Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Пространственное распределение интенсивности излучения преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализованных в приповерхностнойобласти. Время хранения зарядовых пакетов составляет 1-100 мс, соответствуядлительности одного кадра. Затем зарядовые пакеты перемещаются от элементак элементу, выводятся наружу и дают последовательность видеоимпульсов, со-50ответствующую распределению излучения, то есть осуществляется стандартный ТВ алгоритм восприятия образа.
Для приема цветного изображения используется система фильтров.Фоточувствительные приборы с зарядовой связью имеют некоторые особенности устройства. Функции фоточувствительных приборов с зарядовой связьюобычно пространственно разделены: секции накопления, хранения, выходнойрегистр. Единичный кадр возбуждается в секции накопления (за 1/25 с - ТВ–стандарт), затем быстро (0,1-100 мкс) параллельно двигается в секцию хранения, из которой в течение времени накопления следующего кадра последовательно построчно переносится в выходной регистр.Существует два основных способа считывания из секции накопления. Строчно-кадровый – зарядовый пакет пробегает всю строку, адресный (координатный) – пакет от каждого элемента матрицы накопления передается в соседний сним элемент матрицы хранения, обе матрицы вставлены одна в другую (фоточувствительный приборы с зарядовой инжекцией).
В матричных фоточувствительных приборах с зарядовой связью весь кадр образуется одновременно, воднострочных - последовательно за счет дополнительной механической развертки на второй координате.Простейшие структуры – приборы с поверхностным каналом, использующиетрехтактное управление. Технологически более сложные фоточувствительныеприборы с зарядовой связью с двумя (тремя) уровнями электродов или со скрытыми электродами используют более простое двухтактное управление. Еще более сложную структуру имеют фоточувствительные приборы с зарядовой связью с объемным (скрытым) каналом. В них максимум потенциала находится наглубине хК = 0,5-2 мкм от поверхности.
Накопление, хранение и передача зарядов происходит в объеме, в связи с чем имеет место уменьшение влияния поверхностных эффектов – рекомбинации, захвата и рассеяния носителей заряда.ϕрnхpРис. 31. Структура и распределение потенциала для фоточувствительныхприборов с зарядовой связью с объемным (скрытым) каналом.К разновидностям ФПЗС относятся приборы, управляемые p-n переходами,барьерами Шоттки, многоуровневые p-n-p приборы с зарядовой связью и др.Основные параметры ФПЗС.1. Амплитуды импульсов напряжения хранения и считывания - 10-30 В;фронты управляющих импульсов 10-100 нс.2. Относительные потери при единичном акте передачи 10 –3–10 –5.3.
Максимальная тактовая частота 1–5 МГц для поверхностных и 10–50 МГцдля объемных.514. Максимальная и минимальная плотность зарядового пакета 50 нКл/см2 и50 пКл/см2 и динамический диапазон D = 20 lg (Qmax/ Qmin) (60 дБ).5. Плотность темнового тока 5–20 нА/см2.6. Чувствительность - 0,1-0,4 А/Вт и спектральный диапазон - 0,4-1,1 мкм.7. Частотно-контрастная характеристика (разрешающая способность) –10-50 линий/мм.Основные области применения приемников световых образов на основеФПЗС: ТВ-техника, фототелеграфия, оптические измерения, распознавание образов, ночное видение и др. Особенности ФПЗС заключаются в том, что ониявляются приборами динамического типа, поскольку носителями информациислужат зарядовые пакеты. Для их изготовления требуется высокий уровень развития полупроводниковой технологии, обеспечивающей однородность, регулярность системы электродов, высокое качество диэлектрической пленки играницы раздела полупроводник-диэлектрик, отсутствие p-n переходов в фоточувствительной зоне.
Высокие требования предъявляются к кремниевой подложке: однородность, большое время жизни и высокая подвижность неосновных носителей зарядаМДП-фотодиодный многоэлементный приемникВ данных фотоприемниках каждый элемент представляет собой МДПфототранзистор с возбуждаемой светом истоковой областью. Элементы объединяются в строки, с которых соответствующие электрические сигналы передаются в схемы управления.Достоинствами данных фотоприемников являются.1. Большая функциональная гибкость: возможность применения режимов накопления и мгновенного действия.2.
Больший динамический диапазон.3. Более высокая устойчивость к температурным и радиационным воздействиям.К недостаткам таких приборов относятся.1. Невысокая плотность упаковки и разрешающая способность, т.к. к каждому элементу необходимы контакты.2. Использование в одном элементе диода и МДП-транзистора, что возможнопока только для кремния.3. Большие собственные шумы.СканисторыСканисторы представляют собой линейный фотоприемник на основе кремниевой подложки с двумя p-n переходами.
На верхний электрод подается отрицательное напряжение, чтобы первый переход находился при обратном, а нижний при прямом смещении. Этот электрод должен быть прозрачным. Верхнийp-n переход является мелким, т.е. толщина низкоомного р-слоя мала, так чтоизлучение поглощается в нем и в области пространственного заряда.52а)ПЭб)фотодиодpnрДиод-считыванияVo – напряжение смещенияРис. 32. Структура (а) и эквивалентная схема (б) сканистора.Толщина базовой n-области области достаточно велика и фотоносители недоходят до нижнего p-n перехода.
На верхний электрод подается линейновозрастающее напряжение развертки Vразв = Vo*t/T. Когда оно повышается, эквипотенциальная линия, соединяющая верхнюю и нижнюю плоскости, перемещается слева направо, слева открываются диоды считывания. Возрастаниевыходного тока происходит в соответствии с распределением освещенностивдоль строки.
Дифференцирование ступенчатого выходного сигнала дает последовательность видеоимпульсов, соответствующих картине освещенности.Конструкция и технология сканисторов более простая, чем для ФПЗС иМДП-фотодиодных приемников. Но по сравнению с этими фотоприемникамисканисторы имеют меньшую чувствительность, поэтому используются в основном в оптико-механических приборах и фототелеграфии.КремниконыКремниконы представляют собой приемники световых образов на основе полупроводниковых устройств, в которых при считывании информации используется электронный луч, быстро обегающий миниатюрные фотодетекторы.Фотоприемным устройством является кремниевая фотодиодная матрица снанесенными на нее резистивной пленкой, имеющей уменьшенную толщинувблизи p+-областей, и сплошным металлическим электродом. На р+-области подается положительное напряжение V = 5-10 B, так что фотодиоды являются обратно-смещенными, происходит зарядка их емкостей. При воздействии освещения происходит их разрядка.
Сканирование электронным лучом приводит кдозарядке емкостей p-n переходов, при этом ток через последовательно включенный резистор RН формирует видеосигнал.В кремниконах используется режим накопления: Ткадра = 1/25 с, цикл опросана 2-3 порядка меньше (0,5-0,05 мс). Достоинствами данных приборов являетсяпростота, регулярность структуры, отсутствие межсоединений, что позволяетсоздавать матрицы, содержащие до 108 ячеек.53n+ Siк усилителюRHПучокэлектроновр+5-10 Bnсветр+р+SiO2резистивная пленкаРис.
33. Схема устройства кремникона.Однако устройство сканирования электронным лучом находится вне кристалла, использование электронных пучков обуславливает необходимость применения вакуумных объемов с высоковольтными блоками для управленияэлектронным лучом, которые плохо согласуются с низковольтными полупроводниковыми схемами.Солнечные батареиСолнечные преобразователи (солнечные элементы) - фотодиоды, оптимизированные для прямого преобразования излучения солнца в электрическуюэнергию – работают только в фотовентильном режиме.Для создания эффективных солнечных преобразователей необходимо учитывать особенности солнечного излучения.
Его спектральная область лежит впределах длин волн 0,22-3 мкм. Максимум интенсивности соответствует длиневолны ∼ 0,55 мкм. (По уровням 10-90% полной мощности можно ограничитьсяинтервалом 0.4-1.7 мкм). В космосе солнечное излучение совпадает с излучением абсолютно черного тела (Т∼5800 К), на земной поверхности необходимоучитывать резонансное избирательное поглощение в атмосфере.В гелиоэнергетике принято следующее обозначение солнечных воздействий:АМ0 – в космосе; АМ1 – на поверхности Земли, когда Солнце в зените; АМ2 –на поверхности Земли, Солнце под углом в 300 к горизонту (цифры 1-2 показывают, сколько раз излучение проходит толщину атмосферы).
Условию АМ1 соответствует поток плотностью 0,1 Вт/см2 (на экваторе), АМ2 – 0,075 Вт/см2.Основные параметры солнечных элементов:1. Максимальная отдаваемая в нагрузку электрическая мощность PЭMAX.2. КПД = PЭMAX/РС; РС = ρC*S - интегральная мощность солнечного излученияна элементе. ρC - плотность интегральной мощности солнечного излучения; S –площадь фоточувствительной поверхности.543.
ФотоЭДС – VХХ.JФФРЭ МАХ4. IКЗ – максимальный фототок.5. Последовательное сопротивление RПОСЛ.JКЗ6. Коэффициент формы PЭMAX/VХХ*IКЗ(отклонение от прямоугольника).7. Максимальная степень концентрацииизлучения, при котором элемент сохраняетэффективность преобразования KCmax = ρск/ρс,где ρск - плотность мощности концентрированVXX VФного солнечного излучения.Другие параметры фотодиодов: с, τ, шумыРис. 34. Вольт-амперныедля солнечных элементов несущественны.характеристики фотоэлемента.Наиболее распространенные солнечные элементы на основе монокристаллического кремния представляют собой n+-p (p+-n) фотодиоды с максимальнойплощадью фоточувствительного окна и с оптимальными значениями толщиныи сопротивления базовой области, обеспечивающими поглощение фотонов исобирание фотоносителей.
К необходимым условиям относится также высокоевремя жизни неосновных носителей заряда в базовой области для снижения рекомбинационных потерь, наличие антиотражающих покрытий, малая толщинаконтактных слоев для уменьшения паразитного поглощения в коротковолновойобласти, использование гребенчатой или сетчатой конструкции токосъемныхэлектродов для снижения паразитного сопротивления.Расчет параметров солнечных элементов основывается на анализе процессовфотогенерации носителей заряда в p-n переходах.
Если поглощаемое оптическое излучение достигает базовой области, выражение для максимального фототока имеет вид: JКЗ = e*S∫NC(λ)η(λ)Q(λ)dλ, где - NC(λ) - спектральная плотность потока фотонов солнечного излучения, (см-2*мкм-1), Q - коэффициент собирания фотоносителей, η - квантовый выход. Если Q = 1 и η = 1 для λ < λгр JКЗ= 8⋅10-4∫λ(dρ/dλ)dλ, А/см2. Для солнечного излучения с плотностью мощностиρС= 0,1 Вт/см2 теоретическое значение JКЗ = 40 мА/см2 для кремниевых фотодиодов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
