1.1.8. Многоэлементные фотоприемники

В ряде случаев надо не только отметить наличие пучка Света или его интенсивность, но и зафиксировать фотоэлектрическим способом оптическое изображение, имеющее определенное распределение интенсивности света по плоскости. Этого можно достигнуть, изготовив экран, состоящий из множества миниатюрных фотоприемников, которые преобразуют световые потоки в соответствующие электрические сигналы. Записанная таким образом оптическая информация некоторое время сохраняется, а затем «считывается» тем или иным способом. Электрические сигналы от различных ячеек экрана могут быть последовательно переданы в другое место и использованы для воссоздания изображения объекта (фототелеграфия, телевидение).

Подпись: Рис. 1.11. Энергетическая схема МДП – структуры в присутствии напряжения (а) и серия взаимодействующих элементов, к которым приложены различные напряжения (б). Штриховая линия – граница области пространственного заряда, Еvs – Ev – глубины потенциальных ям для дырок

В ряде систем записи оптических сигналов применяют полупроводниковые устройства, а при считывании информация используют электронный пучок, быстро обегающий миниатюрные фотодетекторы. Использование электронных пучков означает, однако, применение вакуумных трубок с высоковольтными устройствами для управления пучками, которые плохо согласуются с низковольтными полупроводниковыми схемами. Далее в качестве примера рассматривается многоэлементный фотоприемник, у которого запись, хранение и считывания информации осуществляются одними и теми же твердотельными элементами. В качестве такого элемента может быть использована структура металл — диэлектрик — полупроводник (МДП), схема которой приведена на рис. 1.11, а.

Если к структуре прикладывают напряжение U (минус на металле), то часть примесных электронов выводится из полупроводника п-типа, что приводит к появлению слоя положительного объемного заряда толщиной d. Толщина этого слоя увеличивается с ростом U (см. п. 1.2.5). Возникающие при освещении МДП-структуры электроны отводятся в объем полупроводника, а дырки скапливаются у границы с диэлектриком. Число этих дырок (т. е. общий положительный заряд) зависит от интенсивности света и времени его действия. Накопленный заряд (т. е. информация, заданная светом) может длительное время сохраняться, если тепловая генерация пар незначительна.

На рис. 1.11,б изображена цепочка МДП-структур, являющаяся частью строчки многоэлементного фоточувствительного экрана. В случае I на структуру не подано внешнее напряжение и наличие обедненного электронами слоя толщиной d0 связано с контактной разностью потенциалов UК. Случай II соответствует присутствию внешнего напряжения и освещения структуры сквозь полупрозрачный металлический электрод (затвор). Накопленный за время освещения заряд дырок может быть сдвинут вдоль цепочки структур, если на соседний элемент подано более высокое напряжение (случай III). В этом случае глубина потенциальной ямы для дырок больше, и они вследствие диффузии перейдут от второго элемента к третьему. В промежутке между затворами 2 и 3 присутствует ускоряющее дырки поле, которое проникает и в область скопления дырок, поэтому переток дырок к элементу 3 может быть достаточно быстрым.

Таким способом электрический сигнал от элемента 2, пропорциональный интенсивности Ф и времени действия света, падавшего на этот элемент, может быть проведен по цепочке элементов и выведен во внешнюю цепь. Аналогичным образом могут быть получены видеосигналы от других элементов строки и элементов других строк.

Таким образом, микроскопические фоточувствительные элементы расположены в строке настолько близко (l3 мкм), что они могут взаимодействовать, передавая друг другу заряды. Отсюда название подобных устройств — приборы с зарядовой (или объемной) связью. Эта связь между МДП-структурами осуществляется через общую для всех структур толщу полупроводников.

Регистрирующие изображения устройства рассмотренного типа (из МДП-элементов) потребляют малую энергию во время считывания, требуют небольших напряжений (10—20 В) при числе элементов ~1·105см-2 могут иметь хорошую разрешающую способность (40 линий на I мм). Высокая чувствительность экрана определяется тем, что он работает в условиях накопления светового действия. Так как в чувствительных элементах используют не р-п-переходы, а поверхностные барьеры, облегчается подбор области спектральной чувствительности прибора путем выбора материала с соответствующей шириной запрещенной зоны (ΔЕ≤hν).

Кремниевые приборы с зарядовой связью обладают рядом преимуществ по сравнению с вакуумными передающими телевизионными приборами, имеют высокий срок службы (1•104 ч) и используются, в частности, для регистрации слабых изображений, создаваемых оптическими телескопами.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.