Засіб формування іч зображення та іч імітатор на базі електронно-променевої трубки

Использование' инфракрасная техника, в частности имитатор для комплексных испытаний оптико-электронных приборов ИК области спектра Сущность изобретения: экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) выполнен из полупроводникового материала в виде пластины с толщиной, выбираемой из определенного соотношения На излучающей грани поверхности экрана расположен прозрачный антизапорный контакт, а на противоположной поверхности расположены зеркальный омический контакт, слой диэлектрика и нагреватель. В полупроводниковом материале реализовано равномерное относительно излучающей поверхности истощение носителями заряда его объема. Сканирование экрана осуществляют пучком электронов с энергиями, выбранными из определенного диапазона. 2 с. п ф-лы, 2 ил. С/) С Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано в качестве имитатора для комплексных испытаний оптико-электронных приборов ИК-области спектра. Целью изобретения является повышение пространственного и временного разрешения в широком спектре длин волн дальнего ИК-диэпэзона и расширение функциональных возможностей за счет управления пространственным и временным разрешением и уровнем фона путем использования неравновесных процессов излучения свободных носителей заряда, ГеиерИруСМЫХ ЭЛектрОНЧЫМ п у ч и п м , прИ равномерном истощении носителями объема полупроводника параллельно излучающей поверхности С этой целью в известном ИК-имитзторе на основе электронно-лучевой трубки, со8-93 держащем оакуумиропанную колбу с окном, прозрачным для ИК-излучения, электронную пушкусскстемой управления электронным пучком и экран, экран выполнен из полупроводникового материала о виде пластини толщиной d, - Н < d < 1 /а, где Н - глубина проникновения электронов в полупроводник, а - коэффициент поглощения полупроводника за краем фундаментального поглощения. На излучающей грани поверхности экрана расположен прозрачный антизапорный контакт, а на противоположной 'поверхности расположены зеркальный омический контакт, слой диэлектрика и нагреватель. С этой же целью в способе получения ИК-изобрЗжения, включающем сканирование модулированным электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки, создают 1799189 равномерное относительно излучающей поверхности истощение носителями заряда объема полупроводника посредством зксклюзии, магнитоконцентрационного эффекта, электрического пинч-эффекта при собственной или наведенной анизотропии и сканируют полупроводниковый экран модулированным пучком электронов с энергиями: 10 где £д - ширина запрещенной зоны полупроводника (эВ), Е - энергия возбуждающих электронов 15 (эВ). Z - атомный номер, m - масса электрона (г), с - скорость света (см/с). Энергия возбуждающих электронов в полупроводнике расходуется в основном на 20 ионизацию атомов, т, е. создание электронно-дырочных пар вплоть до энергии, при которой потери энергии на тормозное излучение превысят потери на ионизацию, и ко25 торая равна: 1600 т£ . ' Энергия, необходимая для генерации одной электронно-дырочной пары (по боль- 30 шинству литературных источников) составляет: Ео = 3 Сд, где £д - ширина запрещенной зоны полупроводника. 35 Концентрация электронно-дырочных пар, создаваемая при энергии возбуждающих электронов Е составляет: NP= J E r 9 1,6 • 101 Ео Н где J - плотность тока в электронном пучке (см"2 с'1), х- время жизни электронно-дырочной пары (с) Н - эффективная глубина проникновения возбуждающих электронов (см). Глубина проникновения электронов (в см) может быть рассчитана по формуле: 5,12 • 10 •11 Е 2 А ln( 0,725 Е 1 / 2 Z 1 / 3 ) ' где А - массовое число, Z - аюмныи номер вещества, р~ плотность вещества (в г/см ), Е - энергия электронов (зВ). Глубина проникновения электронов в полупроводник определяется энергией электронов в пучке, которая задается ускоряющим напряжением. Количество электрон но-дырочиых пар генерируемых в 40 полупроводнике электронным пучком, определяется энергией электронов и плотностью тока в пучке. При облучении некоторого участка полупроводника в слое толщиной Н образуются избыточные электронно-дырочные пары. При изменении концентрации носителей в полупроводнике изменяется как интенсивность люминесценции в спектральной области междузонных переходов, так и тепловое излучение полупроводника за краем фундаментального поглощения. В спектральной области за краем фундаментального поглощения, при частотах, меньших r g /h, где в процессах излучения и поглощения участвуютсвободные носители, за счет использования внутризонных переходов появляется возможность создавать движущиеся ИКизображения в широком спектре длин волн дальнего ИК-диапазонЗ без использования криогенного охлаждения. Рассмотрим систему, состоящую из полупроводника (0 ^ х d). В области х < 0 находится вакуум. Интенсивность теплового излучения с поверхности х = 0 во все углы полусфере с учетом малости угла полного внутреннего отражения на границе раздела полупроводник-вакуум определяется выражением: Р = (1 - R) J (Т) + R J (Тф). где R - эффективный коэффициент отражения системы полупроводник-непрозрачная подложка при нормальном падении, J - интенсивность излучения черного тела, Т, Тф - температура системы и фонового излучения в области х < 0 соответственно, а J определяется из формулы. • 1 = I Г Ы1 г { П (I) . л ft ~л 2 2 t e x p - V H - 1 ] 1 Первое слагаемое представляет собой тепловое излучение системы, определяемое 45 законом Кирхгофа, второе-отраженное фоновое излучение. Таким образом, при условии что температура системы отличается от температуры фона, изменяя R можно изменять интенсивность теплового излучения Р. 50 Эффективный коэффициент отражения системы определяется через коэффициенты отражения на границах раздела полупроводник-вакуум (Ri) и полупроводник-непрозрачная подложка (R2) и коэффициент 55 прохождения (прозрачность) ? следующим / образом: 17РЭ189 tj= exp[- /«(*) dxj о a = n • On + p r/p где а-коэффициент поглощения, 5 n, p - концентрация электронов и дырок в полупроводнике. СТп. /o2RiR2) х[ЛТфН(Т)]. Откуда следует, что модуляция теплового излучения возможна при R2 * 0. Если Т> >Тф, то ДР> 0 при ;/ < ip т. е. о режиме обогащения, и АР г/о, т. е. D режиме истощения, которые реализуются в данном устройстве. При изменении концентрации свободных носителей под воздействием электронного пучка изменяется прозрачность полупроводника, а, следовательно, интенсивность его теплового излучения. Так как интенсивность теплового излучения полупроводника однозначно связана с излучением черного тела, условиями на границах раздела с внешней средой и концентрацией носителей о полупроводнике, определяемой энергией возбуждающих электронов и плотностью тока в пучке, можно определить эффективную радиационную температуру в каждой точке экрана. 25 30 35 40 Сканирование полупроводникового экрана модулированным электронным пучком позволяет, таким образом создавать ИК- 45 изображепия объектов, причем яркость ПКизлучения в каждой точке определяется энергией возбуждающих электроноо и плотностью тока в пучке, а пространственное и O временное разрешение определяются па- G раметрами полупроводникового экрана: диффузионной длиной и временем жизни неравновесных носителей заряда. Тепловое излучение носителей, генерируемых электронным пучком, является неравновесным 55 процессом. Характерным временем релаксации неравновесного теплового излучения яопяется прсмя жизни неравновесных носителей заряда, в то время как равновесное 6 тепловое излучение определяется временем нагрева или остывания кристаллической решетки. Таким образом, удается повысить временное разрешение ИК-имитатора на несколько порядков по сравнению с устройством-прототипом, временное разрешение которого определяется именно решеточной релаксацией, и является недостаточным. Путем подбора полупроводникового материала с малой диффузионной длиной можно добиться высокого пространственного разрешения. В устройстве-прототипе из-за высокий теплопроводности металлической пленки на экране не удается получить достаточно высокого пространственною разрешения. Для увеличения пространственного разрешения в устройстве-прототипе необходимо как можно более эффективное ох-. лаждеиио э к р а н а . ІЗ предлагаемом устройстве для создания ИК-иэображения используется процесс модуляции теплового излучения полупроводника за краем фундаментального поглощения, для наблюдения которого наиболее удобны пысокие температуры. Для поддержания температуры экрана выше фонового значения п предлагаемом устройстве используется металлический нагреватель. Выполнение мов е р х н о с г н нагревателя sepкалькой позволяет существенно увеличить глубину модуляции тепловою излучения. Диэлектрический слой в этом случае должен быть прозрачным дли ПК-излучения Управлений пространственным и временным разрешением и уровнем фона в сторону отрицательных значений фона Р заявляемом устройстве осуществляется с использованием эффекта эксклюзии. При подаче на антизапорным контакт напряжения того же знака, что и у неосновных носителей, в почти сооственном полунрооодиике будет наблюдаться истощение объема полупроводника неосновными посителями заряда (а из услоппя эле.ктронейтральноети, и основными). При этом тепловое излучение попупрооодника будет ниже pauHORGCHoro значения, чю соответствует тепловому излучению холодильних объектов. Из объема полупроводника будут также вытлжоатьел и постели, созданные возбуждением электронным пучком Поэтому временное разрешение устройства при наличии напряжения на уиря&лпющих зпркт рода А Су, ют определяться теперь не временем ЖИЗНИ Н G р 3 С і і О П С С і і і \ X И О С И Т и Л (3 іі заряда, а ь р е м е н е м пролета их через расстояний между управляющими электродами. Преде iw управления временным разрешением ИК*имитатора следующие: 1799189 А. vT