Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 4.2. Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям [2, 3, 36-38 и др.] К=1,64 и трех охлаждаемых до Т

Подобный материал:

• Учебное пособие Томск 2004 ббк, 2186.02kb.
• Программа дисциплины "современные проблемы науки", 33.09kb.
• 1. Предмет, задачи и проблемы экологии как науки, 368.36kb.
• Учебное пособие соответствует обучающей программе «Типичные проблемы при медико-социальном, 516.93kb.
• «Философия. Часть I. История философии», 1572.94kb.
• Методическое пособие по переводу сокращений и выражений, часто встречающихся в аэронавигационных, 5767.72kb.
• Методическое пособие для преподавателей по выполнению лабораторных работ, вопросы программированного, 905.89kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологи и социальной коммуникации, соответствует, 1593.29kb.
• Методические рекомендации 37 Библиография 40 Контрольные вопросы 41 Глава Субъектный, 78.23kb.
• Пособие подготовлено на кафедре культурологии и социальной коммуникации, соответствует, 1653.9kb.

^

4.2. Фотоприемники на базе квантоворазмерных ям [2, 3, 36-38 и др.]

Матричные фотоприемники или ФПУ на базе квантоворазмерных ям (ФКЯ-ФПУ) имеют достаточно узкие спектральные характеристики в двух или более спектральных диапазонах. В них используются недорогие подложки (GaAs), у них низок процент дефектных пикселов. Отработанная технология и узкополосное поглощение (Δλ/λ=0,1…0,2) позволяют производить двух- и многодиапазонные ФКЯ-ФПУ с почти не перекрывающимися рабочими спектральными диапазонами.

Для увеличения поглощения падающего на приемник излучения в современных ФКЯ фоточувствительный слой соединен с резонатором или дифракционной решеткой. Наиболее часто используется резонатор Фабри-Перо. Однако изготовление этих резонаторов с малой шириной ямы и его соединение с фоточувствительным слоем, размещаемым между пластинами резонатора, заметно затрудняет изготовление многодиапазонных приемников. При этом также возникает необходимость иметь дополнительные технические операции для создания различных полос поглощения в одном и том же чувствительном слое.

Малая квантовая эффективность ФКЯ из-за невозможности приема нормально падающего на приемник излучения вынуждает иметь продолжительное время накопления зарядов для достижения хорошей ЭШРТ. Кроме того, для уменьшения темновых токов температура охлаждения ФКЯ должна быть меньше, чем у КРТ.

Известные достоинства ФПУ на базе структур с квантовыми ямами (ФПУ-СКЯ) послужили основанием для выбора этих устройств для обеспечения работы ряда ИКС в длинноволновом ИК-диапазоне. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института продолжает разработки двухдиапазонных ФПУ-СКЯ. Сообщалось о первых испытаниях крупноформатного (1024х1024) ФПУ-СКЯ с размером пикселов 30 мкм, работающего одновременно в спектральных диапазонах 4,4…5,1 и 7,8…8,8 мкм при температуре 68 К. Такое мегапиксельное ФПУ имеет ЭШРТ порядка 27 и 40 мК в этих диапазонах, соответственно. В рабочих спектральных полосах предполагается обеспечить эквивалентную шуму облученность не менее 0,059 Вт/(м²·ср·мкм) и 0,049 Вт/(м²·ср·мкм), а ЭШРТ в обеих полосах – не менее 0,33 К (для температуры наземной сцены 300 К).

Предполагается использование объектива с диафрагменным числом ^ К=1,64 и трех охлаждаемых до Т = 43 К ФПУ формата 640 х 512 с размером пикселов 25 мкм с допуском на стабильность Т в 0,01 К. Время накопления зарядов – 5 мс. Температура первого зеркала объектива принята равной 293 К с допуском на ее стабильность в 1 К, а фона, создаваемого в том числе и оптической системой – 180 К с допуском 0,1 К. Емкость ячеек схемы считывания должна быть не менее 5·10⁶ электронов, а шум считывания менее 1000 электронов.

Матрицы на базе кванторазмерных ям выпускаются рядом компаний. Так, компании Thales и Sofradir производят матрицы форматов 384х288 и 640х512 с шагом пикселов 25 и 20 мкм соответственно.

Компания AIM Infrarot-Module GmbH (Германия) еще в 2005 г. представила двухдиапазонное ФКЯ-ФПУ формата 384 х 288 х 2 с размерами пикселов 40 мкм, работающее одновременно в диапазонах 3…5 и 8…10 мкм. При полном удалении подложки была заметно улучшена функция передачи модуляции, что обеспечило высокую разрешающую способность.

В 2009 г. Лаборатория реактивного движения (JPL) Калифорнийского технологического института опубликовала статью, в которой подводятся итоги разработок крупноформатных ФПУ на базе соединений InGaAs/GaAs/AlGaAs, работающих в двух и четырех спектральных диапазонах [37]. Подробно описывается конструкция четырехдиапазонного ФПУ общего формата 640 х 512 пикселов с пространственно разделенными по отдельным столбцам спектральными каналами, каждый из которых имеет формат 640 х 128 пикселов [37]. Такая конструкция ФПУ позволяет вести прием и считывание сигналов в отдельных спектральных диапазонах одновременно, что увеличивает быстродействие ФПУ и позволяет использовать единую для всех диапазонов систему охлаждения.



Рис.4.4. Спектральная характеристика чувствительности S_λ четырехдиапазонного ФКЯ-ФПУ



Рис.4.5. Вольтовые характеристики токовой чувствительности S_І в максимумах спектральных характеристик отдельных спектральных диапазонов (для сохранения единого масштаба кривая чувствительности для Д₁ умножена на 5).



Рис.4.6. Зависимости удельных обнаружительных способностей D^* от температуры охлаждения для каждого из рабочих cпектральных диапазонов Д₁….Д₄ четырехдиапазонного ФПУ [37].


Спектральные характеристики четырехдиапазонного приемника, описанного в [37], имеют максимумы на длинах волн 5,0; 9,1; 11,0 и 14,2 мкм (рис.4.4), а соответствующие значения относительной ширины полосы Δλ/λ равны 26%, 15%, 17% и 11%. На рис.4.5 показаны зависимости максимума спектральной вольтовой чувствительности отдельных спектральных каналов такого приемника (Д₁=4…6 мкм, Д₂=8,5…10,0 мкм, Д₃=10…12 мкм и Д₄=13…15 мкм) от величины напряжения смещения, а на рис.4.6 приведены значения удельной обнаружительной способности отдельного пиксела каждого из каналов при напряжении смещения -1,5 В, диафрагменном числе объектива К=5 и температуре фона 300 К.

При использовании кремниевой КМОП-схемы считывания и температуре охлаждения фотоприемника менее 83 К отношение сигнал-шум в спектральном канале 4…6 мкм ограничивалось неоднородностью чувствительности пикселов ФПУ, шумом схемы считывания и дробовым шумом. При температуре охлаждения около 45 К для канала 13…15 мкм это ограничение определялось темновым токовым шумом. Для диапазонов 8,5…10,0 и 10…12 мкм при температуре охлаждения 45…83 К был достигнут предел - радиационный шум фона.

Процент годных пикселов был высок - свыше 99,9%. Экспериментально полученные значения ЭШРТ для диапазонов Д₁,,,Д₄ при температуре охлаждения 40 К составили 21, 45, 14 и 44 мК, соответственно. Сравнительно большие значения ЭШРТ для диапазонов Д₂ и Д₄ объясняются большим влиянием геометрического шума.

В [37] рассмотрена возможность применения четырехдиапазонного ФПУ в качестве устройства для измерения температуры наблюдаемых объектов.

Авторы [37] описывают конструкцию двухдиапазонного ФПУ, построенного по схеме сэндвича и работающего одновременно в средневолновом и длинноволновом ИК-диапазонах. Разделительным слоем является тонкий слой (0,5 мкм) легированного GaAs. Спектральная характеристика ФПУ представлена на рис.4.7, а конструкция одного пиксела – на рис.4.8.







Длина волны, мкм


Рис. 4.7. Спектральная характеристика двухдиапазонного ФПУ




Рис. 4.8. Схематическое изображение одного пиксела двухдиапазонного ФПУ (MWIR - средневолновый, LWIR – длинноволновый ИК-диапазоны)


Первые разработки таких ФПУ имели формат 320 х 256 пикселов с периодом расположения 40 мкм и площадью фоточувствительного слоя 38 х 38 мкм². Число годных пикселов ревышало 95 %. В системе охлаждения использовался холодильник Стирлинга замкнутого типа. При температурах охлаждения ниже 68 К отношение сигнал-шум ограничивалось неоднородностью фоточувствительной матрицы, шумами схемы считывания и радиационным шумом приходящего сигнала. При температуре охлаждения более 72 К превалировало влияние темновых токов.

Для кадровой частоты 30 Гц при температуре охлаждения 65 К экспериментально измеренная эквивалентная шуму разность температур составила 28 мК для средневолнового и 38 мК для длинноволнового ИК-диапазонов.

Дальнейшее совершенствование технологии позволило создать ФПУ большого формата (1024 х 1024) [37]. Измеренная удельная обнаружительная способность в максимуме спектральной характеристики средневолнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 90 К составила 4∙10¹¹см∙Гц^0,5∙Вт^-1, а в максимуме спектральной характеристики длинноволнового диапазона при напряжении смещения -1 В и температуре охлаждения 70 К была равна 1∙10¹¹см∙Гц^0,5∙Вт^-1. Эквивалентная шуму разность температур при температуре охлаждения 70 К составила 27 и 40 мК для средневолнового и длинноволнового ИК диапазона, соответственно.

В [38] сообщается о создании ФПУ, работающего в спектральных диапазонах 3,6…5,4 и 7…9 мкм и имеющего формат 256 х 256 пикселов размерами 25 мкм. В первом из них максимум квантовой эффективности (55%) приходится на длину волны 4,7 мкм, а во втором (23%) – на 8,8 мкм. При диафрагменном числе 2,6 и времени накопления менее 5 мс значения ЭШРТ в обоих диапазонах составили менее 50 мК. Рабочие температуры ФПУ были равны менее 70 К в первом из диапазонов и менее 65 К во втором. Такие ФПУ, включающие в себя схему считывания и накопления ISC0208 фирмы Indigo, создавались для тепловизора CATHERINE-XP.