ДВУХПОЛЮСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ Российский патент 2012 года по МПК H01L31/11 

Изобретение относится к области электроники, оптоэлектроники, полупроводниковой техники, а именно к полупроводниковым позиционно-чувствительным фотоприемникам с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Известны приборы с отрицательной дифференциальной проводимостью - туннельные диоды (Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. / Под редакцией Горюнова Н.Н. и Носова Ю.Р. М.: Сов. Радио, 1968, 300 с.). Вольт-амперная характеристика таких приборов имеет N-образный вид. При малых напряжениях наблюдается возрастающий участок тока до максимального значения - тока пика - затем с увеличением напряжения происходит снижение тока до минимального значения - участок отрицательной дифференциальной проводимости, и, далее, с увеличением напряжения вновь происходит рост тока - вторичная положительная ветвь. Туннельные диоды из-за наличия внутренней положительной обратной связи нашли широкое применение в автоматике, вычислительной и генераторной технике. Несмотря на это, туннельные диоды не нашли применения в оптоэлектронике, поскольку, не обладают фоточувствительностью, в том числе и позиционной.

Известны приборы с отрицательной дифференциальной проводимостью на базе комбинации различных биполярных и полевых транзисторов (IEEE. Transactions on Circuits and Systems., 1985, №1, p.46-61). Известны полупроводниковые структуры двуэлектродных и трехэлектродных приборов на основе интегрированных в одном объеме полупроводника биполярных и полевых транзисторов (Зарубежная электронная техника, 10 (244), Москва, 1981). Такие приборы с отрицательной дифференциальной проводимостью также не обладают позиционной фоточувствительностью.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются интегральные фотоприемники с отрицательной дифференциальной проводимостью (Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры: пат. РФ №2309487, 2007) на основе многослойных полупроводниковых структур, в которых проявляется позиционная чувствительность и изменяется величина отрицательной дифференциальной проводимости при изменении пространственного положения светового потока.

Фотоприемник 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 (коллектор), а контакт второй области второго типа проводимости соединен с контактом второй области первого типа проводимости (база). Контакт к первой области первого типа проводимости является эмиттером.

Фотоприемник представляет собой реализацию в объеме полупроводникового материала двухтранзисторной схемы замещения прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью на базе двух биполярных транзисторов.

Недостатками таких приборов являются необходимость дополнительного гальванического управления для получения участка отрицательной проводимости (трехэлектродные приборы) и малая область фоточувствительности (несколько миллиметров), в пределах которой в зависимость от координаты изменяется ток пика. При расширении этой области снижается чувствительность транзисторов к оптическому воздействию, ухудшается положительная обратная связь, что приводит к исчезновению участка отрицательной проводимости.

Известны также позиционно-чувствительные полупроводниковые приборы - сканисторы (А.С. 197683, 1976, В.Ф.Золотарев. Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. - М.: Энергия. - 1972 - 216 с.), представляющие собой p-n-p- или n-p-n-структуры с тремя омическими контактами, два из которых расположены по краям верхнего фоточувствительного слоя, служащего эмиттером и одновременно делителем напряжения источника. Третий контакт является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника, служащей коллектором. При проецировании светового пучка на эмиттерную область сканистора создается рельеф возбужденных светом и разделенных p-n-переходом носителей тока. Считывание рельефа осуществляется приложением пилообразного напряжения между одним из контактов к фоточувствительной области и контактом к эквипотенциальной области. Однако сканистор не обладает участком отрицательной дифференциальной проводимости на вольт-амперной характеристике, что существенно сужает области его применения.

Для устранения указанных недостатков предлагается данное изобретение

Технический результат: увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности фотоприемника с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Технический результат достигается за счет введения дополнительной протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры, имеющей верхнюю фоточувствительную область первого типа проводимости с первым и вторым контактами, расположенными по краям области, вторую, среднюю, область второго типа проводимости и третью, нижнюю, область первого типа проводимости с третьим контактом, соединенную таким образом, что первый контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с эмиттерным электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, второй контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с коллекторным электродом, а третий контакт протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с базовым электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью (Фиг.1) реализован на основе прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью (N), который может быть выполнен твердотельным или в виде схемотехнического аналога, и протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры, имеющей верхнюю фоточувствительную область первого типа проводимости (p-типа) с первым и вторым контактами, расположенными по краям области, вторую, среднюю, область второго типа проводимости (n-типа) и третью, нижнюю, область первого типа (p-типа) проводимости с третьим контактом. Протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура включена в цепь управления элемента с отрицательной дифференциальной проводимостью таким образом, что первый контакт (7) к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с эмиттерным (Э) электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, второй контакт (2) к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с коллекторным электродом (К), а третий контакт (3) протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с базовым электродом (Б) прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью. Э₁ и Э₂ - электроды двухполюсного позиционно-чувствительного фотоприемника с отрицательной проводимостью. Ф - световой пучек, падающий на поверхность протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры. За счет предлагаемой схемы соединения реализуется двухполюсный комбинированный позиционно-чувствительный фотоприемник, обладающий вольт-амперной характеристикой, содержащей участок отрицательной дифференциальной проводимости.

Увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности по сравнению с существующими позиционно-чувствительными фотоприемниками с отрицательной дифференциальной проводимостью достигается за счет использования протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры, линейные размеры фоточувствительной области которой могут достигать нескольких сантиметров.

Получение участка отрицательной дифференциальной проводимости на выходной вольт-амперной характеристике такого фотоприемника в двухэлектродном включении обеспечивается за счет использования протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры в качестве фотоуправляемого делителя напряжения (фотопотенциометра).

Протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура в режиме фотоуправляемого делителя работает следующим образом.

При приложении внешнего напряжения между первым и вторым электродами протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры все падение напряжения осуществляется на фоточувствительном p-слое. Между электродами 1 и 3, 2 и 3 внешнее напряжение не прикладывается, и оба p-n-перехода протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры при освещении ее поверхности работают в фотогальваническом режиме.

В отсутствии освещения поверхности сопротивление двух последовательно включенных p-n-переходов протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры велико. При высокоинтенсивном освещении небольшого участка поверхности в ограниченном объеме полупроводника реализуется генерация электронно-дырочных пар, и большой градиент концентрации освобожденных светом избыточных пар носителей заряда обуславливает их диффузионное перемещение к p-n-переходам. В области p-n-переходов происходит разделение пар полем перехода. Нарушается равновесие системы, возникает фототок и сопротивление p-n-переходов протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры уменьшается с ростом интенсивности светового потока. Таким образом, при освещении участка поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры последовательная цепочка p-n-переходов в объеме, ограниченном диаметром светового пучка и толщиной протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры, представляет собой сопротивление, значение которого зависит от интенсивности светового потока. В режиме фотопотенциометра в отсутствии освещения напряжение на третьем электроде протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры равно нулю (сопротивление цепочки велико и эквивалентно разрыву цепи) и пропорционально координате светового пучка x на поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры при освещении, когда сопротивление цепочки p-n-переходов мало. Полученное таким образом напряжение на третьем электроде протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры, согласно Фиг.1, используется для управления трехэлектродным прибором с отрицательной дифференциальной проводимостью.

В отсутствии освещения поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры (Фиг.1), (при отсутствии управляющего напряжения на базовом электроде прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью (N)), на выходной вольт-амперной характеристике комбинированного фотоприемника участка отрицательной дифференциальной проводимости не наблюдается. Появление и движение пучка света по поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры обеспечивает изменение падения напряжения на базовом электроде, и, как следствие, появление на выходной вольт-амперной характеристики фотоприемника участка отрицательной дифференциальной проводимости (Фиг.3).

В экспериментальных образцах предлагаемого двухполюсного позиционно-чувствительного фотодатчика элемент с отрицательной дифференциальной проводимостью реализован на основе комбинации двух транзисторов, соединенных по схеме модуляции тока базы основного транзистора дополнительным полевым транзистором с управляющим p-n-переходом (IEEE Transactions on Circuits and Systems, 1985, №1, p.46-61). При этом затвор полевого транзистора соединен с коллектором биполярного. В качестве биполярного транзистора использован бескорпусной транзистор типа КТ 3129, в качестве полевого - бескорпусной транзистор типа КП 302.

Протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура представляет собой линейную полупроводниковую структуру с габаритными размерами 2×35 мм, с двумя p-n-переходами, реализованными на глубинах 50 и 200 мкм в объеме полупроводника p-типа проводимости с поверхностным сопротивлением 10⁵ Ом/см. Удельное сопротивление n-областей составляет 250 Ом/□. На верхней фоточувствительной поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры реализованы два металлических электрода (по краям линейной структуры) для подключения источников питания, на противоположной стороне кристалла - третий выходной электрод.

Все элементы комбинированного прибора смонтированы в одном корпусе с прозрачным окном для ввода излучения. Габаритные размеры фотоприемника составляют 42×11×5 мм. В качестве источника излучения использован полупроводниковый лазерный ИК-диод мощность. 300 мВт со сфокусированным пучком на поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры диаметром 1 мм.

Такой комбинированный прибор при наличии светового пучка на фоточувствительной поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры имеет выходные N-образные вольт-амперной характеристики, зависящие от координаты светового пучка на поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры (Фиг.2). Значение тока пика N-характеристики такого прибора также зависит от пространственного расположения светового пучка на поверхности протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры. Полученная в эксперименте зависимость значения тока пика от координаты светового пучка комбинированного позиционно-чувствительного прибора представлена на Фиг.3. При значениях координаты светового пучка ниже 10 мм вольт-амперная характеристика прибора утрачивает участок отрицательной дифференциальной проводимости, что связано с уменьшением напряжения на выходе протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры ниже порога чувствительности прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью. Свыше 25 мм происходило исчезновение участка отрицательной дифференциальной проводимостью из-за смещения напряжения минимума в область напряжений пробоя биполярного транзистора.

С учетом погрешности измерений, в диапазоне от 15 до 25 мм, полученная характеристика носит линейный характер, что позволяет выполнение с помощью рассмотренного прибора простых преобразований координаты в ток. Наличие участка отрицательной дифференциальной проводимостью на выходной вольт-амперной характеристике обеспечивает работу таких фотодатчиков в ключевых режимах, что позволяет исключить дополнительные схемы управления, снизить массогабаритные показатели электронной аппаратуры и обеспечивает применение таких преобразователей в устройствах управления различными сложными механизмами, а также в системах контроля и безопасности.

Рассмотренная комбинация позиционного фотодатчика и элемента с отрицательной дифференциальной проводимостью позволила расширить область фоточувствительности по сравнению с известными приборами минимум в 1,5 раза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. В.Ф.Золотарев Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. - М.: Энергия. - 1972 - 216 с.

2. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. / Под редакцией Горюнова Н.Н. и Носова Ю.Р. - М.: Сов. Радио, 1968. 300 с.

3. IEEE. Transactions on Circuits and Systems., 1985., №1., p.46-61.

4. Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры: Пат. РФ №2309487. Опубл. в Б.И., 2007.

5. Г.Виглеб. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1989 г.

Изобретение может найти применение в различных узлах автоматики, устройствах управления и позиционирования. Фотоприемник, согласно изобретению, представляет собой комбинированный прибор, реализованный на основе полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью и полупроводниковой структуры позиционно-чувствительного фотоприемника. Для увеличения протяженности области позиционной фоточувствительности дополнительно к полупроводниковому прибору с отрицательной дифференциальной проводимостью введена протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура, имеющая верхнюю фоточувствительную область первого типа проводимости с первым и вторым контактами, расположенными по краям области, вторую, среднюю, область второго типа проводимости и третью, нижнюю, область первого типа проводимости с третьим контактом, соединенную таким образом, что первый контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с эмиттерным электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, второй контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с коллекторным электродом, а третий контакт протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с базовым электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью. Целью изобретения является увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью. 3 ил.

Двухполюсный полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью, содержащий полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью, имеющий эмиттерный, коллекторный и базовый электроды, отличающийся тем, что для увеличения протяженности области позиционной фоточувствительности дополнительно к полупроводниковому прибору с отрицательной дифференциальной проводимостью введена протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура, имеющая верхнюю фоточувствительную область первого типа проводимости с первым и вторым контактами, расположенными по краям области, вторую, среднюю, область второго типа проводимости и третью, нижнюю, область первого типа проводимости с третьим контактом, соединенную таким образом, что первый контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с эмиттерным электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, второй контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с коллекторным электродом, а третий контакт протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с базовым электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью.