Научный архив: статьи

Исследованы матрицы чувствительных элементов на основе p–i–n-фотодиодов из AlGaN формата 320×256 элементов с шагом 30 мкм и размером фоточувствительной площадки 20×20 мкм2 для подтверждения возможности создания матричных ультрафиолетовых фотоприемных устройств. Качество p–i–n-фотодиодов оценивалось по измерению вольтамперных характеристик. Темновые токи, измеренные между разделенными элементами в мезаструктуре, составили менее 10–13 A, а сопротивление более 1012 Ом·см

На основе точного решения уравнения Ланжевена рассчитаны корреляторы случайных полей (СП) концентрации и тока подвижных носителей заряда в гомогенном полупроводнике и в ИК фотодиоде с базой конечной длины. Показано, что в базе p–n-перехода рассматриваемые СП являются неоднородными даже при нулевом смещении, когда кон- центрация и ток подвижных носителей заряда не зависят от координаты. Установлено, что равновесные СП концентрации и тока подвижных носителей заряда в объеме гомогенного полупроводника являются однородными, а в приповерхностных областях — неоднородными даже при нулевой скорости поверхностной рекомбинации. Обоснована оптимальная структура ИК-фотодиода с коррелированной обработкой сигнала и шума.

Представлены результаты воздействия импульсного мягкого рентгеновского излучения лазерной плазмы на морфологию поверхности твердых растворов эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe. Увеличение дозы облучения приводит к росту перепада высот микровыступов и шероховатости.

Разработан новый метод определения квантовой эффективности и темнового тока фоточувствительных элементов матричных ФПУ. Метод основан на экспериментально опробованной аналитической модели этих устройств, позволяющей рассчитывать все их параметры, в том числе сигнал и шум приборов. Метод опробован и позволяет получить полный массив величин этих важнейших характеристик в матрицах фоточувствительных элементов. Метод позволяет быстро определить значения средней квантовой эффективности и темнового тока каждого фоточувствительного элемента матрицы и экспрессно квалифицировать качество приборов.

Разработана теория, позволяющая достаточно точно прогнозировать полный набор характеристик (сигналы, шумы фотоэлектрические параметры) по всем элементам разрабатываемого матричного фотоприемного устройства (МФПУ) на основе фотодиодной матрицы и осуществить оптимизацию параметров устройства. Теория основана на новом подходе к определению облученности МФПУ, обеспечивающем ее расчет для любой формы диафрагмы в светоизолирующем экране. Рассмотрена работа как «смотрящих», так и «сканирующих» МФПУ, работающих в режиме временной задержки и накопления (ВЗН). Теория проверена на МФПУ формата 320х256. Сравнивались расчетные данные по зависимостям сигналов и шумов фоточувствительных элементов (ФЧЭ) с экспериментально полученными значениями при разных временах накопления и температурах фонового облучения. Получено полное совпадение теоретических и экспериментальных данных, подтверждающее справедливость модели. Теория, несомненно, будет полезна для разработчиков и производителей МФПУ, а также и для их потребителей. Модель может быть легко распространена и на системы, использующие матричные МФПУ.

В статье рассмотрено современное состояние с разработкой фотоприемников и фотоприемных устройств, работающих в диапазоне длин волн электромагнитного излучения 0,1—0,38 мкм. Приведен обзор мировых достижений и тенденций развития этой области фотоэлектроники на основе различных полупроводниковых материалов. Рассмотрены основные физико-технические проблемы создания второго поколения ультрафиолетовых фотоприемных модулей на основе соединений АIII-N.

С помощью теории вероятности и теории надежности устройств разработана аналитическая модель, описывающая вероятность безотказной работы многорядного матричного фотоприёмного устройства (МФПУ), включающего B фотоприёмных модулей (ФПМ) формата MN с учётом критериев годности устройства. Эти критерии описываются средним временем безотказной работы одного фоточувствительного элемента (ФЧЭ), максимальным количеством дефектных ФЧЭ в канале, максимальным числом неработоспособных каналов ФПМ и общим количеством ФПМ. Режим работы устройства — режим с экспоненциальной моделью отказов ФЧЭ, в котором сигнал МФПУ является средним сигналом или максимальным из сигналов работоспособных ФЧЭ в канале. На основе модели выполнены расчёты зависимостей вероятности безотказной работы МФПУ, включающего B ФПМ, ФПМ с N каналами, L из которых неработоспособны и отсутствуют соседние неработоспособные каналы, и канала из M ФЧЭ с К неработоспособными ФЧЭ, соответственно, при B = 10, 8, 6, 4; N = 1024, 640, 480, 288; L = 5, 3, 2, 1; M = 16, 10, 8, 4; K = 15, 9, 7, 3.

На основе метода Ланжевена рассчитаны корреляторы стационарных фотоиндуцированных случайных полей (СП) концентраций и токов подвижных носителей заряда в ИК-фотодиодах и в гомогенных полупроводниках. Установлено, что корреляторы тепловых и фотоиндуцированных СП концентраций подвижных носителей заряда определяются одинаковыми выражениями при любой структуре p─n-перехода и произвольной полярности приложенного напряжения, в то время как корреляторы СП фотоиндуцированных и темновых токов определяются одинаковыми выражениями только в случае обратносмещенного p─n-перехода с длинной базой.

Построена аналитическая модель коротковолновых инфракрасных матричных фотоприёмных устройств (МФПУ) для работы в диапазоне спектра 0,9—1,7 мкм. С учетом получения высоких выходных характеристик рассчитаны возможные диапазоны изменения темновых токов фоточувствительных элементов (ФЧЭ), допустимый диапазон шумов мультиплексора, сигналы и шумы ФЧЭ, все фотоэлектрические параметры МФПУ. Полученные теоретические значения и зависимости сравниваются с экспериментальными. Получено хорошее совпадение данных, указывающее, с одной стороны, на справедливость модели, а с другой стороны, на корректность проводимой разработки.

Проанализирован характер зависимости пороговой энергии ударной генерации электроннодырочных пар в полупроводниках при двух частичных столкновениях от степени непрямозонности полупроводника. Показано, что эта зависимость ассиметрична и немонотонна относительно взаимного импульсного расположения зоны проводимости и валентной зоны, причем минимальная пороговая энергия меньше, чем в прямозонном полупроводнике.

Рассмотрены возможности электронной спектроскопии для определения элементного состава материалов. Показано, что для этого требуется разработка специального прецизионного оборудования вакуумной электроники — электронного спектрометра с дисперсионным магнитным анализатором. Предложен оригинальный вариант устройства диспергирующего магнита для спектрометра потерь энергий электронов, который можно установить на просвечивающие электронные микроскопы. Проведено приближённое математическое описание поведения электронов при взаимодействии с полем магнита, и составлен алгоритм, построенный на полученном описании. С помощью этого алгоритма проведены исследования с целью подбора оптимальных геометрических и конструктивных параметров системы, чтобы добиться наилучших результатов её работы. Предложена макетная конструкция диспергирующего магнита спектрометра.

Рассмотрен метод разработки сканирующего ФПУ, предназначенного для работы в автономном режиме с повышенной безотказностью в течение заданного продолжительного интервала времени. ФПУ включает заданное число модулей на основе многорядной линейки с фоточувствительными элементами (ФЧЭ), имеющими меньшее среднее время безотказной работы, чем заданный временной интервал. Метод включает использование аналитической модели МФПУ и аналитической модели безотказности МФПУ.

Аналитическая модель безотказности МФПУ использовалась для определения необходимого числа ФЧЭ в канале сканирующего ФПУ, зависящего от известного среднего времени безотказной работы одного ФЧЭ. В этом случае обеспечивается высокая вероятность безотказной работы каналов, модулей и ФПУ в течение заданного интервала времени. Аналитическая модель МФПУ применялась для расчёта и анализа фотоэлектрических параметров разрабатываемого устройства.

Совместное использование указанных аналитических моделей позволяет достаточно быстро и корректно определять конструктивные, эксплуатационные и фотоэлектрические параметры любого многоканального ФПУ с заданными надежностными параметрами. В качестве примера рассматривается разработка ИК ФПУ на спектральный диапазон (10,5—12,6) мкм с 1024 каналами, с гамма-процентной наработкой до 10 лет при вероятности безотказной работы не менее 0,99.