ФОТОДЕТЕКТОР, СОДЕРЖАЩИЙ МОППТ С ПЛАВАЮЩИМ ЗАТВОРОМ Российский патент 2000 года по МПК H01L31/113 

Область техники
Настоящее изобретение относится к фотодетектору, содержащему МОППТ с плавающим затвором, который используется для измерения слабых уровней освещенности.

Одним из наиболее чувствительных фотодетекторов является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или просто фотоумножитель. По конструкции это устройство представляет собой электровакуумный прибор, содержащий светочувствительный фотокатод и электронный умножитель. К устройству с помощью высокого напряжения прикладывают электрическое поле. Детектируемые фотоны ударяются о фотокатод, из которого они высвобождают фотоэлектроны посредством процесса фотоэмиссии. Электронный умножитель состоит из группы (обычно 6-16) электродов вторичной эмиссии, называемых динодами, с повышением электрического потенциала между ними. Фотоэлектроны с катода направляют к первому диноду, где они образуют несколько вторичных электронов, которые, в свою очередь, направляют к следующему диноду, где повторяется вторичная эмиссия и т.д. Это приводит к усилению, так что сигнал с выходного электрода - анода является достаточно сильным для его обработки электронным способом. Недостатками фотоэлектронных умножителей является их сравнительно высокая стоимость и необходимость в высоком напряжении, что ограничивает и усложняет их эксплуатационную гибкость.

Другим классом устройств являются различные полупроводниковые фотодетекторы, например фотодиоды, фототранзисторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Обычным для них является то, что свету позволяют воздействовать на полупроводниковый материал, где он генерирует носители заряда (электроны и дырки), которые формируют электрический сигнал. В отношении полупроводниковых детекторов проблема заключается в том, что носители должны мигрировать в объем полупроводникового материала, где тепловая энергия создает большой фоновый шум.

Краткое изложение сущности изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается фотодетектор нового типа, который является дешевым, чувствительным и легким в изготовлении. Он представляет собой вакуумную камеру, содержащую фотоэмиссионную поверхность, способную высвобождать электроны (фотоэлектроны) фотоэлектронной эмиссией в ответ на фотоны света. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что фотоэлектроны детектируют полевым МОП-транзистором (МОППТ) с плавающим затвором, который соответствующим образом заряжают перед измерением. Фотоэлектронная эмиссия вызывает изменение в заряде затвора, причем это изменение показывает количество света, воспринятого детектором.

Согласно одному варианту осуществления изобретения фотоэмиссионная поверхность не прикреплена к затвору, который перед измерением заряжают до положительного потенциала. Положительный заряд притягивает фотоэлектроны и направляет их к затвору, где они нейтрализуют свой положительный заряд, приводя к уменьшению потенциала затвора. Это уменьшение является показателем количества света, воспринятого детектором.

Согласно другому варианту осуществления изобретения фотоэмиссионная поверхность выполнена непосредственно на плавающем затворе, который в этом случае перед измерением заряжают отрицательно. Высвобожденные фотоэлектроны собирают на отдельном электроде-аноде или непосредственно на металлической стенке кожуха устройства. Это вызывает увеличение в потенциале затвора, которое является показателем количества света, воспринятого детектором.

Во время фазы накопления фотоэлектронов фотодетектор не требует никакой электроэнергии (напряжения). Однако очевидно, что могут быть также приложены дополнительные электрические поля для оптимизации накопления фотоэлектронов.

Отличительным признаком изобретения является то, что электронам (фотоэлектронам), высвобожденным с фотоэмиссионной поверхности посредством фотоэлектронной эмиссии в ответ на фотоны света, дают возможность воздействовать на поверхность плавающего затвора МОППТ (полевого МОП-транзистора). Изобретение основывается на измерении действия фотоэлектронов на заряд, находящийся в емкости плавающего затвора МОППТ перед измерением.

Фотоэлектроны собирают под действием электрического поля, создаваемого затвором, после того как он был вначале заряжен до соответствующего потенциала. Эту первоначальную зарядку осуществляют, например, путем использования туннелирования по Фаулеру-Нордхайму.

Измеряя проводимость канала сток-исток МОППТ, можно определить величину заряда затвора без ликвидации самого заряда. Это аналогично считыванию информации, хранимой в памяти ЭППЗУ.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающий чертеж, на котором схематически изображен фотодетектор согласно изобретению.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Фотоэмиссионная поверхность 20 (фиг. 1) воспринимает фотоны света и высвобождает электроны (часто называемые фотоэлектронами) посредством фотоэлектронной эмиссии. Фотоэмиссионные материалы общеизвестны и могут быть аналогичны тем, которые применяются в фотокатодах фотоумножителей.

Фотоэлектроны детектируются МОППТ 10. Это устройство имеет три электрода: исток 11, сток 12 и затвор 13. Согласно изобретению затвор 13 поддерживается неприсоединенным, т.е. плавающим. На затворе 13 заранее образуют положительный заряд, например, приложением достаточно высокого напряжения между истоком 11 и стоком 12. Это приводит к возникновению туннелирования по Фаулеру-Нордхайму через оксидный изолирующий слой 14 затвора, что вызывает установление потенциала в плавающем затворе 13 при желаемом заряде.

Известно, что МОППТ с плавающими затворами обладают отличными свойствами сохранять заряд. Поэтому они весьма подходят для изготовления энергонезависимых запоминающих устройств, включая цифровые и аналоговые ППЗУ и ЭСППЗУ. МОППТ с заряженными плавающими затворами раньше использовали в качестве детекторов ионизирующего излучения (см. , например, публикацию PCT WO 95/12134).

Положительный заряд создает электрическое поле, которое притягивает фотоэлектроны и направляет их к затвору 13. На поверхности затвора 13 имеется непокрытый участок или участок, покрытый проводником, полупроводником или тонким изолирующим слоем. Толщина изолирующего слоя не может превышать 1 мм, чтобы оставалась возможность для прохождения электронов через него к фактическому затвору. Однако предпочтительнее, чтобы часть поверхности затвора была полностью открытой. Поэтому в оксидном изолирующем слое 14 плавающего затвора 13 выполнено отверстие 17, через которое фотоэлектроны могут непосредственно достигать поверхности затвора 13. При столкновении с затвором 13 фотоэлектроны нейтрализуют положительный заряд на нем, вызывая уменьшение потенциала затвора 13. Величина уменьшения потенциала за выбранный интервал времени служит показателем количества света, воспринятого фотодетектором за этот интервал времени.

Для обеспечения надлежащей работы фотоэмиссионная поверхность 20 и МОППТ 10 заключены в кожух 21, который вакуумирован. Кожух 21 имеет прозрачную часть 22, например стеклянное окошко, через которое фотоны света могут достигать фотоэмиссионной поверхности 20. На фиг. 1 показан вариант выполнения, в котором фотоэмиссионная поверхность 20 образована на внутренней поверхности прозрачной части 22. Фотоэмиссионная поверхность 20 соединена с металлической стенкой кожуха 21. Очевидно, что фотоэмиссионная поверхность может быть также расположена глубже во внутренней полости кожуха.

Потенциал 13, пропорциональный его заряду, может быть определен путем измерения проводимости канал исток-сток МОППТ 10 без ликвидации самого заряда. Проводимость измеряют, например, введением соответствующего напряжения между истоком 11 и стоком 12 и измерением получаемого в результате тока исток-сток. Другими словами, количество света, детектированного за выбранный интервал времени, может быть определено сравнением тока исток - сток после интервала детектирования с его первоначальным значением при полностью заряженном затворе.

Чтобы зарядное напряжение могло быть приложено между истоком 11 и стоком 12 и соответственно, чтобы изменение в потенциале (заряде) затвора 13 могло быть измерено так, как объяснено выше, исток 11 и сток 12 проводниками 26 и 27 соединены с соединителями 28 и 29, установленными на стенке кожуха 21.

Согласно другому варианту осуществления изобретения (не показан) фотоэмиссионная поверхность выполнена непосредственно на затворе, который в этом случае перед измерением заряжают отрицательно. Высвобожденные фотоэлектроны собирают на отдельном аноде или прямо на металлической стенке кожуха. Это вызывает увеличение потенциала затвора, которое служит показателем количества света, воспринятого детектором. Как и выше, это определяется измерением проводимости канала исток-сток.

Примечательно, что во время фазы детектирования света (т.е. накопления фотоэлектронов), предложенный фотодетектор не требует подачи электроэнергии (напряжения). Однако возможно, конечно, создание дополнительного электрического потенциала между фотоэмиссионной поверхностью и плавающим затвором между фотоэмиссионной поверхностью и анодом (не показан), чтобы увеличить и оптимизировать сбор фотоэлектронов.

Использование: для измерения слабых уровней освещенности. Сущность: фотодетектор содержит фотоэмиссионную поверхность, способную высвобождать фотоэлектроны. Фотоэлектроны детектируют посредством МОППТ, имеющим плавающий затвор, который перед измерением соответственно заряжают таким образом, чтобы фотоэлектроны могли вызывать изменение заряда плавающего затвора. Детектируемое изменение показывает количество света, воспринятого детектором. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, снижение стоимости и упрощение изготовления фотодетектора. 5 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Фотодетектор, содержащий фотоэмиссионную поверхность, способную испускать электроны в ответ на детектируемые фотоны света, МОППТ с плавающим затвором для подачи заряда, чтобы эмиссия электронов могла вызвать изменение заряда, и кожух, в который заключены фотоэмиссионная поверхность и МОППТ, при этом по меньшей мере часть кожуха выполнена прозрачной для света, чтобы свет мог достигать фотоэмиссионную поверхность. 2. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что фотоэмиссионная поверхность не соприкасается с плавающим затвором, а заряд является положительным. 3. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что фотоэмиссионная поверхность соприкасается с плавающим затвором, а заряд является отрицательным. 4. Фотодетектор по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство для сбора указанных электронов. 5. Фотодетектор, содержащий фотоэмиссионную поверхность, способную испускать электроны в ответ на детектируемые фотоны света, МОППТ с плавающим затворов, не соприкасающимся с фотоэмиссионной поверхностью, для подачи положительного заряда и накопления электронов, кожух, в который заключены фотоэмиссионная поверхность и МОППТ, при этом по меньшей мере часть кожуха выполнена прозрачной для света, чтобы свет мог достигать фотоэмиссионной поверхности. 6. Фотодетектор по п.5, отличающийся тем, что фотоэмиссионная поверхность выполнена на внутренней поверхности прозрачной части кожуха. 7. Фотодетектор, содержащий фотоэмиссионную поверхность, способную испускать электроны в ответ на детектируемые фотоны света, МОППТ с плавающим затвором, соприкасающимся с фотоэмиссионной поверхностью, для подачи отрицательного заряда и кожух, в который заключены фотоэмиссионная поверхность и МОППТ, при этом по меньшей мере часть кожуха выполнена прозрачной для света, чтобы свет мог достигать фотоэмиссионной поверхности. 8. Фотодетектор по п.5 или 7, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство для регистрирования изменения заряда, вызываемого электронами, причем это изменение служит показателем количества света, воспринятого фотодетектором. 9. Способ детектирования света, заключающийся в том, что используют фотодетектор, содержащий фотоэмиссионную поверхность, способную испускать электроны в ответ на детектируемые фотоны света, МОППТ с плавающим затвором и кожух, в который заключены фотоэмиссионная поверхность и МОППТ, при этом по меньшей мере часть кожуха выполнена прозрачной для света, чтобы свет мог достигать фотоэмиссионной поверхности, заряжают плавающий затвор до заданного потенциала, осуществляют воздействие детектируемого света на фотоэмиссионную поверхность, обеспечивая возможность эмиссии электронов с фотоэмиссионной поверхности и вызывая изменение заданного потенциала плавающего затвора, и после заданного промежутка времени регистрируют изменение заданного потенциала, служащее показателем количества света, принятого фотодетектором. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что стадию зарядки осуществляют приложением напряжения между электродом истока и электродом стока МОППТ. 11. Способ детектирования света, заключающийся в том, что используют фотодетектор, содержащий фотоэмиссионную поверхность, способную испускать электроны в ответ на детектируемые фотоны света, МОППТ с плавающим затвором и кожух, в который заключены фотоэмиссионная поверхность и МОППТ, при этом по меньшей мере часть кожуха выполнена прозрачной для света, чтобы свет мог достигать фотоэмиссионной поверхности, осуществляют воздействие детектируемого света на фотоэмиссионную поверхность, обеспечивая возможность эмиссии электронов с фотоэмиссионной поверхности и вызывая изменения в заряде, и после заданного промежутка времени регистрируют изменение заряда, служащее показателем количества света, воспринятого фотодетектором.