ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ОСВЕЩЕННОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H01L27/144 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик освещенности в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения освещенности, которые состоят из фотодиода и операционного усилителя. Фотодиод представляет собой полупроводниковую p-i-n структуру, в которой тонкие проводящие слои p- и n- типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i). При попадании на p i переход световых лучей возникает фототок, величина которого изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света. Преобразование ток-напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора в цепи обратной связи операционного усилителя [1]
Однако такие устройства обладают низкой чувствительность, особенно в области слабых освещенностей, так как при этом резко снижается скорость оптической генерации носителей заряда.

Наиболее близким к изобретению техническим решением можно считать фотоэлектрический преобразователь [2] конструкция которого представляет собой высокоомную полупроводниковую подложку, на которой расположен канал с низкой концентрацией легирующей примеси, на котором сформированы области стока и истока с высокой концентрацией примеси, имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки. Поверх канала расположена Н - накопительная область затвора с типом проводимости подложки. Н накопительная область собирает заряды, возникающие при освещенности поверхности прибора. Величина тока, протекающего между истоком и стоком через накопительную область, изменяется в соответствии с ее потенциалом.

Однако известное устройство обладает низкой чувствительностью и точностью измерения, связанной с тем, что изменение освещенности канала полевого транзистора приводит к небольшим изменениям напряжения на затворе, а это в свою очередь приводит к небольшим изменениям тока стока.

Задача изобретения создание полупроводникового датчика освещенности, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения.

Задача решается тем, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предполагаемом устройстве преобразованием емкости в частоту, для чего полевые транзисторы выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах стоков полевых транзисторов. Индуктивным элементом контура является внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости под действием света преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения освещенности.

На чертеже изображен предлагаемый датчик. Полупроводниковый датчик освещенности содержит источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание светодиода 2, оптическое излучение которого воздействует на МДП фототранзисторы 3 и 4, причем затвор полевого фототранзистора 4 соединен со стоком полевого фототранзистора 3, а затвор полевого фототранзистора 3 соединен со стоком полевого фототранзистора 4, истоки полевых фототранзисторов 3 и 4 соединены между собой. Параллельно затвору полевого фототранзистора 3 и стоку полевого фототранзистора 4 включен источник 5 управляющего постоянного напряжения. Последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 7 и конденсатора 8 подключена совместно с источником постоянного напряжения 6 параллельно электродам сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 8 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик освещенности работает следующим образом. В начальный момент времени оптическое излучение не действует на полевые фототранзисторы 3 и 4.С повышением напряжения управляющих источников 5 и 6 до величины, когда на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4 возникнет отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 7. Емкость 8 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту и предохраняет источник 6 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 7, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче оптического излучения на полевые фототранзисторы 3 и 4 происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.

Использование предлагаемого полупроводникового датчика освещенности по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых фототранзисторов, в которых изменение емкости под действием света обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания 5 и 6.

Использование: контрольно-измерительные, а также различные устройства автоматизированного управления технологическими процессами. Сущность изобретения: в предлагаемом устройстве осуществляется преобразование емкости в частоту, для чего полевые фототранзисторы выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, а индуктивным элементом служит пассивная индуктивность. Такая конструкция устройства при подаче управляющих напряжений обеспечивает на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности. При подаче оптического излучения на полевые фототранзисторы происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах сток-сток, что приводит к изменению резонансной частоты контура. 1 ил.

Полупроводниковый датчик освещенности, содержащий регулируемый источник оптического излучения, волоконно-оптическую линию для передачи света, полевой фототранзистор, электрически связанный с двумя параллельно подключенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй полевой фототранзистор, конденсатор и пассивная индуктивность, причем затвор первого полевого фототранзистора через второй источник электропитания соединен со стоком второго полевого фототранзистора, а затвор второго полевого транзистора соединен со стоком первого полевого фототранзистора, истоки первого и второго полевых фототранзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого фототранзистора, затвору второго полевого фототранзистора и первому полюсу первого источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого фототранзистора, второму полюсу первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключается вторая выходная клемма.