ФОТОПРИЕМНИК С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/111 

Изобретение относится к оптоэлектронике и, в частности, к полупроводниковым фотоприемникам с отрицательной проводимостью и может быть использовано в качестве фотодатчика, управляемого одним или несколькими световыми потоками, фотоприемного элемента оптопары в системах автоматики, переключающей и преобразовательной техники для бесконтактной коммутации и управления в цепях постоянного и переменного тока.

Известны фотоприемники на основе трехслойной структуры - фототранзисторы, конструктивно выполненные так, что один световой поток облучает область базы, в которой генерируются электронно-дырочные пары, участвующие в создании фототока, приводящего к увеличению основного тока коллектора [1].

Недостатками фототранзисторов являются однонаправленность управления, в результате которого увеличение интенсивности светового потока приводит лишь к увеличению основного тока коллектора, отсутствие позиционной фоточувствительности, неэффективность управления с помощью нескольких световых потоков, а также отсутствие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательной проводимостью.

Наиболее близкими по технической сущности к предложенному являются полупроводниковые приборы на основе пятислойной структуры, содержащие полупроводниковые области, снабженные контактами, причем с одной стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости, например фотосимисторы п-р-п-р-п-типа, причем контакт первой области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости, а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом третьей области первого типа проводимости [2].

Особенностью такого прибора является наличие на его вольт-амперной характеристике участка отрицательного сопротивления и возможность симметричного или дифференциального управления параметрами переключения с помощью одного или нескольких световых потоков.

Недостатками такого прибора являются отсутствие позиционной фоточувствительности, участка отрицательной проводимости на выходной вольт-амперной характеристике, однонаправленность управления параметром отрицательного сопротивления, заключающееся в том, что при увеличении светового потока происходит только уменьшение значения отрицательного сопротивления и порога срабатывания (напряжения переключения).

Цель изобретения - достижение позиционной чувствительности фотоприемника с отрицательной проводимостью и двунаправленности изменения значения отрицательной проводимости при изменении пространственного положения светового потока.

Это достигается тем, что:

1) в фотоприемнике на основе полупроводниковой структуры, обладающей вольт-амперной характеристикой с участком отрицательной проводимости, содержащем полупроводниковые области снабженные контактами, часть из которых соединена между собой, причем с одной стороны на первой области первого типа проводимости расположена первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости, отличающемся тем, что контакт первой области второго типа проводимости соединен с контактом третьей области первого типа проводимости, а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости (Фиг.1, 2).

2) в фотоприемнике по п.1 на первой области первого типа проводимости может быть расположена диэлектрическая область, с одной стороны которой на первой области первого типа проводимости последовательно расположены первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны диэлектрической области на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости (Фиг.3).

Свободные для доступа световых потоков участки могут быть расположены либо на поверхности структуры, со стороны которой размещены полупроводниковые области первого и второго типа проводимости, либо на противоположной ей поверхности, либо на одной из поверхностей структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры и поверхности структуры, со стороны которой размещены полупроводниковые области первого и второго типа проводимости.

Также свободные для доступа светового потока участки могут быть расположены либо на поверхностях структуры, параллельных плоскости симметрии структуры, либо на поверхности структуры, противоположной поверхности, со стороны которой размещены полупроводниковые области первого и второго типа проводимости, либо на поверхностях структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры и поверхности структуры, со стороны которой размещены полупроводниковые области первого и второго типа проводимости, либо на поверхности структуры, со стороны которой размещены полупроводниковые области первого и второго типа проводимости.

В известных технических решениях расположение полупроводниковых областей, снабженных контактами, часть из которых может быть соединена между собой, причем с одной стороны на первой области первого типа проводимости расположена первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости, причем контакт первой области второго типа проводимости соединен с контактом третьей области первого типа проводимости, а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости, при реализации фотоприемника с отрицательной проводимостью не обнаружено, в связи с чем предложенное решение обладает существенными отличиями.

Реализация позиционной фоточувствительности за счет освещения пространственно разделенных участков поверхности фотоприемника с помощью светового потока одинаковой интенсивности, приводящего к увеличению значения отрицательной проводимости при освещении одного участка поверхности и его уменьшению при освещении другого участка поверхности, в известных технических решениях также не обнаружено, в связи с чем предложенное решение обладает существенными отличиями.

На фиг.1 показана структура фотоприемника с двумя свободными для доступа светового потока участками, расположенными на одной поверхности с фоточувствительными участками. Фотоприемник представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с планарной n₁-р₂-n₃-р₂-n₂-структурой, имеющий четыре р-n-перехода. Металлический контакт первого базового слоя p₁ объединен с металлическим контактом второго коллекторного слоя n₂ и образует второй электрод Э₂ структуры, который в силу симметричности структуры может выступать в роли коллектора или базы фотоприемника, а металлический контакт второго базового слоя р₂ объединен с металлическим контактом первого коллекторного слоя n₁ и образует первый электрод Э₁, который также может выступать в роли базы или коллектора фотоприемника. Электрод Э₃ соединен с металлическим контактом к области n₃ и образует эмиттерный электрод фотоприемника. В общем случае контакты могут быть и неметаллическими. Предлагаемая структура является реализацией известной схемы замещения полупроводниковых приборов с отрицательной проводимостью на основе шунтирования эмиттерного перехода биполярного транзистора управляемым сопротивлением [3]. В качестве шунтирующего управляемого сопротивления в предлагаемой структуре использован биполярный транзистор. Если основной биполярный транзистор образован слоями n₁-p₁-n₃, то транзистор, образованный слоями n₂-р₂-n₃, выступает в качестве шунтирующего, и электрод Э₁ является коллектором, Э₂ - базой и Э₃ - эмиттером фотоприемника. Если основной биполярный транзистор образован слоями n₂-р₂-n₃, то транзистор, образованный слоями n₁-p₁-n₃, выступает в качестве шунтирующего, и электрод Э₁ является базой, Э₂ - коллектором и Э₃ также является эмиттером фотоприемника. При облучении световым потоком Ф₁ базовой области p₁ структуры n₁-p₁-n₃ (основной транзистор) происходит увеличение значения отрицательной проводимости за счет увеличения тока пика на вольт-амперной характеристике фотоприемника. Данный процесс аналогичен процессу увеличения тока насыщения при освещении обычного биполярного фототранзистора. При облучении световым потоком Ф₂ базовой области р₂ структуры n₂-р₂-n₃ (шунтирующий транзистор) значение тока пика на вольт-амперной характеристике фотоприемника уменьшается, за счет уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора, что приводит к уменьшению значения отрицательной проводимости. При облучении световым потоком Ф₃ всей поверхности фотоприемника преобладает эффект уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора, в результате чего происходит уменьшение тока и напряжения пика на вольт-амперной характеристике фотоприемника и, как следствие, уменьшение отрицательной проводимости [3, 5].

На фиг.2 представлен интегральный вариант фотоприемника с металлическими контактами, расположенными на одной поверхности с фоточувствительными участками. В общей полупроводниковой подложке (исходном материале) n-типа проводимости 1 последовательно сформированы базовые р-области 2 и коллекторные п+-области 3 симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5, а также п+-область 6 для получения омического контакта к эмиттеру металлического проводника 9, служащего электродом Э₃ фотоприемника. Базовые 2 и коллекторные 3 области могут быть сформированы симметрично только плоскости симметрии структуры 4 или только оси симметрии структуры 5. Конфигурация проекций базовых 2 и коллекторных 3 областей на поверхность структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и коллекторные 3 области, может быть в виде прямоугольника, полукруга или другой формы. Концентрации легирующих примесей и электрофизические параметры в одноименных областях (базовых 2 или коллекторных 3) одинаковы. Коллекторные области n₁ и n₂ соединены, например, металлическими проводниками 7 и 8, служащими электродами Э₁ и Э₂ фотоприемника с базовыми областями p₂ и p₁ соответственно, и тем самым обуславливают интегральное соединение транзисторов по схеме шунтирования одним транзистором база-эмиттерного перехода другого транзистора.

Цепь положительной обратной связи, необходимая для формирования участка отрицательной проводимости на вольт-амперной характеристике данного фотоприемника, образована транзисторной структурой n₂-р₂-n_з, базовый слой которой соединен с коллекторным слоем транзисторной структуры n₁-p₁-n₃. В результате наличия цепи положительной обратной связи, при приложении малого напряжения внешней цепи к электродам Э₁ и Э₂, а также к электродам Э₂ и Э₃, в начальный момент происходит рост коллекторного тока фотоприемника, эмиттерный переход транзистора n₂-р₂-n₃ закрыт, и ток утечки базы транзистора n₁-p₁-n₃ минимален. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами Э₁ и Э₃ эмиттерный переход транзистора n₂-р₂-n₃ открывается, и фотоприемник из режима отсечки переходит в активный режим работы, уменьшая таким образом ток базы транзистора n₁-p₁-n₃ и, следовательно, ток коллектора. Таким образом формируется участок отрицательной проводимости на вольт-амперной характеристике фотоприемника.

При облучении световым потоком Ф₁ базовой области транзисторной структуры n₁-p₁-n₃ к управляющему базовому току электрода Э₁ добавляется фототок, возникающий за счет генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда перехода n₁-p₁ и приводящий к росту общего базового тока, а следовательно, и тока насыщения транзистора n₁-p₁-n₃. На вольт-амперной характеристике фотоприемника это проявляется в виде роста тока пика.

При облучении световым потоком Ф₂ базовой области транзисторной структуры n₂-р₂-n₃ также возникает фототок, увеличивающий общий базовый ток управления этого транзистора, в результате чего увеличивается коллекторный ток транзистора n₂-р₂-n₃, который, в свою очередь, увеличивает ток утечки база-эмиттерного перехода n₁-p₁ транзистора n₁-p₁-n₃, т.е. уменьшает общий базовый ток управления основного транзистора. На вольт-амперной характеристике фотоприемника это проявляется в виде уменьшения тока пика.

В зависимости от пространственных параметров и интенсивности светового воздействия возможно как уменьшать ток пика, вплоть до полного спрямления вольт-амперной характеристики, в том числе и с уменьшением напряжения пика, так и увеличивать ток пика, тем самым уменьшая и увеличивая значения отрицательной проводимости этого фотодатчика, что принципиально отличает данный фотоприемник от других фоточувствительных приборов, у которых при облучении происходит либо только уменьшение участка отрицательного сопротивления, как например у тиристоров и симисторов, либо только увеличение тока насыщения, как у фототранзисторов [4, 5].

За счет обеспечения доступа излучения в наиболее фоточувствительные базовые области р₂ и p₁, а именно в область объемного заряда коллекторных переходов составляющих транзисторов, фотоприемник имеет высокую фоточувствительность.

На фиг.3 приведен вариант фотоприемника, в котором на первой области первого типа проводимости расположена диэлектрическая область 10, с одной стороны диэлектрической области на первой области первого типа проводимости расположена первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны диэлектрической области на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости. Это позволяет разместить эмиттерный электрод Э₃ с другой стороны фотоприемника по отношению к электродам Э₁ и Э₂ и повысить мощность.

Экспериментально исследованы фотоприемники, выполненные на основе планарной кремниевой структуры, имеющей следующие параметры: подложка КЭФ-4,5 (100), легированная фосфором (rv=4.6 Ом·см), р-база толщиной 6 мкм легирована бором (Rs=2,6 Ом/□), n + область толщиной 1,2 мкм (Rs=40 Ом/□), легированная фосфором. Толщина металлизации, выполненной из сплава АК1, составляет 1 мкм. При освещении поверхности фотоприемника инфракрасным излучением мощностью 10-120 мВт и длиной волны 950 нм удалось получить диапазон изменения токов пика от 1 мА до 0 при освещении шунтирующего транзистора и при освещении основного транзистора от 1 мА до 8 мА.

При облучении двух транзисторов структуры одновременно наблюдался рост напряжения пика от 0,2 В до 0,6 В при уменьшении тока пика от 0,9 мА до 0.3 мА [4, 5].

Также экспериментально исследованы фотоприемники, выполненные на основе технологически совмещенных в общем полупроводнике n-типа двух мощных вертикальных транзисторных структур типа КТ8143, произведенных ОКБ "ИСКРА" г.Ульяновск, с внешней коммутацией. Подсветка осуществлялась с помощью инфракрасных светодиодов АЛ156.

При освещении основного транзистора также происходило увеличение, а при освещении шунтирующего - уменьшение тока пика в диапазоне от 0,5 мА до 1 мА при напряжениях 0,2-0,3 В. Отрицательная проводимость в этом случае изменялась в интервале от 1 до 2 мСм по линейному (или близкому к нему) закону, соответственно возрастает или уменьшается при освещении соответствующего транзистора.

Исследования показали, что подобные структуры обладают высокой фоточувствительностью и зависимостью вольт-амперных характеристик (уменьшение или увеличение токов и напряжений пика) от координат падающего светового пучка на поверхности фотоприемника, т.е. позиционной фоточувствительностью.

Библиографические данные

1. Киес Р.Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 328 с.

2. Пат. РФ №2022412, 1994. Фотосимистор на основе полупроводниковой структуры. / Бакланов С.Б., Гайтан Н.Т., Гурин Н.Т.

3. Новиков С.Г., Гурин Н.Т. Схемотехнические аналоги симметричных негатронов. // Микросистемная техника. 2004, №12, с.27-30.

4. Каштанкин И.А., Гурин Н.Т. Фоточувствительный кремниевый биполярный N-прибор с управляемой вольт-амперной характеристикой. // Письма в ЖТФ, 2005, т.31, в.13, с.46-49.

5. Каштанкин И.А., Гурин Н.Т. Фоточувствительные кремниевые биполярные N-приборы с управляемой вольт-амперной характеристикой. // Нано- и микросистемная техника. 2005, №6, с.39-42.

Изобретение относится к оптоэлектронике и, в частности, к полупроводниковым фотоприемникам с отрицательной проводимостью (ОП) и может быть использовано в качестве фотодатчика, управляемого одним или несколькими световыми потоками, фотоприемного элемента оптопары в системах автоматики, переключающей и преобразовательной техники для бесконтактной коммутации и управления в цепях постоянного и переменного тока. Сущность: фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры содержит полупроводниковые области, снабженные контактами, часть из которых соединена между собой. С одной стороны на первой области первого типа проводимости расположена первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости. С другой стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости. Контакт первой области второго типа проводимости соединен с контактом третьей области первого типа проводимости, а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости. Описанная конструкция обеспечивает достижение позиционной чувствительности и двунаправленности изменения значения отрицательной проводимости при изменении пространственного положения светового потока. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры, содержащий полупроводниковые области, снабженные контактами, часть из которых соединена между собой, причем с одной стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости, отличающийся тем, что контакт первой области второго типа проводимости соединен с контактом третьей области первого типа проводимости, а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости.2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что на первой области первого типа проводимости расположена диэлектрическая область, с одной стороны которой на первой области первого типа проводимости последовательно расположены первая область второго типа проводимости и вторая область первого типа проводимости, а с другой стороны диэлектрической области на первой области первого типа проводимости последовательно расположены вторая область второго типа проводимости и третья область первого типа проводимости.