ψ ≥ 3–6 необходимо накопление не на ячейке, а во внешнем ЗУ, имеющем емкость до 25–30 кадров. Если это делать в реальном времени, то будем иметь дело с широкополосными усилителями,т.
е. они должны быть сверхмалошумящими. На диодах с барьерамиШоттки на основе силицида иридия η ≈ 1 % в диапазоне 8–12 мкм, ноТр ≤ 30–40 К. Реально для обеспечения помехозащищенности линиикосмической связи (узкополосность) необходимо использовать бортовой вычислитель на КА.477. ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРДЛЯ РАБОТЫ С ОХЛАЖДАЕМЫМИ ПИПредположим, что заготовлены экспериментальные образцы (или куплены) различных ПИ (ТТФЭП, ПЗС или ПЗС с диодами на барьерахШоттки).Если необходимо включить ПЗС в стандартном телевизионном режиме (25–50 кадров/с), то нужен лишь диапроектор с лампой, аттестованной как источник типа А (2856 °С), блок питания ПЗС и ВКУ, атакже набор телевизионных осциллографов: с блоком выделения строки, с запоминающей трубкой.
Лучше всего эту аппаратуру объединить с персональным компьютером, составив программу измеренийпараметров ПЗС.Совсем иное дело – ПИ с криогенным охлаждением. Придется спроектировать и изготовить лабораторно-исследовательские криостаты,в которых можно было бы криостатировать ПЗС малокадрового режима в пределах 220–80 К до ∆λ = 3–5 мкм, фоторезисторные линейки или матрицы – на уровне 170–77,4 К, если они на PbS, PbSe или Hg–Cd–Fe, работающих до 5,0 мкм, используя жидкий азот.
Если же работаем с ПИ на тройных соединениях в диапазоне Т = 80–40 К, то необходимо либо проектировать гелиевый терморегулируемый криостат,либо использовать газовые криогенные машины (двухкаскадные), работающие по циклу Стирлинга.Криостатом называется устройство, в котором обеспечивается термостатирование на том или ином уровне криогенных температур засчет различных фазовых превращений в твердых телах, жидкостяхили газах.При наличии достаточного количества сжиженных газов задачу криостатирования любого ПИ можно решить во всем требуемом температурном интервале, используя набор из двух криогенных жидкостей:– от 100 до (60–65) К – с помощью только жидкого азота (Tн.к = 77,35 К);– от 60 до 1,2 К – с помощью жидкого гелия (Тн.к = 4,2 К) в качествеосновного криоагента, и жидкого азота – в качестве экранирующего.48151614171N2213He3451211678910Рис.
7.1На рис. 7. 1 представлена схема конструкции гелиевого терморегулируемого криостата для оптических исследований. Его можно выполнить и окном вбок или вверх в зависимости от исследовательской задачи.Несмотря на то, что температура нормального кипения азота равна77,35 К, а гелия – 4–4,2 К, с использованием этих жидкостей возможнорегулирование и стабилизация температуры в оптических криостатах вуказанных пределах.49Наибольшее распространение получили криостаты с регулированием температуры по методу Свенсона и его модификаций, схема которого представлена на рис.
7.1.На рис. 7.1: 1 – азотный бачок; 2 – гелиевый бачок; 3 – крионаcос;4 – теплообменник с заборником испаренного или жидкого гелия;5 – патрубок для дренажа испаренного гелия; 6 – ТТФЭП; 7, 8 – охлаждаемые фильтры; 9 – входное окно; 10 – фланец для установки воптической системе; 11 – охлаждаемая диафрагма; 12 – герметичный разъем; 1З – вакуумный корпус; 14 – верхний фланец с заливными патрубками; 15 – вакуумный вентиль; 16 – игольчатый вентиль;17 – уплотнение.При откачке паров гелия через игольчатый вентиль можно обеспечить регулирование и стабилизацию температуры ТТФЭП в пределахот 6–8 до ≈ 80 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
