作者：信息產業部電子第44研究所 程開富 來源：《國外電子元器件》

超高靈敏度新型super-harp攝像管的發展 摘要：超高靈敏度新型super-harp攝像管是用炮電倍增原理制成的新型固體光電攝像器件。文中對該器件的工作原理和結構特點進行了較全面的介紹。給出了部分器件的技術特征和技術參數，并對今后超高靈敏度攝像管的發展方向進行了初步探討。 關鍵詞：harp 高靈敏度 攝像管 微型銦柱 尋崩倍增膜 1 引言 隨著半導體技術、微電子技術以及光電子技術的不斷發展，近幾年來，攝像器件的發展已能滿足高質量圖像的要求。但是，如果在黑暗條件下進行成像和觀察，則要求攝像器件有更高的靈敏度。目前一般采用雪崩倍增膜法來提高靈敏度，這種方法結構簡單、制造方便、成本較低，是一種混合式結構。采用該結構的受光面為形成的玻璃片上的雪崩倍增膜。再用微型銦柱將倍增膜連接在固體讀出電路上（如mos或cmos讀出電路）。該微型銦柱主要起機械和電氣的連接作用。 攝像管的高靈敏度和超高靈敏度化標志著超高靈敏度攝像機的誕生，它不僅適用于高分辨率電視（hdtv）攝像系統，而且大大提高了標準電視攝像系統的質量。它的使用必將給電視節目制作和演播室照明技術帶來新的變化。 2 高靈敏度攝像管的發展過程 攝像管的研究工作目前已在提高靈敏度和分辨率、降低惰性及噪聲影響等方面取得進展。日本已先后推出harp和super-harp攝像管，這些攝像管以其極高的靈敏度被認為是當今新一代攝像管的代表。 以往在station或plumbicon三管攝像機以及ccd攝像機進行拍攝時，只要照度低于20lux,圖像質量就難以保證。而硅靶增強型（sit）攝像管和圖像增強型（it）攝像管雖然具有較高的靈敏度，但由于存在較強的惰性和較大的噪波，加之分辨率較低，也難以形成理想的圖像。1987年，日本nhk研究所發現非晶硒與晶體半導體一樣具有雪崩式倍增作用，在此基礎上發明了可在低照度條件下產生良好的電視圖像的新型光電導體和靶結構，即高增益雪崩倍增非晶光電導體（high gain avalanvhe rushing amorphous photoconductor），簡稱harp靶。利用這種結構研制的攝像管的靈敏度要比普通攝像管高10倍，并且能產生與hdtv攝像管相同的高質量圖像。且該攝像管不僅適用于標準電視系統，而且非常適用于hdtv系統。1988～1993年，日本nhk研制成功了在20nm～1.9μm甚至x波段內有光響應的多種harp靶攝像管，并被命名為“harpicon”和“super-harpicon”。1991年，nhk又硬件出更高靈敏度的super-harp攝像管。它的靈敏度比普通攝像管和ccd攝像器件高100倍，并能在由日光到月光這樣寬的照明條件下形成高質量圖像，從而成為新一代的電視攝像管。 3 harp和super-harp攝像管的原理 當半導體中空間電荷區的電場增強時，通過空間電荷區的電子和空穴在電場的作用下獲得的能量亦隨之增大。這樣，晶體中運動的電子和空穴將不斷地與晶體原子發生碰撞。當電子和空穴的能量足夠大時，通過碰撞，可使其價鍵中的電子激發形成自由電子空穴對，這種現象稱為碰撞電離。新產生的電子空穴對與原有的電子和空穴一樣，在電場作用下，也向相反的方向運動，并重新獲得能量。通過碰撞又將產生新的電子空穴對，這就是載流子的倍增效應。由于這種雪崩倍增現象同樣存在于非晶硒中，所以hapr和super-harp攝像管便可利用靶層內的雪崩倍增現象獲得很高的靈敏度。圖1是普通攝像管與harp攝像管的工作原理比較。 由圖1可見，在普通攝像管中，一個入射光子僅產生一個光生電子空穴對。而在harp攝像管中，加在靶層中的強電場將使空穴朝電子束掃描運動方向加速，被加速的空穴與靶內原子相撞并使其發生電離以產生新的電子空穴對。由于雪崩倍增，harp攝像管中的每一個入射光子將可讀出大量的載流子。雪崩倍增的程序由靶厚度壓值決定。harp