Инверсионные фотодиоды, работающие на основе продольного фотоэффекта.

Сущность продольного фотоэффекта заключается в том, что в случае несимметричного относительно центра чувствительной площадки фотодиода падения пучка возникает дополнительная ЭДС, направление которой параллельно p-n-переходу [9]. Эта ЭДС пропорциональна удалению светового пятна от центра чувствительной площадки. Зависимость ЭДС от положения изображения на чувствительном слое фотодиода называется инверсионной характеристикой.

Продольная фотоЭДС определяется как

где r — удельное сопротивление менее легированной n-области; I — полный фототок; w — толщина n-области; 2d — расстояние между контактами, расположенными с одной и той же стороны p-n-перехода; х — координата энергетического центра тяжести изображения по оси, соединяющей контакты.

Для малых значений х (малых рассогласований), U»rIх/(pwd), т.е. инверсионную характеристику можно считать линейной (рис. 6.7).

Крутизна характеристики может превышать 100 В×Вт^-1мм ^-1, линейная зона инверсионной характеристики составляет несколько миллиметров. Важно отметить, что, используя две пары взаимно перпендикулярных базовых контактов, можно создать двухмерный приемник, с помощью которого определяют две координаты излучателя. При включении нагрузки между базовыми контактами фотодиода знак выходного сигнала указывает, вправо или влево от оси симметрии сместилось изображение излучателя. Подавая напряжение смещения на базовые контакты, можно изменять положение нулевой точки инверсионной характеристики, что выгодно применять в ряде быстродействующих ОЭП.

Основным фактором, ограничивающим сегодня широкое использование инверсионных ПИ, является зависимость их параметров от освещенности чувствительной площадки, а также заметный дрейф нуля, что исключает их применение в особо точных ОЭП, предназначенных для измерения линейных и угловых величин и работающих при изменяющихся освещенностях входного зрачка. Один из наиболее важных параметров инверсионного приемника — крутизна его характеристики — может меняться в зависимости от целого ряда причин: от конфигурации изображения излучателя на слое, амплитуды сигнала и уровня фона.

Рис. 6.7. Типичная инверсионная характеристика

Фотопотенциометры.Схема фотопотенциометра представлена на рис. 6.8. На резистивном слое 1 создается падение напряжения от внешнего источника U₀. Резистив ный слой является одним из контактов фотопроводящего слоя 2. Второй контакт 3 является омическим и служит коллектором. Фотопотенциометр освещается световым зондом 4 в виде полоски.

Рис. 6.8. Схема фотопотенциометра

В месте засветки образуется проводящий мостик, сопротивление которого на несколько порядков меньше сопротивления неосвещенных участков. Поэтому ток в нагрузке R_н определяется потенциалом резистивного слоя на уровне светового зонда. Следовательно, величина U_вых является функцией координаты центра зонда, выполняющего здесь ту же роль, что и движок в обычном потенциометре. Выходное напряжение U_вых отличается от разности потенциалов на уровне зонда на величину, равную падению напряжения на освещенном участке фотопроводящего слоя, которая много меньше U_вых.

Утечкой тока через необлучаемые участки фотослоя можно пренебречь, если удельное продольное сопротивление значительно меньше удельного (приведенного к единице длины) темнового поперечного сопротивления фотослоя, а поперечное сопротивление освещенного фотослоя во много раз меньше его темнового сопротивления.

Фотопотенциометры имеют чувствительность до 1 В/(мм×Вт), их разрешающая способность достигает нескольких микрометров на длине 10...70 мм, отклонения от линейности могут быть уменьшены до 1...5%. За счет профилирования чувствительного слоя удается преобразовывать перемещение светового зонда в электрический сигнал заданного функционального вида.

Основным недостатком фотопотенциометров является низкое быстродействие, оцениваемое постоянными времени в несколько миллисекунд.

Координатные фотоприемники с радиальным электрическим полем (рис. 6.9). На полупроводниковой пластине на расстояниях не более 2l (l — диффузионная длина) установлены две пары контактов 1 и 2 для съема сигнала смещения изображения объекта по двум взаимно перпендикулярным направлениям. На этой же стороне пластины нанесен кольцевой электрод 3, к которому подводится синусоидальное напряжение относительно точечного модулирующего электрода 4, расположенного на противоположной стороне пластины. Это переменное напряжение создает радиальное электрическое поле для носителей, генерируемых на поверхности пластины, и осуществляет модуляцию выходного сигнала. Вследствие незначительной толщины пластины можно пренебречь вертикаль ной составляющей модулирующего поля и считать, что оно распространяется по поверхности приемника.

Рис. 6.9. Схема координатного приемника с радиальным электрическим полем

Пусть изображение какого-либо объекта проецируется в центр пластины в виде пятна конечных размеров. В этом случае на диффундирующие в пластину носители тока действует переменное электрическое поле, которое будет изменять закон их распределения, смещая последние к контактам 1 и 2. При этом происходит периодическое изменение потенциала на электродах с частотой изменения радиального электрического поля, создаваемого источником переменного напряжения 5. Пока объект находится в центре пластины, потенциалы на соответствующих электродах 1 и 2 изменяются одинаково и выходные сигналы U_x=U_y=0. При смещении объекта от центра нарушается симметрия распределения носителей, и на электродах 1 и 2 будут новые потенциалы, разность которых пропорциональна смещению, а фаза сигнала укажет направление смещения.

При модулирующем напряжении порядка 1 В чувствительность таких ПИ составляет 0,5...1 В/(мм×мВт); постоянная времени 10^-5 с; уровень шума — порядка 10^-7 В, что позволяет обеспечить высокую разрешающую способность (менее 0,1 мкм), правда, для небольших размеров чувствительного слоя (до 1,2...1,4 мм). Для устранения зависимости координатной характеристики от значения потока, образующего изображение, по дополнительному сигналу, снимаемому, например, с контактов 1 и 4 (рис. 6.9), т. е. образующемуся в результате поперечного фотоэффекта, осуществляется управление амплитудой тянущего поля. Этот дополнительный сигнал поступает в цепь управления источником тока, подключенным к центральному электроду 4.

Координатные фотодиоды с барьером Шоттки (рис. 6.10). На неосвещаемой стороне фотодиода есть контакты 1 и 2. К сформированному на границе полупроводниковой подложки 3 и металлизированного слоя 5 p-n-переходу 4 приложено обратное смещающее напряжение U. Электронно-дырочные пары, генерируемые в обедненном зарядами слое, разделяются полем смещения. Дырки, затянутые в толщу подложки, проходят к электродам 1 и 2 путь с высоким сопротивлением. Этот ток, инжектированный в подложку, распределяется между электродами в соответствии с законом Ома. Разностный ток является линейной функцией поперечного положения пучка лучей, генерирующего носители.

Рис. 6.10. Схема координатного фотодиода с барьером Шоттки

Линейность координатной характеристики зависит прежде всего от однородности сопротивления подложки, а также от однородности чувствительности приемника. Она выше в центральной части чувствительного слоя. Нелинейность в радиусе менее 0,1 продольного размера слоя не превышает 1% и составляет несколько процентов на краю. Эта нелинейность может быть устранена соответствующей калибровкой.

Известны фотодиоды рассматриваемого типа с размером чувствительной площадки 35´35 мм и чувствительностью к перемещению порядка долей микрометра.

В качестве сканирующего устройства, осуществляющего развертку изображения, в ОЭП используются сканисторы — развертывающие приемники излучения на базе p-n-переходов. В сканисторе с непрерывной базой (непрерывном сканисторе) на высокоомную полоску коллектора 1 с двумя контактами по краям (рис. 6.11, а) наносятся базовая область 2 типа n и эмиттерная область 3 типа p. На последней имеется прозрачный эквипотенциальный электрод 4 с контактом. Дискретный сканистор (рис. 6.11, б) состоит из большого числа p-n-переходов, соединенных попарно проводниками, что уменьшает растекание носителей вдоль базы и повышает разрешающую способность устройства.

Рис. 6.11. Схемы сканисторов:а — непрерывного; б — дискретного

Если к контактам коллектора сканистора приложить постоянное напряжение U₁, то при равномерном распределении сопротивления в коллекторе падение напряжения вдоль него также будет распределено равномерно, т.е. потенциал в точке с координатой х будет равен U_1x/L, где L — расстояние между контактами коллектора. Для p-n-переходов в коллекторе это напряжение является запирающим, а в эмиттере — прямым.

Если на эмиттер подать напряжение U₂ от генератора пилообразных импульсов, изменяющееся во времени по закону U₂t/T с периодом Т, то в точке с координатой х к p-n-переходам в эмиттере будет приложено напряжение

В момент времени t_x=(U₁/U₂ ) (x/L) T, когда DU=0, происходит изменение знака DU, и оно становится обратным для p-n-переходов в эммитере, являющихся фотодиодами.

Сигнал в каждой точке эмиттера (в каждом фотодиоде дискретного сканистора) пропорционален освещенности. За время Т происходит «опрос» всех переходов вдоль эмиттера.

Используя дифференцирование выходного видеосигнала, можно получить последовательность импульсов с амплитудами, пропорциональными освещенности вдоль направления развертки. Объединяя несколько линейных сканисторов и последовательно их коммутируя, можно осуществлять двумерный анализ изображения или сканирование.

Сканисторы долговечны, компактны. Длина строк достигает нескольких сантиметров, разрешающая способность непрерывных сканисторов — около 100 мкм, дискретных — порядка 20 мкм и может быть увеличена за счет специальной обработки выходного сигнала, например двукратного его дифференцирования.