Введение. Оптоэлектроника –область физики и техники использующая эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов

Оптоэлектроника –область физики и техники использующая эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов.

Основными элементами оптолектроники являются источники излучения когерентные и некогерентные фотоприемники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды, и согласующие элементы, мультиплексоры, и демультиплексоры, пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамического отображения и обработки информации.

Источники излучения.

Некогерентные источники - светодиоды на основе гетероструктур, AlGaAs, с рекордным кпд 20%. Когерентные источники излучения –инжекционные лазеры с шириной линии порядка 0,1 нм, расходимость пучка не более30 градусов, кпд до 50%. Освоен диапазон волн от 0,78 мкм - до 1,55 мкм. Частот модуляции излучения инжекционных лазеров достигает 20 Ггц.

Приемники излучения

Это фотодиоы pin -диоды и фотодиоды Шоттки. В pin -диодах быстродействие меньше 1 нс, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs (), InGaAs . В фотодиодах Шоттки быстродействие , квантовая эффективность до 40%, материалы: n—GaAs, GaAs-AlGaAs, InGaAs .

В качестве фотоприемников используются планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами. Быстродействие 80-200 пс, материалы InGaAs, p—GaAs, у которого .

Особое значение для оптроники имеют строчки и матрицы, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках.

Приборы с зарядовой связью(ПЗС) - это интегральные микросхемы, состоящие из совокупности МДП-структур, сформированных на общей полупроводниковой подложке. Полоски электродов образуют линейчатую или матричную регулярную структуру. Расстояние между соседними электродами малы, так, что становятся существенными их взаимовлияние. Из-за пространственного перекрытия заряда между краями соседних электродов. См рис 1

Рис.1Структура прибора с зарядовой связью. 1-кристалл кремния, 2 –вход и выход. 3-металлические электроды. 4 –диэлектрик.(окись кремния).

В ПЗС осуществляется направленная передача заряда от электрода к электроду путем манипуляции электрическими напряжениями на этих электродах. Используются термины (ФПЗС) «фоточувствительный прибор с зарядовой связью».

Технология изготовления ФПЗС

Изготавливают на основе монокристаллического кремния. На поверхности кремневой пластины методом термического окисления создается тонкая (0,1-0,15 мкм) диэлектрическая пленка окиси кремния . Обеспечивается совершенство границы раздела полупроводник-диэлектрик и минимальна концентрация рекомбинационных центров на границе. Электроды отдельных МДП –элементов производятся из алюминия, их длина 3-7 мкм, зазор между электродами составляет 0,2 -3 мкм. Типичное число МДП-элементов составляет 500-2000 в линейном и в матричном ПЗС, площадь пластины . Под крайними электродами каждой строки изготавливают p-n -переходы, для вывода и вывода порции зарядов фотоэлектрическим способом ПЗС освещают с фронтальной или тыльной стороны. При фронтальном освещении во избежание затеняющего действия электродов алюминий заменяют пленкой сильнолегированного поликристаллического кремния, прозрачного в видимой т ближней ИК-области спектра.

Принцип действия ПЗС на примере фрагмента строки ФПЗС, управляемой трехфазной схемы показан на рис 2стр108 ФЭ4

Рис.2. Схема работы трехфазового прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

I, II, III рабочие такты. - напряжение смещения, - напряжение считывания, - напряжение хранения.

В течение такта 1 восприятие, накопление и хранение видеоинформации к электродам 1,4,7 прикладывается напряжение хранения . Оно оттесняет основные носители дырки к в глубь проводника и образующее обедненные слои глубиной 0,5-2мкм потенциальные ямы для электронов. Освещение поверхности ФПЗС порождает в объемк кремния избыточные электрон-дырочные пары. Электроны стягиваются в потенциальные ямы и локализуются в тонком приповерхностном слое под электродами 1,4,7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.

Во время такта 11 перенос зарядов напряжение на электродах 2,5,8 прикладывается напряжение считывания более высокое чем . Под электродами 2,5,8возникают более глубокие потенциальные ямы чем под под электродами 1,4,7 и вследствие близости электродов 1и2, 4и5, 7и8 барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние более глубокие потенциальные ямы.

Во время такта 111 напряжение на электродах258 снижается до а с электродов 147 снимается. Так осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.

Во все время работы на электродах не подключенных к к потенциалам или поддерживается небольшое напряжение смещения равное 1-3 В обеспечивающее обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и ослабление рекомбинационного эффекта.

Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, выводят через крайний p-n переход последовательно все зарядовые пакеты, возбужденные светом в строке. В выходной строке возникают импульсы напряжений, пропорциональные величине заряда данного пакета. Картина освещенности трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который после продвижения вдоль всей строки преобразуется в последовательность электрических импульсов.

В линейном ФПЗС рис3а за заряды накопленные в строке 1 за один цикл, передаются в регистр 2 (из четных элементов) и в регистр 3(из нечетных).В то время, как по этим регистрам информация передается через выход4 в схему объединения сигналов 5, в строке 1 накапливается новый видеокадр.

В ФПЗС с кадровым переносом рис 3б информация воспринятая матрицей накопления1 быстро сбрасывается в матрицу хранения 2 из которой последовательно считывается ПЗС-регистром3, в это же время матрица 1 накапливает новый кадр.

Рис.3 Накопление и считывание информации в а)линейном ФПЗ, б) в матричном фоточувствительном приборе с зарядовой связью.

1-строка,2—четный регистр, 3-нечетный регистр. 4-выход, 5-схема объединения.

Основные параметры ПЗС. , относительная потеря заряда при одном переносе , максимальная тактовая частота 10 -100 Мгц, максимальная плотность зарядового пакета , минимальная - , динамический диапазон ,плотность немного тока Для характеристики ФПЗС указывают спектральный диапазон , фоточувствительность , разрешающую способность .

На рис 4 показаны приборы с поликремневыми перекрывающимися электродами рис4а и приборы с асимметрией приповерхностных свойств, например, со слоем диэлектрика переменной толщины. Рис4б, работающие в двухтактном режиме. На рис 4в показана структура ПЗС с объемным каналом, образованным диффузией примесей.

Рис.4 а), б) -разновидности приборов с зарядовой связью с поверхностным каналом, и в) ПЗС с объемным каналом.

Особенность ФПЗС является введение в кристалл и хранение без искажений большие массивы цифровой или аналоговой информации, использование оптического способа ввода информации, направленное распространение циркуляцию информации в кристалле и неразрушающий доступ к ней, проводить последовательный и параллельный принцип обработки информации. От видеоконов ФПЗС отличается жесткой геометрическим растром, позволяющим фиксировать координаты элементов разложения и исключить дисторсию искажения растра, долговечностью, меньшей потребляемой мощностью, нечувствительностью к внешним магнитным и электрическим полям.

Основное функциональное назначение фоточувствительных ПЗС – это преобразование оптических изображений в последовательность электрических импульсов(формирование видео сигнала), Эти приемники позволяют принимать, хранить некоторое время и последовательно передавать при считывании оптические сигналы.