Тепловизоры - Тепловизоры с самосканированием

*Термины согласно ГОСТ 25532—82

Рис. 6.1. Трехтактный регистр переноса:
1 — окисел; 2 — кремний («-тип); 3 — электроды; 4 — области стог-диффузии (гс-тип); 5 — канал переноса

После накопления зарядов под электродами второй фазы Ф2 высокий потенциал с нее снимается и подается на третью. Заряды перетекут в пустые ямы справа; налево они двигаться не будут, так как на электродах первой фазы заряд остается низким.

Направленность переноса зарядов обеспечивается также стоп-каналами, которые не позволяют зарядовым пакетам растекаться в стороны и направляют их строго вдоль регистра.

Рис. 6.2. Матричный ФППЗ (л = = т = 10):
1 — выходной регистр; 2 —- выходное устройство

Стоп-каналы представляют собой области, легированные сильнее, чем кремний в самом канале переноса. При приложении к электродам напряжения смещения потенциальные ямы образуются только в канале переноса (чем выше концентрация примеси в кремнии, тем меньше глубина потенциальной ямы). Зарядовые пакеты под электродами сдвигаются (благодаря переключению потенциалов фазы к выходу регистра. Здесь они преобразуются в импульсы напряжения или тока, которые после усиления подаются на видеоконтрольное устройство.
Световая инжекция неосновных носителей может происходить не только при попадании в кремний фотонов с энергией, достаточной для переброса носителя через запрещенную зону, но и в результате термогенерации. В кремнии всегда генерируются пары электрон—дырка и, если существует электрическое поле, то под соответствующими электродами эти пары будут разделяться на основные и неосновные носители. Темп накопления последних определяется температурой, качеством кристалла кремния и свойствами поверхности раздела кремний-диэлектрик. Накопление в потенциальных ямах термогенерированных носителей является паразитным процессом; отношение заряда этих носителей к времени накопления названо тем- новым током.
Для того чтобы сформировать видеосигнал от двумерного изображения, применяют матричный фоточувствительный прибор с переносом заряда (матричный ФППЗ,) содержащий n линейных светочувствительных регистров по m элементов (рис. 6.2). Каждый светочувствительный регистр соединен с элементом регистра переноса, служащего только для вывода зарядовых пакетов из матрицы. Выходной регистр закрыт непрозрачным экраном.
Если изображение наблюдаемого объекта спроецировать на матрицу, в элементах светочувствительных регистров накапливаются зарядовые паке ты, которые переносятся в подготовленные потенциальные ямы регистра переноса (например, под электроды второй фазы). Приняв зарядовые пакеты регистр переноса передвигает их к выходу, пока полностью не очистится затем в регистр переноса перетекут из светочувствительных регистров следующие заряды и цикл переноса их к выходу будет повторяться до тех пор, пока не очистятся все светочувствительные регистры и матрица окажется готовой к новому такту накопления. В действительности, работа матричного ФППЗ гораздо сложнее и более подробно рассмотрена в специальной литературе.

Рис. 6.3. Схема соединения чувствительных элементов матрицы со входом ПЗС при прозрачной (а) и непрозрачной (б) для ИК излучения подложке: 1 — чувствительный элемент; 2 — ИК излучение; 3 — прозрачная для ИК излучения подложка; 4 — вход ПЗС; 5 — просветляющее покрытие
Рис. 6.4. Матричные ФППЗ с переносом кадра (а) и со строчно-кадровым переносом (б):
1 — стоп-каналы; 2 — секция хранения; 3 — приемная секция (накопления); 4 — чувствительный элемент матрицы; 5 — электроды; 6 — выходное устройство; 7 — выходной регистр переноса; 8 — регистры переноса, защищенные от излучения

Инфракрасные матричные ФППЗ подразделяются на два основных класса: гибридной и монолитной структуры. В матричных приборах гибридной структуры преобразование оптического сигнала в электрический и последующая обработка последнего происходят раздельно в двух разных частях приемника. В матрице фоточувствительных элементов производится детектирование оптического сигнала, а в кремниевых ПЗС-структурах — обработка выходных сигналов отдельных элементов матрицы. Это позволяет раздельно оптимизировать детектирующие и считывающие структуры.
В матрице чувствительных элементов используются узкозонные полупроводники (InSb, Cdx Hg, jtTe, PbSnTe, PbS, PbSe и др.), легированный кремний (Si : In, Si : Ga и др.) либо пироэлектрики. Выбор того или иного материала определяется необходимой областью спектральной чувствительности, эксплуатационными требованиями по рабочей температуре, геометрией фоточувствительных элементов и т. п.
Подложки, на которые наносят фоточувствительный материал, могут быть прозрачными и непрозрачными для ИК излучения (рис. 6.3). В случае непрозрачной подложки излучение попадает на фоточувствительные элементы
через окна в кремниевом кристалле. Для этого в кремниевой ПЗС-структуре должна быть удалена металлизация из окон, а их поверхности должны быть оптически отполированы и просветлены. Оптические перекрестные помехи, возникающие из-за большого числа отражающих поверхностей, несущественны при тонких слоях фоточувствительного материала. Оптимальная толщина фоточувствительного слоя порядка 10 мкм.
После преобразования в ПЗС сигнала ИК чувствительного элемента в зарядовый пакет работа многоэлементного гибридного приемника ИК излучения ничем не отличается от работы многоэлементных преобразователей видимого излучения и определяется теми же параметрами и характеристиками [83].
Характерной особенностью матричных ФППЗ гибридной структуры является наличие секции хранения или памяти, равной по площади приемной секции и используемой следующим образом. В приемной секции А (рис. 6.4,а) происходит накопление информации (в течение полукадра). По окончании периода накопления зарядовое изображение кадра быстро сдвигается из приемной секции в секцию памяти Б, экранированную от воздействия излучения. (Для уменьшения смазывания изображения при сдвиге время переноса должно быть значительно меньше периода накопления). После этого в приемной секции начинается накопление следующего кадра, а зарядовые пакеты из секции хранения построчно переводятся в выходной регистр переноса и далее — в выходное устройство.
Наряду с матрицами с переносом кадра в область хранения применяют матрицы со строчно-кадровым переносом, в которых область накопления состоит из вертикальных столбцов, между которыми вставлены защищенные от излучения вертикальные регистры переноса (рис. 6.4,6). Заряды в фоточувствительных элементах накапливаются в течение кадра и затем параллельно переносятся в соседние ячейки регистров переноса. В период накопления зарядов следующего кадра в ЧЭ зарядовые пакеты из регистров переноса переводятся в выходной регистр и далее — в выходное устройство.
Фирмой «Хьюз Эркрафт» разработан миогоэлементный ПИ в виде линейки 2 х 32 фоторезисторов на основе Cd* Hgi для диапазона 8.,.12 мкм по технологии краевой металлизации. Применение такого приемника в тепловизоре с оптико-механическим сканированием и последовательным съемом информации позволило получить изображение, сравнимое с телевизионным изображением, имеющим 350 X 600 элементов разложения.
В 1979 г. изготовлена матрица 32 X 32 фотовольтаических приемников на основе InSb для тепловизора с самосканированием. Соединение фоточувствительной матрицы с ПЗС регистром осуществлялось с помощью индиевых столбиков с прямой инжекцией фототока в ПЗС.
Фирмой «Хонейвелл» создан гибридный приемник с матрицей ЧЭ на основе Cd Hgi— *Те и кремниевого ПЗС мультиплексора. Последний состоит из 32 х 32 ячеек размером 100 X 100 мкм. Фотодиоды формируются на поверхности ПЗС мультиплексора с помощью фотолитографии. На входе каждого канала мультиплексора предусмотрены схемы вычитания фонового заряда, защиты от переполнения потенциальной ямы сигналом от интенсивного- точечного источника излучения, а также накопления сигнального заряда за время кадра. В конце каждого кадра накопленный заряд инжектируется на вход мультипексора и считывается за время следующего кадра.
Практика показала, что параметры гибридных многоэлементных приемников ИК излучения можно оценивать по параметрам собственной матрицы ПЗС, так как ввод сигнала от ЧЭ вызывает ухудшение отношения сигнал/ шум считывающей схемы в пределах 10...20 % [2].
Французская-фирма «Томсон» создала гибридный приемник с фоточувствительными элементами на основе - Pb0,8 Sn0,2 Те для диапазона длин вол» 8...12 мкм. Фотодиоды с приемной площадкой 100 X 85 мкм формировались, методом жидкофазной эпитаксии на кремниевой подложке с ПЗС структурой. Обнаружительная способность на длине волны 10 мкм и частотах 2 и 10 кГц составляет 2 • 10¹⁰ и 3 • 10¹⁰ см • Вт""1 • Гц1/2 соответственно [13-1].
Специалистами фирмы «Аэроджет электросистемз» (США) разработан многоэлемеитный приемник ИК излучения на основе PbS с числом элементов 592 X 64 = 12 888 для диапазона длин волн 2,5...3,5 мкм. Общий размер матрицы 3,65 х 19,05 мм; размеры отдельного фоточувствительного элемента 100 X 100 мкм. При рабочей температуре 156 К получены следующие параметры: средняя по матрице мощность, эквивалентная шуму (NЕР), 2,1 х X 10-14Вт; дисперсия NEP 1,2 • 10~14Вт; среднеквадратичная величина шума 2,5 • 10~9А; дисперсия шума 1,4- 10~9А; средняя чувствительность 1,2 X 105 А/Вт; дисперсия чувствительности 2,9 • 104А/Вт; число фоточувствительных элементов с неудовлетворительными параметрами 296 (2,4 %).

Рис. 6.5. Матричный ФПЗИ монолитной структуры

В фоточувствительных приборах с зарядовой инжекцией (ФПЗИ) моноструктуры перенос заряда происходит лишь между электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу. Элемент такого ФПЗИ состоит из двух смежных МОП-конденсаторов, расположенных в непосредственной близости друг от друга (рис. 6.5). Один из них присоединен к горизонтальной (строчной) шине, а другой — к вертикальной (столбцовой). Шины управляются двумя сдвиговыми регистрами горизонтальной и вертикальной разверток.
Матричный ФПЗИ работает по принципу координатной выборки. За период накопления неосновные носители собираются в ячейках строчных шин, на которые подано напряжение обедняющего смещения UCM. Перед началом считывания столбцовые шины и связанные с ними электроды заряжаются от источника опорного напряжения Uon и отключаются от него ключами К1-.-К4-, до начала считывания L'CM> Uon.
Снимая с помощью регистра вертикальной развертки напряжение t/CM со строки, выбранной для считывания, вызывают переход зарядов во всех ячейках строки под электроды, связанные со столбцовыми шинами. Потенциалы последних изменяются в зависимости от величины перешедших зарядовых пакетов. Эти изменения потенциалов считываются поочередно регистром горизонтальной развертки, который подключает поочередно столбцовые шины к выходному устройству посредством ключей К5...К8.
Для подготовки прибора к следующему аналогичному такту работы одновременно на оба электрода подается нулевое смещение, и неосновные носители инжектируются в подложку.
Возможен также режим неразрушающего считывания, когда пакеты «снова возвращаются в МОП-конденсаторы строчных шин. Это позволяет получить высокую чувствительность прибора при малых освещенностях.
Каждый чувствительный элемент ФПЗИ окружен стоп-канальной областью, благодаря чему подавляется растекание зарядов, и ПЗИ может нормально функционировать при 1000-кратных локальных увеличениях падающего потока излучения [84].
В табл. 6.1 приведены основные параметры многоэлементных ФПЗИ иностранного производства.
В отличие от ФПЗИ структур, в которых общее число подводящих контактов увеличивается с ростом числа ЧЭ, в ФПЗИ-структурах число подводящих контактов не зависит от числа элементов. Кроме того, в таких приемниках можно обеспечить большую чувствительность, чем в ПЗИ-структурах и осуществить режим накопления сигнала непосредственно в фотоприемной матрице, а не во внешней схеме, как это имеет место в ФПЗИ-структурах.

6.1. Параметры многоэлементиых ФПЗИ

Фирма	Число ЧЭ	Размеры элемента (зазор между элементами), мм	Фотоприемиик
			Материал	Рабочая температура, К	Спектральный диапазон чувствительности, мкм
«Дженерал Электрик»	32 64	0,1 X 0,1 0,025x 0,025	In Sb	77	3... 5
«Тексас Инструмент»	16x24 8x8	0,05x0,05 (0,025; 0,015) 0,025X 0,025 (0,025)	InSb CdHgTe	77	3 ... 5 3 ... 5
«Дженерал Электрик»	32 64 64 32x32	1,3-ю-2* 0,043 x0,056 (0,020; 0.015)	In Sb In Sb	77 67 77 77	3.7 ... 4,8 3,7 ... 4,8 4,85** 4,12**
«Хонейвелл»	8x200	-	Cd Hg Те	77	3 ... 5

* Площадь элемента, мм².
** Длина волны, соответствующая максимуму чувствительности.

Рис. 6.6 Зависимость диаметра объектива от максимального числа ЧЭ в матрице

С другой стороны, на минимальное значение диаметра объектива dmi* существуют ограничения, связанные с числом элементов в матрице и с дифракционными явлениями на входной апертуре.

• Назад
• Вперёд