作者：信息产业部电子第44研究所 程开富 来源：《国外电子元器件》

超高灵敏度新型super-harp摄像管的发展 摘要：超高灵敏度新型super-harp摄像管是用炮电倍增原理制成的新型固体光电摄像器件。文中对该器件的工作原理和结构特点进行了较全面的介绍。给出了部分器件的技术特征和技术参数，并对今后超高灵敏度摄像管的发展方向进行了初步探讨。 关键词：harp 高灵敏度 摄像管 微型铟柱 寻崩倍增膜 1 引言 随着半导体技术、微电子技术以及光电子技术的不断发展，近几年来，摄像器件的发展已能满足高质量图像的要求。但是，如果在黑暗条件下进行成像和观察，则要求摄像器件有更高的灵敏度。目前一般采用雪崩倍增膜法来提高灵敏度，这种方法结构简单、制造方便、成本较低，是一种混合式结构。采用该结构的受光面为形成的玻璃片上的雪崩倍增膜。再用微型铟柱将倍增膜连接在固体读出电路上（如mos或cmos读出电路）。该微型铟柱主要起机械和电气的连接作用。 摄像管的高灵敏度和超高灵敏度化标志着超高灵敏度摄像机的诞生，它不仅适用于高分辨率电视（hdtv）摄像系统，而且大大提高了标准电视摄像系统的质量。它的使用必将给电视节目制作和演播室照明技术带来新的变化。 2 高灵敏度摄像管的发展过程 摄像管的研究工作目前已在提高灵敏度和分辨率、降低惰性及噪声影响等方面取得进展。日本已先后推出harp和super-harp摄像管，这些摄像管以其极高的灵敏度被认为是当今新一代摄像管的代表。 以往在station或plumbicon三管摄像机以及ccd摄像机进行拍摄时，只要照度低于20lux,图像质量就难以保证。而硅靶增强型（sit）摄像管和图像增强型（it）摄像管虽然具有较高的灵敏度，但由于存在较强的惰性和较大的噪波，加之分辨率较低，也难以形成理想的图像。1987年，日本nhk研究所发现非晶硒与晶体半导体一样具有雪崩式倍增作用，在此基础上发明了可在低照度条件下产生良好的电视图像的新型光电导体和靶结构，即高增益雪崩倍增非晶光电导体（high gain avalanvhe rushing amorphous photoconductor），简称harp靶。利用这种结构研制的摄像管的灵敏度要比普通摄像管高10倍，并且能产生与hdtv摄像管相同的高质量图像。且该摄像管不仅适用于标准电视系统，而且非常适用于hdtv系统。1988～1993年，日本nhk研制成功了在20nm～1.9μm甚至x波段内有光响应的多种harp靶摄像管，并被命名为“harpicon”和“super-harpicon”。1991年，nhk又硬件出更高灵敏度的super-harp摄像管。它的灵敏度比普通摄像管和ccd摄像器件高100倍，并能在由日光到月光这样宽的照明条件下形成高质量图像，从而成为新一代的电视摄像管。 3 harp和super-harp摄像管的原理 当半导体中空间电荷区的电场增强时，通过空间电荷区的电子和空穴在电场的作用下获得的能量亦随之增大。这样，晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞。当电子和空穴的能量足够大时，通过碰撞，可使其价键中的电子激发形成自由电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，并重新获得能量。通过碰撞又将产生新的电子空穴对，这就是载流子的倍增效应。由于这种雪崩倍增现象同样存在于非晶硒中，所以hapr和super-harp摄像管便可利用靶层内的雪崩倍增现象获得很高的灵敏度。图1是普通摄像管与harp摄像管的工作原理比较。 由图1可见，在普通摄像管中，一个入射光子仅产生一个光生电子空穴对。而在harp摄像管中，加在靶层中的强电场将使空穴朝电子束扫描运动方向加速，被加速的空穴与靶内原子相撞并使其发生电离以产生新的电子空穴对。由于雪崩倍增，harp摄像管中的每一个入射光子将可读出大量的载流子。雪崩倍增的程序由靶厚度压值决定。harp