Рефераты. Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ)

Фоторезистор из КРТ способен использовать большую часть излучения в атмосферном окне (8 – 14 мкм), так как максимум спектральной чувствительности может приобретать в зависимости от состава КРТ любые значения в окне 8 – 14 мкм практически без ухудшения обнаружительной способности.

Фоторезисторы из ОМ КРТ, используемые в настоящее время, достигли параметров, близких к теоретическому пределу (ограничение фоном). При серийном производстве фотоприёмников и фотоприемных устройств возникают определённые трудности в реализации предельных параметров.

Особенности фоторезисторов на объёмных кристаллах КРТ.

Сопротивление фоторезистора.

Высокая подвижность носителей в n-типе КРТ, μ≥105 см2/В*с и достаточно высокая собственная концентрация ni (ni 77K = 3*1013 см-3) для Eg = 0,1 эВ, по сравнению с полупроводниками с большей шириной запрещённой зоны,

ni = (2πkT/h2)*(me*mp)¾*e-ΔE/kT,


где T температура полупроводника;

h постоянная Планка;

me эффективная масса электрона;

mp – эффективная масса дырки;

ΔE – ширина запрещённой зоны;

kпостоянная Больцмана,

и определяют высокую электропроводность ОМ КРТ

σ = μ*n*e.


Ограничения на уменьшение толщины рабочего слоя фоточувствительного элемента (ФЧЭ), накладываемые технологией утоньшения при химико-механическом полировании приклеенных к технологической подложке пластин, затрудняют получение достаточно высоких сопротивлений ФЧЭ путём уменьшения толщины слоя. Фоторезисторы из КРТ низкоомные. Величина сопротивления обычно 50 -70 ОМ в образцах с квадратной площадкой ФЧЭ. Стабилизирующий анодный окисел на нижней, приклеенной к подложке, поверхности ФЧЭ создаёт фиксированный заряд в приповерхностном слое, что снижает сопротивление до 25 – 35 Ом. При этом толщина рабочего слоя КРТ составляет 13 – 15 мкм. Низкое сопротивление фоторезистора создаёт определённые трудности, в его сопряжении с электроникой первичной обработки сигналов изображения. Низкое сопротивление фоторезистора приводит также к необходимости обеспечить значительные, по масштабам ФЧЭ, токи смещения, необходимые для получения максимального сигнала.

Шумы фоторезистора.

Фоторезисторы из ОМ КРТ имеют очень низкие шумы. Это связано как с достаточно большой величиной собственной концентрации, так и с относительно малым временем жизни носителей.

Генерационно-рекомбинационный шум при тепловом ограничении (см. выше)

UG-R = 2*Uсм*[p0τΔf/n0*(n0+p0) V]1/2

Uсм – напряжение смещения,

τ – время жизни неосновных носителей заряда,

n0 и p0 – темновые концентрации электронов и дырок,

V – объём ФЧЭ,

Δf – информационная полоса частот.

При ограничении фоном, когда концентрация дырок в n-типе, генерируемых фоновым излучением становится сопоставимой с n0, может измениться время жизни τ. Это скажется на изменении генерационно-рекомбинационного шума. Насыщение вольтовой чувствительности при увеличении напряжения смещения также связано с уменьшением времени жизни неравновесных носителей под влиянием фона и приводит также к зависимости генерационно-рекомбинационного шума от фона. То есть, «пролёт» носителей и фон влияют на генерационно-рекомбинационный шум через τ.

UG-R = (eμnR/μd)*[ηФВlbΔf


где ФВ – фоновый поток,

l – длина фоточувствительной площадки,

b – ширина фоточувствительной площадки,

μd – дрейфовая подвижность.

То есть, имеет место насыщение генерационно-рекомбинационного шума, при млых фонах концентрация дырок определяется тепловой генерацией, насыщение генерационно-рекоминационного шума не наступает и в режиме пролета.


UG-R = (2ni/n0) [UeμnRΔf/ μd] ½


где U – напряжение смещения, в этом случае UG-R изменяется как Uсм½.

В реальных высококачественных кристаллах, в которых время жизни неосновных носителей определяется Оже-рекомбинацией и лежит в пределах 10-6 – 20*12-6 с, а концентрация электронов в «n» – типе находится в пределах (2 – 5)*1014 см-3, спектральная плотность шума составляет UG-R = 2,5*10-9 – 3,5*10-9 В*Гц-1/2. Для реализации обнаружительной способности фоторезистора

D* = SU A/Uш


где SU – вольтовая чувствительность фоторезистора,

А – площадь ФЧЭ.

Uш =√(Uшn2 + Uшy2)


Необходимо существенно снижать шумы предусилителей Uш до 1 -1,5 нВ*Гц1/2, что является достаточно сложной задачей, и повышать вольтовую чувствительность.

Вольтовая чувствительность.

Для фоторезистора, включённого на согласованную нагрузку, вольтовая чувствительность связана с электрофизическими параметрами материала КРТ, геометрией ФЧП, длиной волны и напряжением смещения:

SU = ηUсмτэф/hνnAd


Где η – внешняя квантовая эффективность,

Uсм – напряжение смещения,

τэф – эффективное время жизни неравновесных носителей заряда при рабочей температуре,

hν – энергия кванта в максимуме спектральной чувствительности,

n – концентрация носителей при рабочей температуре (77 К),

А – площадка ФЧП,

d – толщина ФЧП.

Из формулы видно, что в пределах заданного требованиями аппаратуры быстродействия, необходимо выбирать материал КРТ с максимальным временем жизни носителей, τ. А так же необходимо увеличивать до предельных значений напряжение смещения и уменьшать толщину ФЧЭ. По всем выше названным параметрам существуют ограничения. Минимальная концентрация носителей не может быть меньше собственной, которую в материале КРТ, получить очень сложно из-за наличия дефектов с малой энергией активации. Увеличение напряжения смещения ограничено явлением «пролёта» носителей, когда избыточные носители, возбуждённые излучением на одном конце ФЧП, успевают, под действием электрического поля смещения, добежать до противоположного контакта за время дрейфа сравнимое с временем жизни.

τпр = l2/μдрUсм


где l – расстояние между контактами,

μдр – дрейфовая подвижность, определяется медленными носителями заряда (для КРТ х = 0,2 µдр ≈ µp),

Uсм – напряжение смещения.

Увеличение напряжение смещения фоторезистора в соответствии с формулой нахождения SU приводит к увеличению вольтовой чувствительности до тех пор, пока уменьшающееся при этом время пролёта не ограничит SU. Такой режим, когда повышение напряжение смещения не вызывает дальнейшего увеличения сигнала фотоответа называется режимом насыщения вольтовой чувствительности. В этом случае упрощается выражения для нахождения SU. Для КРТ x = 0,215: μn ≥ 105 см2/В*с, μp ≥ 300 см2/В*с. В режиме включения на согласованную нагрузку (RT = RH) вольтовая чувствительность насыщения:

SUn = 1,5 RT103


где RT – темновое сопротивление фоточувствительной площадки (ФЧП).

Так же для получения максимального фотоответа необходимо устранять потери на отражение излучения путём нанесения просветляющего диэлектрического покрытия.

Обнаружительная способность.

Обнаружительная способность при тепловом ограничении определяется по формуле:

D* = (η/2hν) [(n0+p0)τ/n0tp0


Где t – толщина слоя фоторезистора.

Для механизма Оже рекомбинации, реализующегося в монокристаллах КРТ высокого совершенства

τA = τAi*2ni/[n0(n0 + p0)]


где τAi – время жизни при Оже рекомбинации в собственном материале.

В этом случае:

D*U = (η/2hν) [2τAi/n0t]½


При скорости поверхностной рекомбинации приблизительно равной нулю и толщине ФЧЭ t ≥ α-1, коэффициент поглощения α ≈ 103 см-1, принимая n0 ~ 4*1014 см-3 и τ ~ 10-3 с при 77 К, получим D*U = 2,2*1012*η, принимая η ≈ 0,8, получим D*U ≈ 1,76*1012. В реальных резисторах необходимо учитывать скорость поверхностной рекомбинации и ограничения, накладываемые фоновым излучением.

Величина обнаружительной способности при термическом ограничении получена также без учёта шумов в виде 1/f. Источником этих шумов, называемых избыточными, являются несовершенство контактов, неоднородность исходного материала КРТ, поверхностная рекомбинация.

Технология изготовления фоторезисторов из объёмных монокрисаллов (ОМ) КРТ в настоящее время достигла достаточно высокого уровня, позволяющего получить минимальные шумы вида 1/f, ограниченные по верхней частоте, как правило, 300 – 500 Гц.

Поскольку информационная полоса частот тепловизионных систем обычно находится в диапазоне 20 – 100 кГц, шумы вида 1/f вносят незначительный вклад в общий шум фоторезистора.

Низкая вольтовая чувствительность и обнаружительная способность наблюдается в фоторезисторах, изготовленных из образцов КРТ, в которых имеются большое число центров рекомбинации, что говорит о некачественном материале КРТ. Такой же результат возможен при неправильной, приводящей к образованию центров рекомбинации, обработке материала КРТ при изготовлении фоторезистора. В этом случае работает иной, быстрый механизм рекомбинации Шокли-Рида. Такие фоторезисторы обладают низкой вольтовой чувствительностью и обнаружительной способностью.

Правильно сконструированный, изготовленный из высококачественного материала КРТ фоторезистор имеет обнаружительную способность, ограниченную флуктуациями фоновых носителей (фоновое ограничение).

Стабильность параметров фоторезистора.

Низкая энергия активации некоторых дефектов в ОМ КРТ, связанных с вакансиями ртути и междоузельной ртутью, приводит к явлениям деградации свойств из-за ухода атомов ртути с поверхности образца и диффузии вакансий ртути внутрь образца. Этот процесс за большой период времени (год – два) может привести к изменению типа проводимости поверхностного слоя, достигающего при продолжительном хранении при повышенных температурах (600 – 700 С) 100 мкм и более.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.