II.8.4. Фотодиодная матрица

В результате развития фотоприемников с внутренним фотоэффектом появились новые приемники излучения - фотодиодная матрица (PDM), устройство с инжекцией заряда (CID) и устройство связанного заряда (ССD). Устройства CID и CCD основаны на светочувствительных свойствах кремния и принадлежат к классу устройств с переносом заряда (CTD).

Для иллюстрации принципов работы CTD рассмотрим блок сверхчистого кристаллического кремния, на котором выращен изолирующий слой двуокиси кремния. Каждый атом кремния в подложке оксида связан с соседним атомом кремния в кристаллической решетке блока. Связь Si-Si может быть разорвана энергией достаточной величины, например, фотонами видимого или УФ-диапазонов. Когда связь разрывается, из решетки испускается электрон с последующим образованием дырки в кристаллической структуре. Если к такому кремниевому блоку прикладывается напряжение, свободные электроны и дырки начинают двигаться в противоположных направлениях. Это передвижение электронов в пределах кристаллической решетки создает ток, пропорциональный количеству попавших в структуру фотонов.

Такие элементы, называемые пикселами, могут иметь размеры от 6 до 30 микрон и выстраиваются обычно в конфигурацию двумерных кремниевых фотоприемников от 512х512 до 4096х4096 пикселов. Каждый из пикселов способен сохранять заряд, генерированный фотоном. Такие устройства различаются по способам получения, сохранения и считывания заряда.

Каждый пиксел двумерных устройств инжекции зарядов может быть произвольно опрошен для определения величины заряда, накопленного в течение времени экспонирования. Процесс опроса содержимого не нарушает этого содержания и называется режимом неразрушающего чтения. Однако такие устройства хотя и обладают свойством произвольного доступа и неразрушающего чтения, имеют более высокий уровень шума, а для его эффективного подавления требуют температуры жидкого азота.

Заряд, аккумулированный пикселами в устройствах связанного заряда, должен считываться последовательно и в процессе чтения разрушается. Однако считывание информации с CCD-детектора чрезвычайно быстрое и обладает очень малым уровнем шума. В последнее время появился новый тип детектора - детектор с сегментированной матрицей и устройством связанного заряда (CCD-SCD). Вместо использования массивных матриц с сотнями тысяч соприкасающихся пикселов в таком приемнике имеется совокупность небольших субматриц от 20 до 80 пикселов в каждой. Каждый пиксел имеет 12.5 мкм в ширину и от 80 до 170 мкм в высоту, причем высота зависит от длины волны и спектрального порядка используемой спектральной линии. На приемнике обычно размещается более 200 таких субматриц, расположенных на небольшом кремниевом фотоприемнике в двумерной структуре, связанной с получаемой спектрометром эшеллеграммой. Субматрица состоит из трех областей - фоточувствительной области, области памяти и выходной электронной схемы. Каждая субматрица имеет свой собственный интерфейс, дающий возможность обращения к ней.

В начале 90-х годов такие детекторы, обычно CCD-матрицы (от английского charge-coupled-device), стали устанавливать на коммерческие оптические ICP спектрометры. Они сочетают в себе достоинства фотографического (одновременная регистрация большого числа аналитических линий) и фотоэлектрического (экспрессность, высокая спектральная чувствительность и низкий уровень шумов) способов регистрации. CCD-матрицы характеризуются высокой квантовой эффективностью в УФ-области спектра, низким уровнем шума, широким динамическим диапазоном, малой инерционностью, высоким спектральным разрешением и широким спектральным диапазоном.

Фотодиодная матрица создается для конкретной оптической схемы и диспергирующего элемента (обычно эшелле), поскольку именно ими определяется положение аналитической линии в фокальной плоскости. Набор аналитических линий, регистрируемых в режиме полихроматора, определяется во время разработки и изготовления матрицы и не может быть изменен при эксплуатации прибора без замены детектора. Имеется возможность использования фотодиодной матрицы в режиме монохроматора, для регистрации одной аналитической линии с произвольной длиной волны или в режиме сканирования спектра. Данный способ регистрации спектра обеспечивает максимальные аналитические возможности, однако требует очень высокой точности изготовления как самого детектора, так и всех элементов оптической схемы спектрального прибора. Требования к точности изготовления детектора хорошо иллюстрирует тот факт, что более чем 1000000 его отдельных светочувствительных элементов должны быть расположены с ошибкой менее 1 мкм. Такие детекторы, часто называемые твердотельными детекторами (solid state detector, SSD), используются в современных атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно-связанной плазмой, спектрофотометрах и многоэлементных атомно-абсорбционных спектрометрах.