Юбилей первого отечественного фотодиода из германия

Юбилей первого отечественного фотодиода из германия

В 1958 году Постановлением Совета Министров СССР московскому научно-исследовательскому предприятию «НИИ 801» поручается научно-исследовательская работа «Клевер» по созданию фотодиодного приемника из германия для наведения управляемых реактивных снарядов по инфракрасному лучу. Наш рассказ о появлении основного элемента системы самонаведения — фотодиодного приемника из германия для наведения управляемых реактивных снарядов по инфракрасному лучу.

Следует отметить, что идея применения оптического канала для управления ракетной техникой высказывалась основоположником космонавтики К. Э. Циолковским еще в начале XX столетия. В 1903 г. он писал: «…Возможно употребить для этой цели… силу солнечных лучей, сосредоточенных с помощью двояковыпуклого стекла. Каждый раз, когда снаряд с трубой поворачивается, маленькое изображение Солнца меняет свое относительное положение в снаряде, что может возбудить… электрический ток…, восстанавливающий направление трубы, при котором светлое пятно падает на нейтральное, так сказать, нечувствительное место механизма».

Первые попытки создать реактивные снаряды с инфракрасным наведением в СССР относятся к середине 1950-х годов. Сначала с использованием многокаскадных электронно-оптических преобразователей разрабатывалась авиационная ракета для поражения аэростатов. В 1956-1958 годах в московском «НИИ 801» (организованный в 1946 г. на базе ВЭИ специализированный институт, ныне – НПО «Орион») были проведены разработки низкоуровневой телевизионной трубки для использования в головке самонаведения авиационной ракеты К-7. Исследовались и возможности использования освоенных к тому времени электронно-оптических преобразователей (ЭОП) для создания авиационной ракеты К-8 с инфракрасным наведением в ближней ИК-области (до 1,5 мкм) для поражения самолетов противника. Однако серьезными успехами эти попытки не увенчались. Большие линейные размеры многокаскадных ЭОП, наличие хрупких стеклянных элементов конструкции, а главное — недостаточная чувствительность в области длин волн более одного микрона, не позволяли надеяться на создание инфракрасных головок самонаведения с дальностью действия, необходимой для авиационных применений. Требовался принципиально другой подход к разработке приемника лучистой энергии, способного зарегистрировать тепловое излучение объекта в условиях сильной засветки Солнцем на расстояниях от нескольких до десятков километров.

Работы по созданию управляемого ракетного оружия с использованием полупроводниковых фотоэлектрических приемников начались также в США в 1940 году в Центре военно-морских вооружений (US Naval Weapons Center). В 1953 году там были проведены первые испытания авиационной управляемой ракеты класса «воздух-воздух», а в 1956 году ракета «Sidewinder» (AIM-9B) с инфракрасной головкой самонаведения и неконтактным взрывателем на основе приемников из сернистого свинца поступила на вооружение ВВС и ВМФ США. Военно-воздушные силы США впервые применили ее во время военного конфликта между Тайванем и континентальным Китаем в 1957-1958 годах.

В дальнейшем ракета «Sidewinder» широко использовалась во время вьетнамской войны. Вскоре аналогичная управляемая авиационная ракета «Firestreak» для поражения воздушных целей была создана в Великобритании. Это положило начало развитию целого направления военной техники, в результате которого было создано ракетное оружие класса «воздух-воздух» (многочисленные модификации ракеты «Sidewinder» и «Falcon» в США, в Великобритании появились «Red Тор», «Taledog», во Франции — «Matra», в Японии — ХААМ-А-3, в Швеции — Rb28, а также зенитные ракеты «земля-воздух» для противовоздушной обороны (в США — «Red Eye», «Chaparall» и др.).

Ракета «Sidewinder» (AIM-9B) с инфракрасной головкой самонаведения

Ракета «Sidewinder» (AIM-9B) с инфракрасной головкой самонаведения

Это заложило основы тепловидения, сверхдальней теплопеленгации, лазерной локации и дальнометрии, оптической связи и других современных направлений оптико-электронного приборостроения, привело к созданию новых областей физики полупроводников. Началось быстрое развитие теплопеленгации в спектральных диапазонах 3 и 8-14 мкм. В свою очередь это привело к созданию промышленной технологии антимонида индия, высокоомного и легированного германия и кремния, ИК-приемников на их основе.

В 1956 году в «НИИ 801» началась работа по разработке германиевых фотодиодов с максимумом чувствительности порядка 1,5 мкм — НИР «Переход». К началу этих работ о технологии изготовления приемников на основе «чистого» германия, чувствительных к инфракрасному излучению, было известно довольно мало. В 1949-1950 годах германиевые фотодиоды, в которых направление светового пучка и плоскость р-п-перехода были параллельны, описал Дж. Н. Шрайв (J. N. Shrive, «Bell Laboratories»). В 1954 году были описаны свойства плоскостных фотодиодов, созданных в Ленинградском физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе путем высокотемпературной диффузии индия в пластины из монокристаллического германия (Ж. И. Алферов — в будущем Нобелевский лауреат, академик РАН, С. М. Рыбкин, Б. М. Коноваленко и др.).

Монокристаллический слиток германия

Монокристаллический слиток германия

Первый монокристалл германия в СССР был выращен в 1948 г. Н.А. Пениным. Он сделал это на самодельной установке из сырья – поликристаллического германия — полученного советской разведкой. Систематические исследования процесса выращивания монокристаллов германия методом Чохральского начались в СССР с начала 50-х гг. и шли одновременно в нескольких местах – ФТИ им. Иоффе, ФИАН им. Лебедева, ИМЕТ им. Байкова, СФТИ и др. В 1950 г. лабораторные образцы германиевых триодов были разработаны в ФИАНе (Б.М. Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавилов и др.), в ЛФТИ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Наследов) и в ИРЭ АН СССР (С.Г. Калашников, Н. А. Пенин и др.). В 1956 г. методом Чохральского в Гиредмете были выращены первые в СССР промышленные монокристаллы германия (из отечественного сырья, на отечественной установке выращивания, по собственной технологии).

60 лет назад распустился «Клевер»

К началу 1958 года были разработаны первые отечественные «вплавные» фотодиоды из германия в конструкциях, способных выдерживать механические нагрузки, соответствующие артиллерийскому выстрелу. В 1958 году Постановлением Совета Министров СССР «НИИ 801» поручается научно-исследовательская работа «Клевер» по созданию фотодиодного приемника из германия для наведения управляемых реактивных снарядов по инфракрасному лучу. Приемник располагался на летящем снаряде и должен был регистрировать сравнительно слабое управляющее излучение источника как ночью, так и в условиях сильной засветки прямым солнечным светом, на расстояниях 2-3 километра.

В итоге, в 1960-1970 годы в СССР было создано эффективное ракетное вооружение с инфракрасными самонаводящимися системами (авиационный комплекс К-13, зенитные ракетные комплексы «Стрела-1», «Стрела-2», «Стрела-2М», «Стрела-3», «Стрела-10», «Игла» и др.). Решающий вклад в решение этой проблемы внес коллектив «НИИ 801», сумевший разработать и организовать в СССР промышленное производство новых фотоприемных устройств, полупроводниковых материалов, систем охлаждения и др. Разработчикам пришлось столкнуться с проблемами обеспечения необходимой чистоты технологических сред, оснастки, помещений, реактивов и др.

Эти работы стали важнейшим этапом в становлении отечественной технологии фотоэлектроники.