книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы
.pdf1.3 ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 31
сотен миллионов раз. Сравните пары: фотодиод и лавинный фотодиод, фото элемент и фотоэлектронный умножитель.
Следующим назовем ЭОП — электронно-оптический преобразователь оп тического изображения малой яркости (в том числе инфракрасного) тоже в изображение, но видимое и большей яркости. В ЭОП также есть фотокатод, эмитирующий электроны при проецировании на него изображения, и анод. Ос новных особенностей ЭОП две. В камере ЭОП создается специальное поле, которое сильно ускоряет и переносит электроны на анод, не перемешивая их, так что электроны из каждой точки фотокатода попадают на свою точку анода. И вторая особенность: анодом является люминесцентный экран. Понятно, что он и создает видимое изображение при бомбардировке его фотоэлектронами, разогнанными в сильном электрическом поле.
Интересно специальное применение в физике приборов типа ЭОП. Это изу чение быстропротекающих процессов — регистрация очень коротких импуль сов излучения, даже фемтосекундной длительности. Фотоэмиссия электронов практически безынерционна, успевает отслеживать такие короткие импульсы. Применяя развертку по принципу электроннолучевой трубки, осуществляют преобразование время — координата: эмитируемые в разное время электроны попадают в разные точки люминесцентного экрана.
Но, конечно, ЭОП разрабатывался и используется прежде всего для при боров ночного видения. Строго говоря, он не является прямым вакуумным аналогом твердотельных матриц. Ведь согласно определению раздела 1.1 фоточувствительные приборы твердотельной фотоэлектроники преобразуют опти ческие сигналы в электрические, а ЭОП осуществляет преобразование падаю щего оптического излучения не в электрический сигнал, а снова в оптическое излучение. Но нельзя было не сказать об ЭОП — этом главном конкуренте твердотельных матриц в приборах ночного видения. Отметим, что есть и пря мой твердотельный аналог ЭОП. Ячейка такого преобразователя содержит ИКфотодиод, фототоком которого управляется светодиод, генерирующий видимое излучение. Наличие светодиода дает основание отнести такой преобразователь к приборам квантовой электроники.
Прямыми вакуумными аналогами твердотельных матриц являются пере дающие электронно-лучевые (телевизионные) трубки, преобразующие оптиче ское изображение в электрический видеосигнал. К их основным узлам отно сится, во-первых, облучаемая мишень. Это фактически конденсатор, точнее, набор микроконденсаторов, так как одна из обкладок мозаична. Число элемен тов мозаики можно считать числом элементов разложения (или эта обклад ка сплошная, но имеет большое продольное сопротивление, что препятствует продольному растеканию зарядов и локализует их). Второй основной узел — это электронно-лучевая пушка со строчно-кадровой разверткой луча по мише ни. Первое сканирование лучом заряжает все элементы (микроконденсаторы) мишени. Затем при проецировании изображения (экспозиции) микроконден саторы разряжаются пропорционально интенсивности и времени облучения.
32 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1
Второе сканирование лучом (как и все последующие) последовательно дозаряжает микроконденсаторы. Ток дозарядки электронного луча пушки и является видеосигналом.
Обратите внимание! И твердотельная смотрящая матрица, и мишень элек тронно-лучевой трубки построены на микроконденсаторах. В идеале это поз воляет осуществить принцип накопления фотозарядов, почти на сто процентов использовать падающие фотоны за время всего кадра (в обоих приборах ин формация о накопленном заряде передается на выход при кратковременном опросе). Важнейший критерий качества реальных приборов — насколько уда лось приблизиться к этому идеалу.
Почти за сто лет развития было создано много поколений электроваку умных фотоприборов. Так, фотоэлемент наполняли газом и получали усиле ние за счет ионизации газа. В ФЭУ стали применять распределенные диноды, например, в виде длинной трубки, внутри которых создается сильное поле. Первичные фотоэлектроны при пролете внутри такой трубки ускоряются и раз множаются, многократно ударяясь о ее стенки.
Созданы пластины, пронизанные подобными микроканалами, а на их основе многоэлементные ФЭУ с анодами в виде полос, квадрантов.
Среди различных поколений ЭОП отметим два. Это модульные плоские ЭОП: на входе и выходе ставят волоконно-оптические пластины, обеспечивая плоскостность входа и выхода. Кроме прочих преимуществ это дает возмож ность оптически состыковать два-три модуля и получить большое усиление яркости, распознавать объекты при низких уровнях освещенности. Другой тип тоже плоского ЭОП — это фактически его «скрещивание» с ФЭУ: между като дом и люминесцентным экраном-анодом располагается микроканальная пласти на (принципы размножения электронов в таких пластинах и распределенных динодах ФЭУ аналогичны). Она (микроканальная пластина) примерно на три порядка умножает электронный поток от каждого элемента экрана.
Полностью изменился и облик передающей трубки. В пераой простейшей конструкции — иконоскопе — чувствительность была мала, непосредственное проецирование оптического изображения на мишень слабо меняло распреде ление зарядов на микроконденсаторах мишени. Следующая конструкция — супериконоскоп. Приставка «супер» свидетельствует о «скрещивании» труб ки с ЭОП, точнее, с камерой ЭОП, предварительно преобразующей оптическое изображение в электронное. При описании конструкции и принципа работы супериконоскопа можно также отталкиваться не от передающей трубки, а от ЭОП. Берем ЭОП, заменяем в нем люминесцентный экран мишенью (с элек тронной пушкой и системами развертки). Так как мишень облучается высокоэнергетичными электронами, а не фотонами, то чувствительность трубки увеличивается на порядок.
Следующий шаг по увеличению чувствительности был сде^ан в суперортиконе: к этой трубке «привили» еще и ФЭУ Точнее, ввели диноды, дополнитель но (еще порядка на три) усилившие электронный ток пушки. Если в супери-
1.3 |
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ |
33 |
коноскопе усиление обеспечивалось до мишени (вместо фотонов мишень об лучалась высокоэнергетичными электронами), то в суперортиконе добавилось усиление после мишени: электронный ток луча дозарядки мишени усиливает ся динодами. Кроме того, по своей конструкции суперортикон стал впервые соответствовать своему названию «трубки» — он действительно похож на ци линдрическую трубу. Конструкции иконоскопа и супериконоскопа были далеки от совершенства: и облучение, и опрос электронным лучом проводился с одной стороны мозаичной мишени, так что электронная пушка «торчала» как инород ный боковой отросток. Для суперортикона удалось разработать специальную тонкопленочную стеклянную мишень, которую простреливали насквозь элек троны изображения. Это позволило облучать ее с одной стороны, а зарядовый рельеф получить на другой стороне. Поэтому, естественно, электронную пушку для считывания можно было тоже расположить с обратной стороны мишени.
Всовременных телевизионных трубках используется внутренний эффект: энергия внутренних переходов существенно ниже, чем работа выхода электрона
ввакуум, что и обусловливает высокую чувствительность трубок с внутренним эффектом. Первой такой трубкой стал известный всем видикон (менее известны синонимы этого термина: статикон, резистрон, люминикон). Видикон является по существу гибридом вакуумной трубки с твердотельным полупроводниковым прибором. Если в простейшей трубке — иконоскопе — заменить диэлектрик мишени на полупроводник, то такая трубка фактически превратится в видикон. Мишень можно рассматривать как твердотельную матрицу: при ее освещении сопротивление полупроводника падает, и микроконденсаторы разряжаются.
Вплюмбиконе мишень представляет собой сплошную р-л-структуру, что повысило быстродействие. Очень малая толщина верхнего p-слоя обкладки пре пятствует поверхностному растеканию зарядов (зарядовый рельеф локализован
всоответствии с падающим изображением). В кремниконе перешли на мозаику изолированных ФД, что практически устраняет межэлементную взаимосвязь.
Телевизионные трубки с внутренним фотоэффектом также «скрещивают» с ЭОП. Как и в первых поколениях трубок, люминесцентный экран ЭОП заме щается мишенью, но уже полупроводниковой. Высокоэнергетичные электроны, подобно фотонам, вызывают внутренние переходы, но с большим квантовым выходом (один падающий электрон генерирует десятки-сотни носителей заря да). Поэтому и перезарядка микроконденсаторов мишени, и, соответственно, чувствительность трубки возрастают. Это эйбиконы, иконы, проксиконы.
Симбиоз полупроводниковых (твердотельных) приборов возможен и с дру гими электронно-вакуумными приборами. Так, ЭОП «скрещивают» с ПЗС, по лучая телевизионную трубку, в которой электронно-лучевая развертка замене на внутренним сканированием в ПЗС. «Скрещивая» видикон с пироэлектриче ской матрицей (мишенью), получают пировидикон, чувствительный к инфра красному излучению.
Как видим, определение «класс электровакуумных фоточувствительных приборов» в общем случае уже не содержит отличительного признака «на осно-
2 - 747
34 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1
ве внешнего фотоэффекта». Ведь собственно преобразование излучения в видиконах, пировидиконах происходит в твердом теле за счет внутреннего фотоэф фекта либо пироэффекта, а электронному лучу остается функция считывания. А в ЭОП с ПЗС полупроводниковой ПЗС-структуре поручены фактически уси ление изображения и развертка. Так что не только ради общих представлений в нашей книге рассмотрены электровакуумные фоточувствительные приборы — специалисты по твердотельной фотоэлектронике самым непосредственным об разом соучаствуют в их разработке.
В электровакуумных фотоприборах достигнут высокий уровень параметров. Это регистрация предельно малых оптических сигналов на уровне единичных фотоэлектронов (ФЭУ), это высокое разрешение (ЭОП, видикон, эйбикон). Но всем известны и недостатки электровакуумных приборов как класса: это слож ные вакуумные стеклянные и металлостеклянные конструкции, ограниченный срок службы катодов, мишеней и анодов из-за эмиссии и их бомбардиров ки электронами, высокие напряжения питания. И недостатки их как фоточувствительных приборов: ослепление (вплоть до выхода из строя), ограни чение спектральной чувствительности близким ИК-диапазоном (при внешнем фотоэффекте). И, безусловно, большие весогабаритные характеристики — они несопоставимы с возможностями интеграции современной субмикронной полу проводниковой технологии. Все это свидетельствует в пользу твердотельной фотоэлектроники.
1.3.4. Фотоэлектроника и микроэлектроника. Основа почти всех при боров твердотельной микроэлектроники и фотоэлектроники - это полупровод ник или полупроводниковые структуры с р-я-переходами, диэлектрическими и проводящими слоями. Одинаков ряд физических процессов в этих приборах — инжекция, перенос носителей заряда, их флуктуации. Идентичны базовые тех нологические процессы: термические процессы, ионное легирование, эпитак сия, нанесение диэлектрических и проводящих покрытий, фотолитография и так далее и так далее. Часто идентично технологическое оборудование.
Но можно отметить и существенные отличия, которые позволяют выделить фотоэлектронику как самостоятельную дисциплину, как самостоятельную от расль.
Материалы. Современную микроэлектронику с полным правом называют кремниевой. Кремний — подарок природы, позволяющий получать совершен ный собственный окисел Si02. Единственное ограничение кремния в микро электронике — он неоптимален для СВЧ-приборов, сверхбыстродействующих цифровых микросхем. Здесь требуются материалы с высокой подвижностью (GaAs, твердый раствор германия с кремнием и другие). Но в огромной номен клатуре микроэлектроники такие материалы пока скорее исключение, только подтверждающее общее «кремниевое» правило.
В фотоэлектронике также большой удельный вес по объему выпуска за нимают кремниевые фотоприемники. Но, увы, возможности кремния в фото-
1.3 |
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ |
35 |
электронике ограничены — ширина запрещенной зоны ограничивает справа область собственного поглощения длиной волны ~ 1,1 мкм. Конечно, кремний можно «очувствить» к более длинноволновому излучению: для этого созда ют специальные Шоттки-барьеры, вводят мелкую примесь (см. раздел 1.З.). Но магистральная линия разработки фотоприемников на инфракрасный (ИК) диапазон — это применение узкозонных материалов, а на ультрафиолетовый (УФ) диапазон соответственно широкозонных. Металлургия, технология слож ных двойных, тройных и четверных соединений прежде всего обязана своим существованием фотоэлектронике и квантовой электронике (светодиодам и по лупроводниковым лазерам). Освоение нового спектрального диапазона — это прежде всего разработка нового материала. И даже кремний для высокоча стотных фотодиодов разрабатывался специальный — высокоомный с удельным сопротивлением ~ 10 кОм.
Технология. Использование в микроэлектронике одного базового матери ала — кремния — позволило создать унифицированные базовые технологии, прежде всего К-МОП-технологию, на их основе организовать крупносерийный выпуск интегральных микросхем, что является основной задачей микроэлек троники.
Как известно, указанная технология позволяет изготавливать так называе мые комплементарные пары полевых транзисторов с изолированным затвором, то есть с МОП-структурой (структурой металл-окисел-полупроводник). Ком плементарные — это значит, что транзисторы в такой паре изготавливают на подложке разного типа проводимости(для чего формируют специальные карма ны). Это позволяет включить такие транзисторы последовательно и обеспечить низкое потребление схемы По аббревиатуре пары транзисторов — К-МОП — получила название и сама технология.
Совершенно иная ситуация в фотоэлектронике. Разработка фотоприемников для разных спектральных диапазонов требует различных материалов, а каждый материал — это новая технология, это поиск примесей, способов обработки, режимов всех процессов, и так далее и так далее. Для фотоприемников потре бовалась и разработка ряда специальных процессов. К ним относятся создание просветляющих покрытий для облучаемой поверхности, отражающих покрытий для тыльных поверхностей, способов соединения кристаллов — кремниевого с электроникой и узкозонного с фоточувствительными элементами (см. раздел 1.3.6, тройные соединения).
Проектирование полупроводниковой структуры. Высокая унификация технологий интегральных микросхем в свою очередь позволила достичь в ря де случаев высокой автоматизации проектирования, прежде всего, цифровых микросхем. Образно говоря, на вход (в компьютер) можно заложить принци пиальную электрическую схему (или даже блок-схему), а на выходе получить технологическую документацию и фотошаблоны (можно даже сказать — инте гральную микросхему, если есть автоматизированная технологическая линия).
2*
36 |
ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ |
Гл. 1 |
Принципы разработки фоточувствительных приборов совершенно иные. Выше мы говорили об идентичности физических процессов инжекции, пе
реноса носителей заряда в приборах фото- и микроэлектроники. Но очевидна и специфика физических процессов в фотоприемниках — это взаимодействие излучения с веществом. Законы этого взаимодействия, целевая функция — оп тимально преобразовать оптические сигналы в электрические — диктуют свою методологию проектирования, приводят к структуре фоточувствительного при бора, качественно отличной от приборов микроэлектроники. Практически все гда обязателен расчет и минимизация шумов фотоприемников.
Технический облик изделий. Конструкция. В микросхемах унифицируется все — от материала до корпуса. Конструкции фотоприемников и фотоприемных устройств, особенно инфракрасных, сложны и разнообразны. Если микросхе ма — это комплектующее изделие, то фотоприемник, фотоприемное устройство зачастую являются узлами, составными частями оптико-электронной системы. Они включают в свой состав оптические окна и фильтры (например, германи евые, кремниевые), светосборники, согласующие отрезки волокон, апертурные диафрагмы. Необходимость точной установки и юстировки фоточувствитель ных слоев относительно оптических осей обусловливают высокие требования к точности изготовления корпусных деталей (до 10 ч-50 мкм). Конструкции кор пусов, оптических и электронных узлов, криогенных систем требуют от разра ботчика не меньше усилий, чем собственно фоточувствительный слой. Поэтому разработку сложных ФПУ можно отнести к системотехнике.
Конечно, можно назвать ряд приборов твердотельной электроники, техни ческий облик которых далек от наших привычных представлений о микросхе ме. Это СВЧ-приборы, приборы силовой электроники (мощные тиристоры, вы прямители). Конечно, ряд фоточувствительных микросхем (фото-ПЗС, модули для приема сигналов от пультов дистанционного управления) внешне отлича ются от привычной микросхемы разве что наличием окна и также освоены в массовом производстве. Но для большей части номенклатуры можно сказать так: микроэлектроника — это высокая степень унификации и преобладание крупносерийного производства, а фотоэлектроника — это индивидуальная раз работка фотоприемников под конкретные типы оптико-электронных систем и преобладание мелкосерийного производства. Образно говоря, в первом случае «фабричный» пошив, а во втором — «ателье».
1.4 |
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ |
37 |
1.4. |
Страницы истории |
|
Где |
искать начала фотоэлектроники? Нередко называют |
1800 год, Герше- |
ля, открытие им инфракрасных лучей. Но если следовать такой логике, то справедливее те, которые обращаются сразу к Библии:
«И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы» [Быт. 1 , 2].
Из книги Бытия следует, что электромагнитное излучение оптического диа пазона — фундамент фотоэлектроники — было не просто открыто, а создано самим Богом. И создано сразу же в первый день сотворения мира, в то время как Адам и Ева — прародители будущих специалистов по фотоэлектронике — были сотворены только на шестой день. Поражает также однозначная и удиви тельно точная экспертная оценка Богом своего творения: Бог увидел, что «он (свет) хорош».
А если серьезно, начало твердотельной фотоэлектроники — как следует из данного ей определения — это, конечно, изобретение фотоэлектрических при емников излучения. И при всей значимости достижения Гершеля его никак нельзя считать отцом фотоэлектроники: хотя Гершель первым в подобных опы тах пользовался датчиком (приемником) излучения — термометром, но этот прибор не является фотоэлектрическим, не преобразует оптический сигнал в электрический.
Начало фотоэлектроники — это не одна, а две даты, разделенные между собой половиной века.
Так, некоторые историки считают датой рождения фотоэлектроники 1821 год, когда Зеебек впервые наблюдал термоэлектрический эффект — воз никновение электродвижущей силы в электрической цепи из последовательно соединенных разных материалов, если один из контактов поддерживать при более высокой температуре. Очевидно, что Зеебек изготовил прототип тепло вого приемника излучения — термопару. Однако необходимо было повысить ее чувствительность. Сначала Нобили соединяет последовательно несколько тер мопар в термостолбик, а затем подбирает эффективные материалы — висмут и сурьму (1830 г.). В 1834 году Меллони использовал подобную термопару для регистрации теплового излучения.
Другой тепловой приемник — болометр был впервые изготовлен в 1857 го ду Сванбергом. Известность получили опыты Ланглея (1881 г.): с помощью болометра и собирающего зеркала он зарегистрировал на значительном рас стоянии собственное тепловое излучение коровы! Вероятно, это был прообраз первой тепловой системы обнаружения. Благодаря этим впечатляющим опытам появление болометров часто связывают с именем Ланглея. Но все же Ланглей не стал таким же знаменитым, как Маркони и Попов, которые пятнадцать лет спустя провели подобные опыты по дистанционному приему электромагнитного излучения, но не оптического, а радиодиапазона. Тогда время широкого приме
38 ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ Гл. 1
нения ИК-техники и фотоэлектроники в целом еще не пришло. Но сегодня мы отдаем дань уважения авторам этапных достижений в этой области.
В 1873 году английский техник Смит, исследуя электрические свойства селена, неожиданно для себя обнаружил зависимость его сопротивления от света. Так был открыт внутренний фотоэффект — на пятнадцать лет раньше открытия А. Г Столетовым внешнего фотоэффекта (1888 г.), так был получен фактически первый квантовый фотоприемник. Квантовые фотоприемники сего дня являются доминирующими, что дает основание ряду авторов именно Смита считать отцом фотоэлектроники (что во всяком случае верно для квантовой фо тоэлектроники). Вот почему мы указываем две даты рождения твердотельной фотоэлектроники: 1821 год — это начало разработок тепловых, а 1873 год — квантовых приемников оптического излучения.
Историю фотоэлектроники можно условно разбить на два этапа. Первый этап — от названных открытий до сороковых годов XX века. На этом этапе наука и техника еще не были готовы к широкому использованию фотоприемни ков. Нужно было состояться и собственно электронике — сначала вакуумной, потом радиотехнике. Первый этап был в основном этапом лабораторных ис следований и применений. Одним из важных направлений физики XIX века было исследование законов излучения тел. И термопара, и болометр пришли на смену термометру в таких экспериментальных исследованиях. Работы Сте фана, Больцмана, Кирхгофа, Вина, Релея, Джинса и многих других ученых увенчались открытием Планком в 1900 году закона излучения черного тела, основанном на принципиально новой идее квантования энергии. Так что можно сказать, что фотоэлектронные приборы (термопара, болометр) являлись участ никами революции в физике — рождении квантовой физики.
Не осталось незамеченным и открытие Смита. Уже в 1884 году Нипков предлагает идею механического телевидения: разложение изображения должно было осуществляться вращением диска со специальным расположением отвер стий на его краю; каждое отверстие последовательно сканирует свою строку. Этот диск известен специалистам как «диск Нипкова», но мало кому известно, что изобретатель предложил использовать в качестве фотоприемника селено вый фоторезистор.
Фоточувствительности селена и других материалов посвящали свои рабо ты многие исследователи и в первые десятилетия XX века. Ветераны фото электроники и сегодня помнят также о работах по таллофиду (Кейз, 1917 г.). Таллофидные приемники излучения применялись в системах связи, принятых на вооружение германской армией в 1935 году Но самым значительным до стижением этих лет следует признать работы по сульфиду свинца — PbS. В 1904 году Бозе впервые наблюдал фотоэффект в этом материале (в природных поликристаллах галенита), в 1933 году Кутчер определил инфракрасную грани цу его чувствительности ~ 3 мкм. Всего в рассматриваемый период исследова тельских и прикладных работ по фоточувствительным материалам и приборам
1.4 |
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ |
39 |
было опубликовано несколько тысяч: все понимали большие потенциальные возможности направления, которое мы сегодня называем фотоэлектроникой.
И эти возможности начинали реализовываться. Появляется мощный ин струмент для физиков — спектральный анализ. Известны применения фото приемников в кинофототехнике тридцатых годов. Было ясно огромное значение фотоприемников для военной техники. Еще в первые два десятилетия XX века были выданы многочисленные патенты на инфракрасные системы обнаруже ния морских и воздушных целей, наведения на эти цели и их поражения. Идеи опережают свое время: понадобилось пятьдесят лет, чтобы инфракрасные си стемы стали неотъемлемой и высокоэффективной частью вооружения. Однако первые инфракрасные системы обнаружения кораблей и самолетов использова лись Германией и странами коалиции уже во Второй мировой войне, (а немец кие специалисты сообщают, что Германия имела первую морскую ИК-систему обнаружения торпедных катеров с дальностью ~10 км даже в Первой миро вой войне). Выпуск приемников на основе PbS в Германии был доведен до 4000 в месяц. Ученые Германии интенсивно вели работы по созданию тепло вой головки самонаведения: в лаборатории города Киля разрабатывались PbSфоторезисторы, а на заводе в Иене — собственно головки на основе этих фо торезисторов. Были даже проведены испытания головок. Сообщается также о разработках ИК-систем наведения для противотанковых ракет, планирующей бомбы BV-143, снарядов земля-воздух. И только ввод союзных войск остановил эти работы.
За первые четыре десятилетия XX века происходит стремительное развитие и радиотехники: она превращается в одну из ведущих отраслей промышленно сти. В контексте истории фотоэлектроники здесь важно отметить следующие достижения.
К 1930 году радиотехника созрела для своего научного журнала: в этом году он выходит в США, названный не известным тогда словом «Electronics». Сло восочетание «фото-электроника» сложилось уже во второй половине XX века. Так родился сам термин — название нашей дисциплины.
В двадцатые-тридцатые годы разрабатываются самые разнообразные лам повые схемы, в том числе усилители с отрицательной обратной связью (Блек, 1927 г.), с противошумовой коррекцией (Брауде, 1933 г.). Схемотехниче ские принципы таких усилителей используются в современных фотоприемных устройствах.
Радиоволны решают все новые и новые задачи: коммерческое радиовещание (1920 г.), передача телефонных сигналов (1929 г.); навигация, связь, пеленга ция, бесконтактные взрыватели (тридцатые годы). Последние системы во время войны становятся важнейшим компонентом вооружения, зачастую решая успех боевых операций. Вот наглядный тому пример. Англия, лидер в радиолокации, с помощью таких систем отражает в 1940 году массированные налеты гер манской авиации. Как видим, уже определились новые направления техники,
40 |
ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ |
Гл. 1 |
которые стали возможными благодаря использованию электромагнитного из лучения.
Длина волны используемого электромагнитного излучения непрерывно уменьшается от 300ч-500 м (1920 г., уже названные выше первые радиове щательные станции США) до СВЧ диапазона ~ 3 см (сороковые годы, англий ские радиолокаторы). Так логика развития тех лет показывала, что дальнейший прогресс будет связан с освоением миллиметрового, а затем и оптического диа пазонов длин волн и фотоприемники будут востребованы.
Мы уже говорили о Нипкове, его механическом телевидении. Это телеви дение было вытеснено электронным, отцом которого признан русский ученый В. К. Зворыкин, работавший в США. В 1923 году он запатентовал вакуум ную передающую телевизионную трубку (в 1924 году он же изобрел и при емную трубку — кинескоп). В 1934 году В. Холст создает ЭОП — электронно оптический преобразователь ИК-изображения в видимое, а В. К. Зворыкин вно сит большой вклад в его усовершенствование. Во время Второй мировой войны системы ночного видения на основе ЭОП применялись Германией на Восточном фронте, а США — на Тихоокеанском театре военных действий. Так начиналось очень важное направление технического зрения, и твердотельным фотоприем никам предстояло его завоевать во второй половине XX века.
Второй этап развития фотоэлектроники совпадает со второй технической революцией — интеллектуальной. В сороковые годы закладываются основы кибернетики, информатики, создаются электронные компьютеры (Винер, Ней ман, Шеннон и многие другие исследователи). Для искусственного интеллекта требовалось и искусственное «серое вещество» — так неизбежно должна была появиться твердотельная электроника. Здесь этапным событием стало создание Шокли, Бардиным и Брадтейном первого германиевого биполярного транзисто ра (1947-1948 гг.). Эта работа была отмечена Нобелевской премией в 1956 году. Два года спустя была реализована идея полевого транзистора — основ ного компонента современных интегральных схем.
Каждая революция, каждое изобретение зачастую имеет свою предысто рию, и даже долгую предисторию. Так, первый вычислитель, но, конечно, ме ханический, был изготовлен еще в XVII веке (Б. Паскаль, 1642 г.). В 1883 году Бэбидж выдвинул идею вычислителя с двумя блоками, которые мы сегодня на зываем процессором и памятью. Твердотельный полупроводниковый детектор — контакт металлической проволоки с PbS — появился в 1884 году (Ф. Браун) на двадцать лет раньше вакуумных ламп (диод, Флеминг, 1904 г.; триод, Форест, 1906 г.). Так что, называя первооткрывателей, мы должны помнить, что у них часто были свои предтечи.
Историю фотоэлектроники нельзя оторвать от истории микроэлектроники, всех смежных областей науки и техники. Фотоприемники внедряются во все сферы человеческой деятельности, и этому будет посвящен отдельный раздел.