УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ С МДП-ФОТОПРИЕМНИКОВ Российский патент 2006 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания с МДП-фотоприемников (Приборы с зарядовой связью. Под редакцией М.Хоувза. М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.231, Рис.4.5б), содержащее полупроводниковую подложку, МДП-затвор, "плавающий" МДП-затвор, расположенный под МДП-затвором, и электрический изолированный от МДП-затвора усилитель, с входом которого соединен "плавающий" МДП-затвор.

Известное устройство работает следующим образом. Подают на МДП затворы импульсное напряжение полярности, приводящей к возникновению режима неравновесного обеднения. С окончанием импульсов напряжения, поданных на МДП-затворы, под действием оптического сигнала, который попадает на фотоприемник, в инверсионном слое неравновесного обеднения происходит интеграция неосновных носителей заряда. Интегрируемый заряд, пропорциональный поступающему оптическому сигналу, приводит к изменению емкости области пространственного заряда полупроводниковой подложки. Изменение емкости неравновесного обеднения полупроводниковой подложки приводит к изменению потенциала "плавающего" МДП-затвора и к появлению на входе усилителя сигнала, пропорционального величине накопленного заряда неосновных носителей и параметрам емкостного делителя, представляющего собой емкость области неравновесного обеднения полупроводниковой подложки в сочетании с емкостью области между "плавающим" МДП-затвором и полупроводниковой подложкой, с емкостью области между "плавающим" МДП-затвором и МДП-затвором и с емкостью усилителя.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является устройство считывания с МДП-фотоприемников (Приборы с зарядовой связью. Под редакцией М.Хоувза. М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.231, Рис.4.5а), содержащее полупроводниковую подложку, слой диэлектрика, МДП затвор, выполненный на слое диэлектрика, МДП-транзистор, усилитель, два генератора импульсов, источник постоянного напряжения, при этом исток МДП-транзистора соединен с МДП-затвором, сток соединен с первым генератором импульсов, затвор - с источником постоянного напряжения, вход усилителя соединен с МДП-затвором, а подложка соединена со вторым генератором импульсов.

Данное известное устройство работает следующим образом. На сток МДП-транзистора прикладывают постоянное напряжение смещения. На полупроводниковую подложку и затвор МДП-транзистора подают напряжение в импульсном режиме заданной полярности. При подаче импульса напряжения МДП-затвор переводят в состояние неравновесного обеднения. С окончанием импульсов напряжения, поданных на затвор МДП-транзистора и полупроводниковую подложку, под действием оптического сигнала, который попадает на фотоприемник, в инверсионном слое неравновесного обеднения происходит интеграция неосновных носителей заряда. Интегрируемый заряд, пропорциональный поступающему оптическому сигналу, приводит к изменению емкости области пространственного заряда полупроводниковой подложки. Изменение емкости неравновесного обеднения полупроводниковой подложки приводит к изменению потенциала МДП-затвора и к появлению на входе усилителя сигнала, пропорционального величине накопленного заряда неосновных носителей и параметрам емкостного делителя, представляющего собой емкость области неравновесного обеднения полупроводниковой подложки в сочетании с емкостью МДП-затвора и с емкостью усилителя.

К недостаткам вышеописанных аналогов относится отсутствие функции выделения высокочастотных компонентов сигналов на фоне низкочастотных неинформационных компонентов, узость динамического диапазона для информационных компонентов сигналов и, как следствие, ограничение чувствительности фотоприемных устройств на основе таких устройств считывания, необходимость применения устройств предварительной обработки сигналов, размещаемых до каскада усиления. Недостаток связан с тем, что для фотоприемных устройств инфракрасной области спектра (ИК ФПУ) несущими информацию являются переменные компоненты сигнала (высокочастотные компоненты), а постоянные либо медленно меняющиеся во времени компоненты сигналов (низкочастотные компоненты), обусловленные наличием фонового излучения и темновыми токами утечки фотоприемников, не являются несущими полезную информацию, но они составляют от 90% и более от общего уровня сигнала. Наличие необходимости передачи всего сигнала, вместе с компонентами, не несущими полезную информацию, налагает жесткие требования на динамический диапазон усилителя, ограничивает динамический диапазон для информационных компонентов сигналов, таким образом, ограничивая чувствительность фотоприемных устройств.

Техническим результатом изобретения является:

- достижение выделения высокочастотных компонентов сигналов на фоне низкочастотных неинформационных компонентов;

- расширение динамического диапазона для информационных компонентов сигналов.

Технический результат достигается тем, что устройство считывания с МДП-фотоприемников, содержащее полупроводниковую подложку, слой диэлектрика, МДП-затвор, МДП-транзистор, усилитель, источник постоянного напряжения, два генератора импульсов, причем исток МДП-транзистора соединен с МДП-затвором, сток - с источником постоянного напряжения, затвор - с генератором импульсов, подложка соединена с другим генератором импульсов, а вход усилителя - с МДП-затвором, дополнительно снабжено сопротивлением, один конец которого соединен с МДП затвором, а другой конец - источником постоянного напряжения.

Сущность изобретения поясняется описанием и чертежом, на котором приведена схема предлагаемого устройства считывания с МДП-фотоприемников, где 1 - подложка, 2 - слой диэлектрика, 3 - МДП-затвор, 4 - МДП-транзистор, 5 - усилитель, 6 - сопротивление, 7 - генератор импульсов, 8 - источник постоянного напряжения, 9 - генератор импульсов.

Дополнительное выполнение сопротивления в устройстве считывания с МДП-фотоприемников между источником постоянного напряжения и МДП-затвором приводит к появлению функции выделения высокочастотных компонентов сигналов на фоне низкочастотных неинформационных компонентов. Подавление постоянных или медленно меняющихся компонентов сигналов происходит в результате действия фильтра, состоящего из самого МДП-фотоприемника (поскольку МДП-затвор обладает емкостью) и сопротивления.

Для гибридных ИК ФПУ, в которых устройство считывания и МДП-фотоприемник выполняют на разных подложках, предлагаемое решение, а именно использование самого МДП-фотоприемника как составной части фильтра дает существенные преимущества перед традиционными решениями. Создание современных многоэлементных ИК ФПУ характеризуется возрастающей тенденцией к уменьшению размеров. В связи с этим размещение в каждой ячейке устройства считывания наряду с усилителем емкости достаточно большого номинала для выделения информационных компонентов сигнала возможно только за счет ухудшения параметров усилителя. В противном случае, если не идти по пути ухудшения параметров усилителя, то введение емкости достаточно большого номинала для выделения информационных компонентов сигнала приводит к увеличению размеров ячейки устройства считывания.

Создание фильтра высоких частот на основе МДП-фотоприемника и дополнительно подключенного к нему сопротивления, размещенных до усилителя, снижает требования к динамическому диапазону усилителя, что приводит к расширению динамического диапазона для информационных компонентов сигналов и повышению чувствительности фотоприемного устройства на основе предлагаемого устройства считывания.

Устройство считывания с МДП-фотоприемников содержит конструктивные элементы: подложку (1), слой диэлектрика (2), МДП-затвор (3), МДП-транзистор (4), усилитель (5), сопротивление (6), генератор импульсов (7), источник постоянного напряжения (8), генератор импульсов (9) (см. чертеж).

В предлагаемом техническом решении конструктивные элементы устройства считывания и МДП-фотоприемник выполнены на разных подложках. МДП-фотоприемник содержит подложку (1), размещенный на подложке (1) слой диэлектрика (2), МДП-затвор (3), который выполнен на слое диэлектрика (2). Устройство считывания содержит конструктивные элементы, непосредственно составляющие его, МДП-транзистор (4), усилитель (5), сопротивление (6), генератор импульсов (7), источник постоянного напряжения (8), генератор импульсов (9), а также содержит МДП фотоприемник, как конструктивный элемент.

Исток МДП-транзистора (4) соединен с МДП-затвором (3) фотоприемника, сток МДП-транзистора (4) - с источником постоянного напряжения, затвор МДП-транзистора (4) - с генератором импульсов (7). Подложка (1) фотоприемника соединена с генератором импульсов (9). Вход усилителя (5) связан с МДП-затвором (3) фотоприемника. Сопротивление (6) одним концом соединено с МДП-затвором (3) фотоприемника, а другим концом - с источником постоянного напряжения (8).

Генераторы импульсов (7), (9) предназначены для подачи напряжения в импульсном режиме заданной полярности прямоугольной формы.

Устройство работает следующим образом. На сток МДП-транзистора (4) подают постоянное напряжение смещения. На подложку (1) и затвор МДП-транзистора (4) подают напряжение в импульсном режиме заданной полярности, при этом МДП-затвор (3) переходит в режим неравновесного обеднения. Напряжение подается одной и той же полярности, с равными периодами, однако длительность импульса напряжения, поданного на подложку (1), меньше длительности импульса напряжения, поданного на затвор МДП-транзистора (4), а временной сдвиг их таков, что пока длится импульс, поданный на затвор МДП-транзистора (4), импульс, поданный на подложку (1), начинается и заканчивается. С окончанием импульсов напряжения, поданных на затвор МДП-транзистора (4) и полупроводниковую подложку (1), под действием оптического сигнала, который попадает на фотоприемник, в инверсионном слое неравновесного обеднения происходит интеграция неосновных носителей заряда. Интегрируемый заряд, пропорциональный поступающему оптическому сигналу, приводит к изменению емкости области пространственного заряда полупроводниковой подложки (1). Время накопления заряда равно времени между окончанием текущего импульса и началом следующего импульса напряжения, поданных на затвор МДП-транзистора (4). Емкость области пространственного заряда в сочетании с сопротивлением (6) производит фильтрацию высоких частот с частотой отсечки, равной обратному произведению величины емкости и сопротивления. Изменение емкости области неравновесного обеднения подложки (1) при интегрировании неосновных носителей заряда в инверсионной области подложки под МДП-затвором (3) приводит к изменению потенциала МДП-затвора (3). На входе усилителя (5) появляется сигнал, пропорциональный величине накопленного заряда неосновных носителей, параметру емкостного делителя, состоящего из емкости области неравновесного обеднения подложки (1), емкости МДП затвора (3), емкости усилителя (5), и пропорциональный передаточной частотной характеристике фильтра на основе МДП-фотоприемника и дополнительного сопротивления.

Положительным эффектом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности ИК ФПУ, созданных на его основе.

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в системах обработки оптической информации. Техническим результатом изобретения является достижение выделения высокочастотных компонентов сигналов на фоне низкочастотных неинформационных компонентов, расширение динамического диапазона для информационных компонентов сигналов. Сущность изобретения: устройство считывания с МДП-фотоприемников содержит полупроводниковую подложку, слой диэлектрика, МДП-затвор, МДП-транзистор, усилитель, источник постоянного напряжения, два генератора импульсов, причем исток МДП-транзистора соединен с МДП- затвором, сток - с источником постоянного напряжения, затвор - с генератором импульсов, подложка соединена с другим генератором импульсов, а вход усилителя - с МДП-затвором. Устройство дополнительно снабжено сопротивлением, один конец которого соединен с МДП-затвором, а другой конец - с источником постоянного напряжения. 1 ил.

Устройство считывания с МДП-фотоприемников, содержащее полупроводниковую подложку, слой диэлектрика, МДП-затвор, МДП-транзистор, усилитель, источник постоянного напряжения, два генератора импульсов, причем исток МДП-транзистора соединен с МДП-затвором, сток - с источником постоянного напряжения, затвор - с одним генератором импульсов, подложка соединена с другим генератором импульсов, а вход усилителя - с МДП-затвором, отличающееся тем, что дополнительно снабжено сопротивлением, один конец которого соединен с МДП-затвором, а другой конец - с источником постоянного напряжения.