Материал: zPUs6LtHHJ

При ширине перехода ~ (1...10) 10−4 см быстродействие определяется соотношением ts =Wvдр =10−4 см107 смс ~ 10−10...10−11 с. Поэтому фотодиоды используются в скоростных системах типа «передача информации по волоконно-оптической связи модулированием светового потока». Наличие спектральной чувствительности позволяет разрабатывать системы с цветным «зрением».

В оптопарах фото- и светодиоды работают как ключи или служат датчиками дыма, пыли и пр. Светодиод – прямо смещенный p–n-переход, в котором происходит излучательная рекомбинация носителей. В принципе, все прямо смещенные p–n-переходы – светодиоды, но суть в том, что в обычных диодах большая часть носителей, лежащих вне диапазона видимого излучения, рекомбинируют с энергией hν. Длина волны рекомбинированных носителей определяется по формуле ~ hcEg . Для кремния при максимальной

спектральной чувствительности Eg ~ 1,1 и λизл =1,241,1 ~ 1,19 мкм. Увеличение Eg (за счет добавок Р, AL) позволяет перевести излучательную ре-

комбинацию в видимый диапазон. На практике это производится широкозонными полупроводниковыми гетероструктурами типа AlxGa1−xAs .

ТЕПЛОВЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

К тепловым приемникам излучения (ТПИ) относятся первичные преобразователи, чувствительные к инфракрасному излучению (0,8…12 мкм). В ИК-датчиках происходит поглощение излучения от объекта, приводящее к нагреву сенсора и изменению его выходных параметров, в частности у фотодиодов – к изменению значения темнового тока с температурой. В случае болометров (резисторов) изменяется их электрическое сопротивление, появляется термоЭДС в месте контакта проводников, отличающихся своими свой-

ствами (эффект Зеебека).

Тепловые приемники могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми. В общем виде все ТПИ, как и любой сенсор, характеризуются коэффициентом преобразования K = ∆U∆T ( ∆U – приращение сигнала на выходе при изменении температуры на ∆T ) и постоянной времени τ = Cσ, где C – теплоемкость (ЧЭ); σ – тепловая проводимость между ЧЭ и окружающей средой.

11

Для болометров, когда термосопротивление включено в одно из плеч моста Уинстона, выходной сигнал определяется выражением

ния. Тогда чувствительность S =Us EпT .

Для болометров характерна чувствительность S в полосе пропускания в пределах 1…100 В/Вт, быстродействие 1…10 мс, обнаружительная способ-

ность в полосе пропускания датчика D ~ 108...109 Гц Вт−1 .

Для датчиков на основе термоэлементов чувствительность определяет-

ся выражением S = ∆∆TE N , где N – число термоэлементов; ∆E – ЭДС Зеебе-

ка (обычно, S =1...100 BBτ, τ=1…1000 мс, D ~ 108...1010 ) Гц Вт−1). Описанные структуры в виде дискретных элементов малоинтересны

как датчики температуры. Наиболее перспективными направлениями их использования являются формирование теплового отображения предметов и контроль тепловых полей.

Основное требование, предъявляемое к датчикам отображения, заключается в возможности генерации совокупности сигналов, представляющих значение тепловой «освещенности» в различных точках изображения. Такой датчик отображения состоит их множества сенсоров (матрицы), где каждый пиксель (Pixel of picture element – элемент разложения картины) выдает свой сигнал. После опроса каждого пикселя необходимо восстановление исходного изображения.

Датчик отображения организуется следующим образом: сигналы с матрицы первичных преобразователей (ПЭ), объединенных в строку или столбец, поступают в накопители информации (зарядовые устройства на основе МОП-конденсаторов), а далее – в средства коммутации, обработки сигнала и восстановления изображения.

ной сигнал; tE(λ) – экспозиция; E(λ) – освещенность данного спектрального состава.

12

фотоприемники различного типа, а для ИК – фотоприемники и болометры. Если при изготовлении фотоприемников видимого спектра излучения особых проблем нет. то для ИК эта задача окончательно не решена. Для создания качественного ИК-отображения с хорошим спектральным и пространственным разрешениями используются в основном фотоэлектронные матрицы

(106 элементов), работающие при криогенной температуре, что необходимо для уменьшения собственных шумов и выделения сигнала в окнах прозрачности атмосферы (3…5 и 8…14 мкм).

(Биологическими аналогами ТПИ могут служить некоторые змеи, имеющие «зрение» в диапазоне 8…14 мкм, обнаруживая изменение температуры на 3 К, т. е. лучше современных матричных ТПИ).

Неохлаждаемые матрицы на основе ТПИ в отличие от квантовых (ф о- то) могут работать во всем диапазоне ИК - излучения, но быстродействие их невелико.

Ведущие фирмы мира работают в направлении увеличения быстродействия за счет уменьшения тепловой проводимости сенсоров (уменьшение τ) и в направлении увеличения поглощения в широком спектральном диапазоне.

В качестве примера рассмотрим микроболометрическую матрицу (рис. 10). На рисунке показан внешний вид одного пикселя.

Технологический маршрут изготовления матрицы довольно сложен, требует высокой прецизионности проведения операций. Составляющие блоки такого процесса: а) формирование двухуровневой металлизации (Al) с промежуточной изоляцией; б) создание «жертвенного» слоя, толщина которого соответствует высоте вывешенных площадок; в) формирование чувствительных элементов и соединение их с металлической разводкой; г) удаление «жертвенного» слоя под чувствительными площадками (тем самым происходит вывешивание чувствительных элементов).

13

Проблема измерения температуры стоит в установлении зависимости свойств материала от температуры. Чувствительность таких датчиков определяется приращением выходного сигнала ( ∆U , ∆R, ∆I, ∆ЭДС и т. д.) в диапазоне температур. Очевидно, что датчики температур в основной своей массе существенно нелинейны, поэтому проблема из линеаризации весьма актуальна, что осложняется наличием собственных термодинамических свойств материалов и окружающей среды. Но несмотря на сложности в градуировке и обработке выходного сигнала номенклатура датчиков температуры весьма широка (термометры, металлы (Pt, Ni), термопары на основе эффектов Пельтье, Томсона, Зеебека и т. д.) из-за относительной доступности и простоты изготовления приемников (первичных преобразователей температуры).

Из малогабаритных датчиков температуры интерес представляют преобразователи, изготовляемые по интегральной технологии, отличающиеся воспроизводимыми выходными параметрами, – поверхностные зонды, диффузионные резисторы, позисторы. Первые представляют собой обычную «гребенку» из металла на теплоизолирующей подложке, изготавливаемую методом тонкопленочной технологии и литографии. В качестве материала «гребенки» используют Pt, Fe-Ni. Чувствительность резистивных Pt-датчиков

Подобные датчики очень нелинейны и линеаризуются с помощью дополнительного подстроечного сопротивления.

Дополнительные резисторы могут быть изготовлены в едином технологическом цикле или в гибридном исполнении.

Термисторы отличаются бóльшей чувствительностью (~ в10 раз), чем металлические «гребенки», и имеют отрицательный термический коэффициент сопротивления (ТКС). Они изготавливаются из полупроводниковых оксидов металлов – MgO, Mn2O3, F3O4, NO, ZnTiO4 по толстопленочной технологии: нанесение на подложку, спекание (1000…1400 оС), травление, формирование контактов, старение. Высокая чувствительность термисторов к температуре позволяет применять их для контроля очень малых ее изменений (от 10–4 до 10–3 К). Изменение сопротивления термисторов зависимости от

15