Твердотельные фотографические системы, усилители света и дисплеи

Описание

↑ Введение

В названии этой главы кроется известная тавтология. Так, например, фотографическая система служит одновременно и усилителем света, и дисплеем. Однако в литературе широкий круг устройств классифицируется в зависимости от того, являются ли их основными функциями фотографирование, усиление или наглядное представление данных. За некоторым исключением, принцип работы всех этих устройств состоит в том, что падающий свет поглощается слоем фотопроводящего материала и возникающие при этом изменения проводимости, заряда или напряжения в комбинации с тем или иным вторым механизмом используются для получения изображения. В данной главе мы рассмотрим основные ограничения, которые накладываются на чувствительность таких фотопроводящих слоев.

Казалось бы, фотопроводники предоставляют богатые возможности для создания высокочувствительных устройств, поскольку в них, как известно, слабый поток падающих фотонов вызывает большие потоки электронов. В некоторых чувствительных фотопроводниках, например сульфиде кадмия, удалось достигнуть высоких значений коэффициента усиления (отношения тока электронов к потоку фотонов), до 10⁶. Однако все попытки использовать столь значительное усиление для уменьшения требуемых оптических экспозиций в отображающих устройствах, неизменно терпели неудачу. Причины этого носят принципиальный характер, им в основном и посвящена настоящая глава.

↑ Запирающие контакты

Начнем с простейшего случая, а именно с фотопроводника с запирающими контактами (рис. 61),

в котором напряжение прикладывается через контакты (электроды), не позволяющие электронам и дыркам входить в фотопроводник. Однако те же самые электроды легко принимают электроны и дырки из фотопроводника. Таким образом, при поглощении одного фотона во внешней цепи фотопроводника в лучшем случае1 проходит единичный электронный заряд, то есть коэффициент усиления фотопроводника равен единице. Тем не менее, несмотря на это ограничение, данный класс фотопроводников широко и успешно применялся в отображающих устройствах.

Запирающие контакты можно получить различными способами. Вероятно, наиболее известной структурой такого типа является р — м-переход, работающий в режиме обратного смещения (рис. 61, а). Тех же результатов можно добиться, используя металлические контакты, у которых катод имеет большую работу выхода (высокий потенциальный барьер), а анод — низкую (рис. 61, б). Тогда поступление электронов с катода и дырок — с анода становится исчезайте малым. Один из самых эффективных запирающих контактов представляет собой электролитический контакт (рис. 61, в) при отсутствии химических реакций на поверхностях электродов. Как видно из рисунка, электроны в этом случае связаны с отрицательными ионами и их энергия значительно меньше энергии, соответствующей зоне проводимости.

Аналогично дырки, связанные с положительными ионами, энергетически расположены много выше валентной зоны. Одной из «вариаций на тему» электролитического контакта является использование тлеющего разряда для нанесения на поверхность фотопроводника отрицательных или положительных ионов (рис. 61, г). Классическим примером могут служить сильно запирающие контакты на окиси цинка и на аморфном селене, используемые в установках типа «Электрофакс» и «Ксерокс», которые применяются преимущественно для копирования документов. Наконец, для получения запирающих контактов, по-видимому, можно использовать тонкие слои изолятора (рис. 61, д), однако в последнем случае возникают лишь переходные, а не стационарные фототоки.

Достоинством запирающих контактов по сравнению с рассмотренными ниже омическими контактами является то, что в первых чрезвычайно высокие изолирующие свойства (низкий темновой ток) сочетаются с быстрой реакцией на свет. Последняя определяется временем пролета носителей заряда между электродами.

↑ Чувствительность устройств с запирающими контактами

Фотопроводимость фотопроводника с запирающими контактами не превышает одного электронного заряда на поглощенный фотон. В типичном устройстве, показанном на рис. 62,

фотопроводник и расположенный вплотную к нему изолирующий электрооптический материал заключены между двумя электродами и образуют структуру типа «сандвич». В отсутствие светового сигнала поле в фотопроводнике и в электрооптическом слое примерно одинаково, а его величина подбирается таким образом, чтобы оно было ниже порогового значения, при котором электрооптический эффект становится значительным. Действие света на фотопроводник приводит к уменьшению поля в фотопроводнике и увеличению его в электрооптическом слое. Если толщины и диэлектрические проницаемости этих слоев сравнимы, то число фотонов, необходимое для почти полного переноса поля в электрооптический слой, определяется самой величиной исходного приложенного поля, а именно плотность исходного заряда (выраженная в электронах на 1 см²) равна

где К — диэлектрическая проницаемость, а E — электрическое поле (В/см). Фотографическая экспозиция (фотон/см²), достаточная для переноса поля, также определяется соотношением (8.1). Поскольку в электрооптических материалах обычно используются поля порядка 10⁶ В/см, то экспозиции составляют около 10¹³ фотон/см[/sup]2. Это примерно в 10³ раз больше, чем требуется для чувствительной фотографической пленки. Сама величина фотографической экспозиции примерно в 102 раз больше, чем было бы нужно, если бы квантовая эффективность фотопленки равнялась не 1%, как обычно, а 100%. Такая избыточная экспозиция дает определенные преимущества. Она позволяет — и не только в принципе, но и на практике — создавать отображающие устройства с весьма высоким разрешением, которые предназначены для голографических систем.

Очевидно, что более высокую чувствительность можно получить, уменьшая величину электрического поля. Необходимо либо уменьшить полное поле, приложенное к сандвичу, либо уменьшить долю этого поля, переносимую из фотопроводника в электрооптический слой. В любом случае электрооптический слой должен обладать способностью работать при существенно меньших полях или изменениях поля.

Устройства для копирования документов (рис. 63),

в которых используется либо аморфный селен («Ксерокс»), либо мелкозернистые порошки окиси цинка («Электрофакс»), работают при начальных значениях поля порядка 10[sup]5 В/см и при экспозициях, уменьшающих эти поля фактически до нуля. Эти экспозиции обычно составляют примерно 10¹² фотон/см². Некоторого улучшения чувствительности удалось достичь, используя лишь частичный разряд исходного заряда и применяя нулевой метод для проявления получающегося распределения заряда (рис. 64).
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Устройства на основе жидких кристаллов (рис. 65)

работают при полях порядка 10⁴ В/см и должны действовать при экспозициях примерно 10¹¹ фотон/см², то есть значительно меньших, чем экспозиции, необходимые для копировальных устройств.

Наибольшая чувствительность при использовании фотопроводников с запирающими контактами достигается в телевизионных передающих трубках типа видикон; в них поле, приложенное к фотопроводнику, лежит в пределах 10⁴—10⁵ В/см. Однако изменение поля, необходимое для передачи изображения хорошего качества, составляет всего лишь 10³ В/см, или примерно 1 В на слой толщиной 10 мкм. Хотя величина экспозиции 10¹⁰ фотон/см² сравнима с той, которая требуется при работе с чувствительными фотопленками, отношение сигнал/шум для передаваемой картины оказывается в несколько раз большим, чем для пленки, и соответствует квантовой эффективности около 10%. Сам процесс фотопроводимости обладает квантовой эффективностью, близкой к 100%. Однако определяющую роль здесь играет шум усилителя, который в несколько раз превышает шум, обусловленный флуктуациями потока фотонов.

К числу фотопроводников, которые с использованием запирающих контактов успешно применялись в видиконах, относятся окись свинца, аморфный селен, матрицы из кремниевых р—n-переходов при обратном смещении и в последнее время — селенид кадмия с тонким слоем изолятора, препятствующим прохождению электронов пучка, а фотопроводник, но пропускающим дырки, выходящие из слоя селенида кадмия. В настоящее время наиболее широкое распространение получила окись свинца. При использовании окиси свинца и аморфного селена поверхностные слои, на которые, воздействует считывающий пучок, должны содержать электронные ловушки, характеризующиеся глубокими уровнями; они захватывают электроны пучка и не дают им пройти внутрь слоя.

↑ Омические контакты

Фотопроводники с омическими контактами позволяют получить чрезвычайно высокие коэффициенты усиления тока или заряда. В результате поглощения одного фотона через фотопроводник проходит до 10⁶ электронов. Рис. 66 иллюстрирует природу омического контакта и принцип усиления в фотопроводнике.

В отличие от запирающего омический контакт представляет собой резервуар электронов, «готовых» по мере надобности войти в фотопроводник. В темноте ток электронов, выходящий из фотопроводника, равен числу электронов, деленному на время их пролета. Омический контакт замещает эти электроны с той же скоростью, с которой они уходят, так что их. концентрация в фотопроводнике поддерживается постоянной. Если, например, напряжение, приложенное к фотопроводнику, удваивается, то электроны покидают фотопроводник с вдвое большей скоростью, а омический контакт поставляет им на смену другие электроны также вдвое быстрее. Может возникнуть вопрос, почему омический контакт не поставляет больше электронов, чем требуется для поддержания омических токов. Почему электроны из резервуара, которым служит катод, не входят в объем фотопроводника и не создают в нем высокую проводимость?

На самом деле избыточные электроны начинают входить в фотопроводник, и именно они создают отрицательный заряд в фотопроводнике, который до этого был нейтральным. В любом материале заряд рассасывается за время релаксации, зависящее от проводимости:

где ? — проводимость (Ом-см)^-1, а К — диэлектрическая проницаемость материала. Если последний не соединен с каким-либо источником, создающим фиксированное напряжение, то пространственный заряд за время релаксации распределяется по поверхности материала таким образом, чтобы электрическое поле в его объеме равнялось нулю. Если материал соединен с помощью электродов с землей или батареей, то заряд выходит через эти электроды.

Следовательно, по мере того, как избыточный заряд входит в объем из катода, он рассасывается за время релаксации, выходя через электроды. Если время релаксации мало по сравнению с временем пролета, то заряд не успевает заметно проникнуть в пространство между электродами. Таким образом, омический контакт может поставлять точно столько электронов, сколько требуется для замещения тех, которые уходят из фото-проводника благодаря омическому току.

Рассмотренная выше модель описывает так называемую омическую область токов — область, где ток пропорционален напряжению.

Если теперь увеличивать напряжение настолько, что время пролета становится меньше времени релаксации, то избыточный заряд накапливается в объеме фотопроводника. Полная величина этого заряда Ме зависит от поля на аноде согласно соотношению [подобному (8.1)]

то есть N = 6*10⁵ К*E электрон/см².

Как и в выражении (8.1), эта величина представляет собой поверхностную плотность заряда, которая необходима, чтобы силовые линии, идущие с анода, были замкнуты. В этом режиме, когда катод поставляет в объем фотопроводника избыточный заряд, ток возрастает пропорционально квадрату напряжения, поскольку последнее одновременно уменьшает время пролета и увеличивает объемную концентрацию носителей заряда. Это так называемые токи, ограниченные пространственным зарядом.

Токи, ограниченные пространственным зарядом, отрицательно сказываются на работе фотопроводников. Обычно система конструируется таким образом, что в темноте фотопроводник обладает достаточными изолирующими свойствами; это обеспечивает накопление заряда в течение весьма значительного времени, часто порядка секунд. Действие света приводит к высвобождению заряда на освещенных участках, тогда как в темных участках заряд по-прежнему сохраняется. По этой причине фотопроводник, сопротивление которого было выбрано с учетом накопления заряда в темноте, нельзя использовать при высоких напряженностях поля, когда происходит переход в режим токов, ограниченных пространственным зарядом. При столь высоких напряженностях проводимость фотопроводника возрастает под действием приложенного поля, и тогда из-за утечек картина распределения заряда в темноте нарушается за слишком короткое время, вследствие чего нормальная работа устройства становится невозможной. Такое ограничение максимальной величины приложенного поля означает также ограничение максимальной величины коэффициента усиления фотопроводника.

Вернемся к рис. 66, где схематически показан механизм усиления в фотопроводнике. Электрон высвобождается фотоном с некоего неподвижного центра. Свободный электрон проходит к аноду, оставляя за собой положительный заряд. Последний нейтрализуется дополнительным электроном, поступающим из резервуара — катода. Этот электрон-«заместитель» также проходит к аноду, за ним следует другой электрон и т. д. Процесс продолжается до тех пор, пока один из свободных электронов не захватывается не-подвижным положительным центром.

Число прошедших зарядов в расчете на один фотон и дает нам коэффициент усиления фотопроводника

где ? — время жизни дополнительного электрона или, что то же самое, время жизни положительного центра,
Т — время пролета свободного электрона, равное

Согласно соотношению (8.3), максимальная величина поля, при котором еще не происходит перехода в режим токов, ограниченных пространственным зарядом, равна

где n — объемная концентрация свободных электронов в темноте. Комбинируя выражения (8.4), (8.5) и (8.6), получаем максимальный коэффициент усиления, который можно достигнуть, не переходя в режим токов, ограниченных пространственным зарядом,

Здесь ? является и временем жизни фотовозбужденного электрона, и временем, в течение которого фотопроводник реагирует на свет. Это означает, что в отсутствие мелких ловушек фототок достигает стационарной величины через ? секунд после начала освещения.

Введение мелких ловушек приводит к двум эффектам, о которых мы уже говорили в [см. (7.24)]. Мелкие ловушки увеличивают время «ответа» фотопроводника по сравнению с временем жизни фотоэлектрона

где n^захв — концентрация электронов, захваченных мелкими ловушками. Кроме того, наличие мелких ловушек приводит к увеличению предельного значения поля, которое можно использовать, не переходя в режим токов, ограниченных пространственным зарядом. В таком случае приложенное поле оказывается достаточным для того, чтобы удвоилась не только концентрация свободных электронов, но и концентрация захваченных электронов, находящихся в тепловом равновесии со свободными электронами.

Следовательно, при этих больших полях время пролета равно

Подставляя значения ? и Т из (8.8) и (8.9) в (8.4), получаем

Таким образом, максимальное усиление, достижимое до начала режима токов, ограниченных пространственным зарядом, равно отношению времени «ответа» фотопроводника к времени релаксации; подобный результат [см. (8.7)] мы получили и для материала без ловушек. При некотором специальном распределении ловушек можно добиться несколько больших значений коэффициента усиления, чем это дает соотношение (8.10). Мы вернемся к этому вопросу позднее, а пока при рассмотрении чувствительности отображающих устройств, использующих фотопроводники с омическими контактами, будем брать за основу выражение (8.10).

↑ Чувствительность устройств с омическими контактами

Рассмотрим несколько типичных устройств, в которых используются фотопроводящие слои с омическими контактами, и покажем, что их чувствительность в реальных условиях эксплуатации ограничена той же величиной, что и чувствительность фотопроводящих слоев с запирающими контактами. Чувствительность определяется здесь оптической экспозицией [измеренной в (фотон/см²)], необходимой для получения изображения. Как мы увидим, она зависит от величины электрического поля (или соответствующей его части), приложенного к фотопроводнику, точно так же, как и в случае запирающих контактов.

Простейшим примером служит фотопроводящий слой, используемый в телевизионных передающих трубках типа видикон. Этот слой должен удовлетворять двум требованиям. Первое: его изолирующие свойства должны быть таковы, чтобы обеспечивалось накопление заряда в течение времени, необходимого для развертки мишени считывающим пучком. При этом сохраняется суммарный заряд, накопленный под действием света в каждом элементе картины за время, равное периоду развертки. Второе требование состоит в том, что возбуждаемая светом фотопроводимость не должна сохраняться дольше, чем в течение периода развертки (1/30 с). В противном случае передающая трубка не выполняла бы свою задачу — давать 30 независимых изображений в 1 с, и изображения движущихся объектов были бы смазаны.

Эти два условия определяют параметры, фигурирующие в соотношении (8.10). Согласно первому из них, время релаксации ?_рел должно удовлетворять неравенству ?_рел ? 1/30 с. Согласно второму — время «ответа» фотопроводника не должно превышать 1/30 с, ?_рел ? 1/30 с. Комбинация этих двух условий накладывает ограничение на коэффициент усиления фотопроводника: G?1.Другими словами, использование фотопроводника с коэффициентом усиления, большим 1, дало бы времена «ответа», превышающие 1/30 с, и привело бы к смазыванию передаваемых изображений.

Правильность этих заключений полностью подтвердилась многочисленными безуспешными попытками использовать в видиконах фотопроводники с большим коэффициентом усиления. Единственным примером удачного использования фотопроводника с омическими контактами в видиконе служит видикон, в котором фоточувствительная мишень изготовлена из Sb₂S₃. Здесь рабочая чувствительность в лучшем случае соответствует коэффициенту усиления, равному 1. Оптическая экспозиция, требуемая для получения достаточно хорошего изображения, составляет порядка 10¹⁰ фотон/см², что соответствует изменению поля на 10³ В/см.

В устройствах другого типа сопротивление фотопроводника используется совместно с неким слоем или процессом, создающим изображение. Используя термин «сопротивление», мы хотим подчеркнуть его отличие от слоя, где происходит накопление заряда. Величина удельного сопротивления этого фотопроводника слишком мала для того, чтобы в течение оптической экспозиции в фотопроводнике происходило полное накопление заряда. За этот период «накапливается» лишь фотопроводящее состояние, то есть поддерживается более высокая проводимость, вызванная действием света.

Примером такого устройства служит усилитель света, состоящий из фотопроводящего слоя, включенного последовательно с электролюминесцентным слоем. К подобной комбинации прикладывается переменное напряжение. В темноте большая часть напряжения приходится на фотопроводник. При освещении же оно смещается на электролюминесцентный слой. Импеданс последнего имеет в основном емкостной характер. Другим примером является комбинация фотопроводящего слоя с включенным последовательно световым вентилем на основе жидкого кристалла, способность которого отражать или пропускать свет изменяется вследствие турбулентности, возникающей при прохождении по нему тока. И в качестве третьего примера можно привести фотографический процесс, в котором фотопроводящий слой включен последовательно с раствором, где происходит электролитическое осаждение К Свет, падающий на фотопроводник, вызывает ток, благодаря которому металлические ионы осаждаются на поверхности фотопроводника.

Как следует из приведенных примеров, для получения изображения с приемлемым контрастом оптическая экспозиция должна по крайней мере вдвое превышать темновой ток фотопроводника. В «линейном» устройстве, где световой выход пропорционален текущему через это устройство току, удвоение тока под действием света привело бы к контрасту между светлыми и темными областями, равному всего лишь 2:1. Для «нелинейного» устройства, в котором световой выход меняется пропорционально Iⁿ, удвоение тока дало бы контраст n: 1. Поскольку для получения хорошего качества изображения контраст обычно превышает 10:1, то этого вряд ли можно добиться при экспозициях, меньших той, которая вдвое превышает темновой ток. В подобном случае требуется такая нелинейность, при которой световой выход меняется пропорционально Iⁿ, где n » 10. Более того, переход в режим нелинейности должен происходить однородно по всей поверхности устройства с такой точностью, чтобы пороговые значения токов для различных частей поверхности отличались не более чем на 1/n. Хотя в принципе это возможно, однако ни в одном из многочисленных устройств для-получения изображений не удалось достигнуть таких больших значений n и такой в высшей степени однородной нелинейности.

Следовательно, в нашей оценке оптической экспозиции, требуемой для получения изображения, нам придется исходить из перекрытия темнового тока вдвое.

Мы начнем с предположения о том, что электрическое поле в фотопроводнике как раз достаточно для перехода в режим токов, ограниченных пространственным зарядом. При этом можно достичь наибольшего коэффициента усиления фотопроводника, не уменьшая его удельного сопротивления. Запишем далее соотношение, связывающее электрическое поле [см. (8.8) — (8.10)] с полным числом свободных и захваченных носителей:

где n и n_захв — объемные концентрации свободных и захваченных электронов соответственно, а N — их эквивалентная концентрация в слое фотопроводника толщиной L.

Соотношение (8.11) определяет также экспозицию (выраженную в [фотон/см²]), требуемую для превышения вдвое темнового тока, поскольку это число фотонов должно быть достаточным для того, чтобы удвоить концентрацию как свободных, так и захваченных электронов. Следовательно, здесь, как и в случае запирающих контактов, оптическая экспозиция определяется электрическим полем, приложенным к фотопроводнику. Оптическая экспозиция не зависит от усилительных свойств фотопроводника и не уменьшается при больших коэффициентах усиления.

Если бы поле, приложенное к фотопроводнику, было меньше того, которое требуется для перехода в режим токов, ограниченных пространственным зарядом, то оптическая экспозиция, необходимая для превышения темнового тока вдвое, не изменилась бы, однако коэффициент усиления фотопроводника, конечно, уменьшился бы. Поля, превышающие пороговые, мы исключаем из рассмотрения, поскольку, как мы предполагаем, удельное сопротивление фотопроводника выбрано таким образом, чтобы выполнялись условия, необходимые для работы устройства.

Обратимся теперь к третьей категории устройств, в которых фотопроводник, обладающий сравнительно высокими изолирующими свойствами, и изолирующий электрооптический материал образуют сандвич, заключенный между двумя электродами. В качестве электрооптических можно использовать материалы с зависящим от величины поля двойным лучепреломлением, сегнетоэлектрики, деформируемые слои некоторых органических веществ или другие модулирующие световой пучок материалы. Действие этих устройств основано на том, что в темноте поле в электрооптическом материале меньше его пороговой величины. При освещении поле в фотопроводнике уменьшается, а в электрооптическом материале возрастает. Здесь опять-таки очевидно, что оптическая экспозиция должна, по меньшей мере, вдвое перекрывать темновой ток. Пусть время оптической экспозиции равно t. Существенно, что в течение этого времени поле не должно уменьшаться в тех участках фотопроводника, которые соответствуют темным частям картины. Если время релаксации в темноте значительно превышает t, то действие света соответственно увеличивает темновую проводимость много больше, чем вдвое.

Оптимальные условия достигаются, по-видимому, при времени "релаксации в темноте, равном 2t. Тогда в освещенных областях релаксация происходит за время t или меньше. Величину минимальной оптической экспозиции можно оценить подобно тому, как мм ЭТО делали при рассмотрении устройств, чувствительных к току. Экспозиция опять определяется соотношением (8.11) и имеет ту же величину, что и для фотопроводника с запирающими контактами.

Следует отметить, что в рассматриваемом устройстве, где фотопроводник вплотную примыкает к слою изолирующего материала, на максимально достижимый коэффициент усиления фотопроводника накладывается дополнительное ограничение. Напомним, что в обычном процессе усиления дополнительные, то есть фотовозбужденные, электроны, которые проходят через фотопроводник, абсорбируются на аноде. Следовательно, действие света заключается в увеличении тока через фотопроводник благодаря увеличению проводимости при постоянном поле. Этот возросший ток существует в течение времени жизни фотоносителей и переносит дополнительный заряд. Отношение числа дополнительных зарядов к числу фотонов есть коэффициент усиления фотопроводника (G = ?/T).

Если дополнительные электроны не абсорбируются на аноде, а остаются на анодной поверхности фотопроводника, то они постепенно уменьшают поле в фотопроводнике и в итоге сводят на нет процесс усиления.

Рассмотрим предельный случай, изображенный на рис. 67, а,

когда анодная поверхность фотопроводника изолирована, а ее емкость по отношению к аноду исчезающе мала. Пусть на фотопроводник падает импульс света, который увеличивает концентрацию электронов на 10%. Предполагается, что фотопроводник работает на пороге перехода в режим токов, ограниченных пространственным зарядом, когда время пролета и диэлектрической релаксации в материале без ловушек одинаково. Следовательно, по прошествии времени, равного времени пролета, поле уменьшается на 10% сильнее, чем это было бы в отсутствие света. Это добавочное уменьшение обусловлено оставшимися на анодной поверхности дополнительными электронами, создающими поле, силовые линии которого заканчиваются на катоде. В результате через время, равное времени пролета, дополнительный ток, созданный импульсом света, исчезает, поскольку 10%-ное увеличение проводимости компенсируется 10%-ным уменьшением поля. В данном случае коэффициент усиления фотопроводника равен 1.

В устройстве, изображенном на рис. 67, б, емкость анодной поверхности фотопроводника относительно анода в 10 раз выше, чем относительно катода. В этих условиях для 10%-ного уменьшения поля, которое миг рассматривали в случае рис. 67, а, требуется в 10 раз больший заряд. Следовательно, дополнительный ток, вызванный импульсом света, будет существовать в течение времени, в 10 раз превышающего время пролета, и коэффициент усиления достигает 10.

Таким образом, максимально возможный коэффициент усиления фотопроводника (см. рис. 67) равен

Соммерс и Мелз дали более строгое обоснование этому соотношению. Заметим, что даже если коэффициент усиления превышает 1, требуемая экспозиция по-прежнему определяется приложенным полем.

↑ Специальные устройства

Выше мы показали, что для обычных фотопроводников с омическими контактами необходима такая же оптическая экспозиция, как и для фотопроводника с запирающими контактами. Под «обычным» мы понимаем фотопроводник, максимальный коэффициент усиления которого определяется соотношением (8.10):?

G = ?_отв/?_рел. Это выражение справедливо для материала, в котором мелкие ловушки расположены на уровнях, лежащих на уровне Ферми или выше него, и, кроме того, в материале имеются глубокие уровни, находящиеся ниже уровня Ферми, с которых происходит фотовозбуждение электронов. Если состояния, с которых происходит возбуждение электронов, расположены на уровне Ферми и если их концентрация в М раз превышает концентрацию мелких ловушек, находящихся выше уровня Ферми в пределах энергетического интервала kТ, то можно показать, что соотношение (8.10) принимает вид

Иными словами, характеристики устройства улучшаются в М раз, и соответственно оптические экспозиции, которые, как мы вычислили, необходимы для фотопроводников с омическими контактами, уменьшаются в М раз.

Не занимаясь выводом соотношения (8.13), мы лишь укажем, что распределение ловушек, обеспечивающее М > 1, возможно только в весьма чистых материалах, таких, как германий и кремний. Реальный путь к получению М > 1 дает использование фототранзистора, изготовленного из германия или кремния, энергетическая схема которого показана на рис. 68. Величина М в этом случае порядка е(VV₀)^?/kT (потенциалы V и V₀ указаны на рисунке).

Еще одну специфическую возможность увеличения чувствительности этих устройств сверх значений, определяемых номинальным коэффициентом усиления фотопроводника, равным 1, дает процесс считывания электронным пучком в видиконе. Обычно при сканировании мишеней электронный пучок нейтрализует накопленный положительный заряд путем осаждения электронов пучка на сканируемой поверхности, и последняя обрабатывается таким образом, чтобы обеспечить это осаждение. Сканируемую поверхность можно обработать так (рис. 69),

чтобы на каждый электрон, осажденный на поверхности, через нее к сигнальной пластине проходило несколько электронов. Число этих электронов определяет дополнительное усиление, благодаря которому увеличивается чувствительность устройства. Такая обработка поверхности— дело весьма тонкое, поскольку она должна обеспечить высокие коэффициенты усиления и гарантировать высокую степень однородности поверхности, требуемую для получения изображений ^хорошего качества. Таким путем удалось добиться некоторого увеличения коэффициентов усиления.

↑ Нулевые системы

В настоящей главе мы рассматривали в основном системы, светомодулирующие свойства которых зависят от полного поля или напряжения, приложенного к фотоприемнику. Оптические экспозиции, необходимые для этих систем, порядка 6*10⁵ К*E фотон/см². При величине поля около 10⁵ В/см экспозиция равна 10^12[sup] фотон/см², что примерно в 10[sup]4 раз больше, чем требуется для получения «хорошей», не искаженной шумами картины с помощью устройства, работа которого ограничена фотонным шумом. Экспозиции в последнем случае соответствовали бы полям всего лишь в 10 В/см; такие поля слишком малы, чтобы обеспечить перенос фотоносителей через фоточувствительный слой.

Таким образом, возникает довольно сложная ситуация: с одной стороны, для переноса фотоносителей требуются сильные поля, а с другой — для обеспечения высокой чувствительности системы отображения необходимы слабые поля. Компромисс был найден с помощью, так называемых нулевых систем. Выше мы бегло упоминали одну из них, в которой электрод, находящийся вблизи электрофотографического слоя, имеет тот же потенциал, что и поверхность фотопроводника. Тогда даже малые изменения поверхностного потенциала фотопроводника влияют на осаждение проявляющего порошка. Еще одним примером нулевой системы служит сканирующий пучок медленных электронов в видиконе. Он реагирует на малые изменения большой разности потенциалов, приложенной к мишени.

Созданное светом на поверхности заряженного фотопроводящего изолятора распределение заряда содержит всю информацию, заключенную в падающем пучке фотонов. В будущем, по-видимому, удастся разработать нулевые системы, которые позволят эффективно считывать эту информацию при малых экспозициях, соответствующих пределу зрительной чувствительности.

Даже сейчас, сканируя поверхность с помощью зонда, вход которого представляет собой изолированный затвор МОП-триода, можно в принципе считывать распределения зарядов вплоть до отдельных электронов. Это процесс, обратный уже рассмотренному процессу, при котором распределение зарядов смещалось относительно МОП-зонда.

Оптическая экспозиция, требуемая для отображающего устройства, основанного на явлении фотопроводимости, как правило, одинакова как для фотопроводников с омическими контактами и высокими коэффициентами усиления, так и для фотопроводников с запирающими контактами и коэффициентом усиления, равным 1. Обычно экспозиция равна 6*10⁵ K*E фотон/см², где E— электрическое поле, приложенное к фотопроводнику. Если в светомодулирующий слой достаточно перевести лишь часть приложенного к фотопроводнику поля, то экспозиция пропорционально уменьшается. Это удается осуществить с помощью различных нулевых систем.

При наличии некоторого специального распределения ловушек в фотопроводнике с омическими контактами в принципе можно использовать меньшие экспозиции, чем в фотопроводнике с запирающими контактами.

При обычных полях (10⁵ В/см) оптическая экспозиция составляет 10¹² фотон/см², то есть сравнима с той, которая требуется для работы с чрезвычайно мелкозернистыми малочувствительными фотоэмульсиями.

-----

Статья из книги: Зрение человека и электронное зрение А.Роуз 1977
.