Рнс. 6.69. Зависимость коэффициента пропускания полупроводника при разных температурах (а) и схема эджеографа (б); / - кривая для полупроводника, охлажденного иа 10%; г - то же, но нагретого на 5%; 3 - линия излучения натриевой лампы; 4 -падающее излучение; 5 - зеркало; 6 - натриевая лампа; 7 - полупрозрачный слой хрома; 8 - пленка селена.

0,г 0,4 0,бА,тм

источника с длиной волиы, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, то интенсивность прошедшего через пленку излучения зависит от ее температуры.

Схема эджеографа представлена на рис. 6.69, 6. Под действием излучения на пленке селена, покрытой со стороны падающего лучистого потока полупрозрачным слоем хрома, создается температурный рельеф. Пленку дополнительно освещают натриевой лампой, излучение которой лежит вблизи границы поглощения селена (Я = 0,59 мкм). В зависимости от температурного поля чувствительного элемента через равные участки его проходит большая или меньшая часть излучения, так что изобранжние объекта.непосредственно рассматривается наблюдателем.

Эджеограф позволяет фиксировать перепады температур 10° С при разрешающей способности 2 лин/мм и постоянной времени 0,5 мс.

В последние годы усиленно разрабатываются твердотельные электро-люминесцентные преобразователи, представляющие собой распределенную многослойную структуру, которая преобразует рельеф на фотослое в световой рельеф на люминесцентном экране. Принцип устройства двухэлектродного электролюминесцентного преобразователя иллюстрируется рис. 6.70, а. Он представляет собой прозрачную для видимых или инфракрасных лучей пластину 8, покрытую прозрачным токопроводящим слоем 7, подключенным к одному полюсу источника переменного тока повышенной частоты. На контактный слой нанесен слой электролюминофора 6. Изображение рассматриваемого объекта проецируют на полупроводниковый фотослой 4 через верхний прозрачный электрод 3, который подключен ко второму полюсу источника питания. Непрозрачный оптический экран 5 предотвращает обратную оптическую связь

между электролюминофо- г

ром' и фотослоем. Для за-

щиты чувствительного слоя от влаги и механических повреждений служит пластина 2. Изображение объекта рассматривают со стороны люминесцентного слоя через подложку и прозрачный электрод.

Если фотослой не облучен, напряжение, приложенное к преобразователю, падает на полупроводниковом слое, сопротивление которого много больше

а

I I /

О

0,5 0,6 0,7 0,81мк

Рис. 6.70. Электролюминесцентный преобразователь на основе CdS (а) и его спектральная характеристика {бу. 1 - падающий световой поток; 2, 8 - стеклянные пластины; 3, 7 - электроды; 4 - фотослой; 5 - оптический экран; 6 - электролюминофор; 9 - излучение экрана.

сопротивления последовательно соединенного с ним электролюминофора. При облучении полупроводника его сопротивление уменьшается и в местах облучения значительная часть напряжения оказывается приложенной к слою электролюминофора, что вызывает его свечение.

В первых образцах электролюминесцентных преобразователей применяли монокристаллы сернистого кадмия CdS (толщиной 500 мкм) и электролюминофор ZnS (50 мкм), Спектральная характеристика таких преобразователей изображена на рис. 6.70, б; она показывает, что преобразователи могли использоваться только как усилители света. Коэффициент усиления достигал 10 при пороговой освещенности 10 * лк.

Для повышения чувствительности были предложены также твердотельные преобразователи с управляющей сеткой, преобразователи на основе порошковых слоев (с сетчатым электродом) и тонких пленок, гибридные структуры, представляющие собой комбинацию сублимированного фотослоя с порошковым электролюминофором, и т. д Однако все они предназначались для работы Б видимой и ближней инфракрасной областях спектра и представляли определенный интерес в связи со следующими преимуществами по сравнению с ЭОП: I) низкий порог чувствительности и высокий коэффициент усиления на каскад (10*... 10); 2) конструктивная простота, малые габариты, высокая механическая прочность; 3) большая рабочая поверхность экрана; 4) низкие рабочие напряжения (100...200 В). По быстродействию твердотельные преобразователи изображения уступали ЭОП в лучшем случае на 3-4 порядка (10-3 с).

В последующих разработках вместо CdS и CdSe начали применять другие полупроводниковые материалы, и в частности легированный германий, что позволило перейти к инфракрасному диапазону спектра и создать преобразователи, способные визуализировать изображение низкотемпературных объектов. Один из таких преобразователей, предназначенный для работы в области 2...5 мкм, выполнен в виде сэндвича из пластины монокристаллического германия, легированного никелем (толщиной 350 мкм), и люминесцентного экрана из титаната бария (толшиной 20 мкм). Для повышения чувствительности преобразователь помещен в вакуумированный сосуд Дьюара с охладителем. Величина приложенного напряжения 175 В при частоте 1 кГц. Разрешающая способность 25 лин/см.

В схеме твердотельного преобразователя, изображенного на рис. 6.71, Б качестве приемника излучения взят фоторезистор на основе германия, легированного медью и сурьмой. Германиевый фоторезистор имеет высокую чувствительность в спектральном диапазоне 1,5...4,2 мкм, порог 10- ... ... 10-11 Вт и удельное сопротивление 10... 10 Ом см. Излучателем видимых лучей является электролюминесцентный полупроводниковый диод из карбида кремния. Пропускание тока в прлмом направлении в электронно-дырочном переходе диода вызывает видимое рекомбинационное излучение.

Максимум излучения находится в области 0,5... 0,7 мкм и зависит от свойств исходных кристаллов карбида кремния.

При облучении фоторезистора в цепи возникает электрический ток, тем больший, чем больше интенсивность падающего потока. Появление тока вызывает излучение светодиода. При малом токе оно линейно связано с мощностью падающего излучения; при больших сигналах - нелинейно. С другой стороны, характеристика светодиода также нелинейна, поэтому зависимость интенсивности излучения светодиода от мощности падающего излучения имеет сложный характер. Для преобразования инфракрасного изображения Б видимое необходимо электрическое объединение многоэлементного поля фоторезнсторов и поля светодиодоБ (600...900 светящихся точек), что

Падающее излучение (,)

Излучение светодиода fAj

Рис. 6.71. Принцип работы твердотельного прсобразова-геля изображения.

Рис. 6.72. Твердотельный аналог телевизионной передающей трубки: / - фотоэлектрический преобразователь; 2 - падающее излучение; 3 - коммутирующее устройство; 4 - выходной сигнал.

1 i

возможно путем применения фотолитографической техники.

Параллельно с твердотельными преобразователями изображения ведутся интенсивные разработки твердотельных аналогов передающих телевизионных трубок. Фотоэлеетриче-ское преобразование в таких устройствах используетсн для трансформации оптически сформированного рельефа на полупроводнике во временную последовательность электрических импульсов. В соответствии с этим в их структуру должны входить собственно фотоэлектрические преобразователи и элементы коммутации, осуществляющие поочередный опрос преобразователей (рис. 6.72). При этом возможны два режима работы фотопреобразователя: с накоплением и без накопления заряда. Если время установления тока в преобразователе меньше времени его коммутации, видеосигнал состоит из серии импульсов, амплитуда которых пропорциональна локальной освещенности чувствительной площадки. Если же время установления тока в преобразователе значительно больше времени его коммутации, то за коммутационный период емкость С преобразователя успевает лишь зарядиться. За время коммутации других преобразователей емкость разряжается через резистор R, величина которого соответствует входной освещенности. При коммутации преобразователя происходит дозарядка емкости и ток до-зарядки создает на нагрузочном резисторе сигнал, пропорциональный интегральной освещенности преобразователя за время образования кадра.

Один из опытных образцов твердотельной передающей телевизионной трубки скомпонован из трех идентичных секций, в каждую из которых входит 32 преобразователя. Секции снабжены выходным диодом и могут работать самостоятельно как 32-элементный преобразователь либо в комбинации с другими секциями. Элементарные преобразователи выполнены в виде кремниевой структуры р-типа с удельным сопротивлением 20...40 Ом см. Размеры элемента: ширина 50 мкм, длина 10 мкм; расстояние между центрами элементов 12,5 мкм. Секции смонтированы на металлизированной керамике. Для переключения преобразователей разработана специальная логическая схема. Полное время опроса секции 0,25...0,65 мс.

В другом образце трубки преобразователи выполнены из плоского кристалла кремния, покрытого изолирующей оксидной пленкой, поверх которой расположена решетка металлических электродов. Ширина электродов 9 мкм, расстояние между ними 20 мкм, количество элементарных светочувствитель ных преобразователей 128 X 106, активная площадь рецептора 3X5 мм. Падающее на чувствительную площадку излучение поглощается, генерируя электрический заряд, который локально накапливается на поверхности кремния под металлическими электродами. Величина накопленного заряда пропорциональна интенсивности падающего потока. С помощью изменения напряжения на электродах, расположенных на поверхности оксидной пленки, заряд передвигается по определенному пути к выходному электроду. Здесь заряд превращается в аналоговый электрический сигнал, отображающий изменение лучистого потока вдоль строки.

Для образования видеоизображения оптическая система фокусирует изображение объекта на половину площади кремниевой пластины (64

X 106 элементов). Накопленный кадр передается на площадь запоминания - вторую половину кремниевой пластины, содержащей также 64 X

X 106 элементов, и выводится построчно для считывания с помощью последовательного регистра. В это время новый кадр накапливается на площади изображения. За время формирования новой структуры заряда предыдущий кадр