ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК Российский патент 1998 года по МПК H01L31/08 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик оптического излучения в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения интенсивности оптического излучения, 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].

Недостатком таких устройств является низкая чувствительность, особенно в области слабых интенсивностей оптического излучения, так как при этом резко снижается скорость оптической генерации носителей заряда.

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

Недостатком известного устройства является низкая чувствительность и точность измерения, связанная с тем, что изменение освещенности канала полевого транзистора приводит к небольшим изменениям напряжения на затворе, а это в свою очередь - к небольшим изменениям тока стока.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового оптического датчика, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерений.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предполагаемом устройстве преобразованием управляемого светом сопротивления в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового оптического датчика, содержащего два фоточувствительных элемента, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, в которой введены два полевых транзистора, конденсатор и пассивная индуктивность и в качестве фоточувствительных элементов использованы фоторезисторы, причем затвор первого полевого транзистора через первый фоторезистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй фоторезистор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго фоторезистора и первому полюсу второго 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 транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование предлагаемого устройства для измерения интенсивности оптического излучения повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за свет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых транзисторов, в котором изменение сопротивления фоторезисторов под действием оптического излучения преобразуется в изменение емкости, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания.

На чертеже представлен полупроводниковый оптический датчик содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание через фоторезистор 2 полевых транзисторов 3 и 4, причем затвор полевого транзистора 3 соединен через фоторезистор 2 со стоком полевого транзистора 4, а затвор полевого транзистора 4 через фоторезистор 5 соединен со стоком полевого транзистора 3, истоки полевых транзистор 3 и 4 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 3 и 4 подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 6 и конденсатора 7, совместно с источником электрического питания 8. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 7 и общей шиной.

Полупроводниковый оптический датчик работает следующим образом. В начальный момент времени оптическое излучение не действует на фоторезисторы 2 и 5. Повышением напряжения управляющих источников 2 и 8 до величины, когда на зажимах сток-сток полевых транзисторов 3 и 4 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах сток-сток полевых транзисторов 3 и 4 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 6. Конденсатор 7 предохраняет источник 8 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 6, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче оптического излучения на фоторезисторы 2 и 5 происходит изменение их сопротивления, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимных сток-сток полевых транзисторов 3 и 4, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.

Использование: в области контрольно-измерительной техники, как датчик оптического излучения в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами. Сущность: в устройстве осуществляется преобразование управляемого светом сопротивления в частоту , для чего полевые транзисторы выступают в качестве емкостного элемента колебательного контура, а индуктивным элементом служит пассивная индуктивность. Полупроводниковый оптический датчик содержит два источника напряжения, которые осуществляют питание двух полевых транзисторов через фоторезисторы. Истоки полевых транзисторов соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности и конденсатора. 1 ил.

Полупроводниковый оптический датчик, содержащий два фоточувствительных элемента, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены два полевых транзистора, конденсатор и пассивная индуктивность, а в качестве фоточувствительных элементов использованы фоторезисторы, причем затвор первого полевого транзистора через первый фоторезистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй фоторезистор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго фоторезистора и первому полюсу второго 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 транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.