Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение сла­бых оптических сигналов

Фотоприемное устройство как обнаружитель слабых оптических сигналов ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ, ФПУ, ПЗС И ДРУГИХ ПРИБОРОВ С НАКОПЛЕНИЕМ ЗАРЯДА

Широкий класс оптико-электронных систем предназначен для обнаружения слабых импульсных сигналов :[1,5—10]. По­жалуй, легче назвать системы, где падающее излучение не мо­дулировано (экспонометры, некоторые системы автоматики), чем перечислить все системы с модулированным излучением. В ряде систем модулировано излучение самого источника. Это прежде всего системы на основе импульсных лазеров и свето­диодов: геодезические лазерные дальномеры, волоконно-опти­ческие системы передачи информации (ВОСП), рефлектомеры (приборы, определяющие расстояние до повреждения в воло­конной линии по моменту прихода отраженного импульса), ак­тивные системы наведения, слежения, такие как координаторы. Существуют также оптико-электронные системы, где излучение источника не модулировано: источник (цель) является точеч­ным и необходимо определить его координаты. Здесь им­пульсный сигнал возникает за счет модуляции и сканирования в самой системе либо за счет перемещения точечной цели. Это системы астроориентации, теплопеленгаторы, различного рода пассивные системы обнаружения, слежения и наведения. Но даже если в оптико-электронной системе излучение источника постоянное, нет ни модуляции, ни сканирования, но ограниче­но время наблюдения Гн, оптический сигнал также можно счи­тать импульсным, приписать ему длительность Тн.

В настоящей книге будем рассматривать ФПУ для указан­ного класса оптико-электронных систем, предназначенные для обнаружения импульсных оптических сигналов, измерения мо­мента их прихода, определения координаты светового пятна.

Сначала поставим задачу в общем виде: какова должна быть функциональная и структурная схема электронного блока оптико-электронной системы, обнаруживающего импульсный оптический сигнал?

Функциональная схема обнаружителя. Первой операцией яв­ляется детектирование — преобразование оптического сигнала

В электрический (в фотосигнал). Поскольку в системе наряду с сигналом присутствует широкополосный шум, то следующей операцией должна быть фильтрация. Необходимо выделить гармоники сигнала из смеси с этим шумом и ^зарезать» те частоты, на которых преобладает шум. В реальных устрой­ствах наряду с фильтрацией необходимо, как правило, усилить сигнал, чтобы он стал транспортабельным (был больше шумов и наводок последующих цепей) и был достаточным для ра­боты выходного блока — решающего устройства. Этим устрой­ством выполняется операция принятия решения о наличии или отсутствии сигнала. Устройство, выполняющее детектирование, фильтрацию (усиление) и принятие решения о наличии или от­сутствии сигнала, называется обнаружителем (рис. 1.1,а) [4].

Многоканальный обнаружитель можно вначале рассматри­вать как простой набор (мозаику) одноканальных. Теоретиче­ски в каждом канале должно было бы быть решающее устрой­ство. Однако можно обойтись одним таким устройством (для некоторой группы каналов), если перед ним организовать ком­мутацию; сигналы со всех каналов группы последовательно, с нужной частотой опроса, подавать на общее решающее устройство (рис. 1.1,а). Так многоканальный обнаружитель до­полняется еще одной функцией — коммутацией (мультиплекси­рованием, так как обычно параллельная информация преобра­зуется в последовательную).

В первых оптико-электронных системах детектирование осуществлялось с помощью ФП, а остальные функции обнару­жителя выполнялись специальными электронными блоками оп­тико-электронной системы [1]. В конце 60-х — начале 70-х годов благодаря развитию микроэлектроники стало возможным сов­мещать в одной конструкции (в одном корпусе) и даже на од­ном кристалле и фото чувствительный элемент, и электронные блоки (в микросхемном исполнении), полностью либо частич­но выполняющие другие функции обнаружителя — фильтрацию, усиление, коммутацию, а в отдельных случаях даже принятие решения о наличии или отсутствии сигнала. Так возник новый класс приборов — фотоприемные устройства [2]. В настоящее время существует множество различных типов таких устройств, [3]. Рассмотрим основные типы ФПУ и покажем, что несмотря на разнообразие технических решений структурные схемы всех ФПУ идентичны и соответствуют приведенной на рис. 1,1,а функциональной схеме обнаружителя.

Фотоприемное устройство традиционного типа с усилителя­ми. Самым простым является одноканальное (одноэлементное) ФПУ, содержащее ФП и усилитель, который обычно выпол­няет и функцию фильтрации — формирует требуемую полосу частот (рис. 1.1,6). Различают низкочастотные ФПУ, пред­назначенные для систем с механической модуляцией и скани­рованием (типовые полосы частот в пределах 0,001 ... 10 кГц),

Лриня/лие Решелв#

Робаме

@ы

Г)

^ 1 % ^

/70^020##? Детр0#?я?$0

Ч

Д)

Рис. 1.1. Фотопрнемные устройства по своим функциональным схемам яв­ляются обнаружителями:

С — функциональная схема обнаружителя; б—ФПУ традиционного типа с усилителя­ми; в — ФПУ с накоплением; г — ПЗС с фотодиодами в ячейке; д — гибридный ИК

ПЗС

И высокочастотные для приема лазерного излучения (полосы частот 1 ... 100 МГц). В последних используются фотодиоды с р-п - и /м-л-структурами, ЛФД (§ 1.2). В состав таких ФПУ, как уже указывалось, может включаться решающее устройство.

Практически не отличаются от одноканальных и ФПУ с малым числом каналов, например 4-канальные с квадрантным фоточувствительным слоем: в одном корпусе собирается не од­но, а четыре практически одинаковых устройства. Прибор ана­
логичен координатному ФД с поперечным фотоэффектом [11] И позволяет определить смещение пятна (в том числе и лазер­ного) относительно центра квадрантного фоточувствительного элемента (ФЧЭ).

По такой традиционной схеме (ФП и усилитель) можно строить и многоэлементные линейные ФПУ (линейки). Каждый из Мэ элементов имеет отдельный усилитель и отдельный ин­формационный выход. Наличие большого числа выводов огра­ничивает число элементов в таких ФПУ, обычно оно не пре­вышает 50 . .. 200. Введение в состав линейки следующего функционального блока многоэлементного обнаружителя — коммутатора (рис. 1.1,6) позволяет на один и более порядков сократить число информационных выходов и достичь числа элементов вплоть до 103... 104 [12].

Во всех перечисленных ФПУ традиционно (как и в оптико­электронной системе) используется многокомпонентный усили­тель, обычно на одной или нескольких микросхемах, с доста­точно сложным, часто многозвенным фильтром, высоким коэф­фициентом усиления. Это приводит к относительно большим габаритным размерам, повышает тепловыделение и энергопо­требление, ограничивает возможность дальнейшего наращива­ния числа элементов и построения двумерных фоточувствитель - ных приборов, удорожает устройство.

Другим классом приборов являются многоэлементные ФПУ с накоплением (матрицы), в которых устраняются многие из перечисленных недостатков.

Фотоприемное устройство с накоплением заряда. Все опе­рации по обработке сигнала, которые в ФПУ традиционного типа выполняются в каждом канале, в ФПУ с накоплением выполняются каждой ячейкой (рис. 1.1, в—д).

Схемотехника ячейки. Так как ячейка ФПУ с накоплением обязана выполнять те же функции обработки сигнала, что и канал традиционного ФПУ, то функциональные схемы ячейки и канала этих устройств идентичны и представляют собой схе­му обнаружителя. Отличие заключено в конструктивном реше­нии: при синтезе ячейки исходят из принципа максимальной экономии, каждую функцию обнаружителя можно «поручить» одному элементу, а часто один элемент совмещает несколько функций. Эквивалентная схема ячейки матрицы с накоплением в общем виде представлена на рис. 1.2, а. Детектирование, фильтрацию, коммутацию, а в некоторых ячейках и усиление выполняют соответственно фоточувствительный элемент (ФЧЭ), емкость, ключ и транзистор (усилитель). Таким образом, ячей­ка содержит минимум четыре функциональных элемента.

Принцип работы накопительных ячеек во всех ФПУ универ­сален: через строго определенный период опроса (время на­копления) Тн переключатель замыкается и подключает емкость к источнику питания с исходным потенциалом ип на емкости

Устанавливается исходный заряд С}асх.= Сив. Затем переключа­тель размыкается, следует основной интервал накопления: за время Тн фототок ФП /ф, протекая через емкость, накапливает сигнальный заряд /фТн - Обычно накопление «отрицательно» — фототок разряжает емкость на величину 1фТи. Ключ и емкость представляют здесь в совокупности динамический фильтр: на­копление заряда в течение времени Тн, которое определяется периодом замыкания ключа, формирует эффективную полосу фильтра 1/2 Тн {подробнее см § 4.5).

Фиксировать сигнальный заряд можно двояко: 1) измерять ток подзарядки емкости в момент замыкания ключа. В этом случае ключ выполняет функции не только динамического фильтра, но и коммутатора, подключающего данную ячейку к общему выходу; 2) замерять напряжение разрядки на емкости Аи=1фТн/С, для чего накопительную емкость необходимо под­ключать к затвору транзистора (ко входу усилителя), а в мо­мент замеров на этот транзистор подавать напряжение пита­ния. Тогда транзистор выполняет функцию не только усиления, но и коммутации — при подаче на него напряжения питания подключает ячейку к общей выходной шине Б.

На рис. 1.2, б—г приведены схемы наиболее известных ячеек с накоплением [13]. Это фотодиод-диодная (рис. 1.2,6), фото - транзисторная (рис. 1.2, в) ячейки, а также ячейка с ФД и дву­мя МДП-транзисторами (рис. 1.2, г). Во всех схемах ФП яв­ляется ФД (в фототранзисторной ячейке р-я-переход ФД — это коллекторный переход), а емкость ФД служит одновременно накопительной емкостью. Ключом в фотодиод-диодной ячейке является диод: при подаче в точку А отрицательного потен­циала (например, £/д— —10 В) он смещается в прямом направ­лении, его сопротивление падает почти до нуля, так что емкость ФД заряжается почти до потенциала 11а= —10 В. Это ее ис­ходный потенциал. Далее потенциал точки А устанавливается
равным нулю (по отношению к точке Б), ФД и диод оказы­ваются под обратным смещением (ключ разомкнут), идет ЦИКЛ накопления. В фотодиод-диодной ячейке усиления нет, сигнал определяется током подзарядки емкости ФД.

Фототранзисторная ячейка ■ модификация фотодиод-диод - ной. Так как последняя представляет собой п-р-р-п-структуру, то, если р'Область этих переходов сделать единой и тонкой, придем к я-р-п-структуре биполярного транзистора. При опросе ключ (эмиттерный переход) включается в прямом направле­нии, через цепь течет общий коллекторный (эмиттерный) ток, в Л31Э раз превышающий ток подзарядки коллекторной емкости. Как видим, в отличие от фотодиод-диодной ячейки появилось практически «бесплатное» усиление. В фототранзисторной ячей­ке достигнута высокая степень интеграции: эмиттерный пере­ход выполняет функции ключа динамического фильтра и ком­мутатора, он участвует и в усилении, коллекторный переход — функцию детектирования, является конденсатором и тоже уча­ствует в усилении.

Недостаток обеих ячеек — в диодном (эмиттерном) ключе: он плохо коммутирует малые напряжения и токи (поскольку его сопротивление в открытом состоянии в этом случае вели­ко) . Кроме того, на сигнальный ток накладывается ток пере­зарядки паразитной емкости ключа. Приходится отметить весь­ма неоднородную чувствительность фототранзисторных ячеек, обусловленную разбросом коэффициента к21Э от ячейки к ячей­ке. Поэтому наибольшее распространение получила ячейка с ФД и двумя МДП-транзисторами. Хотя степень интеграции в ней минимальна — каждый функциональный элемент общей принципиальной схемы ячейки (рис. 1.2, а) представлен здесь отдельным элементом (за исключением емкости), но зато все функции выполняются наилучшим образом. Один из транзисто­ров дозаряжает емкость, являясь, таким образом, ключом ди­намического фильтра, и существенно лучшим ключом, чем диод. Второй (усилительный) транзистор реализует описанный выше метод считывания результирующего скачка потенциала на ем­кости, так что ток перезарядки ключа здесь несуществен.

Особое место среди многоэлементных ФПУ занимают при­боры с зарядовой связью (ПЗС) [14—19]. Ячейка ПЗС чрезвы­чайно проста: она представляет собой структуру металл-ди- электрик-полупроводник (МДП-структуру) или, иначе говоря, конденсатор, нижняя металлическая обкладка которого заме­нена полупроводником (рис. 1.3, а)[1]. МДП-структура работает в неравновесном режиме: на нее скачком подается обратное смещение, так что основные носители (на рисунке — электро-

X

»)

Ны) отталкиваются от поверхности, образуя широкий припо­верхностный слой пространственного заряда. Точно также ши­рокая область пространственного заряда формируется и в вы­сокоомной /г-подложке ФД, когда на сильнолегированную р-область подается обратное смещение, рис. 1.3, б (подробней ФД рассматривается в § 1.2). Отличие, как видим, состоит только в способе подачи обратного смещения: в ПЗС оно по­дается через тонкий слой окисла, а в ФД —через указанный запорный р-слой, что в обоих случаях позволяет избежать больших сквозных токов. Аналогия между схемами рис. 1.3, аг б показывает «кровную» связь ПЗС-ячейки с другими ячейками с накоплением. Аналогична физика: и в ФД, и в ПЗС создана основная область — область пространственного заряда, в силь­ном поле которой разделяются генерированные излучением но­сители. В ФД разделенные носители уходят через р-контакт во внешнюю цепь (когда эта цепь замкнута). Однако в режи­ме накопления фотодиод-диодной ячейки внешняя цепь разом­кнута, поэтому носители накапливаются в р-области (на емко­сти слоя пространственного заряда ФД). В ПЗС-ячейке разде­ленным носителям мешает уйти во внешнюю цепь диэлектрик, и они накапливаются на поверхности полупроводника (тоже
на емкости слоя пространственного заряда). Тонкий слой на­копленных носителей называют каналом. Аналогия между схе­мами на рис. 1.3, а, б позволяет также построить функциональ­ную схему ПЗС-ячейки (рис. 1.3, в); ФД отражает здесь про­цесс разделения носителей (генерацию фототока), емкость — зто указанная накопительная емкость области пространствен-* ного заряда, а разделительная емкость Сок моделирует емкость окисла. Как видим, два элемента, необходимых для ячейки с накоплением, есть. Необходим третий функциональный эле­мент — ключ.

В ПЗС-ячейке выполняется и функция ключа (коммутато­ра), точнее, для коммутации необходима еще одна соседняя ПЗС'Ячейка (МДП-структура, рис. 1.3, г, д). Принцип комму­тации, использующий зарядовую связь между ячейками, и дал название этому типу приборов. Зарядово-связанные ячейки — это МДП-конденсаторы, нижняя полупроводниковая обкладка которых является общей, а верхние обкладки перекрываются;

■ их изоляция осуществляется посредством окисла (на рисунке не показан). Области пространственного заряда таких ячеек тоже перекрываются, так что на поверхности полупроводника можно создать продольное электрическое поле и перенести за­ряд от ячейки к ячейке за счет дрейфа в этом поле. Перенос осуществляется за несколько тактов. В первом такте — при накоплении заряда в ячейке 1 — напряжение на ней более от­рицательно, чем в ячейке 2, и продольное поле на границе ячеек направлено от ячейки 2 к ячейке 1 (рис. 1.3, г). Это поле препятствует растеканию заряда из ячейки 1. Во втором такте, когда осуществляется перенос заряда из ячейки 1 в ячейку 2, соотношение потенциалов на ячейках меняется на обратное (ср. рис. 1.3, г, <?). Поэтому и продольное поле меняет поляр­ность— оно направлено теперь к ячейке 2 и переносит заряд в эту ячейку.

В ПЗС достигнута максимально возможная степень интегра­ции: как видим, все функции — детектирование, фильтрация (накопление), коммутация — могут выполняться одной МДП- ячейкой. Однако в ряде модификаций ПЗС эти функции раз­деляют. Так, в матрицах со строчно-кадровым переносом де­тектирование и накопление проводятся в отдельной МДП-ячей - ке, затем заряд переносится в специальный ПЗС-регистр (ре­гистр представляет собой последовательность зарядово-связан­ных М. ДП-структур), где и выполняется коммутация — перенос заряда в выходное устройство для его регистрации. В модифи­кации ПЗС с ФД разделены все три функции (рис. 1.3, е): Детектирование поручено ФД /, накопление —ячейке 5, а ком­мутация— ячейке 5, входящей в состав ПЗС-регистра (распо­ложен перпендикулярно плоскости рисунка). Затворы, (электро­ды 2, 4) являются вспомогательными: .они разделяют три ука­занные области и регулируют перенос носителей между ними.

На рисунке указаны потенциалы в режиме накопления. На поверхности полупроводника под затвором 2 устанавливается потенциал около—2 В. Фотодиод в исходном состоянии имеет нулевой потенциал, поэтому возникает продольное поле, вытя­гивающее из него дырки. Этот процесс идет до момента равно­весия— до тех пор, пока продольное поле не исчезнет, т. е. пока ФД автоматически не сместится примерно до потенциала затвора—до тех же —2 В (заметим, что заряд дырок, «вытя­нутых» из ФД, можно сбросить из накопителя и не регистриро­вать на выходе). При оптической генерации носителей в ФД равновесие вновь нарушается, он смещается в прямом направ­лении. Под действием продольного поля все носители будут переноситься под электрод 2 и далее—под накопительный электрод 3, пока опять не восстановится равновесие поверхно­стных потенциалов между /^-областью 1 и под затвором 2. Такт коммутации понятен: надо снять с электрода 4 потенци­альный барьер (подать на него примерно —12... 13 В), тогда носители из накопительной ячейки 3 перетекут в коммутиру­ющий ПЗС-регистр (ячейку 5),.

Почему же несмотря на возможность полной интеграции в ряде модификаций ПЗС различные функции обнаружителя поручают различным элементам? Ответ очевиден: каждый эле­мент, каждая МДП-структура лучше справится с одним пору­чением, чем с гремя. Над ФД нет поглощающего поликремни - евого затвора, следовательно, он обладает лучшей чувствитель­ностью. Отделение накопительной ячейки от коммутирующего ПЗС-регистра позволяет параллельно проводить операции на­копления и коммутации. Отделение ФП от коммутирующего ПЗС-регистра дает возможность затемнить этот регистр (экра­нировать от внешней засветки) и, следовательно, устранить «размазывание» изображения при переносе заряда в регистре» которое бы происходило при такой засветке. Выше отмечалось, что накопительной ячейке с ФД и двумя МДП-транзисторами тоже отдают предпочтение — предпочитают качество обработки сигнала, а не предельную степень интеграции.

С кремниевыми ПЗС связаны основные успехи в разработ­ке многоэлементных ФПУ, прежде всего матричных [20]. Это обусловлено и высоким уровнем кремниевой технологии, и функциональной гибкостью ПЗС-структур. С точки зрения об­наружения слабых оптических сигналов важно отметить еще одно серьезное достоинство ПЗС-ячейки перед другими типами накопительных ячеек — отсутствие в исходном состоянии на­чального заряда на поверхности (в канале), что облегчает об­работку сигнала. Если в ПЗС с поверхностным каналом для заполнения поверхностных ловушек и устранения прилипания носителей на них в процессе переноса все же приходится спе­циально вводить фоновый заряд, так называемый «жирный нуль», то в ПЗС с объемным каналом прилипания нет и фоно­вый заряд можно не вводить (объемный канал расположен на глубине 0,3 ... 1 мкм от поверхности полупроводника, что обес­печивается специальным подбором профиля легирования).

И последний тип ячейки с накоплением, который мы рас­смотрим,— это обычный ФР [21]. Очевидно, что Фр' выпол­няет первую функцию обнаружителя детектирует оптический сигнал. Генерированные фотоносители накапливаются в объеме полупроводника. Функцию ключа, стирающего через определен­ное время накопленный заряд, выполняет здесь рекомбинация. Она приводит к тому, что генерированные фотоносители «жи­вут» (хранятся, накапливаются) в полупроводнике в среднем в течение времени жизни тж. Поэтому говорят, что в ФР идет накопление на времени жизни. Таким образом, благодаря ре­комбинации ФР выполняет не только детектирование, но и сле­дующую функцию обнаружителя — фильтрацию сигнала (ФР формирует полосу аналогично однозвенному ^С-фильтру с по­стоянной времени Тж, см. § 1.2, 4.1). Есть в ФР и усиление, ко­торое называют фоторезистивным усилением. Просто осуще­ствляется и коммутация: напряжение на ФР надо подавать

Только в момент опроса. Ведь ФР — прибор пассивный, и в от­сутствие напряжения ток через внешнюю цепь протекать не будет.

Однако несмотря на высокую интеграцию и даже наличие усиления ФР как обнаружитель не может составить конкурен­цию ПЗС-ячейке: в ФР фильтр не перестраивается (не регули­руется тж), сильна межкадровая связь, фотоносители гене­рируются обычно на фоне высокой исходной концентрации но­сителей.

Как построить многоэлементные ФПУ из отдельных накопи­тельных ячеек. Существуют два основных метода организации рассмотренных выше ячеек с накоплением в единую матричную структуру.

Первый метод — метод «решетки»: формируется система го­ризонтальных и вертикальных шин — шин строк и столбцов, (рис. 1.4, а). На пересечении шин помещается ячейка: к стро­кам подключаются точки Л ячеек (рис. 1.2), т. е. входы управ­ления ключами; к столбцам — точки Б (шина выходного сигна­ла). При необходимости шины могут быть сдвоенными; напри­мер, в ячейке с ФД и двумя МДП-транзисторами надо управ­лять обоими транзисторами, подавая разные импульсы в точки А, А1. Некоторые электроды ячеек можно объединять: напри­мер точка В на рис.1.2,г (сток ключевого транзистора) может быть общей для всех ячеек. При работе матрицы поочередно на любую из строк подаются импульсы опроса, со столбцов снимаются сигналы элементов опрашиваемой строки. Для по­следовательной коммутации выходных столбцов к одному ин­формационному выходу, решетку можно дополнить горизон­тальным регистром. В решетке можно опросить любую из строк

(независимо or опроса других), поэтому часто употребляют термин «матрица с произвольной адресацией» (или с произволь­ным опросом, считыванием, английский эквивалент — random access array).

По принципу решетки организуются в матрице все рассмот­ренные выше ячейки: и представленные на рис. 1.2, и фоторс - зисторная, и даже ПЗС-ячейки. В последнем случае вертикаль­ная шина представляет сообй МДП-структуру, зарядово-связан­ную со всеми накопительными МДП-ячейками столбца. Заряд опрашиваемой ячейки переносится в эту вертикальную шину, создавая скачок потенциала на ней, что и фиксируется выход­ным усилителем на основе МДП-транзистора. Такой прибор на­зывают прибором с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Этим терми­ном он был назван по операции стирания заряда: после опроса напряжения на ячейке становится близким к нулевому, заряд инжектируется в подложку, где быстро рекомбинирует с основными носителями (когда заряд был на поверхности, ему рекомбинировать было не с чем — в области объемного заряда нет основных носителей). В первых модификациях ПЗИ ин - жекция заряда в подложку использовалась и для считывания сигнала.

Второй метод организации ячеек в матрицу — метод «кон­вейера»: заряды передают на общий выход по цепочке, от од­ной ячейки к другой. Приборы с зарядовой связью как бы спе­циально рождены для реализации этого принципа: зарядово связывая одну за другой ПЗС-ячейки, они создают уже назван­ные выше ПЗС-регистры. Чтобы обеспечить перенос заряда в одном направлении, одна ячейка ПЗС должна содержать три МДП-ячейки (или две ячейки, но со ступенчатым потенциалом в их канале). Все ячейки регистра управляются одним пм-
пулъсным источником (обычно требуется от одной до четырех фаз). Матрица получается набором ПЗС-регистров (рис> 1.4,6). Здесь схематически представлен простейший пример организа­ции ПЗС-матрицы. Поликремниевые затворы соответствующих ячеек всех столбцов-регистров объединены. Для разделения яче­ек столбцов диффузиеи донорнои примеси в подложку п-типа создают вертикальные высоколегированные я+-области. Высо­кая проводимость этих областей не дает возможность полю проникнуть в подложку под ними, так что потенциал у поверх­ности почти равен нулю — для носителей возникает потенциаль­ный барьер. Как видим, организация матрицы здесь тоже све­дена к простой решетке вертикальных диффузионных п+-об­ластей и горизонтальных поликремниевых затворов МДП-ячеек. Вместе с горизонтальным регистром эта система образует об­щую систему коммутации — передает сигнал из ячейки на об­щее выходное устройство.

Выходное устройство обязано содержать как минимум три элемента: емкость (обычно это емкость диода) и два транзисто­ра. Емкость выходного устройства — конечный пункт «путеше­ствия» заряда: при поступлении заряда на емкость выходного устройства на ней создается скачок потенциала. Сначала один транзистор считывает этот потенциал, а затем второй транзи­стор — ключ — стирает зарегистрированный заряд, подготавли­вая емкость к следующему акту считывания. Отдельного рисун­ка для выходного устройства даже не требуется, ведь он про­сто повторяет рис. 1.2,г — схему ячейки с ФД и двумя МДП - транзисторами. Отличие состоит только в том, что в ячейке рис. 1,2,г заряд, поступающий на емкость (обратносмещенный р-п-переход ФД), генерируется непосредственно излучением, а в выходном устройстве ПЗС заряд, поступающий на емкость (емкость диода), переносится из ПЗС-регистра. Можно ска­зать иначе: решетка как бы содержит считывающее устройство в каждой ячейке, а ПЗС «экономнее» — все ячейки пользуются одним считывающим (выходным) устройством. Если проводить сопоставление выходных устройств, то надо вернуться и к ПЗИ: как мы отмечали, в каждом столбце ПЗИ есть аналогичное вы­ходное устройство — емкость и считывающий транзистор. Тогда различие ПЗС и ПЗИ можно сформулировать так: в ПЗС за­ряд из ячеек «идет» к выходному устройству, а в ПЗИ, наобо­рот, выходное устройство само «приходит» в каждую ячейку столбца, т. е. считывающая емкость выполняется в виде длин­ной шины, зарядово-связанной со всеми этими ячейками, так что ее емкость оказывается большой.

Семейство современных ПЗС, их схемотехника чрезвычайно разнообразны. Функции детектирования, накопления, переноса заряда могут, как уже указывалось, поручаться различным ПЗС-ячейкам. В состав прибора включаются различные вспо­могательные секции из ПЗС-регистров, однако принцип конвей - ■ера в этих приборах всегда сохраняется, причем возможно рас­параллеливание, соединение, кольцевание трасс переноса заря­довых пакетов. Так, соединение трасс показано на рис. 1-4,6: заряды столбцов приходят в один общий горизонтальный ре­гистр, и к выходному устройству переносятся по этому одному регистру. По конвейерному принципу организованы некоторые другие, менее распространенные приборы, которые здесь не рас­сматриваются,— сканисторы, «пожарные цепочки», а также приборы типа SPRITE (от Signal Processing In The Element — обработка сигнала в фотоприемнике) [22]; краткое рассмотре­ние принципа действия последних приводится в § 4.5,

Особенности построения многоэлементных ФПУ с накопле­нием для ИК-диапазона, Кремний — основной материал полу­проводниковой электроники — позволил создать весьма совер­шенные ПЗС (линейки 1000, 2000, 5000 элементов, матрицы 500X500, 1000X1000 элементов), чувствительные в спектраль­ном диапазоне 0,5 ... 1,1 мкм. Значительные трудности обычно возникают при создании многоэлементных ФПУ (особенно с большим числом элементов), чувствительных к ИК-излучению спектральных диапазонов 2 ... 3, 3 ... 5, 8 ... 14 мкм (диапазо­ны определяются окнами прозрачности атмосферы). Приборы, чувствительные к излучению свыше 1,1 мкм, будем называть инфракрасными: ИК ФПУ, ИК ПЗС, ИК-матрицы. Фотоприем­ные устройства на основе кремниевых ФП с фундаментальным поглощением сюда не относим (это, конечно, условная класси­фикация, так как при собственном поглощении в кремнии воз­можна регистрация ближнего ИК-излучения 0,7... 1,1 Мкм), В части ИК ПЗС и ИК ПЗИ разработка проводится по четы* рем направлениям.

Кремниевые ПЗС на основе барьера Шотки. «Очувствление» кремния в ИК-диапазоне достигается за счет того, что в ячей­ке кремниевого ПЗС с ФД параллельно ему подключается ФД на основе барьера Шотки (ср. рис. 1.3,е и 1.5,а). Диод на осно­ве барьера Шотки (поверхностно-барьерный) представляет со­бой структуру металл-полупроводник, так что в ПЗС-ячейке надо непосредственно на подложку напылить еще один метал­лический электрод и электрически соединить его с диффузион­ной областью. При специально подобранном металле (напри­мер, платине либо палладии) создается низкий поверхностный барьер (~0,2 эВ), в поле которого разделяются носители, воз­бужденные в металле при поглощении в нем ИК-излучения.

Примесные кремниевые ПЗС. ИК-«очувствление» кремния достигается введением в фоточувствительную ячейку ПЗС при­меси с малой энергией ионизации («мелкой» примеси), благо­даря чему становится возможным примесное поглощение ИК-излучения.

ПЗС и ПЗИ на узкозонных полупроводниках. Используются такие узкозонные полупроводники, как In As, InSb, CdHgTe

(кадмий'ртуть-теллур — KPT). Теоретически топология таких приборов могла бы повторять топологию кремниевых, однако из-за малого коэффициента переноса именно для узкозонных материалов оправдана и широко используется идеология ПЗИ.

Гибридные ИК ПЗС. Эти приборы представляют собой со­четание ФП на узкозонном материале с кремниевым ПЗС. Фо­тосигнал с ФП вводится в ПЗС электрическим путем, для чего каждая ячейка дополняется инжектором. В простейшем методе (прямой токовый ввод сигнала с ФД) инжектор нам уже изве­стен — это диод (ФД) рассмотренной выше модификации ПЗС-ячейки на рис. 1Д<?. К нему параллельно и подключается ИК ФД (рис. 1.5,6). Схемотехнически ячейки такого гибридно­го ИК ПЗС, как и ПЗС на основе барьера Шотки и кремниево­го ПЗС с ФД, одинаковы (ср. рис. 1.3,е и 1.5,а, б). ПЗС на ос­нове барьера Шотки можно рассматривать как сдну из модификаций гибридного, в которой ИК ФД изготовлен на той же подложке, что и кремниевый ПЗС. При освещении диффу­зионная область смещается в прямом направлении и инжекти­рует носители в накопительную ячейку. Интересно, что в по­следнее время ФД на основе барьера Шотки и ПЗС тоже из­готавливаются на двух отдельных кристаллах, так что и по кон­струкции такие приборы уже не отличаются от других гибрид­ных ПЗС [23].

Если внимательнее рассмотреть все три указанные схемы, то увидим также, что основу инжектора составляет МДП-тран- зистор, область стока которого выполнена не в виде высоколе^- гированной (диффузионной) области, а в виде накопительной МДП-ячейки. Такой МДП-транзистор лежит в основе любого инжектора: ведь всегда должен быть исток, откуда инжекти­руются носители; накопительная область, где они собираются — сток; и разделяющий их затвор. В рассмотренных схемах гене­ратор сигнала подключался к истоку. Но можно подключить ;его и к затвору, что особенно удобно для ФР (рис. 1.5,в). Здесь, как и в обычном усилителе, напряжение сигнала на за­творе управляет током стока, только этот ток не уходит во внешнюю цепь, а накапливается на емкости стока (иначе гово­ря, рис. 1,5,в представляет собой схему с емкостной нагрузкой в цепи стока). Замена оптической инжекции на электрическую приводит в гибридных ПЗС к принципиальным осложнениям. Это обусловлено резким возрастанием сопротивления инжекто­ра при интересующих нас малых уровнях фогосигнала. При малых сигналах МДП-транзистор работает в подпороговом ре­жиме, т. е. его сопротивление определяется не каналом, а барь­ером между областями истока и затвора [24—26]. В § 1.2 будет показано, что сопротивление барьера

= фт//=0,007/(10-9... 10~7) =7* (104... 106) Ом. (1.1)

Здесь фт = £77^— тепловой потенциал (к — постоянная Больц­мана, Т — абсолютная температура, д — заряд электрона). Для численной оценки выбрано значение фт при Т= 77 К, а также значения токов 1, типичные для ИК ФД спектральных диапазо­нов 2 ... 3 мкм и 3 ... 5 мкм и имеющих площадку ЮОХ ХЮО мкм. Расчет этих токов проводится в следующем пара­графе (см. табл. 1.1). Большое сопротивление приводит к боль­шой постоянной времени ^С-цепи инжектора: при типовой ем­кости цепи истока С— (1 .. . 10) ■ 10“12 Ф она составляет 0,7-

• (10-7.. . 10-4) с. Если необходимы малые времена ввода (по­рядка и меньше полученной постоянной), то носители просто не успевают инжектироваться. Выход из этого положения один — предусиление. Так в гибридных ИК ПЗС возникают предусилители (рис. 1Л,<9), зато пропадает простота.

Кремниевая технология позволяет в первых двух типах ИК ПЗС (Шотки-барьерных и примесных) получить большое число элементов (100X100, 500X500) [27], но, к сожалению, хорошо «очувствить» кремний не удается — квантовый выход этих при­боров в ИК-диапазоне 2 ... 5 мкм остается малым, в пределах

0, 1 ...5%. Вторые два направления дают возможность полу­чить высокий квантовый выход, так как в них используется соб­ственное поглощение в узкозонных полупроводниках, но число элементов здесь ограничено. К уже указанным выше причинам этого ограничения добавим и сложность технологии узкозонных полупроводников, степень отработанности которой нельзя срав­нить с кремниевой, и сложность сочленения двух кристаллов в гибридных ПЗС. В ИК ФПУ с накоплением возникают также принципиальные трудности при больших фоновых токах тепло­вого излучения (§ 1.2, 4.6). Три других направления разрабо­ток ИК-матриц не связаны с ПЗС.

Решетка на основе ячейки с ключом. Этот прибор также являбтся гибридным. ИК-фотодиод изготавливается на узко* зонном полупроводнике и соединяется с кремниевым кристал­лом, но не с ПЗС, а с решеткой ячеек, как правило, на основе диода и двух транзисторов (см. рис. 1.2,й). Ряд авторов пред - полагает, что такая схема предпочтительнее схемы ПЗС при большом уровне фона [28]. Конструктивные и технологические сложности те же, что и в любом гибридном приборе, отсюда и ограничения на число элементов.

Фоторезисторная матрица. Это решетка с фоторезистором в. каждой ячейке; подобная «идеология» матрицы используется именно для ИК'ФР. Фоторезисторная матрица является вообще простейшей по своей структуре: на полупроводниковую пласти­ну с разных сторон наносятся контактные шины, с одной сто­роны — горизонтально, с другой — вертикально. Но и здесь, ко­нечно, есть свои топологические ухищрения, цель которых — снизить перекрестные (межканальные) помехи. Благодаря про­стоте можно достичь того же числа элементов, что и на крем­нии. Указанные выше недостатки фоторезисторной ячейки, к сожалению, ограничивают возможности ее широкого приме­нения.

Приборы типа SPRITE (§ 4.5) — это прибор с небольшим числом элементов на основе фоторезистора (с накоплением на времени жизни). Применяется в системах с большим уров­нем фона и для работы в режиме временной задержки и накоп­ления. Сообщается об изготовлении его на материале КРТ для диапазона 8...14 мкм, где создание других типов приборов проблематично [29].

Фотоприемное устройство как составная часть оптико-элек­тронной системы. Мы с пристрастием провели анализ принципов работы и построения различных типов ФПУ. Это пристрастие — Подход к структурной схеме ФПУ, операциям обработки сиг­нала с позиции обнаружителя — помогло решить поставленную задачу и увидеть, что ФПУ может позволить себе свободу вы­бора своего внешнего технического облика, но главное в том, для чего они созданы: в алгоритме обработки сигнала — все ФПУ «исповедуют одну веру», одну идеологию — идеологию об­наружителя. Еще раз обратимся к рис. 1.1. На этом рисунке собраны «полномочные представители» ФПУ всех основных ти­пов. Структурная схема традиционного ФПУ с усилителем (рис. 1.1,6) не отличается от функциональной схемы обнаружи­теля (рис. 1.1, а) —каждый функциональный блок обнаружите­ля материализуется в электронный блок ФПУ. ФПУ с накоплением — и ячейки типа ФП, емкость, ключ, и ПЗС — Умышленно представлены на рис. 1.1 ,в, г такими своими моди­фикациями, в которых все операции обработки сигнала (детек­тирование, фильтрация, коммутация) выполняются различными компонентами, что особенно наглядно выявляет единство функ­

Циональных схем всех типов ФПУ. Особенно удачный пример — гибридный ПЗС (рис. 1.1, д). Это один из тех «погранич­ных» случаев, когда прибор одновременно можно отнести и к традиционному классу ФПУ с усилителями, и к ФПУ с накоп­лением. Действительно, как и в традиционном ФПУ» ФП и микросхемы обработки фотосигнала изготавливаются здесь на отдельных кристаллах. В ряде таких приборов предусилитель имеет достаточно большое усиление, фильтрует сигнал, так что на ПЗС возлагается в основном миссия коммутатора. Такой гибридный ИК ПЗС даже конструктивно не отличается от тра­диционного ФПУ. В другом исполнении, когда удается провести непосредственную прямую стыковку ФП и ПЗС, прибор по своей структурной схеме и принципу работы не отличается от модификации ПЗС, представленной на рис. 1.3, г. Как следст­вие единства функциональной схемы, часто аналогичными ока­зывались и схемотехнические решения, и даже применяемые компоненты в различных типах ФПУ с накоплением, какими бы различными эти приборы не казались. Выше эти аналогии не­однократно подчеркивались. В конце концов приборы с накоп­лением (и их ячейки, и выходные устройства) строятся чаще всего из двух основных структурных элементов: области прост­ранственного заряда (ПЗС-ячейка, ФД) и МДП-транзистора (ключевого и измерительного). Такая универсальность поможет провести анализ прохождения сигнала в ФПУ в обобщенном виде.

Наш анализ также показал, что в обычный ФП, дополнен­ный соответствующими блоками оптико-электронной аппарату­ры, и всевозможные разновидности ФПУ (при необходимости тоже дополненные отдельными блоками) представляют собой обнаружитель и последовательно выполняют уже хорошо изве­стный набор функций преобразования сигнала. Собственно го­воря, это заключение содержится в самом определении ФПУ. Отличие системы, использующей ФП либо ФПУ, заключается прежде всего в конструктивном исполнении. Электронные блоки оптико-электронной системы, как правило, собираются на дискретных элементах и корпусных микросхемах; в ФПУ с уси­лителями применяется гибридно-пленочная технология, а в ФПУ с накоплением — и твердотельная. Если ФПУ взяло на себя ряд функций оптико-электронной системы, то закономерен вопрос: в чем смысл этого класса приборов, не переложен ли просто ряд функций разработчика оптико-электронной системы на разработчика ФПУ?

Нет: использование в оптико-электронной аппаратуре ФПУ вместо ФП приводит к ряду преимуществ и открывает качест­венно новые возможности.

1. Прежде всего это традиционные преимущества микроми­ниатюризации, перехода к гибридной и твердотельной техноло­гиям (снижение массогабаритных параметров и энергопотреб­ления, повышение надежности и т. д.). Важнее, однако, отме­тить принципиально новые качества, к которым приводит заме­на ФП на ФПУ.

2. Чтобы усилитель давал малый вклад в общий шум долж­на быть минимальной выходная емкость (§ 2.4, 2.5)' Единое конструктивное исполнение и особенно формирование ФП и первого каскада (полевого транзистора) на одной подложке как раз и позволяют уменьшить паразитную (монтажную) ем­кость и, следовательно, общую входную емкость.

3. В ФП при пороговых засветках сигнал мал (особенно при отсутствии внутреннего усиления в ФП) и подвержен наводкам. В ФПУ благодаря предварительному усилению фотосигнал ста­новится транспортабельным.

4. В конструкции многоэлементного ФП надо иметь столько же выводов, сколько и элементов; каждый такой малосигналь­ный вывод отдельно стыкуется со входом электронного блока оптико-электронного устройства. При большом числе элемен­тов — порядка 100 и более — это создает серьезные конструктив­ные трудности, растет емкость. Наличие коммутатора в ФПУ позволяет резко снизить число информационных выходов (вплоть до одного) и избежать указанных трудностей.

5. Если многоэлементный ФП охлаждаемый, то каждый эле­мент должен иметь отдельный вывод из криостата. При боль­шом числе электрических проводников резко ухудшаются теп­лофизические и механические свойства прибора, усложняется конструкция. Если электронная схема обработки (усиления, фильтрации и коммутации) маломощна, а ее исполнение позво­ляет расположить ее рядом с фоточувствительным элементом (ФЧЭ) в фокальной плоскости, то число выводов можно на по­рядки уменьшить и прибор будет свободен от указанных недо­статков.

6. Двумерность (достаточный формат) можно обеспечить вообще только в ФПУ. Фотоприемник должен иметь отдельный сигнальный вывод от каждого элемента, а это обеспечивается (и то с трудом) до форматов 6X6 . -. 10ХЮ. При большем фор­мате необходимо вводить коммутацию в состав прибора; следо­вательно, он выполняет уже не только детектирование и по определению становится ФПУ.

Так как ФПУ в отличие от ФП выполняет не одно преобра­зование (детектирование), а целый комплекс преобразований, заменяя собой сложные электронные блоки системы, то это из­делие следует рассматривать не как электронный элемент (ком­понент), а как составную часть оптико-электронной системы. В общем случае в состав ФПУ могут входить следующие под­системы.

Оптическая система. Пожалуй, только в самых простых од­ноканальных ФПУ оптика может состоять из одного недорогого защитного окна. Но уже во многих одноканальных пороговых

ФПУ для увеличения эффективной площадки используется до­статочно сложная иммерсионная оптика. В ФПУ для ВОСП вводят фоконы, обеспечивающие оптический контакт с волок­ном. И особенно сложные оптические системы содержат много­элементные охлаждаемые ИК ФПУ. Окна здесь обязаны быть оптическими элементами — они входят в систему формирования изображения; обязаны быть прозрачными в ИК-Диапазоне (вы­полняются из сапфира, оптических керамик, полупроводников). Для ограничения теплового фонового излучения вводятся опти­ческие фильтры, соответствующие спектру источника сигнала, а также диафрагма, формирующая угол поля зрения. Специаль­ные ячеистые диафрагмы способны формировать нужные углы зрения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Фильтр и диафрагму следует охлаждать, иначе они не выполнят свою задачу и сами будут создавать тепловое излучение, восприни­маемое фоточувствителъйым элементом (ФЧЭ).

Фоточувствителъный элемент. Представляет собой собствен­но полупроводниковую структуру (кристалл или область кри­сталла), принимающую излучение.

Электронные блоки обработки сигнала. Изготавливаются обычно по гибридно-пленочной или твердотельной технологии. Как отмечалось выше, могут располагаться на одном кристалле с ФЧЭ (полностью или частично). Все три указанные системы входят в тракт обработки сигнала (на оптических либо радио­частотах). Для их жизнеобеспечения в состав ФПУ должен входить еще ряд дополнительных систем.

Система охлаждения, Термоэлектрический холодильник ис­пользуется иногда даже в кремниевых ФПУ — одноэлементных пороговых и ПЗС, хотя эти ФПУ могут работать и обычно ра­ботают при температуре внешней среды. Поддержание темпера­туры ФЧЭ на уровне —10 .. . +10° С позволяет снизить их тем - новой ток. Рабочие температуры полупроводниковых ФП с соб­ственной проводимостью, чувствительных в диапазонах 2 . .. 3, 3 ... 5, 8... 14 мкм, лежат обычно в пределах 77 ... 110 К - Для ее обеспечения в состав ФПУ вводятся микротеплообменники, которые работают как от разомкнутых систем (баллонов со сжатым газом высокого давления), так и от замкнутых (напри­мер, с дроссельными криогенными машинами). Реже использу­ются системы охлаждения радиационного и термоэлектрическо­го типа [2, 30]. Особенно сложны гелиевые и неоновые системы охлаждения для примесных ФП, рабочие температуры которых ниже 77 К.

Вспомогательные блоки электроники. Сюда относятся источ­ники вторичного электропитания, формирующие необходимые напряжения для питания ФЧЭ и усилителей; системы слежения за рабочей точкой ЛФД — за его рабочим напряжением, кото­рое растет при повышении температуры среды. Для ФПУ с внутренней коммутацией и особенно ФПУ с накоплением необ­

Ходимы генераторы импульсного тактового питания; матрица ПЗС обычно треб} ет 10... 15 импульсных шин, ^ ^ гибридных ПЗС их число достигает 20 . .. 25, так как здесь необходимо управлять еше входными устройствами. Разработаны специ­альные микросхемы тактового питания для отдельных типов ПЗС, возможно совмещение этих схем с ПЗС на одном кри­сталле. В состав ФПУ можно вводить и различного типа датчи­ки — температуры ФЧЭ, работоспособности различных блоков а также электронные блоки управления системой охлаждения5.

Конструкция. Она оформляет все перечисленные системы в единый прибор и должна обеспечивать его сборку и юстировку в оптико-электронной системе с точностью порядка 10... ... 100 мкм. Некоторые микросхемы ФПУ, например ПЗС, соби­раются в достаточно простых стандартизированных корпусах. Но обычно конструкция ФПУ соответствует сложности прибо­ра. Так, конструкция ФПУ для ВОСП (приемных модулей) Содержит элементы оптических разъемов для стыковки с воло­конной линией. Особенно сложна конструкция охлаждаемых ФПУ. Ее специфика — это специфика конструкции полупровод­никового, радиоэлектронного, оптического, криогенного прибо­ров. При проектировании проводят ряд расчетов: тепловой, на отсутствие механических резонансов на рабочих частотах, на­дежности. Принципиально важным является узел стыковки ФЧЭ с электронными блоками. В ИК-линейке, когда охлаж­даемый ФЧЭ располагается в криостате, а предусилители — вне криостата, таким узлом является токовыводная систе - ма между ними. В гибридных приборах — это соединение кри­сталлов ФЧЭ (обычно узкозонного полупроводника) и кремния. Необходимо предусматривать отвод тепла от электронных бло­ков, особенно с многоканальных усилителей. Все системы долж­ны работать по принципу «не навреди соседу»: системы охлаж­дения, генераторы тактового питания — не давать наводок на сигнальные цепи, электронные блоки — не выделять излишнего тепла, затрудняя этим работу системы охлаждения.

Из всего сказанного следует, что разработка ФПУ должна основываться на достижениях ряда технических дисциплин. Формированием технического облика изделия в целом, синте^ зом его структуры (а с этого начинается разработка ФПУ, как н любой другой комплексной системы) должна заниматься спе­циальная дисциплина — системотехника ФПУ. Прежде всего формулируется целевая функция: обнаружение слабого им - пульсного оптического сигнала. Решение этой задачи состав л я - £т предмет специальной теории — теории обнаружения.

Подведем итог. В настоящей книге рассматриваются ФПУ для широкого класса оптико-электронных систем, регистрирующих слабый импульсный оп­тический сигнал. Такой сигнал должен регистрировать обнаружитель — устройство, которое выполняет детектирование, усиление и фильтрацию (вы­деление из шума), в многоэлементных приборах также коммутацию и, нако -

Ней, принимает решение о наличии либо отсутствии сигнала. Ранее для де­тектирования излучения применялся ФП, а остальные функции выполняли электронные блоки оптико-электронной системы. С развитием микроэлектро­ники появились ФПУ, которые наряду с детектированием взяли на себя (частично либо полностью) и другие функции обнаружителя. Замена ФП на ФПУ— это не только микроминиатюризация, но и принципиально новые качества: предеЛЬН0 малые входная емкость и шум, транспортабельность уси­ленного сигнала, снижение числа информационных выходов за счет внут­ренней коммутации, возможность построения двумерных (матричных) прибо­ров. Несмотря на большое разнообразие типов современных ФПУ, все они повторяют (полностью либо частично) функциональную схему обнаружите­ля; основное различие заключается в способе фильтрации: в традиционном ФПУ с усилителем сам усилитель и является фильтром для сигнала; в ФПУ с накоплением эффективная полоса частот (шириной 1/2 Гн) формируется накопительной емкостью и ключом, стирающим заряд через интервалы Тн. Ячейка любой матрицы с накоплением содержит фотодетектор, указанные компоненты — накопительную емкость и ключ для стирания заряда (а иног­да и считывающий транзистор). Компоненты ячейки могут интегрироваться в один элемент, например в ПЗС-злемент.

Современные ФПУ являются сложной комплексной системой, в его со­став могут входить оптические, полупроводниковые, радиоэлектронные под­системы; синтез структурной схемы ФПУ должен базироваться на теории об­наружения импульсного оптического сигнала. Основам этой теории, ее при­ложениям к ФПУ и посвящена настоящая книга.