ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИК-ДИАПАЗОНА Российский патент 1995 года по МПК H04N5/33 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, конкретно к технике фоточувствительных приборов, и может быть использовано при проектировании фотоприемных устройств для преобразования изображения в дальней ИК-области (8-14 мкм) спектра электромагнитного излучения в электрический сигнал.

Известны многоэлементные фотоприемные устройства, в которых в качестве фоточувствительных элементов используются МДП-структуры приборов с зарядовой связью (ПЗС), а в качестве коммутатора регистры сдвига на основе ПЗС.

Недостатками таких устройств являются:
1. Высокие требования к технологии изготовления затворов ПЗС-структур. Например, для получения перекрытия потенциальных ям, что необходимо для обеспечения малых потерь переноса заряда, ширина зазора между электродами должна быть не более нескольких микрон. Но даже в узких зазорах профиль потенциала может меняться при изменении величины электростатического заряда на внешней поверхности окисла в зазорах, что может привести к значительному ухудшению и непостоянству эффективности переноса и, следовательно, к потере информации. Кроме того, необходимость в узких зазорах, которые меньше стандартного минимума (5-7) мкм, определяемого фотолитографией, приводит к значительному уменьшению выхода годных приборов, так как дефекты фотошаблонов или фотоэмульсии, частицы пыли размером всего лишь в несколько микрон могут замкнуть накоротко смежные электроды и вывести прибор из строя.

2. Невозможность использования фоточувствительных МДП-структур ПЗС на основе узкозонных полупроводников (КРТ, СОТ) в диапазоне длин волн 8-14 мкм. Этот недостаток обусловлен наличием в инверсном слое интенсивных туннельных электронных переходов валентная зона зона проводимости, которые наблюдаются в полупроводниках с узкой запрещенной зоной уже при малых потенциалах на металлическом электроде МДП-структуры. Вследствие этого к накопительной емкости можно прикладывать только малый потенциал, поэтому максимальный заряд, который может быть накоплен в потенциальной яме под электродом, тоже мал. Таким образом, в диапазоне длин волн 8-14 мкм не глубокие потенциальные ямы будут быстро заполняться носителями, генерированными интенсивным фоном, и время накопления сигнала будет недопустимо малым.

Известны фотоприемные устройства ИК-диапазона с внутренним интегрированием сигнала, представляющие собой линейку из фоточувствительного узкозонного полупроводника, как правило из теллурида кадмия и ртути (КРТ), с тремя омическими контактами, два из которых обеспечивают постоянный нагрузочный ток, а третий контакт потенциометрический, с которого происходит съем сигнала.

Недостатками этих устройств являются следующие:
1. Необходимость использования механического сканирования изображения вдоль фоточувствительной линейки.

2. Трудность обеспечения такой скорости сканирования, которая должна быть равна скорости дрейфа носителей в материале полупроводника фоточувствительной линейки.

3. Необходимость омического контактирования фоточувствительного полупроводника типа КРТ с другими элементами конструкции, что приводит к деградации фоточувствительных свойств полупроводника в области контакта, в результате чего линейки КРТ имеют неравномерную фоточувствительность по длине.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является многоэлементное приемное устройство, в котором в качестве фоточувстви- тельных элементов используются фоторезисторы, подключаемые в заданной последовательности ко входу избирательного усилия при помощи аналогового коммутатора, причем резонансная частота избирательного усилителя равна частоте пространственной модуляции потока ИК-излучения.

Недостатками этого устройства являются:
1. Сложность технологического процесса выполнения омических контактов к каждому фоточувствительному элементу фоторезистору, на основе КРТ, что приводит к уменьшению выхода годных приборов и низкой их надежности.

2. Низкая чувствительность, т.е. малое относительное изменение выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя при воздействии на него модулированного потока ИК-излучения. Относительное изменение выходного сигнала (чувствительность) такого фотопреобразователя при его питании от генератора постоянного тока определяется выражением
S_пост=
(1) где S_пост. чувствительность фотопреобразователя на постоянное токе;
R_ф темное сопротивление фоторезистора;
Δ R_ф приращение сопротивления фоторезистора при его освещении;
U_o, Δ U_ф падение напряжения на неосвещенном и приращение падения напряжения на освещенном фоторезисторе соответственно.

Поскольку обычно Δ R_ф ≈ (10^-4 10^-6) R_ф, то и 10^-410^-6
Целью настоящего изобретения является повышение надежности и чувствительности фотоприемных устройств ИК-диапазона на основе узкозонных полупроводников, предназначенных для работы в диапазоне длин волн 8-14 мкм.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемное устройство ИК-диапазона, содержащее фоточувствительные ячейки, поэлементно соединенные со входами аналогового коммутатора, и избирательный усилитель, введены буферный усилитель, катушка индуктивности, генератор переменного тока высокой частоты, конвертор отрицательного сопротивления, синхронный детектор, а фоточувствительные ячейки выполнены как гибридные структуры вида конденсатор-фоторезистор-конденсатор, причем первые емкостные электроды гибридных структур соединены с общим проводом, вторые емкостные электроды каждой из гибридных структур поэлементно соединены со входами аналогового коммутатора, выход которого подключен к выходам генератора переменного тока высокой частоты и конвертора отрицательного сопротивления, ко входу буферного усилителя, к первому выводу катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с общим проводом, а выход буферного усилителя соединен со входом синхронного детектора, выход которого соединен со входом избирательного усилителя.

В результате сравнения данного технического решения с существующим уровнем техники вышеуказанная совокупность признаков, позволяющая повысить надежность и чувствительность фотоприемных устройств ИК-диапазона, заявителем не выявлена, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлен эскиз многоэлементного фоточувствительного преобразователя (вид сверху); на фиг.2 поперечное сечение фоточувствительной ячейки; на фиг.3 эквивалентная схема фоточувствительной ячейки; на фиг.4 функциональная схема фотоприемного устройства ИК-диапазона.

Многоэлементный фоточувствительный преобразователь, выполненный, например, в виде линейки (фиг.1, фиг.2), состоит из пар металлических электродов 1 и 2 (по одной паре на каждую фоточувствительную ячейку), слоя диэлектрика 3, фоточувствительного слоя 4, изготовленного из узкозонного полупроводника, например из КРТ; подложки 5, прозрачной для излучения ИК-диапазона, изготовленной, например, из теллурида кадмия. Из фиг.1 и фиг.2 видно, что каждая из фоточувствительных ячеек является гибридной структурой вида конденсатор-фоторезистор-конденсатор и может быть представлена эквивалентной электрической схемой (фиг.3), где С₁ емкость между электродом 1 и фоточувствительным слоем 4; С₂ емкость между электродом 2 и фоточувствительным слоем 4; R_ф фоторезистор, образованный тем участком фоточувствительного слоя 4, в котором будет протекать ток между электродами 1 и 2, если к ним приложить переменное напряжение. При этом воздействие пространственно-модулированного потока ИК-излучения, падающего со стороны подложки 5 на фоточувствительную ячейку, выражается в изменении сопротивления того участка фоточувствительного слоя 4, который расположен под парой электродов 1 и 2 данной ячейки, так как ток, протекающий от электрода 1 к электроду 2, сконцентрирован под этими электродами, а расстояние между парами электродов соседних фоточувствительных ячеек в продольном направлении (фиг.1) выбирается таким, чтобы исключалась емкостная связь между ними за счет краевого эффекта. Расчетное значение этого расстояния составляет 10-15 мкм при размерах электродов 1 и 2 90 х 90 мкм². Расстояние между электродами 1 и 2 выбирается исходя из стандартного минимума (5-7 мкм), определяемого фотолитографией. Таким образом, в описанной конструкции многоэлементного фоточувствительного преобразователя достигается пространственное разделение соседних ячеек несмотря на то, что фоточувствительный слой 4 выполнен сплошным, а не разделенным механически на отдельные для каждой ячейки участки, причем нет необходимости в омическом контактировании фоточувствительного слоя 4 из КРТ, поскольку используется емкостное контактирование посредством емкостной связи этого слоя с электродами 1 и 2. Подключение фоточувствительных ячеек к остальной части фотоприемного устройства может быть выполнено, например, известным методом "перевернутого" монтажа с использованием индиевых столбиков.

Функциональная схема фотоприемного устройства ИК-диапазона (фиг.4) состоит из многоэлементного фоточувствительного преобразователя 6, каждая ячейка которого представлена своей эквивалентной электрической схемой, аналогового коммутатора 7, катушки индуктивности 8, генератора тока высокой частоты 9, конвертора отрицательного сопротивления 10, буферного усилителя 11, синхронного детектора 12, избирательного усилителя 13.

Фотоприемное устройство ИК-диапазона работает следующим образом. Каждая из фоточувствительных ячеек многоэлементного фоточувствительного преобразователя 6 емкостным электродом 1 подключена к общему проводу, а емкостным электродом 2 через один из замкнутых ключей аналогового коммутатора 7 к катушке индуктивности 8. При этом образуется параллельный колебательный контур, элементами которого является катушка индуктивности 8, одна из фоточувствительных ячеек преобразователя 6 и входная (выходная) емкость блоков, подключенных к катушке индуктивности 8. Значения емкости и индуктивности этого контура подбираются так, чтобы его резонансная частота была равна частоте колебаний генератора тока 9. Добротность параллельного колебательного контура и напряжение на нем зависят от потерь активной мощности на элементах контура, в том числе и на фоторезисторе R_ф фоточувствительной ячейки преобразователя 6. Следовательно, воздействие пространственно-модулированного потока ИК-излучения, вызывающее изменение сопротив- ления фоторезистора R_ф выбранной фоточувствительной ячейки преобразователя 6, приводит к амплитудной модуляции ВЧ напряжения на колебательном контуре, причем глубина модуляции (амплитуда огибающей ВЧ напряжения) пропорциональна интенсивности потока ИК-излучения, а частота модулирующего сигнала равна частоте пространственной модуляции потока ИК-излучения. Напряжение, снимаемое с колебательного контура, через буферный усилитель 11 поступает на детектор 12, детектируется и усиливается избирательным усилителем 13, резонансная частота которого равна частоте пространственной модуляции потока ИК-излучения. Выходной сигнал избирательного усилителя 13 пропорционален интенсивности потока ИК-излучения, падающего на выбранную фоточувствительную ячейку преобразователя 6, и может быть использован для дальнейшей обработки. Аналогичным образом производится опрос остальных фоточувствительных ячеек преобразователя 6, выбираемых при помощи аналогового коммутатора 7 в заданной последовательности.

Приведенное рассмотрение работы фотоприемного устройства ИК-диапазона велось без учета влияния конвертора отрицательного сопротивления 10, предназначенного для компенсации потерь активной мощности на элементах параллельного колебательного контура. При учете этого влияния относительное изменение выходного напряжения контура (чувствительность) при воздействии пространственно-модулированного потока ИК-излучения определяется выражением
S_вч=
(2) где S_вч чувствительность фотопреобразователя при ВЧ питании;
R_ф, Δ R_ф, U_o, Δ U_ф обозначения, аналогичные соответствующим обозначениям в (1);
R_пот1 cопротивление потерь контура, обусловленное переходным сопротивлением ключа коммутатора, активным сопротивлением катушки индуктивности 8 и т.п.

R_отр. отрицательное активное сопротивление, вносимое в контур конвертором 10;
L индуктивность контурной катушки 8;
С суммарная емкость контура;
К коэффициент включения фоточувствительной ячейки в контур;
ω круговая частота колебаний генератора тока 9, питающего контур.

Из выражения (2) следует, что соответствующий выбор величины R_отр, вносимого в контур, позволяет полностью компенсировать потери в контуре, обусловленные наличием сопротивления R_пот. Дальнейшее увеличение R_отр. приводит к компенсации потерь, обусловленных фоторезистором R_ф, что эквивалентно уменьшению его сопротивления. При некотором значении R_отр. будет выполняться условие
[R_пот. + R_ф ( ω²LCK)^-1 R_отр.]
R_ф/n > R_кр., (3) где n коэффициент уменьшения сопротивления;
R_кр. критическое (наименьшее) сопротивление потерь контура, при котором система "колебательный контур конвертор отрицательного сопротивления" переходит из устойчивого режима в режим генерации.

Подставив условие (3) в выражение (2), получим выражение для чувствительности предлагаемого фотопреобразователя при ВЧ питании, соответствующее устойчивому режиму работы
S=
(4) Разделив (4) на (1), получим:
n т.е. чувствительность фотопреобразователя предлагаемого устройства в n раз больше по сравнению с прототипом.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что в пределах устойчивого режима работы предлагаемого устройства можно получить увеличение чувствительности в 5-10 раз по сравнению с чувствительностью фоторезисторного преобразователя при его питании от генератора постоянного тока (т.е. по сравнению с прототипом).

Кроме повышения чувствительности предлагаемое устройство позволяет повысить отношение сигнал/шум, так как компенсация потерь колебательного контура, в состав которого входит фоточувствительная ячейка преобразователя 6, приводит к сужению полосы пропускания этого контура, в результате чего снижается уровень шума за счет подавления составляющих его частотного спектра, лежащих вне полосы пропускания колебательного контура.

Таким образом, из приведенного описания следует, что при изготовлении многоэлементного фоточувствительного преобразователя нет необходимости в выполнении узких зазоров между металлическими электродами, которые меньше стандартного минимума, определяемого фотолитографией, не требуется выполнения омических контактов к фоточувствительному слою, что позволяет упростить технологический процесс изготовления предлагаемых преобразователей, повысить их надежность и увеличить выход годных приборов. Использование конвертора отрицательного сопротивления в предлагаемом фотоприемном устройстве ИК-диапазона позволяет повысить его чувствительность и увеличить отношение сигнал/шум.

Данная совокупность свойств предлагаемого устройства определяет его преимущества по сравнению с прототипом и позволяет повысить надежность и чувствительность фотоприемных устройств ИК-диапазона.

Использование: техника фоточувствительных приборов, проектирование фотоприемных устройств для преобразования изображения в инфракрасной области. Сущность изобретения: фотоприемное устройство содержит металлические электроды 1 и 2, слой диэлектрика 3, фоточувствительный слой 4, подложку 5, прозрачную для инфракрасного излучения. Изобретение позволяет повысить надежность и чувствительность устройства. 4 ил.

ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИК-ДИАПАЗОНА, содержащее фоточувствительные ячейки, поэлементно соединенные с входами аналогового коммутатора, и избирательный усилитель, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и чувствительности, введены буферный усилитель, катушка индуктивности, генератор переменного тока высокой частоты, конвертор отрицательного сопротивления, синхронный детектор, а фоточувствительные ячейки выполнены в виде гибридных структур типа конденсатор фоторезистор конденсатор, причем первые емкостные электроды гибридных структур соединены с общим проводом, вторые емкостные электроды каждой из гибридных структур поэлементно соединены с входами аналогового коммутатора, выход которого подключен к выходам генератора переменного тока высокой частоты и конвертора отрицательного сопротивления, к входу буферного усилителя, к первому выводу катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с общим проводом, а выход буферного усилителя соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом избирательного усилителя.