В современной науке и технике одним из перспективных направлений является разработка оптико-электронных датчиков угловой скорости вращения (УСВ) и углового перемещения. Основными требования предъявляемыми к таким датчикам являются высокая чувствительность, точность, компактность и экономичность. Для измерений малых угловых скоростей с высокой точностью созданы гироскопы различных типов, наиболее высокочувствительными из которых являются гироскопы на эффекте Саньяка [1].

Оптико-электронные позиционно-чувствительные фотоприемники (ПЧФП) обладают наиболее высокой чувствительностью к смещению светового луча. Они с высокой точностью до нескольких микрометров позволяют регистрировать перемещения оптического сигнала по рабочей поверхности фотоприемника. Это позволяет применять оптико-электронные ПЧФП в системах прецизионного контроля перемещений и использовать при малом смещении оптических элементов конструкции, что для измерений с помощью других фотоприемников может являться источником погрешности [2]. Они незаменимы там, где нет возможности использовать механические датчики и датчики, основанные на других принципах.

Целью данной работы является исследование возможностей однокоординатных и двухкоординатных фотоприемных устройств.

1. Принципы построения, характеристики и области применения современных позиционно-чувствительных фотоприемников

1.1.2 Фотодиодные линейки

На современном рынке полупроводниковых приборов выставлено несколько рядов кремниевых ФД-линеек [6]:

Фотодиоды на основе кремния (ФДК): ФДК-148; ФДК-149К; ФД-150; ФД-150М. Один из представляемых рядов включает в себя модели ФДК-148; ФДК-149К; ФД-150; ФД-150М. Размер одного их элемента составляет 0,9x3 мм, межэлементный зазор - 0,3 мм, остальные характеристики приведены в табл. 1-3. Приборы могут работать в фотогальваническом режиме или в фотодиодном. Конструкция приборов в виде печатной платы.

Таблица 1. Характеристики ФДК

Таблица 2. Электрические и фотоэлектрические параметры ФДК при Токр=+25°С

Таблица 3. Предельные эксплуатационные данные

ФД-304М; ФД-304М гр.А. Данный ряд представлен многоэлементными кремниевыми фотодиодами с числом элементов 36, и размером каждого 0,7x5 мм с межэлементным зазором 0,1 мм. Длина линейки 28,8 мм. Прибор выполнен в виде прямоугольного корпуса с перпендикулярно расположенными жесткими выводами; Масса 10 г. Остальные данные указаны в табл. 4 - 5.

Таблица 4. Электрические и фотоэлектрические параметры при Т_окр=+25°С

Таблица 5. Предельные эксплуатационные данные

1.1.3 Линейки ПЗС

Упрощенно ПЗС можно рассматривать как матрицу близко расположенных металл-диэлектрик-проводник (МДП) - конденсаторов. МДП-структуры научились получать в конце 50-х годов [7]. Были найдены и развиты технологии, которые обеспечивали низкую плотность дефектов и примесей в поверхностном слое полупроводника. Тем самым уже через 10 лет были заложены предпосылки для изобретения приборов с зарядовой связью. В 1970 году были созданы первые приборы с зарядовой связью, в которых технология твердотельных приемников проявилась особенно успешно. С 1975 года ПЗС начали активно внедряться в качестве телевизионных светоприемников. А в 1989 году ПЗС-детекторы применялись уже почти в 97% всех телевизионных приемников. Для сравнения, 10 годами ранее ПЗС были представлены всего двумя процентами.

Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95-98%.

Физические принципы работы. С физической точки зрения ПЗС интересны тем, что электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, как в большинстве других твердотельных приборах, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью [8].

На рис.3 показана структура одного элемента, линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя кремния р-типа (подложка), изолирующего слоя двуокиси кремния и набора пластин-электродов. Потенциал одного из электродов наиболее положителен, чем у двоих остальных, и именно под ним происходит накопление заряда. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легированием) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители - дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда, свободных электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под электродом с наиболее положительным потенциалом образуется область, обедненная основными носителями - дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма.

Рис. 3. Элемент трехфазного ПЗС

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта, состоящего в том, что при поглощении кремнием фотона, в полупроводнике генерируется пара носителей заряда - электрон и дырка. Под действием электростатического поля в области пикселя происходит "распад" этой пары, дырку вытесняется в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся - диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области.

Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так как "красные" фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается. Заряд, накопленный под одним электродом, в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода будет уменьшен (см. рис.4). Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в одну и ту же сторону одновременно.

Рис. 4. Перенос зарядов в трехфазном ПЗС

1.1.4 Дифракционный позиционно-чувствительный детектор [9]

Принцип работы заключается в разложении лазерного луча дифракционной решеткой на пятна диаметром 20 мкм. размер ПЧФП 3,6x3,0 мм (181x152 ячейки). Определив минимальное и максимальное значения номеров дифракционных пятен, с высокой точностью можно вычислить положение центра лазерного пятна.

1.1.5 ПЧФП на основе пленок с аномальным фотонапряжением [10]

Пленки изготавливаются термическим испарением полупроводниковых материалов в вакууме и получаются ступенчатообразными: толщина меняется от 1 до 2 мкм.

Такие ПЧФП трансформируют световой поток в три этапа:

1) создание фототока за счет фотогенерации и пространственного разделения неравновесных носителей на каждом микро р-п-переходе;

2) возникновение элементарных напряжений на микро p-n-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком;

3) формирование аномально большого фотонапряжения путем суммирования элементарных фотонапряжений на микро р-п-переходах.

Падающий поток при смещении генерирует фотонапряжение, которое изменяется обратно пропорционально изменению толщины пленки от 1 до 2 мкм [11]. Для ПЧФП на основе CdTe-пленки: чувствительность 2-5 В/мм при освещенности 10 лк; внутреннее сопротивление 1012 - 1014 Ом; постоянная времени 0,8-1,0 с; спектральный диапазон 0,5-0,83 мкм; размер, чувствительной площадки, 2x15 мм; габариты 2x2x20 мм; масса не более 3 г.

1.1.6 Мультискан

Кратко можно отметить, что принцип его работы заключается в регистрации напряжения, соответствующего координате медианы интенсивности излучения, падающего на чувствительную площадку ПЧФП.

1.1.7 Аналоги Мультискана

Из импортных аналогов мультискана известны приборы фирмы Hamamatsu Со: Модель S3270 (Hamamatsu Со). В институте Горной промышленности SB RAS and TDI SIE RAS создали прототип многоканального оптоэлектронного измерителя продольной деформации для буровых скважин [12]. Позиционно-чувствительный датчик прикрепляется к горной породе и может свободно перемещаться вдоль бруса (рис.5). Позиционный сенсор основан на электронном фоточувствительном устройстве S3270-THna, произведенном Hamamatsu Со, с чувствительным слоем и электродами. Длина фоточувствительного слоя фотоприемника составляет 40 мм. При этом установка, описанная в [16] имеет следующие характеристики: диапазон измерений ±17,5 мм; ошибка измерения ± 0,02 мм (погрешность равна 0,05 %).

Рис. 5. Схема ПЧФП: 1 - вставка, 2 - подвижный вкладыш, 3 - фотодетектор, 4 - LED (слева); позиционный детектор (справа)

Подвижный вкладыш 2 монтируется на вставку 1 с возможностью продольного перемещения. Текущее положение вкладыша по отношению к вставке определяет положение светового пятна на фотодетекторе. Такая конструкция позволила минимизировать размер сенсора, упростить процесс монтажа прибора, снизить его массу и проводить измерения во всех направлениях.

Разработанная измерительная система обеспечивает автоматическое измерение продольного смещения и деформации, например, в камнях, что используется в горной промышленности.

Авторы работы [13] получили аналитическое выражение, с помощью которого показали, что определение координаты в статическом режиме возможно с погрешностью 0,03 %. А экспериментальная проверка полученной формулы дала значение погрешности равное 0,025 %.

Вычисляемые координаты оказались инвариантны к изменению суммарной мощности падающего излучения.

1.2 Двухкоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники

1.2.1 Четырехэлементный фотодиод

Простейший многоэлементный приемник излучения - разрезной ФД - представляет собой пластинку с p-n-переходом, разделенную на 4 части с промежутком 1 - 500 мкм. Изготовленные методом фотолитографии четырехэлементные ФД дают равномерную позиционную характеристику, и позволяют сблизить площадки отдельных фотодиодов до 20 - 50 мкм.

Выходной сигнал описывается выражениями:

где m,n - номера элементов ФД; R - сопротивление, расположенных вдоль соответствующей оси; х, у - координаты центра освещенной зоны. Выходной сигнал зависит от формы пятна. Так, для квадратного сечения луча, полностью попадающего на рабочую поверхность ФД, если диагонали квадрата параллельны осям координат, при R1 = R2 = R;

где х, у - координаты центра светового пятна; 2l - диаметр пятна.

При круглом сечении луча и тех же дополнительных условиях:

Выражение для Vy получают заменой x на у и у на х. Линейность сигнала соблюдается при х, у < l.

1.2.2 Матричный ПЧФП на р-n-переходах

Существует позиционно-чувствительный детектор [14], принцип действия которого основан на регистрации сравнении фототоков с обеих сторон от светового луча, падающего на чувствительную площадку. Сам детектор представляет собой матрицу из 16 квадратных элементов общим размером 2x2 мм и размером каждого элемента 500x500 мкм. Спектральный диапазон фотоприемника 400-950 нм, пик спектральной чувствительности равен 505 мА/Вт и приходится на л= 800 нм, время отклика составляет 8 не. Общая нелинейность не превышает 1 % по всей поверхности расстояний.

1.2.3 ПЗС-матрицы

ПЗС-матрицы применяются для регистрации слабых световых потоков в таких отраслях, как микробиофизика, химическая физика, ядерная физика, астрофизика, в системах военного назначения. Появление миниатюрных телекамер с применением ПЗС-матриц с размерами пикселя в несколько микрон дали возможность применять их в микрохирургии, микробиологии, микровидеооптике, что привело к созданию специальной микровидеотехники. Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется многими фирмами, такими как: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak, "Силар" (Россия, СПб) [15].

Строение ПЗС-матриц и принцип их работы.

Матрицы представляют собой набор ПЗС-линеек. Толщина рабочей части приборов с зарядовой связью составляет единицы микрон. Изготавливаются они, как правило, на основе очень тонких полупроводниковых пленок, выращенных на сравнительно толстой подложке методом эпитаксии.

Как правило, матрицы состоят из двух идентичных областей - области накопления и области хранения. Устройство схематически показано на рис.6.

По отношению размеров областей хранения и накопления матрицы делятся на два типа:

матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки;

матрицы с кадровым переносом для чересстрочной развертки.

фотоприемное устройство двухкоординатный детектор

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Для работы таких матриц требуется оптический затвор [8,14].

С помощью стоп-каналов электродную структуру ПЗС разделяют на столбцы. Стоп каналы - это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Рис. 6. Структура ПЗС с кадровым переносом [15]

Область хранения защищена от воздействия света светонепроницаемым покрытием. Во время обратного хода луча кадровой развертки телевизионного монитора изображение, - сформированное в области накопления, быстро переносится в область хранения и, затем, пока экспонируется следующий кадр, считывается построчно с частотой строчной развертки в выходной сдвиговый регистр. Параллельный перенос строки в регистр считывания происходит во время обратного хода строчной развертки. Из сдвигового регистра зарядовые пакеты выводятся друг за другом, последовательно через выходной усилитель, расположенный на этом же кристалле кремния. В этом узле происходит преобразование заряда в напряжение для дальнейшей обработки сигнала внешней электронной аппаратурой. Такие приборы называются ПЗС с кадровым переносом. Приборы с кадровым переносом можно использовать для съемок в хорошо освещенных условиях. Применение подобных ПЗС позволяет использовать видеокамеры без дорогостоящих механических затворов. ПЗС, сконструированные для применения в условиях слабой освещенности, как правило, изготавливаются без области хранения и часто имеют два сдвиговых регистра на противоположных сторонах прибора, как, например, ПЗС фирмы Tektronix ТК512 [15]. Изображение можно сдвинуть в любой из этих регистров, которые могут отличаться конструкцией выходного узла. Обычно, один из них оптимизируется для медленных скоростей считывания, другой - для быстрых.

На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от света. Для этого чаще всего используют механические затворы. ПЗС с чересстрочной (межстрочной) разверткой хорошего качества современной разработки выпускает, например, фирма Philips [15]. Такими матрицами снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена автоматическим электронным затвором 1/50 - 1/100000 сек, работающим с форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752x582 пикселей. Самые простые по устройству ПЗС состоят из электродной структуры, осажденной прямо на слой изолятора, сформированного на поверхности пластины однородно легированного р-кремния: Заряд накапливается и переносится непосредственно в приповерхностном слое полупроводника. Такие приборы называются ПЗС с поверхностным каналом. Для поверхностного слоя характерно большое количество дефектов, что негативно влияет на эффективность переноса зарядов. Они захватываются на дефектах поверхностного слоя и медленно высвобождаются. Это приводит к размазыванию изображения. Дефекты могут также спонтанно эмитировать заряды, приводя к увеличению темнового тока. Состояние поверхности является фактором, ограничивающим работоспособность ПЗС. Полностью избавиться от поверхностных дефектов невозможно, но можно значительно улучшить характеристики прибора, храня и передавая зарядовые пакеты на некотором удалении от поверхности кристалла, т.е. сформировав объемный канал переноса. Этого результата можно достичь, если на подложке р-типа создать под окислом тонкий n-слой. Подобные приборы называются ПЗС с объемным каналом.

Аналогичные рассуждения справедливы и относительно конструкции выходного усилителя, т.к. поверхностные дефекты могут очень сильно увеличивать шум усилителя. Выходной усилитель с объемным каналом имеет значительно лучшие характеристики.

Заключение