Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых приборов. На кристалле полупроводника методом эпитаксиального выращивания или ионною легирования создают слои с p и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой — тонкий, прозрачный для света слой металла. Параметры фотодиодов совершенствуются в двух главных направлениях:- повышение чувствительности и уменьшение инерционности. С этой целью предложен ряд новых структур: четырехслойные с гетеропереходом, фотодиоды с барьером Шотки (контакт металл-полупроводник), отличающиеся особенно высоким быстродействием, кремниевые p-i-n диоды, которые все более вытесняют прибор с p-n переходом. Структура p-i-n содержит слои полупроводника с p и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния — изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.
Кремниевый p-i-n фотодиод.
Фототранзистор в отличие от фотодиода обладает внутренним усилением и благодаря этому — повышенной чувствительностью. Фототранзисторы с p-n переходами изготавливаются по стандартной планарной технологии кремниевых интегральных схем. От обычного n-p-n транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря действию квантов света носители заряда создают ток базы. Ток коллектора в соответствии с принципом работы транзистора получается в h21Э раз больше. Типичное значение коэффициента передачи тока кремниевого транзистора составляет 50…200.
Из других типов фотоприемников следует упомянуть фоторезисторы. Как правило, они также изготавливаются из полупроводника, но p-n переходов не имеют, т. е. ведут себя как обычные омические сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора обычно велико и может достигать нескольких мегаом. Под действием света в толще полупроводника появляются свободные носители заряда, резко снижающие сопротивление фоторезистора. Если в вашем подъезде установлен автомат включения лестничного освещения с наступлением темного времени суток, то можете быть уверены, что датчиком служит фоторезистор, обычно типа ФСК-1 или ФСК-2.
Фототранзистор.
Большие трудности возникают при создании фотоприемников для ИК области спектра. Дело в том, что для «вырывания» электрона из атома полупроводника при фотоэффекте квант света должен совершить определенную работу, называемую работой выхода. Следовательно, энергия кванта должна быть больше работы выхода для данного вещества. Но энергия квантов уменьшается с увеличением длины волны. Кремниевые фотоприемники эффективно работают только в видимой части спектра до длин волн 0,8…0,9 мкм. Германий, а также тройные соединения, такие как InGaAs, GaAsSb, позволяют продвинуться в длинноволновую область до 2… 3 мкм. А для приема в дальней ИК области (10…12 мкм) необходимо использовать уже другие физические принципы. Обнадеживающие результаты дают пироэлектрические приемники. В них используются вещества, создающие электрический заряд при воздействии тепла. Пироприемник обычно содержит и усилитель на полевом транзисторе с изолированным затвором, имеющий очень высокое входное сопротивление (гигаомы), согласующееся с высоким сопротивлением пироэлемента.
Рассмотрев способы генерации и приема оптического излучения, перейдем к устройствам, в которых используются описанные приборы.
Ассортимент подобных устройств огромен. Не будем заниматься их перечислением, а рассмотрим некоторые из них.
Лидар, или оптический локатор с лазером в качестве передатчика, внешне напоминает обыкновенный спаренный телескоп. Принцип действия его точно такой же, как и у известного нам радиолокатора. Импульсы мощного лазера, дополнительно сфокусированные оптической системой одного из телескопов, посылаются в направлении исследуемого объекта. Отраженный или рассеянный сигнал достигает приемной трубы-телескопа и воздействует на фотоприемник. По задержке отраженного импульса определяют расстояние до объекта, а по положению телескопов — его угловые координаты. Точность их измерения лидером намного превосходит точность любого радиолокатора. Так, например, угловые координаты можно определить с точностью до угловой секунды, а дальность — до нескольких десятков сантиметров. Что это значит? Можно, например, на расстоянии 200 км следить за стыковкой двух космических аппаратов, сблизившихся до расстояния в несколько метров.
Оптические системы — антенны.
Следующий прибор произвел подлинную революцию в геодезии и картографии. Назначение его ясно из названия — светодальномер. Прежде чем составить подробную и точную карту местности, необходимо найти и обозначить пункты, координаты которых были бы хорошо известны. Относительно их можно определять координаты и других пунктов: улиц, домов, холмов, оврагов, рек и озер. Вы неоднократно видели на возвышенных местах ажурные деревянные или металлические башни — геодезические сигналы. Они cтроятся над опорными пунктами геодезической сети. С одного сигнала обязательно видно два-три других. Ранее сигналы называли триангуляционными вышками, поскольку вся сеть строилась с помощью метода триангуляции[4]. Между двумя анналами как можно точнее измерялось расстояние, например, мерной лептой или проволокой. Это расстояние называется базисом. Затем с концов базиса определяли направление на третий пункт. Рассчитав все стороны получившегося треугольника по известной одной стороне и двум углам (классическая задача!), определяли положение третьего пункта, затем четвертого и т. д. Триангуляционная сеть уходила за горизонт, но точность угловых измерений теодолитами весьма высока, и координаты пунктов определялись довольно точно. Тем не менее ошибка накапливалась и накапливалась по мере удаления от базиса. А насколько трудоемкой была эта работа для геодезистов, вы сами теперь можете представить! Долгие месяцы вручную обрабатывались колонки многозначных цифр, измеренных в полевых экспедициях. Радиоэлектроника упростила геодезические работы. Я уж не буду говорить, что многозначные числа обрабатывает теперь ЭВМ — это очевидно. Но и углы в триангуляционной сети теперь никто не измеряет. Измеряют длину сторон с помощью портативных и очень полезных приборов — радио- и светодальномеров. Светодальномер обеспечивает большую точность. Он позволяет измерять расстояние в 10 км с ошибкой в один сантиметр! Зато радиодальномер действует в любую погоду: туман, плохая видимость ему не помеха.
Принцип работы свстодальномера несложен. Прибор содержит лазер излучатель света, модулятор и передающую оптику. В модуляторе установлен электрооптический кристалл, изменяющий свои параметры под действием электрического сигнала. Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Промодулированный кристаллом лазерный луч проходит к отражателю, установленному на другом конце измеряемой трассы. Отражателями служат трипель-призмы — стеклянные призмы с тремя взаимно перпендикулярными гранями. Они обладают важным свойством зеркально отражать луч именно в том направлении из которого этот луч пришел. Поэтому никакого наведения отражателя не требуется, надо лишь поставить его примерно перпендикулярно приходящему лучу. Трипель-призма является оптическим аналогом радиолокационного уголкового отражателя.
4
Триангуляция — метод определения положения геодезических пунктов путем построения на местности систем смежно расположенных треугольников (вершинами их являются определяемые точки), в которых измеряют углы и длину сторон.