Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 32
Текст из файла (страница 32)
К Обнаружительная споотбность в максимуме спектрзльаой характеристики 1)' „, Вт' см.Гц"' 1.2 10" 3 10" 5 10и Нет данных 0,2...0,5 1..;3 <15 Среднее квадтатическое отклоне- ние В; %, для одного элемента 1,5 Усилия разработчиков таких приемников направлены на расширение спектрального диапазона их чувствительности, увеличение динамического диапазона рабочих осв еще ни остей и достижение высокой степени однородности чувствительности отдельных элементов.
В табл. 6.7 приведены данные о достигнутых значениях этой неоднородности 170 промышленностью приемников этих типов (табл. 6.6). Сообщается о разработке и появлении в ближайшие годы линейных приемников (линеек) из Н8Ск(Те, охлаждаемых до 80 К, с числом элементов до 960 и фотодиодных матриц из этого материала с числом элементов до 480 х 640 и размерами квадратных элементов от 20 мкм до 1 мм. Эти приемники работают в широком спектральном диапазоне (до 14 мкм).
Матричные приемники на базе Р(Я1, имеют меньший спектральныйй рабочий диапазон (до 5 мкм), но обладают высокой однородностью параметров отдельных элементов. Имеются сообщения о создании таких фотоматриц с числом элементов 128х128, 256х256, 512х512, 480 х 640, 2048 х 16 и других, а также линеек с числом элементов до 4096. Линейные фотовольтаические приемники из 1пЯЬ, имеющие длинноволновую границу спектральной чувствительности 5,5 мкм (при охлаждении до 80 К), имеют число элементов 64...128, а матричные — до 640х480. Глаза 5. Приемник излучения как звено оптико-злектроннога прибора н зависимости от площади чувствительного слоя одного элемента А и допуска на размер элемента 5 (35).
Таблица 6.7 Неодаородпость чувствительности многоэлементных вриемпиков в зави- симости от площади элемента и допуска на его размеры При выборе многоэлементного приемника следует учитывать не только однородность параметров его отдельных элементов, но и чувствительность (квантовую эффективность П,) фотослоя. Вследствие гораздо большей чувствительности приемники на основе 1пЯЬ и Н8Ст(Те (т), > 50% ) часто предпочтительнее более однородных структур на базе Р181 (т), = 1% ), особенно при работе на длинах волн свыше 4 мкм. Нужно отметить, что высокая квантовая эффективность, которой обладает ряд материалов, из которых изготовляютея приемники (обычно фотовольтаические), усложняет требования к системе съема и обработки сигналов.
Это связано с быстрым насыщением считывающих устройств, что на практике вынуждает повышать скорость считывания, т. е. увеличивать частоту кадров, чему часто препятствует инерционность приемника, а иногда приходится уменьшать спектральный диапазон работы системы Ы.. Наиболее распространенными многоэлементными ПИ е внутренними электрическими связями являются фотоприемники на базе приборов е зарядовой связью (9, 20, 22, 30, 35).
Приборами с зарядовой связью (ПЗС) принято называть полупроводниковые устройства. в которых при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение пакетовых заРядов вдоль полупроводниковой подложки. Эти устройства состоят нз Ряда МДП-структур, в которых металлические электроды образуют Регулярную систему с достаточно малым шагом — расстоянием между электродами. Хорошо известны трехфазные структуры ПЗС (рис. 6.12). Один иаемент образуется тремя электродами, каждый нз которых подключен к своей токопроводящей Фазной шине 1... 3. Подложкой является 171 Ю.Г.
Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов гг Рвс. 6.12. Трехфаэваа структура ПЗС (принцип Работы) полупроводниковая пластина или пленка, на которую нанесены микроостровки окисла, покрытые слоем металла, играющего роль электрода. Пусть отрицательный (в случае п-подложки) потенциал подан на шину 2 в какой-то начальный момент времени вр. Накопление зарядов под электродами этой шины в результате действия локальной освещенности по истечении времени накопления заканчивается, и высокий потенциал с шины 2 снимается и подается на шину 3 (момент тг).
Заряды перетекут в потенциальную яму под электроды шины 3 одновременно во всех элементах. К электродам шины 1 они не потекут, так как их потенциал в момент Гг остается низким. В момент времени к высокий потенциал с электродов шины 3 подается на электроды шины 1, и все заряды одновременно переносятся вправо на один шаг (на один электрод). Далее процесс повторяется. Таким образом, линейка фото-ПЗС, в которой под системой прозрачных в рабочем диапазоне спектра электродов при освещении возникает внутренний фотоэффект, позволяет преобразовать распределение освещенности в зарядовые пакеты носителей, хранить их и создавать выходной видеосигнал при последовательной смене потенциалов на фазных шинах.
Схемы такого преобразования рассмотрены в гл. 7. 172 Глава б. Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора Помимо трехфазной структуры ПЗС разработаны одно-, двух- и четырехфазные ПЗС. Уровень шума в фото-ПЗС обычно определяется флуктуациями числа электронов в зарядовых пакетах, вызванными фотонным шумом сигнала, дробовым шумом темпового тока, шумами захвата носителей в структуре ПЗС, шумом фонового заряда и др. Охлаждение до .(20...40) 'С и другие методы снижения шумов позволяют уменьшить число шумовых электронов до 15...30 в полосе частот до 1 МГц и обеспечить работу ПИ при перепаде освещенностей 10'...10'.
Приемники на базе ПЗС помимо общепринятых параметров н характеристик описываются рядом специфичных, к которым относятся: частотно-контрастная (пространственно-частотная) характеристика, определяющая качество передачи контраста изображения в виде функции от пространственной частоты проецируемой на ПЗС штриховой миры; амплитуды минимальных и максимальных управляющих напряжений хранения и запирания; минимальная Г „и максимальная Г тактовые частоты (Г' м = 0,1...! кГц, Г,„= 2...20 МГц); время хранения информации, достигающее десятых долей секунды, и ряд других [91. Разрешающая способность ПЗС снижается при больших засветках вследствие переполнения потенциальных ям и диффузии носителей, генерируемых в нижней зоне подложки.
Эти явления вызывают растекание зарядов, т.е. появление паразитных зарядов в соседних чувствительных элементах, и смаз изображения. Кроме того, на качество работы фото-ПЗС существенное влияние оказывают различия в значениях чувствительности, темпового тока и геометрических размерах различных элементов, называемые геометрическим шумом. Эти вариации составляют (3...5) % и даже я (10... 25)%. Достоинствами ПЗС являются: высокая разрешающая способность; малое потребление мощности, затрачиваемой на обработку информации; отсутствие необходимости создавать большое число р-и-переходов и контактов к ним, а следовательно, хорошая технологичность и надежность; высокое быстродействие, характеризуемое частотами развертки Порядка мегагерц и более; возможность обрабатывать и кодировать изображение непосредственно в самом формирователе сигнала, так как на вход ПЗС инФормация подается в аналоговой форме, а управление ПЗС осуществляется цифровыми методами, и сигнал на выходе дискретен.
173 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Основными недостатками этих ПИ являются: неоднородность фотоэлектрических свойств, прежде всего чувствительности отдельных элементов, достигающая часто десятков процентов; ограниченный спектральный рабочий диапазон (0,5...1,1 мкм и лишь у некоторых до З...б мкм); невозможность произвольной выборки сигнала с любого элемента ПЗС, т.е. строго определенная последовательность "опроса" элементов приемника; выход из строя всей строки развертки при потере чувствительности (например, впрожоге» при воздействии мощного излучения) одного из элементов этой строки. Параметры некоторых отечественных и зарубежных фотоматриц на основе ПЗС приведены в табл.
6.8 и 6.9. От ряда недостатков ПЗС свободны приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ) — полупроводниковые ПИ с поверхностным каналом, в котором для считывания и обработки сигналов используется инжекция и перенос заряда внутри отдельных фоточувствительных ячеек [91. Ячейки ПЗИ аналогичны ПЗС, но считывание заряда в ПЗИ идет в той же ячейке, где он был создан, а инжекция заряда в полупроводниковую подложку служит для освобождения фоточувствительных ячеек от ранее накопленного заряда. Зги ПИ могут работать как развертывающие ПИ с координатной адресацией (произвольной выборкой изображения). В настоящее время известно лишь очень небольшое количество ПИ на базе ПЗИ. Для работы в ИК диапазоне спектра создаются гибридные мозаичные ПИ, в которых фоточувствительный слой выполняется в виде мозаики из отдельных фотодиодов или фоторезисторов, соединенных с ПЗС-ячейками, с помощью которых осуществляется считывание сигнала, а также его первичная обработка, например, временная задержка и интегрирование (см.
3 8.1 и 9 11.9). В таких гибридных ПИ, чувствительные элементы которых изготовляются из РЬЗпТе и НКСк(Те, достигнута квантовая эффективность 50...60г% (для Х = 4,6 мкм при температуре фона 80...100 К) и .0* =3 10'з Вт".см.Гцпз. Прогресс в области создания ПЗС-матриц видимого диапазона (имеются сообщения о создании фото-ПЗС с числом элементов до 2048х2048 и даже 4096х4096 при размерах одного элемента 9х9 мкм и менее) позволяет надеяться, что в ближайшем будущем будут созданы гибридные структуры с аналогичными параметрами для ИК диапазо- Таблица 6.8 Основные параметры отечественных двумерных фото-ПЗС Тип ФПЗС1м ФПЗС2м К1200ЦМ1 К1200ЦМ2 К569АП1 144х232 288х360 64х128 576х572 288х256 Количество элементов 32х32 27х20 30х16 24х11 18х11 Размеры одного элемента, мкм Швг структуры, мкм Збх32 27х27 18х19 30х23 24х28 0,5 Сигнал насьпцения, В 0,1 0,6 0,3 Зкспозиция насьпцения, лкс 0,1 0,1 0,16 10 Неравномерность темпового сигнала, % 10 10 10 2,5 0,6 Максимальная такто- вая частота, МГц 20 10 10 10 Таблица 6.9 Параметры некоторых матричных за Неравномерность интегральной чувствительности, % Глава б.
Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора Нет данных Нег данных 174 176 Ю.Г. Якукленкоа. Теория и расчет оптико-электронных приборов на. Специфичны шумы многоэлементных приемников излучения (МПИ). Наряду с обычными шумами, присущими одноэлементным приемникам, в МПИ имеют место шумы, определяемые физическими принципами их работы, а также способами считывания сигнала, образуемого на элементах МПИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
