Общие принципы полупроводниковой фотографии. Строение полупроводниковых фотографических систем. Условия осуществления длинноволновой

2.Общие принципы полупроводниковой  фотографии. Строение полупроводниковых  фотографических систем. Условия  осуществления длинноволновой фотографии. Фотографические характеристики  и области применения этого  вида несеребряных материалов.

   Среди многообразных задач, связанных с современными средствами фотографической регистрации информации, следует выделить две, наиболее общие. Это, во-первых, создание несеребряного фотографического процесса высокой чувствительности, в частности с получением готовых изображений либо непосредственно в процессе экспонирования, либо с минимальными последующими операциями обработки, т. е. по существу создание высокочувствительной «моментальной» несеребряной фотографии. Во-вторых, это продвижение спектральной чувствительности фотографии в ИК-область: современная AgHal-фотография имеет спектральный предел 1,3 мкм, а различные косвенные методы получения ИК-изображений во многих случаях неудовлетворительны, особенно при регистрации быстропротекающих световых явлений.

В решении  указанных, а также и других задач (например, регистрации голограмм) перспективно использование фоточувствительных полупроводниковых материалов. Решение их не сводится к разработке чисто технических приемов. Так, предел по светочувствительности S ∞ 10¹⁰ см²/Дж для несеребряной фотографии и «барьер» по спектру 1300 нм для нетепловых методов ПК-фотографии не случайны и связаны с принципиальными причинами физического характера; их преодоление возможно лишь за счет выявления новых подходов.

Полупроводниковые фотографические  процессы основаны на внутреннем фотоэффекте  и последующем движении неравновесных  носителей тока во внешних и внутренних электрических полях. Они отличаются, однако, от современной электрофотографии (ЭФ). Этим термином обозначают создание электростатического скрытого изображения (ЭСИ) и, соответственно, его визуализацию методами такого же типа. Это требует весьма высокоомных фоточувствительных материалов, так что ЭФ есть по существу фотография на фоточувствительных диэлектриках, поскольку темновое удельное сопротивление ЭФ-материалов обычно выше 10¹³ Ом-см. В полупроводниковых же системах можно использовать различные типы регистрации и значительно менее высокоомные полупроводники. Полупроводниковые процессы уже нашли применение для высокоскоростного ИК-фотографирования, в частности пространственно-временной диагностики лазерного ИК-излучения.

 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ  ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ФОТОГРАФИИ

 Влияние  фонового излучения

Расширение спектральной чувствительности AgHal-фотографии в ИК-область спектра достигается сенсибилизацией эмульсионных кристаллов органическими красителями, имеющими полосы сильного поглощения более длинноволновые, чем «красная граница» поглощения AgHal. Этим способом уже в 30-х гг. удалось достигнуть длины волны 1300 нм. Хотя в последующие годы были достигнуты значительные успехи в повышении стабильности и чувствительности ПК-фотоматериалов, однако никакого заметного сдвига в ИК-область получено не было, и не случайно. Основным препятствием является вуалирующее воздействие фонового термодинамически равновесного теплового излучения.  Действительно, от момента изготовления, во все время хранения до и после экспонирования и проведения химико-фотографической обработки, фотоматериал подвергается действию фоновой тепловой радиации, что вызывает его вуалирование, ограничивает срок жизни и препятствует реализации сколько-нибудь чувствительного фотографического ИК-процесса. Очевидно, чем более длинноволновой будет граница "Чувствительности и чем выше общая S материала, тем меньше будет время его существования до полного вуалирования. Хотя качественная сторона действия равновесного излучения на фотослой ясна, решающее значение имеют количественные расчеты времени вуалирования.

Очевидно, что в рамках традиционных методов  ИК-фотография принципиально не может  быть существенно продвинута в длинноволновую сторону. В частности, бесполезны поиски новых сенсибилизаторов с более длинноволновой границей: задача ставится так, как если бы речь шла о создании чувствительного фотографического процесса для видимой области спектра с условием, что хранение материала и все стадии его обработки будут производиться при актиничном свете. Таким образом, для фотографии в ИК-области имеют место условия, существенно отличные от таковых в видимом и коротковолновом излучении, причем водораздел зависит от требуемой чувствительности фотоматериала и граничной длины волны.

  Принцип управляемой чувствительности

В 1967 г. был предложен подход, сформулированный в виде общего принципа построения фотографических ИК-систем — принципа управляемой чувствительности. Сущность его заключается в следующем. Поскольку фоновое тепловое излучение практически неустранимо, можно реально рассчитывать лишь на существенное снижение времени его воздействия. Это становится возможным, если сообщить фотоматериалу новое свойство — возможность включения и выключения светочувствительности по желанию оператора. Тогда неосвещенные участки изображения получат дозу радиации значительно меньшую, чем в неуправляемой системе. Очевидно, отсекание действия фонового излучения при этом не беспредельно. Наилучшее отношение сигнал/фон достигается, если интервал времени включенной чувствительности совпадает с временем экспонирования. Тогда принцип управляемой чувствительности можно сформулировать так: фотографическую съемку в условиях действия фона, в частности теплового излучения, и, следовательно, существенное продвижение фотографии в ИК-область спектра могут обеспечить такие фотографические системы, в которых фоточувствительность может включаться на ограниченный интервал времени, в пределе совпадающий со временем экспонирования.

Фотографические системы с управляемой  чувствительностью существенно  отличаются от обычной AgHal-системы, в первую очередь тем, что в них должен активно присутствовать некий управляющий фактор, обеспечивающий включение и выключение чувствительности. Неуправляемый фотографический процесс содержит следующие основные стадии: 1) оптическое возбуждение электронной системы, носящее во многих случаях обратимый характер; 2) образование скрытого изображения; 3) визуализация, т. е. усиление с подводом энергии от внешнего источника; 4) стабилизация видимого изображения. Введение управляющего элемента в системе подобного типа возможно либо на первой стадии, либо при переходе ко второй.

Существует  ряд процессов и систем с управляемой  чувствительностью, которые по виду управляющего фактора можно подразделить на три группы. В первой управление осуществляется электрическим полем или током (электроуправляемые системы). Во второй фоточувствительность появляется при установлении контакта между двумя разрозненными частями системы, каждая из которых не обладает чувствительностью; иначе говоря, чувствительность управляется достройкой системы (контактно-сенсибилизационное управление). В третьей группе управление чувствительностью производится равномерным освещением среды дополнительным источником света (светоуправляемые системы). Ниже будут рассмотрены примеры упомянутых систем.

Другие принципиальные возможности построения длинноволновых фотографических систем.

Принцип управляемой чувствительности не единственная основа для построения ИК-фотографии. Можно указать еще по крайней мере три принципиальных возможности ослабления или устранения вуалирующего действия фона, имеющих, правда, частный характер. В них используются некоторые особенности равновесного излучения.

Принцип активного контраста. Пусть тепловое фоновое излучение, падающее извне на регистрирующий материал, и собственное излучение этого материала равномерно распределены по его площади (например, материал находится в закрытой массивной кассете, имеющей одинаковую температуру в любой точке). Очевидно, для длительного хранения в условиях действия фона и последующего ИК-фотографирования пригодны такие системы, в которых фотографический эффект появляется за счет разности освещенностей различных участков, но отсутствует в случае равномерного освещения. Физические процессы, которые составили бы содержание и основу подобных систем, должны быть по механизму действия дифференциальными, т. е. величина физического эффекта в них должна определяться разностью изменений, производимых светом в отдельных частях фотослоя (разностью концентраций неравновесных носителей тока, разностью температур отдельных участков и т. д.). Однако при большой светочувствительности даже незначительные неизбежные перепады освещенности слоя будут создавать вуалирующее почернение. Поэтому использование активного контраста на практике возможно лишь в сочетании с управлением чувствительностью.

Динамический принцип. Этот путь построения фотографических ИК-систем основан на том, что интенсивность фонового излучения либо практически постоянна во времени, либо меняется относительно медленно и с небольшой глубиной модуляции. В съемочных ИК-камерах в большинстве случаев можно предусмотреть устройства, обеспечивающие временную амплитудную модуляцию полезного светового потока, формирующего изображение с частотой, превышающей обычную частоту изменения фонового излучения. Таким образом, полезный световой сигнал и интенсивность фоновой засветки можно в принципе разделить по частотному диапазону модуляции. Следовательно, обеспечить длительное хранение и проведение всех необходимых операций обработки в условиях действия интенсивного фонового излучения могут такие системы, в которых фотографический эффект появляется только при действии светового потока, модулированного по амплитуде с некоторой частотой f_i, превышающей среднюю частоту естественной модуляции фонового излучения f_ф, и отсутствует при более низких частотах модуляции или постоянном освещении.

Для построения подобных систем можно использовать ряд физических процессов, вызываемых действием освещения, как-то: нестационарная примесная фото-э. д. с. в полупроводниках, конденсаторный фотоэффект, быстрые фотопотенциалы на границе раздела полупроводника и электролита и др. Поскольку фотографический эффект в этих случаях зависит от dI/dt, то использовании модуляции, например несимметричными периодическими импульсами света, создает условия для появления необратимого фотографического эффекта.

Динамический  принцип по общности уступает, очевидно, управляемой чувствительности. Один из недостатков систем, использующих такой принцип устранения действия фона, состоит в том, что для получения изображения требуется значительное число периодов модулированного света, а это, естественно, ограничивает возможности его применения в скоростной фотосъемке.

Поляризационный принцип. Здесь используется та особенность фонового равновесного излучения, что оно не поляризовано. В съемочных камерах всегда можно предусмотреть устройства, в которых полезный световой сигнал, в отличие от фоновой радиации, преобразуется в световой поток с определенным типом поляризации. Справедливо будет утверждение: значительное снижение действия равновесного фонового излучения и продвижение фотографии в ИК-область могут обеспечить такие системы, в которых фотографический эффект появляется только при действии светового потока, обладающего определенным типом и направлением поляризации.

Для осуществления  подобного устройства можно использовать процессы взаимодействия света с  поглощающими средами. Трудность состоит  в том, что в составе естественного  излучения всегда существует и любой данный тип поляризации, и любой другой, противоположный ему по знаку и величине. Пригодное для нашей цепи явление должно проявлять себя лишь при нарушении взаимной компенсации противоположных видов поляризации в естественном излучении. В качестве возможного в принципе эффекта такого типа можно назвать ориентацию спинов в циркулярно поляризованной световой волне.

Условия осуществления длинноволновой фотографии

Осуществление того или иного принципа дает, по существу, лишь возможность ставить  задачу о создании фотографической  регистрации, необратимой по своей природе, в условиях фона и представляет собой только необходимое условие осуществления ИК-фотографии. Достаточным же условием построения фотографической ИК-системы должно служить требование, чтобы система, будучи устойчивой к действию фонового излучения, имела заданное значение минимальной   интенсивности   полезного светового сигнала,   еще регистрируемой этой системой. Этот порог специфичен для индивидуальных систем, хотя и зависит от уровня фоновой радиации. Таким образом, для любого фотографического процесса, как необратимого, помимо чувствительности существует еще и такая характеристика, как пороговая регистрируемая мощность излучения. Имеется она и в AgHal-фотографии уже хотя бы потому, что в спектре абсолютно черного тела имеется определенная конечная интенсивность видимого и коротковолнового актиничного излучения. Однако ввиду ее ма-лости в приемлемых для практики пределах ею обычно пренебрегают. Указанные два условия делают проблему продвижения фотографического метода в ИК-область спектра весьма сложной. Общие принципы не дают, разумеется, готовых рецептов ее решения. Их значение и роль состоят, прежде всего, в том, что они являются своеобразными критериями, определяющими перспективность или пригодность конкретной фотографической системы для ИК-области.

Рассмотренные соображения позволяют с единых позиций проанализировать осуществленные или предложенные процессы получения фотографических изображений с точки зрения возможности и перспективности их модификации применительно к ИК-съемке. Такой анализ, хотя и проведенный в ограниченном объеме, показал, что некоторые фотографические процессы, даже предложенные специально для ИК-области, беззащитны к действию фона и по существу бесперспективны. В то же время развитие других фотографических систем, предложенных давно для целей фотокопировальной и репродукционной техники, т. е. не в связи с проблемой ИК-фотографии, может оказаться перспективным для фотографирования в ИК-излучении.

Выявленные  при этом возможности были в разной степени исследованы в работе. Кроме того, были изобретены принципиально новая полупроводниковая фотографическая система и преобразователь изображений ионизационного типа, которые были развиты для целей как ИК- так и бессеребряной фотографии.

Рассмотрим теперь некоторые общие  причины, ограничивающие чувствительность фотографических устройств на основе фотопроводимости полупроводников.

4.2. ПРЕДЕЛЬНАЯ  ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ  ФОТОГРАФИЧЕСКИХ  УСТРОЙСТВ

Исследования, относящиеся к применению фоточувствительных полупроводников  для регистрации оптических изображений, начались еще в 20-е гг. и привели в конечном счете к созданию широко известной системы «Ксерокс».

Обнаружение высокой фоточувствительности у полупроводников разных классов вселило надежду, что в устройствах, использующих фотопроводимость, можно достичь чувствительности, сравнимой с присущей высокочувствительным AgHal-фотоэмульсиям. Действительно, в фотопроводниках, как известно, слабый поток фотонов вызывает большие потоки электронов. В некоторых материалах удалось получить коэффициент усиления (отношение тока электронов I к потоку фотонов) до 10⁶. Однако все попытки использовать столь I высокое усиление для уменьшения требуемой экспозиции неизменно I терпели неудачу. Причины этого носят принципиальный характер.

Применяемые для отображения информации полупроводники могут использоваться с блокирующими (запорными) и с  омическими (антизапорными) контактами. В устройствах с контактами первого типа (за некоторым исключением) падающий свет поглощается слоем фотопроводящего материала и возникающие при этом изменения про-водимости, заряда или напряжения в сочетании с тем или иным регистрирующим механизмом используются для получения изображения. В случае запорных контактов при приложении напряжения электроны и дырки не могут входить в фотопроводник, но легко могут выходить из него; самый чистый пример запорного контакта — п—р-переход в режиме обратного смещения; еще один пример — заряд положительных или отрицательных ионов, нанесенный из тлеющего разряда на поверхность высокоомного фотопроводника. При поглощении одного фотона во внешней цепи проводника в наиболее благоприятных условиях проходит единичный электронный заряд, т. е. коэффициент усиления равен 1. Несмотря на такое ограничение, фотопроводники этого класса применяются успешно и широко, так как обеспечивают хорошие изолирующие свойства (малый темновой ток) в сочетании с быстрой реакцией на свет, определяемой временем пролета носителя заряда между электродами.