Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПРИЕМНИКОВ

Выбор какого-либо одного типа приемников для решения конкретной практической задачи - весьма трудная задача, требующая одновременного анализа самых различных и многочисленных факторов, в первую очередь относящихся как к технико­экономическим параметрам собственно приемника и технологии его изготовления, так и к конкретным условиям его применения в составе ИКС. Не случайно сравнению раз­личных типов МПИ и систем на их основе посвящено большое число исследований и публикаций [128, 183, 235, 250 и др.]. Можно подвести некоторые итоги рассмотрения достоинств и недостатков отдельных типов охлаждаемых фотонных МПИ, работающих в спектральных диапазонах 3...5и8...14 мкм.

Для спектрального диапазона 3...5 мкм чаще всего используются МПИ на базе КРТ, PtSi, InSb и ФКЯ. Приемники на основе КРТ, имеющие большой квантовый выход, мо­гут работать при температурах охлаждения, более высоких, чем у приемников на осно­ве InSb и PtSi. Это упрощает систему охлаждения ФПУ на базе KPT-матриц. Однако однородность чувствительности отдельных элементов этих МПИ хуже (или достигает­ся гораздо сложнее), чем в ФПУ на InSb. Последние имеют преимущества в достиже­нии больших форматов, а также в стоимости.

Возможность расширения спектрального рабочего диапазона до 12 мкм и более при температурах охлаждения до 77...80 К исторически была одной из важнейших причин, вызвавших интерес к КРТ-фотоприемникам и появление сравнительно большого числа разработок МПИ на их основе. Нужно учитывать, что благодаря хорошей квантовой эффективности KPT-приемникам свойственны малые времена накопления (несколько десятков микросекунд). При этом для небольших диафрагменных чисел объективов можно достичь очень хорошего температурного разрешения.

Изменение состава КРТ, чтобы обеспечить их работу в диапазоне X > 12 мкм, пред­ставляет значительные трудности. В частности, возникает проблема стабильности и од­нородности этого материала для МПИ больших форматов. Все это приводит к малому выходу годных изделий при производстве крупноформатных МПИ на базе КРТ и, как следствие, к повышению их стоимости. Очевидно, поэтому внимание ряда ведущих фирм-производителей МПИ все больше привлекают, помимо ФКЯ, приемники на гете­роструктурах с внутренней фотоэмиссией типа Gex Si|_x/Si и, конечно, неохлаждаемые приемники, прежде всего микроболометры.

Лучшими материалами для создания крупноформатных МПИ с высокой однородно­стью параметров отдельных элементов считаются InSb и PtSi. Это подтверждает и практика (см. табл. 7.3-7.6). Приемники на базе PtSi, охлаждаемые до температур по­рядка 77 К, имеют малый квантовый выход, особенно при приближении к граничной длине волны 5,5 мкм. Однако низкий уровень шума схем считывания и предваритель­ного усиления ФПУ на их базе позволяет приблизиться в этих приемниках к радиаци­онному (фотонному) пределу шума и при достаточно светосильной оптической системе и больших временах накопления (10...20 мс) достичь хорошего температурного разре­шения, т. е. малых АТП. Основным достоинством МПИ на базе PtSi является высокая однородность чувствительности отдельных элементов, что заметно упрощает схему коррекции неоднородности.

Приемники на квантовых ямах имеют не очень высокую квантовую эффективность. ФПУ на их основе обладают хорошим температурным разрешением при умеренных диа­фрагменных числах объективов и временах накопления (менее Юме). В диапазоне

3.. .5 мкм они могут работать с температурами охлаждения порядка 88 К (точка кипения жидкого аргона).

Для работы в длинноволновом ИК-диапазоне ФКЯ имеют ряд существенных пре­имуществ перед КРТ и некоторыми другими фотоприемниками. Хотя их квантовая эф­фективность в диапазоне 8... 14 мкм заметно меньше, чем в диапазоне 3...5 мкм, при времени накопления порядка 10 мс и умеренных диафрагменных числах объектива они обладают хорошим температурным разрешением. В [128] указывается, что в условиях

Ограничения пороговой чувствительно­сти ИКС фоновыми флуктуациями (ре­жим ограничения фоном BLIP) системы на базе ФКЯ-МПИ обладают преиму­ществами перед системами на основе КРТ. Для многих применений ИКС важно то, что ФКЯ имеют узкую спект­ральную характеристику, которая мо­жет менять положение своего макси­мума (см. §7.6). Эти приемники более технологичны (методом молекулярной эпитаксии проще выращивать структу­ры, образующие ФКЯ); при использо­вании ФКЯ возможна монолитная кон­струкция интегральных схем, объеди­няющих фотоприемник и схему считы­вания и обработки сигналов на базе GaAs или GaAs, выращенного на Si. Та­кие ФПУ обладают лучшей временной

Б 8 ю 12 14 16 18 20 22 И темпеРа,1УРной стабильностью пара­

Метров, высокой однородностью эле - ^гаах, мкм ментов МПИ, хорошей радиационной

Рис. 7.13. Зависимость удельной обнаружительной СТОЙКОСТЬЮ. В ФКЯ отсутствуют про­способности D от длинноволновой границы блемы с рассеянием избыточной мощ-

Спектральной характеристики ктях при различных ности, поскольку они являются высоко-

Температурах охлаждения фотоприемников,

Омными фоторезисторами. Учитывая

Возможности создания ФПУ на ФКЯ большой площади и достаточно крупного формата (ФКЯ на базе GaAs/GaAlAs из 640x480 элементов на круглой подложке диаметром около 76 мм [133]), легко увидеть перспективы получения высокой скорости обработки сигналов, необходимой, например, для создания оптико-электронных локаторов, даль­номеров, гетеродинных систем.

Основными принципиальными недостатками ФПЯ—МПИ, работающих в спектраль­ном диапазоне 8... 14 мкм, является необходимость охлаждения до низких температур (до 60 К и менее), а также невозможность обеспечить высокую частоту кадров из-за сравнительно больших времен накопления, необходимых для достижения малых ДГП.

В [235] проводится сравнение фотоприемников с квантовыми ямами и фотоприем­ников, основанных на собственной фотопроводимости (КРТ) при низких уровнях фо­новой освещенности. Применимость того или иного типа МПИ в ИКС можно оценить с помощью зависимостей удельной обнаружительной способности D от длинновол­новой границы спектральной характеристики фотоприемника при различных темпе­ратурах охлаждения ФКЯ на базе и-легированного GaAs/AlGaAs и КРТ-фотодиодов (рис. 7.13). Для Л, тах= 8 мкм удельная обнаружительная способность обоих типов при­емников примерно одинакова при температуре охлаждения 40 К. По мере роста А,,™* становятся очевидными преимущества КРТ. Однако следует учесть, что в диапазоне X таХ< 12 мкм значения D для КРТ несколько уменьшаются по сравнению с показан­ными на рис. 7.13 из-за эффекта туннелирования через ловушки в запрещенной зоне полупроводника, а также в длинноволновом ИК-диапазоне однородность параметров отдельных элементов МПИ на базе КРТ заметно хуже, чем у ФКЯ.

В [174] проводится сравнение приемников, работающих в диапазоне 3...5 мкм, при ог­раничении их чувствительности флуктуациями излучения фона, приводящими к темново - му току с плотностью около 8-10-5 А/см2, при диафрагменном числе объектива К= 2. Пока­зано, что рабочая температура ФКЯ для этого случая не должна превышать 110 К, InSb - МПИ - 120 К, обычных КРТ-фотодиодных матриц - 145 К, тех же KPT-матриц, изготов-

ТЬА

Ленных по технологии HDVTP,- 155 К и в отдельных случаях - даже 175 К.