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 №10410
А.С. Семенов
Проверил д. ф. - м. н., профессор
И.В. Самохвалов
Томск 2014
Оглавление
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
Введение
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
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) [3].
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 0,9x3 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 Токр=+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
1.1.5 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:
) создание фототока за счет фотогенерации и пространственного
разделения неравновесных носителей на каждом микро р-п-переходе;
) возникновение элементарных напряжений на микро
p-n-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком;
) 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 λ= 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
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.
.
Богатырева В.В. Оптические измерения в неинерциальных системах отсчета //
Научно-технический вестник СПбГУИТМО, 2010. Т.65. №1.
.
Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. - М.: Техносфера, 2004.416 с.
.
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.
. 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.
.
Юшин A. M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. В 5 т.
Т.3. - М.: ИП РадиоСофт, 2000.512 с.
.
Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Компоненты и
технологии, 2007. № 10. С.56 - 59.
.
Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. - СПб:
"Папирус", 2003.528 с.
. Sheng Lin Yen, Kuang Tsan Lin. Difractive position sensing
devices using two-dimensional grating dots // Optical engineering, 2007. Vol.46. № 11. P.113602-1
.
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.
.
Патент РФ № 2246779, 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.
.
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.
. 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.014402-1 - 5.
.
Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и
основные принципы работы // Специальная Техника, 1999. №4.