СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H01L31/18 H01L31/04 

Изобретение относится к приборам, состоящим из нескольких полупроводниковых компонентов, чувствительных к различным видам фотонного излучения, от оптического до гамма-излучения, преобразующих энергию этих излучений в электрическую энергию.

Известен способ стабилизации чувствительности импульсного генератора по крайней мере с одним полупроводниковым p-n-переходом [1]. Этот способ заключается в предварительном облучении генератора нейтронами с флюенсом (10-100)F_пор, в результате чего процесс уменьшения чувствительности переводится в область ее плавного спада.

На фиг. 1 показаны: I - начальная область плавного изменения чувствительности, II - область резкого спада чувствительности, III - область плавного спада чувствительности при дальнейшем возрастании флюенса нейтронов или протонов. U_F/U_o графически показывает соотношение напряжений на емкостной нагрузке U_F после и U_o до воздействия на генератор нейтронов или протонов с флюенсом F при фиксированном значении интенсивности электромагнитного излучения.

Представленная на фиг. 1 зависимость связана с известным эффектом уменьшения времени жизни неосновных носителей в области p-n-перехода после воздействия нейтронного (или аналогичного ему по дефектообразованию, например, протонного) излучения и, как следствие, с сокращением длительности генерируемого импульса тока, что, в свою очередь, приводит к уменьшению амплитуды зарядного напряжения на емкостной нагрузке.

Предварительное нейтронное облучение, превышающее по флюенсу величину ≈100F_пор, при слабом отжиге дефектов позволяет стабилизировать фотонную чувствительность p-n-перехода при дальнейшем, соизмеримом с предварительным, нейтронном облучении перехода.

Недостатком такого способа стабилизации чувствительности импульсного генератора является необходимость технологической операции по радиационной модификации его электрофизических характеристик путем облучения нейтронами, например, в ядерном реакторе, что неизбежно приведет к появлению остаточной наведенной активности облученного образца. Помимо того, что радиационные технологии, связанные с реакторным облучением образцов, сами по себе являются достаточно дорогостоящими, они экологически небезопасны, т.к. переводят первоначально неактивный образец в разряд открытых источников излучения. Радиационная технология, связанная с предварительным нейтронным облучением p-n-перехода с целью уменьшения времени жизни неосновных носителей, описана и в [2]. К недостаткам такого способа стабилизации электрофизических характеристик следует отнести и неизбежное изменение этих характеристик во времени, особенно при повышенной температуре, вследствие известного явления так называемого отжига радиационных дефектов полупроводниковых структур [2].

Известны полупроводниковые и пироэлектрические генераторы, действие которых основано на генерации ЭДС при облучении. В полупроводниковых - в области облучаемого p-n-перехода, в пироэлектрических - посредством прямого преобразования энергии излучения в электрический сигнал за счет пироэффекта.

В частности, к таким преобразователям относится, например, пьезоэлектрическое устройство для преобразования энергии излучения в электрическую энергию [3], измеритель интенсивности излучения с помощью полупроводникового датчика [4] ; пироэлектрический детектор [5]; полупроводниковый индикатор излучения [6] ; инфракрасный детектор [7] и т.д. Известны также [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

Указанные полупроводниковые устройства выполнены в виде матриц скоммутированных микрофотопреобразователей с p-n-переходами, расположенными на гранях микрофотопреобразователей. Конкретное расположение переходов позволяет реализовать микроминиатюрные фотоприемники с КПД до 50% и более при любом спектре падающего излучения. В зависимости от способа получения и назначения коммутация может быть выполнена последовательной, параллельной или смешанной. Коммутируя параллельно или последовательно-параллельно фотопреобразователи, можно получить высокочувствительный позиционный генератор. В устройстве могут быть использованы также и p-n-p-, n-p-n-, p-p⁺ (n-n⁺)-переходы. В дальнейшем для микрофотопреобразователей стал использоваться термин "фотовольтаический" генератор, устройство или радиационный фотовольтаический детектор, например, [14, 15, 16]. Микрофотопреобразователи выполняются в виде микроминиатюрных параллелепипедов и образуют твердотельную матрицу. Толщина микрофотопреобразователей соизмерима с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, p-n-переходы располагают параллельно падающему излучению, и такие фотовольтаические матрицы могут генерировать ЭДС до 50 B и более.

Основной недостаток пироэлектрических генераторов - относительно низкая по сравнению с фотовольтаическими полупроводниковыми генераторами радиационная чувствительность, ограничивающая их применение только в мощных радиационных полях.

Общим же недостатком всех перечисленных выше полупроводниковых фотоэлектрических генераторов является уменьшение их чувствительности (радиационного отклика) на фотонное излучение после воздействия нейтронного или аналогичного ему по дефектообразованию, например, протонного излучения. Уменьшение чувствительности связано с известным эффектом деградации p-n-перехода главным образом вследствие уменьшения времени жизни неосновных носителей в областях переходов.

Вследствие отмеченных факторов при воздействии нейтронов или протонов на полупроводниковые фотовольтаические структуры изменяются амплитудные люкс-амперные (рад-амперные) характеристики преобразователей вплоть до из полной деградации.

Экспериментально установлено, что зависимость этих характеристик от флюенса воздействующих нейтронов или протонов не является линейной, т.е. до некоторого значения флюенса корпускулярного излучения F_пор изменение коэффициента преобразования энергии (КПЭ) происходит незначительно, а далее имеет место интенсивный спад. Для распространенных Si, Ge, CaAs полупроводниковых структур в области резкого спада (область II на фиг.1) чувствительность (КПЭ) может уменьшаться в 10-20 раз.

При дальнейшем увеличении флюенса после достижения значений (10-100)F_пор характер спада чувствительности становится более плавным.

Технические задачи изобретения: упрощение стабилизации чувствительности, снижение стоимости стабилизации чувствительности полупроводникового фотовольтаического генератора без применения радиационных технологий, стабилизация характеристик генератора во времени.

Сформулированные технические задачи решаются следующим образом.

Предлагается способ стабилизации чувствительности импульсного генератора по крайней мере с одним фотовольтаическим полупроводниковым p-n-переходом, преобразующим энергию фотонного излучения, поглощенную в области p-n-перехода, в электрическую энергию, отличающийся тем, что фотовольтаический генератор выполняют интегрирующим, затем последовательно исключают низкочастотную составляющую генерируемого сигнала шунтированием первого генератора реактивным элементом, исключают колебательный процесс в интегрирующей цепи путем введения нелинейного элемента, уменьшают выходной сигнал устройства встречно компенсирующим сигналом второго интегрирующего генератора.

Предлагается устройство для реализации указанного способа, включающее импульсный генератор по крайней мере с одним фотовольтаическим полупроводниковым p-n-переходом, отличающееся тем, что в него введены индуктивность, диод, первая и вторая емкостные нагрузки, при этом первый и второй генераторы выполнены интегрирующими, устройство выполнено в виде мостовой схемы с диагональю, первый и второй импульсные генераторы в первом и четвертом плечах соединены одноименными выводами с первым выводом диагонали, второй вывод первого импульсного генератора соединен с одним из выводов диода, другой вывод диода соединен с вторым плечом мостовой схемы, в котором между выводами плеча последовательно включена первая емкостная нагрузка, вывод второго плеча соединен с вторым выводом диагонали и первым выводом третьего плеча мостовой схемы, в которой включена вторая емкостная нагрузка, второй вывод которой соединен с противоположным выводом второго генератора, а индуктивность подключена параллельно первому импульсному генератору.

Прототипом способа стабилизации чувствительности импульсного генератора выбран способ, основанный на известном приеме радиационной модификации по [1].

Прототипом устройства, реализующего способ, выбран, для определенности, [8].

Как известно, преобразователи энергии излучения в электрическую, являющиеся генераторами тока, способны работать на любую нагрузку: активную, емкостную, индуктивную или сложную, являющуюся комбинацией первых трех. В частности, при работе импульсного генератора на емкостную нагрузку (т.н. устройство интегрирующего типа) происходит интегрирование импульса тока, выработанного генератором. При этом по законам электротехники заряд на конденсаторе

а напряжение

где
t_и - длительность импульса тока;
i(t) - зависимость тока от времени в импульсе;
C - емкость конденсатора.

В случае, когда радиационный отклик генераторного полупроводникового устройства имеет запаздывающую составляющую, связанную с временем рассасывания неосновных носителей в области облучаемого p-n-перехода, т.е. устройство некоторое время продолжает отдавать энергию на нагрузку после прекращения действия импульса излучения, после воздействия нейтронов имеет место уменьшение времени жизни неосновных носителей, определяемое известной эмпирической формулой [17]:

где
τ- - время жизни неосновных носителей после воздействия нейтрального облучения с флюенсом F;
τ_o- время жизни неосновных носителей при отсутствии нейтронного облучения p-n -перехода;
F - флюенс воздействующих нейтронов;
K - константа, зависящая от типа полупроводника, вида перехода и т.д.

Из анализа этой формулы следует, в частности, что при относительно малых значениях флюенса нейтронов (F<F_пор) относительное уменьшение времени жизни неосновных носителей пренебрежимо мало, т.е. τ≈τ_o , и эффект изменения чувствительности генераторного устройства проявляется весьма слабо (область I на фиг. 1).

При больших флюенсах (F>10-100F_пор) зависимость имеет ярко выраженный гиперболический вид, определяемый зависимостью вида т.к. причем этот участок (область III на фиг.1) соответствует области гиперболической функции, асимптотически приближающейся к оси абсциссы, в которой зависимость

где
U_CF - заряд на емкости при облучении фотонами после воздействия нейтронов, изменяется очень мало.

Из вышеизложенного совершенно очевидно следует, что по мере нейтронного облучения время жизни неосновных носителей уменьшается, следовательно, уменьшается длительность времени протекания в нагрузку тока и, как следствие, в случае фиксированной емкостной нагрузки уменьшается зарядное напряжение на ней.

Отсюда видно, что стабилизация относительной чувствительности генератора, определяемой отношением амплитуд зарядного напряжения на интегрирующей емкости до (U_C) и после (U_CF) воздействия нейтронов (или протонов, аналогично влияющих на p-n-переход), может быть достигнута исключением (или уменьшением) зависящей от нейтронного облучения запаздывающей (низкочастотной) составляющей импульса тока радиационного отклика генератора.

Таким образом, после предварительного облучения p-n-перехода нейтронами с флюенсом, обеспечивающим значительное уменьшение времени жизни неосновных носителей, будет иметь место токовый радиационный отклик полупроводникового фотовольтаического генератора с уменьшенной длительностью по сравнению с первоначальным значением.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

С помощью по крайней мере одного p-n-перехода преобразуют энергию, поглощенную в области p-n-перехода, в электрическую энергию; генератор выполняют интегрирующим, затем исключают низкочастотную составляющую генерированного сигнала шунтированием генератора реактивным элементом, исключают колебательный процесс в интегрирующей цепи путем введения в нее нелинейного элемента; уменьшают выходной сигнал устройства встречно компенсирующим сигналом второго интегрирующего генератора.

При воздействии импульсного электромагнитного излучения на генератор, зашунтированный реактивным элементом (индуктивностью), первая накопительная емкость через нелинейный элемент (диод) заряжается до напряжения U_C1, пропорционального интегралу импульса тока в ее зарядной цепи. Сигнал, вырабатываемый вторым генератором, имеющий неподавленную низкочастотную составляющую, в свою очередь заряжает вторую накопительную емкость, включенную последовательно с первой емкостью, до напряжения U_C2 противоположной полярности по отношению к U_C1. При этом соотношения ЭДС первого и второго генераторов, номинальных значений первой и второй накопительных емкостей и значение индуктивности выбраны таким образом, что U_C1>U_C2 и суммарный сигнал U_C на выходе устройства, определяемый алгебраической суммой зарядных напряжений первого и второго соединенных между собой последовательно конденсаторов, есть в абсолютном выражении из разность, т.е.

U_C=U_C1-U_C2. (5)
После воздействия нейтронов на первый генератор низкочастотная составляющая вырабатываемого им сигнала подавляется за счет уменьшения времени жизни неосновных носителей, а высокочастотная составляющая часть сигнала, изначально определяющая заряд первого конденсатора, за счет введения индуктивности деформируется в меньшей степени и первая накопительная емкость заряжается до напряжения U_C1F.

Аналогично, сигнал, вырабатываемый после нейтронного облучения вторым генератором, теряет свою низкочастотную составляющую, а вторая накопительная емкость заряжается до напряжения U_C2F, причем в силу того, что первая емкость изначально заряжалась относительно мало изменившимся после воздействия нейтронов (протонов) коротким импульсом тока, а заряд на второй емкости резко снизился за счет вызванного нейтронами уменьшения длительности импульса ее зарядного тока, вырабатываемого вторым генератором, имеет место соотношение

а суммарный сигнал U_CF, как и в [5], определяется разностью
U_CF=U_ClF-U_C2F , (7)
где U_C1F>U_C2F,
и в приближении можно записать
U_CF ≈ U_ClF. (8)
Отсюда, производя выбор соотношений ЭДС и токов, вырабатываемых первым и вторым генераторами, определяемых количеством p-n-переходов и их площадью, достигаются значение индуктивности (для конкретного диапазона длительностей импульса электромагнитного излучения) и минимальное различие между U_C и U_CF, т. е. имеет место стабилизация чувствительности устройства к воздействию электромагнитного излучения после дестабилизирующего воздействия нейтронов (протонов).

Дальнейшая добавка нейтронного облучения, не вызывая резкого уменьшения амплитуды радиационного отклика генератора, уже практически не влияет на его длительность, следовательно, предварительное нейтронное облучение является известным способом стабилизации чувствительности устройства при воздействии дистабилизирующего фактора в виде дальнейшего нейтронного обучения.

Электрическая принципиальная схема устройства представлена на фиг. 2, где 1 - первое плечо моста; 2 - второе плечо моста; 3 - третье плечо моста; 4 - четвертое плечо моста; 5 - диагональ моста; 6 - первый фотовольтаический генератор; 7 - индуктивность; 8 - диод; 9 - первый конденсатор; 10 - второй конденсатор; 11 - второй фотовольтаический генератор; 12 - первый зарядный контур; 13 - второй зарядный контур; 14 - общая точка соединений генераторов; 15 - общая точка соединения конденсаторов; 16 - точка подключения первого вывода устройства; 17 - точка подключения второго вывода устройства; 18 - выводы устройства; 19 - направления зарядных токов в контурах.

Устройство для реализации способа стабилизации чувствительности интегрирующего полупроводникового импульсного генератора выполнено в виде мостовой схемы, состоящей из двух смежных контуров, электрически сопряженных друг с другом общей перемычкой, являющейся диагональю моста. Первый контур, образованный первым 1 и вторым 2 плечами и диагональю 5, содержит в первом плече полупроводниковый фотовольтаический генератор 6, зашунтированный индуктивностью 7, и соединенный с ним последовательно диод 8. Во второе плечо 2 первого контура включен первый конденсатор 9. Диод 8 в первом плече моста включен с полярностью, обеспечивающей протекание генерируемого тока в конденсатор 9 в прямом направлении.

Второй контур мостовой схема образован общей диагональю 5, третьим 3 и четвертым 4 плечами моста. В третье плечо 3 включен второй конденсатор 10, в четвертое - второй полупроводниковый фотовольтаический генератор. Первый генератор 6 в первом плече моста и второй генератор 11 в четвертом 4 плече соединены в общей точке выводами с одинаковой полярностью, т.е. включены по отношению друг к другу встречно, заряжая таким образом первую и вторую емкости соответственно в смежных втором 2 и третьем 3 плечах моста до зарядных напряжений противоположной полярности. Общие точки 16, 17 между первым и вторым плечами моста и между третьим и четвертым плечами моста являются внешними выводами 18 устройства.

Уменьшение абсолютного значения чувствительности к электромагнитным излучениям фотовольтаического генератора, неизбежное после включения его в схему устройства, обеспечивающего его стабилизацию по отношению к нейтронному облучению, может быть скомпенсировано путем повышения энергетических характеристик генератора за счет, например, увеличения количества p-n-переходов и площади многопереходной матрицы.

Стабилизированный по отношению к нейтронному и протонному излучениям полупроводниковый фотовольтаический генератор в составе устройства может найти применение в качестве детектора импульсного электромагнитного излучения в диапазоне от инфракрасного до гамма-излучения при сопутствующем нейтронном (или протонном) излучении, а также в приборах и устройствах, к которым предъявляются требования по нейтронной (протонной) стойкости.

Реактивный элемент устройства может быть реализован шунтированием первого генератора индуктивностью, нелинейный элемент - диод с параметрами, обеспечивающими функционирование схемы (допустимые прямой ток, максимальное обратное напряжение).

Источники информации
1. Полупроводниковый детектор импульсного гамма-излучения высокой интенсивности. В. В. Воробьев, В.Н.Афанасьев, В.Ф.Хохряков, опубл. в ПТЭ N 1, 1974 г., стр. 55-57.

2. Вавилов В.С. Действие излучений на полупроводники. М.: Физматиз.

3. Патент США N 4058729, G 01 T 1/24, опубл. 15.11.77.

4. Патент Японии 47-45035, G 01 T 1/24, опубл. 14.11.72.

5. Заявка Франции N 2388262, G 01 T 5/00, опубл. 22.12.78.

6. Патент США N 3311759, G 01 T 1/24, опубл. 28.03.67.

7. Заявка Великобритании N 2228824, H 01 L 27/14, опубл. 01.03.89.

8. А.с. N 288159, H 01 L, опубл. 03.12.70.

9. А.с. N 288160, H 01 L, опубл. 03.18.70.

10. А.с. N 288161, H 01 L, опубл. 03.12.70.

11. А.с. N 288162, H 01 L, опубл. 03.12.70.

12. А.с. N 288163, H 01 L, опубл. 24.11.76.

13. А.с. N 434872, H 01 L 21/00, опубл. 42.11.76
14. Патент Великобритании N 2207282, H 01 L 27/14, 25.01.89.

15. Патент США N 4243885, G 01 T 1/24, опубл. 06.01.81.

16. Патент США N 4808242, H 01 L 27/14, 31/18, опубл. 28.02.89.

17. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское радио. 1971, с. 191.

Использование: в приборах, состоящих из нескольких полупроводниковых компонентов, чувствительных к различным видам фотонного излучения, от оптического до гамма-излучения. Технический результат изобретения - упрощение стабилизации чувствительности, снижение стоимости стабилизации чувствительности полупроводникового фотовольтаического генератора без применения радиационных технологий, стабилизация характеристик генератора во времени. Сущность изобретения: с помощью по крайней мере одного p - n-перехода преобразуют энергию, поглощенную в области p - n-перехода, в электрическую энергию. Генератор выполняют интегрирующим, затем исключают низкочастотную составляющую генерированного сигнала шунтированием генератора реактивным элементом, исключают колебательный процесс в интегрирующей цепи путем введения в нее нелинейного элемента, уменьшают выходной сигнал устройства встречно компенсирующим сигналом второго интегрирующего генератора. Устройство для реализации способа стабилизации чувствительности интегрирующего полупроводникового импульсного генератора выполнено в виде мостовой схемы, состоящей из двух смежных контуров, электрически сопряженных друг с другом общей перемычкой, являющейся диагональю моста. Первый контур, образованный первым и вторым плечами и диагональю, содержит в первом плече полупроводниковый фотовольтаический генератор, зашунтированный индуктивностью, и соединенный с ним последовательно диод. Во второе плечо первого контура включен первый конденсатор. Диод в первом плече моста включен с полярностью, обеспечивающей протекание генерируемого тока в конденсатор в прямом направлении. Второй контур мостовой схемы образован общей диагональю, третьим и четвертым плечами моста. В третье плечо включен второй конденсатор, в четвертое - второй полупроводниковый фотовольтаический генератор. Первый генератор в первом плече моста и второй генератор в четвертом плече соединены в общей точке выводами с одинаковой полярностью, т.е. включены по отношению друг к другу встречно, заряжая таким образом первую и вторую емкости соответственно в смежных втором и третьем плечах моста до зарядных напряжений противоположной полярности. Общие точки между первым и вторым плечами моста и между третьим и четвертым плечами моста являются внешними выводами устройства. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ стабилизации чувствительности импульсного генератора по крайней мере с одним фотовольтаическим полупроводниковым p - n-переходом, преобразующим энергию, поглощенную в области p - n-перехода, в электрическую энергию, отличающийся тем, что фотовольтаический генератор выполняют интегрирующим, затем последовательно исключают низкочастотную составляющую генерированного сигнала шунтированием первого генератора реактивным элементом, исключают колебательный процесс в интегрирующей цепи путем введения нелинейного элемента, уменьшают выходной сигнал устройства встречнокомпенсирующим сигналом второго интегрирующего генератора. 2. Устройство для реализации способа по п.1, включающее импульсный генератор по крайней мере с одним фотовольтаическим полупроводниковым p - n-переходом, отличающееся тем, что введены индуктивность, диод, второй импульсный генератор по крайней мере с одним фотовольтаическим полупроводниковым переходом, первая и вторая емкостные нагрузки, при этом первый и второй генераторы выполнены интегрирующими, а устройство выполнено в виде мостовой схемы с диагональю, первый и второй импульсные генераторы в первом и четвертом плечах соединены одноименными выводами с первым выводом диагонали, второй вывод первого импульсного генератора соединен с одним из выводов диода, другой вывод диода соединен с вторым плечом мостовой схемы, в котором между выводом плеча последовательно включена первая емкостная нагрузка, вывод второго плеча соединен с вторым выводом диагонали и первым выводом третьего плеча мостовой схемы, в которой последовательно включена нагрузка, второй вывод которой соединен с противоположным выводом второго генератора, а индуктивность подключена параллельно первому импульсному генератору.