книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

1.3 ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 31

сотен миллионов раз. Сравните пары: фотодиод и лавинный фотодиод, фото­ элемент и фотоэлектронный умножитель.

Следующим назовем ЭОП — электронно-оптический преобразователь оп­ тического изображения малой яркости (в том числе инфракрасного) тоже в изображение, но видимое и большей яркости. В ЭОП также есть фотокатод, эмитирующий электроны при проецировании на него изображения, и анод. Ос­ новных особенностей ЭОП две. В камере ЭОП создается специальное поле, которое сильно ускоряет и переносит электроны на анод, не перемешивая их, так что электроны из каждой точки фотокатода попадают на свою точку анода. И вторая особенность: анодом является люминесцентный экран. Понятно, что он и создает видимое изображение при бомбардировке его фотоэлектронами, разогнанными в сильном электрическом поле.

Интересно специальное применение в физике приборов типа ЭОП. Это изу­ чение быстропротекающих процессов — регистрация очень коротких импуль­ сов излучения, даже фемтосекундной длительности. Фотоэмиссия электронов практически безынерционна, успевает отслеживать такие короткие импульсы. Применяя развертку по принципу электроннолучевой трубки, осуществляют преобразование время — координата: эмитируемые в разное время электроны попадают в разные точки люминесцентного экрана.

Но, конечно, ЭОП разрабатывался и используется прежде всего для при­ боров ночного видения. Строго говоря, он не является прямым вакуумным аналогом твердотельных матриц. Ведь согласно определению раздела 1.1 фоточувствительные приборы твердотельной фотоэлектроники преобразуют опти­ ческие сигналы в электрические, а ЭОП осуществляет преобразование падаю­ щего оптического излучения не в электрический сигнал, а снова в оптическое излучение. Но нельзя было не сказать об ЭОП — этом главном конкуренте твердотельных матриц в приборах ночного видения. Отметим, что есть и пря­ мой твердотельный аналог ЭОП. Ячейка такого преобразователя содержит ИКфотодиод, фототоком которого управляется светодиод, генерирующий видимое излучение. Наличие светодиода дает основание отнести такой преобразователь к приборам квантовой электроники.

Прямыми вакуумными аналогами твердотельных матриц являются пере­ дающие электронно-лучевые (телевизионные) трубки, преобразующие оптиче­ ское изображение в электрический видеосигнал. К их основным узлам отно­ сится, во-первых, облучаемая мишень. Это фактически конденсатор, точнее, набор микроконденсаторов, так как одна из обкладок мозаична. Число элемен­ тов мозаики можно считать числом элементов разложения (или эта обклад­ ка сплошная, но имеет большое продольное сопротивление, что препятствует продольному растеканию зарядов и локализует их). Второй основной узел — это электронно-лучевая пушка со строчно-кадровой разверткой луча по мише­ ни. Первое сканирование лучом заряжает все элементы (микроконденсаторы) мишени. Затем при проецировании изображения (экспозиции) микроконден­ саторы разряжаются пропорционально интенсивности и времени облучения.

32 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

Второе сканирование лучом (как и все последующие) последовательно дозаряжает микроконденсаторы. Ток дозарядки электронного луча пушки и является видеосигналом.

Обратите внимание! И твердотельная смотрящая матрица, и мишень элек­ тронно-лучевой трубки построены на микроконденсаторах. В идеале это поз­ воляет осуществить принцип накопления фотозарядов, почти на сто процентов использовать падающие фотоны за время всего кадра (в обоих приборах ин­ формация о накопленном заряде передается на выход при кратковременном опросе). Важнейший критерий качества реальных приборов — насколько уда­ лось приблизиться к этому идеалу.

Почти за сто лет развития было создано много поколений электроваку­ умных фотоприборов. Так, фотоэлемент наполняли газом и получали усиле­ ние за счет ионизации газа. В ФЭУ стали применять распределенные диноды, например, в виде длинной трубки, внутри которых создается сильное поле. Первичные фотоэлектроны при пролете внутри такой трубки ускоряются и раз­ множаются, многократно ударяясь о ее стенки.

Созданы пластины, пронизанные подобными микроканалами, а на их основе многоэлементные ФЭУ с анодами в виде полос, квадрантов.

Среди различных поколений ЭОП отметим два. Это модульные плоские ЭОП: на входе и выходе ставят волоконно-оптические пластины, обеспечивая плоскостность входа и выхода. Кроме прочих преимуществ это дает возмож­ ность оптически состыковать два-три модуля и получить большое усиление яркости, распознавать объекты при низких уровнях освещенности. Другой тип тоже плоского ЭОП — это фактически его «скрещивание» с ФЭУ: между като­ дом и люминесцентным экраном-анодом располагается микроканальная пласти­ на (принципы размножения электронов в таких пластинах и распределенных динодах ФЭУ аналогичны). Она (микроканальная пластина) примерно на три порядка умножает электронный поток от каждого элемента экрана.

Полностью изменился и облик передающей трубки. В пераой простейшей конструкции — иконоскопе — чувствительность была мала, непосредственное проецирование оптического изображения на мишень слабо меняло распреде­ ление зарядов на микроконденсаторах мишени. Следующая конструкция — супериконоскоп. Приставка «супер» свидетельствует о «скрещивании» труб­ ки с ЭОП, точнее, с камерой ЭОП, предварительно преобразующей оптическое изображение в электронное. При описании конструкции и принципа работы супериконоскопа можно также отталкиваться не от передающей трубки, а от ЭОП. Берем ЭОП, заменяем в нем люминесцентный экран мишенью (с элек­ тронной пушкой и системами развертки). Так как мишень облучается высокоэнергетичными электронами, а не фотонами, то чувствительность трубки увеличивается на порядок.

Следующий шаг по увеличению чувствительности был сде^ан в суперортиконе: к этой трубке «привили» еще и ФЭУ Точнее, ввели диноды, дополнитель­ но (еще порядка на три) усилившие электронный ток пушки. Если в супери-

34 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

ве внешнего фотоэффекта». Ведь собственно преобразование излучения в видиконах, пировидиконах происходит в твердом теле за счет внутреннего фотоэф­ фекта либо пироэффекта, а электронному лучу остается функция считывания. А в ЭОП с ПЗС полупроводниковой ПЗС-структуре поручены фактически уси­ ление изображения и развертка. Так что не только ради общих представлений в нашей книге рассмотрены электровакуумные фоточувствительные приборы — специалисты по твердотельной фотоэлектронике самым непосредственным об­ разом соучаствуют в их разработке.

В электровакуумных фотоприборах достигнут высокий уровень параметров. Это регистрация предельно малых оптических сигналов на уровне единичных фотоэлектронов (ФЭУ), это высокое разрешение (ЭОП, видикон, эйбикон). Но всем известны и недостатки электровакуумных приборов как класса: это слож­ ные вакуумные стеклянные и металлостеклянные конструкции, ограниченный срок службы катодов, мишеней и анодов из-за эмиссии и их бомбардиров­ ки электронами, высокие напряжения питания. И недостатки их как фоточувствительных приборов: ослепление (вплоть до выхода из строя), ограни­ чение спектральной чувствительности близким ИК-диапазоном (при внешнем фотоэффекте). И, безусловно, большие весогабаритные характеристики — они несопоставимы с возможностями интеграции современной субмикронной полу­ проводниковой технологии. Все это свидетельствует в пользу твердотельной фотоэлектроники.

1.3.4. Фотоэлектроника и микроэлектроника. Основа почти всех при­ боров твердотельной микроэлектроники и фотоэлектроники - это полупровод­ ник или полупроводниковые структуры с р-я-переходами, диэлектрическими и проводящими слоями. Одинаков ряд физических процессов в этих приборах — инжекция, перенос носителей заряда, их флуктуации. Идентичны базовые тех­ нологические процессы: термические процессы, ионное легирование, эпитак­ сия, нанесение диэлектрических и проводящих покрытий, фотолитография и так далее и так далее. Часто идентично технологическое оборудование.

Но можно отметить и существенные отличия, которые позволяют выделить фотоэлектронику как самостоятельную дисциплину, как самостоятельную от­ расль.

Материалы. Современную микроэлектронику с полным правом называют кремниевой. Кремний — подарок природы, позволяющий получать совершен­ ный собственный окисел Si02. Единственное ограничение кремния в микро­ электронике — он неоптимален для СВЧ-приборов, сверхбыстродействующих цифровых микросхем. Здесь требуются материалы с высокой подвижностью (GaAs, твердый раствор германия с кремнием и другие). Но в огромной номен­ клатуре микроэлектроники такие материалы пока скорее исключение, только подтверждающее общее «кремниевое» правило.

В фотоэлектронике также большой удельный вес по объему выпуска за­ нимают кремниевые фотоприемники. Но, увы, возможности кремния в фото-

Принципы разработки фоточувствительных приборов совершенно иные. Выше мы говорили об идентичности физических процессов инжекции, пе­

реноса носителей заряда в приборах фото- и микроэлектроники. Но очевидна и специфика физических процессов в фотоприемниках — это взаимодействие излучения с веществом. Законы этого взаимодействия, целевая функция — оп­ тимально преобразовать оптические сигналы в электрические — диктуют свою методологию проектирования, приводят к структуре фоточувствительного при­ бора, качественно отличной от приборов микроэлектроники. Практически все­ гда обязателен расчет и минимизация шумов фотоприемников.

Технический облик изделий. Конструкция. В микросхемах унифицируется все — от материала до корпуса. Конструкции фотоприемников и фотоприемных устройств, особенно инфракрасных, сложны и разнообразны. Если микросхе­ ма — это комплектующее изделие, то фотоприемник, фотоприемное устройство зачастую являются узлами, составными частями оптико-электронной системы. Они включают в свой состав оптические окна и фильтры (например, германи­ евые, кремниевые), светосборники, согласующие отрезки волокон, апертурные диафрагмы. Необходимость точной установки и юстировки фоточувствитель­ ных слоев относительно оптических осей обусловливают высокие требования к точности изготовления корпусных деталей (до 10 ч-50 мкм). Конструкции кор­ пусов, оптических и электронных узлов, криогенных систем требуют от разра­ ботчика не меньше усилий, чем собственно фоточувствительный слой. Поэтому разработку сложных ФПУ можно отнести к системотехнике.

Конечно, можно назвать ряд приборов твердотельной электроники, техни­ ческий облик которых далек от наших привычных представлений о микросхе­ ме. Это СВЧ-приборы, приборы силовой электроники (мощные тиристоры, вы­ прямители). Конечно, ряд фоточувствительных микросхем (фото-ПЗС, модули для приема сигналов от пультов дистанционного управления) внешне отлича­ ются от привычной микросхемы разве что наличием окна и также освоены в массовом производстве. Но для большей части номенклатуры можно сказать так: микроэлектроника — это высокая степень унификации и преобладание крупносерийного производства, а фотоэлектроника — это индивидуальная раз­ работка фотоприемников под конкретные типы оптико-электронных систем и преобладание мелкосерийного производства. Образно говоря, в первом случае «фабричный» пошив, а во втором — «ателье».

ля, открытие им инфракрасных лучей. Но если следовать такой логике, то справедливее те, которые обращаются сразу к Библии:

«И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы» [Быт. 1 , 2].

Из книги Бытия следует, что электромагнитное излучение оптического диа­ пазона — фундамент фотоэлектроники — было не просто открыто, а создано самим Богом. И создано сразу же в первый день сотворения мира, в то время как Адам и Ева — прародители будущих специалистов по фотоэлектронике — были сотворены только на шестой день. Поражает также однозначная и удиви­ тельно точная экспертная оценка Богом своего творения: Бог увидел, что «он (свет) хорош».

А если серьезно, начало твердотельной фотоэлектроники — как следует из данного ей определения — это, конечно, изобретение фотоэлектрических при­ емников излучения. И при всей значимости достижения Гершеля его никак нельзя считать отцом фотоэлектроники: хотя Гершель первым в подобных опы­ тах пользовался датчиком (приемником) излучения — термометром, но этот прибор не является фотоэлектрическим, не преобразует оптический сигнал в электрический.

Начало фотоэлектроники — это не одна, а две даты, разделенные между собой половиной века.

Так, некоторые историки считают датой рождения фотоэлектроники 1821 год, когда Зеебек впервые наблюдал термоэлектрический эффект — воз­ никновение электродвижущей силы в электрической цепи из последовательно соединенных разных материалов, если один из контактов поддерживать при более высокой температуре. Очевидно, что Зеебек изготовил прототип тепло­ вого приемника излучения — термопару. Однако необходимо было повысить ее чувствительность. Сначала Нобили соединяет последовательно несколько тер­ мопар в термостолбик, а затем подбирает эффективные материалы — висмут и сурьму (1830 г.). В 1834 году Меллони использовал подобную термопару для регистрации теплового излучения.

Другой тепловой приемник — болометр был впервые изготовлен в 1857 го­ ду Сванбергом. Известность получили опыты Ланглея (1881 г.): с помощью болометра и собирающего зеркала он зарегистрировал на значительном рас­ стоянии собственное тепловое излучение коровы! Вероятно, это был прообраз первой тепловой системы обнаружения. Благодаря этим впечатляющим опытам появление болометров часто связывают с именем Ланглея. Но все же Ланглей не стал таким же знаменитым, как Маркони и Попов, которые пятнадцать лет спустя провели подобные опыты по дистанционному приему электромагнитного излучения, но не оптического, а радиодиапазона. Тогда время широкого приме­

38 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1

нения ИК-техники и фотоэлектроники в целом еще не пришло. Но сегодня мы отдаем дань уважения авторам этапных достижений в этой области.

В 1873 году английский техник Смит, исследуя электрические свойства селена, неожиданно для себя обнаружил зависимость его сопротивления от света. Так был открыт внутренний фотоэффект — на пятнадцать лет раньше открытия А. Г Столетовым внешнего фотоэффекта (1888 г.), так был получен фактически первый квантовый фотоприемник. Квантовые фотоприемники сего­ дня являются доминирующими, что дает основание ряду авторов именно Смита считать отцом фотоэлектроники (что во всяком случае верно для квантовой фо­ тоэлектроники). Вот почему мы указываем две даты рождения твердотельной фотоэлектроники: 1821 год — это начало разработок тепловых, а 1873 год — квантовых приемников оптического излучения.

Историю фотоэлектроники можно условно разбить на два этапа. Первый этап — от названных открытий до сороковых годов XX века. На этом этапе наука и техника еще не были готовы к широкому использованию фотоприемни­ ков. Нужно было состояться и собственно электронике — сначала вакуумной, потом радиотехнике. Первый этап был в основном этапом лабораторных ис­ следований и применений. Одним из важных направлений физики XIX века было исследование законов излучения тел. И термопара, и болометр пришли на смену термометру в таких экспериментальных исследованиях. Работы Сте­ фана, Больцмана, Кирхгофа, Вина, Релея, Джинса и многих других ученых увенчались открытием Планком в 1900 году закона излучения черного тела, основанном на принципиально новой идее квантования энергии. Так что можно сказать, что фотоэлектронные приборы (термопара, болометр) являлись участ­ никами революции в физике — рождении квантовой физики.

Не осталось незамеченным и открытие Смита. Уже в 1884 году Нипков предлагает идею механического телевидения: разложение изображения должно было осуществляться вращением диска со специальным расположением отвер­ стий на его краю; каждое отверстие последовательно сканирует свою строку. Этот диск известен специалистам как «диск Нипкова», но мало кому известно, что изобретатель предложил использовать в качестве фотоприемника селено­ вый фоторезистор.

Фоточувствительности селена и других материалов посвящали свои рабо­ ты многие исследователи и в первые десятилетия XX века. Ветераны фото­ электроники и сегодня помнят также о работах по таллофиду (Кейз, 1917 г.). Таллофидные приемники излучения применялись в системах связи, принятых на вооружение германской армией в 1935 году Но самым значительным до­ стижением этих лет следует признать работы по сульфиду свинца — PbS. В 1904 году Бозе впервые наблюдал фотоэффект в этом материале (в природных поликристаллах галенита), в 1933 году Кутчер определил инфракрасную грани­ цу его чувствительности ~ 3 мкм. Всего в рассматриваемый период исследова­ тельских и прикладных работ по фоточувствительным материалам и приборам

было опубликовано несколько тысяч: все понимали большие потенциальные возможности направления, которое мы сегодня называем фотоэлектроникой.

И эти возможности начинали реализовываться. Появляется мощный ин­ струмент для физиков — спектральный анализ. Известны применения фото­ приемников в кинофототехнике тридцатых годов. Было ясно огромное значение фотоприемников для военной техники. Еще в первые два десятилетия XX века были выданы многочисленные патенты на инфракрасные системы обнаруже­ ния морских и воздушных целей, наведения на эти цели и их поражения. Идеи опережают свое время: понадобилось пятьдесят лет, чтобы инфракрасные си­ стемы стали неотъемлемой и высокоэффективной частью вооружения. Однако первые инфракрасные системы обнаружения кораблей и самолетов использова­ лись Германией и странами коалиции уже во Второй мировой войне, (а немец­ кие специалисты сообщают, что Германия имела первую морскую ИК-систему обнаружения торпедных катеров с дальностью ~10 км даже в Первой миро­ вой войне). Выпуск приемников на основе PbS в Германии был доведен до 4000 в месяц. Ученые Германии интенсивно вели работы по созданию тепло­ вой головки самонаведения: в лаборатории города Киля разрабатывались PbSфоторезисторы, а на заводе в Иене — собственно головки на основе этих фо­ торезисторов. Были даже проведены испытания головок. Сообщается также о разработках ИК-систем наведения для противотанковых ракет, планирующей бомбы BV-143, снарядов земля-воздух. И только ввод союзных войск остановил эти работы.

За первые четыре десятилетия XX века происходит стремительное развитие и радиотехники: она превращается в одну из ведущих отраслей промышленно­ сти. В контексте истории фотоэлектроники здесь важно отметить следующие достижения.

К 1930 году радиотехника созрела для своего научного журнала: в этом году он выходит в США, названный не известным тогда словом «Electronics». Сло­ восочетание «фото-электроника» сложилось уже во второй половине XX века. Так родился сам термин — название нашей дисциплины.

В двадцатые-тридцатые годы разрабатываются самые разнообразные лам­ повые схемы, в том числе усилители с отрицательной обратной связью (Блек, 1927 г.), с противошумовой коррекцией (Брауде, 1933 г.). Схемотехниче­ ские принципы таких усилителей используются в современных фотоприемных устройствах.

Радиоволны решают все новые и новые задачи: коммерческое радиовещание (1920 г.), передача телефонных сигналов (1929 г.); навигация, связь, пеленга­ ция, бесконтактные взрыватели (тридцатые годы). Последние системы во время войны становятся важнейшим компонентом вооружения, зачастую решая успех боевых операций. Вот наглядный тому пример. Англия, лидер в радиолокации, с помощью таких систем отражает в 1940 году массированные налеты гер­ манской авиации. Как видим, уже определились новые направления техники,

которые стали возможными благодаря использованию электромагнитного из­ лучения.

Длина волны используемого электромагнитного излучения непрерывно уменьшается от 300ч-500 м (1920 г., уже названные выше первые радиове­ щательные станции США) до СВЧ диапазона ~ 3 см (сороковые годы, англий­ ские радиолокаторы). Так логика развития тех лет показывала, что дальнейший прогресс будет связан с освоением миллиметрового, а затем и оптического диа­ пазонов длин волн и фотоприемники будут востребованы.

Мы уже говорили о Нипкове, его механическом телевидении. Это телеви­ дение было вытеснено электронным, отцом которого признан русский ученый В. К. Зворыкин, работавший в США. В 1923 году он запатентовал вакуум­ ную передающую телевизионную трубку (в 1924 году он же изобрел и при­ емную трубку — кинескоп). В 1934 году В. Холст создает ЭОП — электронно­ оптический преобразователь ИК-изображения в видимое, а В. К. Зворыкин вно­ сит большой вклад в его усовершенствование. Во время Второй мировой войны системы ночного видения на основе ЭОП применялись Германией на Восточном фронте, а США — на Тихоокеанском театре военных действий. Так начиналось очень важное направление технического зрения, и твердотельным фотоприем­ никам предстояло его завоевать во второй половине XX века.

Второй этап развития фотоэлектроники совпадает со второй технической революцией — интеллектуальной. В сороковые годы закладываются основы кибернетики, информатики, создаются электронные компьютеры (Винер, Ней­ ман, Шеннон и многие другие исследователи). Для искусственного интеллекта требовалось и искусственное «серое вещество» — так неизбежно должна была появиться твердотельная электроника. Здесь этапным событием стало создание Шокли, Бардиным и Брадтейном первого германиевого биполярного транзисто­ ра (1947-1948 гг.). Эта работа была отмечена Нобелевской премией в 1956 году. Два года спустя была реализована идея полевого транзистора — основ­ ного компонента современных интегральных схем.

Каждая революция, каждое изобретение зачастую имеет свою предысто­ рию, и даже долгую предисторию. Так, первый вычислитель, но, конечно, ме­ ханический, был изготовлен еще в XVII веке (Б. Паскаль, 1642 г.). В 1883 году Бэбидж выдвинул идею вычислителя с двумя блоками, которые мы сегодня на­ зываем процессором и памятью. Твердотельный полупроводниковый детектор — контакт металлической проволоки с PbS — появился в 1884 году (Ф. Браун) на двадцать лет раньше вакуумных ламп (диод, Флеминг, 1904 г.; триод, Форест, 1906 г.). Так что, называя первооткрывателей, мы должны помнить, что у них часто были свои предтечи.

Историю фотоэлектроники нельзя оторвать от истории микроэлектроники, всех смежных областей науки и техники. Фотоприемники внедряются во все сферы человеческой деятельности, и этому будет посвящен отдельный раздел.