Однокоординатные и двухкоординатные фотоприемные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации

(МИНОБРНАУКИ РОССИИ) ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ) Физико-технический факультет Кафедра промышленные космические системы РЕФЕРАТ по дисциплине «Основы теории оптико-электронных устройств и инфракрасных систем»

на тему «Однокоординатные и двухкоординатные фотоприемные устройства»

Выполнил студент группы № 10 410

А.С. Семенов Проверил д. ф. — м. н., профессор И. В. Самохвалов Томск 2014

• Введение
• 1. Принципы построения, характеристики и области применения современных позиционно-чувствительных фотоприемников
• 1.1 Однокоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники
• 1.1.1 ПЧФ на основе кремниевого p-i-n фотодиода
• 1.1.2 Фотодиодные линейки
• 1.1.3 Линейки ПЗС
• 1.1.4 Дифракционный позиционно-чувствительный детектор [9]
• 1.1.5 ПЧФП на основе пленок с аномальным фотонапряжением [10]
• 1.1.6 Мультискан
• 1.1.7 Аналоги Мультискана
• 1.2 Двухкоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники
• 1.2.1 Четырехэлементный фотодиод
• 1.2.2 Матричный ПЧФП на р-n-переходах
• 1.2.3 ПЗС-матрицы
• Заключение
• Список использованных источников

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.

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. 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

Существуют фотоприемники, по выходному сигналу которых определяют координату светового пятна на фоточувствительной площадке приемника. Существуют ПЧФП на основе фотодиодов (ФД), фоторезисторов, фототриодов, фототиристоров и т. д. По количеству элементов ПЧФП подразделяются на одноэлементные и многоэлементные. Далее будут рассматриваться преимущественно многоэлементные фотоприемники, ввиду их большей чувствительности по сравнению с одноэлементными. Позиционно-чувствительные фотоприемники применяются во многих областях науки и техники. Они позволяют определять положение луча света или объекта, что дает возможность создавать на их основе датчиков для измерения различных физических параметров. Многоэлементные ПЧФП подразделяются на однокоординатные (линейные) и двухкоординатные (матричные).

1.1 Однокоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники

Однокоординатные ПЧФП применяют для контроля положения светового луча в одном направлении. Они характеризуются быстродействием, простотой обработки выходных данных. Широкое применение нашли фотодиодные ПЧФП, как сплошные, так и представляющие собой линейки фотодиодов; линейки приборов с зарядовой связью (ПЗС):

1.1.1 ПЧФ на основе кремниевого p-i-n фотодиода

Кроме ПЧФП на p-n-переходах существуют кремниевые фотодетекторы на p-i-n-переходах (рис. 1) [4,5].

Рис. 1. Структура монолитного ПЧФП

Величина фототока пропорциональна расстоянию между положением падающего на поверхность детектора луча и электродами, снимающими напряжения. Снимаемое разрешение положения пятна зависит от внутренних шумов ПЧФП и от оптической зашумленности поверхности детектора.

В случаях больших смещений измерения нелинейны (от 0,02 до 0,06 В/мм) (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения от величины смещения

Преимущества монолитных полупроводниковых ПЧФП перед дискретными (ПЗС-линейками, — матрицами или фотодиодными линейными детекторами) состоят в том, что:

возможно обеспечение цифрового, длительного измерения положения

луча, освещающего поверхность;

отсутствуют нечувствительные зоны, т.к. нет границ между элементами;

они обладают высокой скоростью импульсного отклика;

имеют более простую систему электронной обработки сигнала.

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 0,9×3 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 0,7×5 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. 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.

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 3,6×3,0 мм (181×152 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. 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, 2×15 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. 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 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 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 2×2 мм и размером каждого элемента 500×500 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).

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. 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. Такими матрицами снабжены телекамеры серии LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 снабжена автоматическим электронным затвором 1/50 — 1/100 000 сек, работающим с форматом матрицы 1/3 дюйма и размером 752×582 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

В данной работе были исследованы однокоординатные и двукоординатные фотоприемные устройства. Основными требования предъявляемыми к таким датчикам являются высокая чувствительность, точность, компактность и экономичность. Оптико-электронные фотоприемные устройства 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 фотоприемные устройства в системах прецизионного контроля перемещений и использовать при малом смещении оптических элементов конструкции.

Список использованных источников

1. Шереметьев А. Г. Волоконно-оптический гироскоп. — М.: Радио и связь, 1987.152 с.

2. Богатырева В. В. Оптические измерения в неинерциальных системах отсчета // Научно-технический вестник СПбГУИТМО, 2010. Т.65. № 1.

3. Ермаков О. Н. Прикладная оптоэлектроника. — М.: Техносфера, 2004.416 с.

4. Dlugaszek A., Jabczynski J., Janucki J., Skrzeczanowski W. Optoelectronic sensor of longitudinal and angular displacements // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. V.2. № 3. P.71 — 73.

5. Song H. X., Wang X. D., Ma L. Q. and at. al. Design and performance analysis of laser displacement sensor based on position sensitive detector (PSD) // Journal of Physics: Conference Series, 2006. Vol.48. P.217 — 222.

6. Юшин A. M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т. Т.3. — М.: ИП РадиоСофт, 2000.512 с.

7. Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Компоненты и технологии, 2007. № 10. С. 56 — 59.

8. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челибанов В. П. Приемники излучения. — СПб: «Папирус», 2003.528 с.

9. Sheng Lin Yen, Kuang Tsan Lin. Difractive position sensing devices using two-dimensional grating dots // Optical engineering, 2007. Vol.46. № 11. P.113 602−1

10. Рахимов H. P., Серьезнов A. H. Координатно-чувствительный приемник оптического излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением // Приборы и техника эксперимента, 2005. № 4. С. 125 — 126.

11. Патент РФ № 2 246 779, МПК H01L31/09, «Координатно-чувствительный приемник оптического излучения» Рахимов Н. Р., Серьезнов А. Н., приоритет от 03.11.2003, опубликовано 20.02.2005.

12. Chugui Yu. V., Verkhogliad A. G., Potashnikov A. K., Finogenov L. V., Makarov S. N. Optical-electronic measuring systems for scientific and industrial applications // ОМИП, 2007. С 26 — 38. Москва, 26 — 29 июня 2007 г.

13. Байбаков А. Н., Кучинский К. И., Плотников СВ., Титова Е. А. Применение позиционно-чувствительных фотоприемников в триангуляционных системах размерного контроля динамических объектов // Автометрия, 2005. Т.41. № 6. С.53−61.

14. Xunjun Qi, Bin Lin, Dongyan Chen and at. al. Design realization and characterization of a position sensitive detector for fast optical measurement // Optical engineering, 2006. Vol.45. № 1. P.14 402−1 — 5.

15. Неизвестный С. И., Никулин О. Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы // Специальная Техника, 1999. № 4.