Фоточувствительный элемент Советский патент 1985 года по МПК H01L31/06 

. Изобретение относится к полупрог водниковой технике, а именно к фотоприемным устройствам, которые могу быть использованы в системах кодирования изображений с целью их коррекции, устранения смаза, расфокусировки, влияния турбулентности среды выделения на -фоне помех, а также пре парирования в устройствах распознавания образа. Известны фоточувствительные элементы - планарные диффузионные фототранзисторы. Они используются, напри мер, в системах ввода изображений в вычислительной технике для дальнейшей обработки. Недостатком их является то, что при большем динамическом диапазоне яркостей элементов обрабатьшаемого изображения разреше ние падает, так как соседние с ярким точками элементы заплывают. .Наиболее близким к изобретению п технической сущности является фоточувствительный элемент, содержащий (п-р-п)-структуру, размещенны на диэлектрической подложке с электрическими контактами к р(и )-областям. Недостатком такого фоточувстви- тельного элемента является то, что он не может быть использован одновременно и как фоторегистратор, и как модулятор светового излучения, I так как не может обеспечить оперативного управления квантовой эффективностью преобразования свет - элек трический сигнал по знаку и абсолютной величине, Он обладает определенным, жестко задгшным конструкцией и выбором физических параметров слоев, коэффициентом преобразования света в электрический сигнал, и никакие оперативные перестройки этого параметра, а особенно направления ; электрического сигнала, невозможны. Элемент не обладает симметричной вольт-амперной характеристикой по отношению к регистрируемому свету., Цель изобретения - управление величиной квантовой эффективности преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в фоточувствительном элементе, содержащем р-п-р (п-р-п)-стр туру, размещенную на диэлектрической подложке с электрическими контактами к р( п)-областям, концентрац 22 легирующих примесей и толщины р(п)областей равны,,причем концентрация легирующей примеси в п( р)-области меньше концентрации легирующей при- меси в р( п)-областях по крайней мере на порядок. В такой конструкции возможно управлением по питанию модулировать регистрируемый световой поток, так как предлагаемый фоточувствительный элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой относительно воздействия света. Причем характер этого управления воспроизводится от элемента к элементу на одной пластине, от образца к образцу с высокой точностью. Управление квантовой эффективностью по питанию осуществляется в пределах от +1 до -1 через нулевое значение, не зависит от интенсивности модулируемого светового потока, который может иметь достаточно большой динамический диапазон, не зависит от освещенности соседних элементов. Симметричность вольт-амперной характеристики обеспечивается симметричностью конструкции элемента. Обычно смещение в прототипе подается так, чтобы разделяющим носители был только первый р-п-переход, и, соответственно, никакая модуляция сигнала по знаку была невозможна. Б предложеннойконструкции первый и второй легированные слои идентичны, нелегированный слой, выполняющий функции базового слоя, выполнен из исходного материала и в нем может быть обеспечено большое время жиз- НИ носителей, созданных светом; как первый, лицевой р-п-переход, так и второй, тыльный р-п-переход фоточувствительны. С изменением полярности питающего напряжения разделять носители, созданные светом, будет то лицевой, то тыльный переход. Соответственно будет изменяться направление фототока, т.е. происходить модуляция фотоответа по знаку. Снижение питающего напряжения ниже критического приведет к уменьшению фотоответа по абсолютной величине. Таким образом, в устройстве расширяются функциональные возможности, совмещаются функции фотоприемника и модулятора излучеПомимо конструкщи на характер вольт-амперной характеристики фо- точувствительного элемента существенно влияют физические параметры всех трех слоев p-n-p(n-p-n)-структолщины . el h центрация носителей (проводимости ) р. ,Пд, длины диффузионного см щения LJ,, Ьр; коэффициенты диффузии Dp, Dp.; подвижности/u-f,,/Up ; коэ фициент поглощения света о aL(} скорость поверхностной рекомбинации /5-. Спектральные характеристики лице вого и тыльного р-п-переходов при любых физических параметрах трех слоев отличаются друг от друга, так как поглощение экспоненциально падает с глубиной проникновения света Но, главным образом, из-за приповер ностной рекомбинации спектральчая характеристика лицевого перехода в области коротких длин волн идет бол круто, чем спектральная характеристика тыльного перехода. Таким образон, всегца имеется точка пересечения этих двух характеристик, она со ответствует такой длине волны Д, пр которой оба р-гп-перехода с равной э фективностью разделяют неосновные носители заряда, созданные светом. Поскольку фоточувствительный элемен предназначен для проведения оптичес кой обработки изображений, и она может производится при искусственно освещении, возможна работа в монохроматическом свете на определенной, заранее выбранной, длине волны . Условие симметричности вольт-амперной характеристики на определенной длине волны Л. запищется в виI лицее j. Го- I son Г - ТОКИ запертых р-п-переходов . Если равны запорные токи, то по уравнению Шокли равны и токи в непо редственной близости к нулевому сме щению в пределах -4110 UQ. При любой освещенности переходов вольт-амперная характеристика с сим метричностью запорных токов, включа 1ЦИХ ток, созданный светом носителей, проходит через точку нулевого смещения. 1 ЧГЛчч . . . . «Т J -теми u/Uj е +1 тсмн свет где и - смещение на элементе; И - где k - постоянная Больцмана; заряд электрона; температура К; коэффициент (для кремниевых приборов -5- 2 ); U,.l± 0,05 В. В пределах + 0,2 В квантовая эффективность преобразования света в электрический сигнал плавно изменяется с изменением питающего смещения на фоточувствительном элементе. Что касается выбора физических параметров трех слоев из условия (1), то решение этой задачи в общем виде для конкретной. Д невозможно. Однако, если задаться рядом физических параметров,таких,как ; h, р, L., Lp , jit,, jUp , DH, Dp, положить известными o( ot (A) , |j , TO можно на ЭЦВМ рассчитать, например, W Wp() и Wp W р( ) из ( I). Расчеты осложнены тем обстоятельством, что WP и W не являются независимыми величинами W Wp(Wf,). Выбор Wp и W также зависит от концентрации неосновных носителей в рПр и в п-нелегированном слое Для расчетов положили: ,г 1 10 « см-3 ; pj Ю см;. „.г «.г и . , 250 1200 см-В-- (Ug 1С- ; Ь„ 0,04 см; Lp 0,3 см; D 31 см -с- ; Dp 6,5 Л ( 1 см с . WP/WJ, для сокращения объема вычислений придавались следующие первые значения: 3/200, 3/100, 3/30, 3/15; 20/200, 20/100,- 20/30, 20/15, 50/200, 50/100. 50/30, 70/15, 100/15. Подбирались такие пары Wfi и W. . ,.y ..«г г TMAkH/TOter ДЛЯ которых q.Sl. q I Полученные результаты приведены в таблице.

2000

700

90

200

0,82

100 0,97 0,97

30

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий р-п-р(п-р-п)-структуру, размещенный на диэлектрической подложке с электрическими контактами К р(п )-областями,о т л и ч .а jp щ .и йс я тем, что, с целью з равления величиной квантовой эффективности преобразователя, концентрация легирующих примесей и трлщины р(п)-областей равны, причем концентрация легирующей примеси в Г((р)-области меньше концентрации легирующей примеси вр(| -областях по крайней мере на порядок. S

Зависимость q от V р для Д 0,9 мкм и 0,8 мкм слабая, т.е. Wp может быть выбрана 20+10 мкм и 50 ± + 10 мкн, а зависимость q от Wp для / О ,6 мкм - более -сильная, так что WP может быть выбрана 3+1 мкм. Следует отметить, что для А 0,6 мкм полная симметричность в отсутствии рекомбинации носителей на поверхности вообще недостижи ма. Для длинноволнового света - достижима. При | 0,9 мкм мала абсолютная эффективность преобразования. Однако для целей кодирования изображения полученные значения q. вполне удовлетворительны. Они могут быть откорректированы дополнительно при необходимости выбором питающих напряжений. Характер вольтамперной зависимости (стабильность точки О, в частности изменяется только при значениях « 10. Расчета для Д 0,9 мкм должны производиться при разных толщинах Wp, wp двух легированных р-слоев. Если в торой легированный слой сделать толстым ( 200, 300 мкм то на симметричность структуры, у к торой 50 мкм, а W 30 ьосм, это существенно не повлияет, а абсолютнай эффективность преобразования света существенно возрастет. Устройство работает следующим образом. Пусть обрабатывается точка изображения с координатами х, у. Нужно умножить интенсивность освещения, соответствующую этой точке, на весовой коэффициент , у), который для определенности положим равным -0,5. По формуле (2) либо графическ по вольт-амперной характеристике выбираем соответствующее напряжение смещения на.фоточувствительиом элементе. Это -0,8 Uo. Положим от рицательным смещение, когда на лицевом переходе -, а на тыльном , Через контакты подаем требуемое смещение. При освещении элемента интенсивностью , у) происходят поглощение фотонов в р- и л-областях и образование электроннодырочных пар, число которых пропорционально (x,у). Эти пары в данном случае разделяются лицевым переходом, а ток, текущий через контакты, имеет отрицательное направление. Величина этогх) тока: 3«(х,у)р((х,у) В следующий момент нужно умножить х,у) на весовой коэффициент х,у) 0,5. На фоточувствительный элемент подается смещение ± 0,8 Up. В цепи сигнала течет ток: гЗ(х,у) Лх,у). Таким образом производится оперативное управление квантовой эффективностью преобразования света в электрический сигнал по знаку и абсолютной величине, что эквивалентно весовому кодированию изображения. Следует отметить, что точность и воспроизводимость такого кодирования определяется, в первую очередь, стабильностью и воспроизводимостью вольт-амперной характеристики элемента. Величины, входящие в выражение (2), это - k; т, q и сеет Известно, что разбросы в чувствительности элементов интегральных схем к воздействию излучения могут составлять единицы %. Стабильность же вольтамперной характеристики во времени определяется стабильностью температуры. Число синтезируемых весовых коэффициентов или динамический диапазон