Публикации автора

Рассмотрены вопросы оценки вероятности безотказной работы матричных фотоприемных устройств (МФПУ) через такие измеряемые параметры, как удельная обнаружительная способность, ограниченные шумом мощность (NEP) и облученность (NEI). Показано, что технические требования к МФПУ позволяют однозначно оценивать вероятность безотказной их работы.

Представлен метод расчета и доказано, что фоновая облученность в заданной точке матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ), расположенной в холодном экране с диафрагмой произвольной формы, равна фоновой облученности от плоского источника, расположенного в плоскости холодной диафрагмы, имеющего распределение температуры по площади диафрагмы, определяемое проекцией источника фоновой облученности сквозь диафрагму в заданную точку МФЧЭ. Показано, что фоновая облученность в заданной точке МФЧЭ прямо пропорциональна интегралу по площади диафрагмы, содержащему координаты заданной точки, или коэффициенту пропускания диафрагмы.

Разработан метод расчета фотоэлектрических параметров ИК матричного фотоприемного устройства (МФПУ) на основе фотодиодов, работающих в режиме накопления, с использованием характеристик, экспериментально измеряемых на фоточувствительных сборках МФЧЭ—мультиплексор. В качестве исходных характеристик фоточувствительных элементов (ФЧЭ) использованы размеры ax, by, темновой ток Id, накопительная емкость Cac, квантовая эффективность п, спектральный диапазон чувствительности λ1, λ2, напряжение перезарядки емкости накопления Е0. Выведены аналитические выражения для расчета максимального времени накопления τmax, токовой чувствительности Si, ограниченной шумом облученности (NEI) и мощности (NEP), удельной обнаружительной способности D*, динамического диапазона и ограниченной шумом разности температур (NETD). Из выведенных аналитических выражений можно строить зависимости указанных параметров от измеряемых характеристик и температуры внешней среды.

.. Предложена оптимальная холодная диафрагма для инфракрасного матричного фото-приемного устройства (ИК МФПУ), не пропускающая паразитное фоновое излучение на матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Показано, что предложенная диафрагма улучшает отношение сигнал/шум и однородность его по площади МФЧЭ. Проведено сравнение фотоэлектрических параметров МФПУ с оптимальной диафрагмой и МФПУ с диафрагмами стандартного типа, согласованными с выходным зрачком одного объектива по разным критериям. Показаны преимущества МФПУ с оптимальной диафрагмой. Учтено влияние паразитного фонового излучения и шума мультиплексора на фотоэлектрические параметры приемников.

Представлено теоретическое исследование фоновых облученностей матрицы фоточув-ствительных элементов (МФЧЭ) с тремя типами холодных диафрагм, необходимое при разработке матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Первые два типа являются стандартными, а третий — предлагается автором. Показано, что фоновая облученность имеет полезную и паразитную компоненты. Полезная компонента определяет величину сигнала, а сумма полезной и паразитной компонент вместе с темновым током ФЧЭ — величину шума конкретного устройства. Определение их величин необходимо для оценки фотоэлектрических параметров МФПУ. Проведен сравнительный анализ этих компонент фоновой облученности для указанных типов диафрагм.

Исследованы зависимости шума и сигнала ИК МФПУ на основе фотодиодов из антимонида индия от температуры фона и времени накопления сигнала. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с расчетом фотоэлектрических параметров ИК МФПУ. Теоретические зависимости рассчитаны с использованием следующих характеристик ИК МФПУ: размеров ФЧЭ и фоточувствительного поля, спектрального диапазона чувствительности, геометрических размеров холодной диафрагмы, темнового тока и квантовой эффективности ФЧЭ. Экспериментальные и расчетные зависимости показали соответствие друг другу при значениях квантового выхода η = 0,46, и суммарного шума мультиплексора и измерительной системы 0,26 мВ, что хорошо согласуется с технологическими, конструктивными и схемотехническими характеристиками МФПУ.

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.

Проведен анализ матричных фотоприемных устройств формата 320х256 элементов на основе гетероэпитаксиальных структур AlxGa1-xN (ГЭС InGaAs) с p─i─n-фотодиодами, работающих в режиме лавинного усиления. Гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) с фоточувствительным слоем InGaAs i-типа проводимости выращивались методами мосгидридной эпитаксии (МОСГЭ) на подложках InP. Качество p─i─n-фотодиодов, работающих в режиме лавинного усиления, оценивалось по измерению вольт-амперных характеристик. Лавинное усиление начиналось при напряжениях минус 15 В, определен коэффициент лавинного усиления для архитектуры прибора с общей областью поглощения и усиления.

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.

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.

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.

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.