Устройство для моделирования фоточувствительного элемента Советский патент 1990 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для исследования и моделирования высокоомных фоточувствнтель- ных элементов, выполненных в виде р - р р полупроводниковой структуры.

Целью изобретения является повышение точности моделирования высокоом- ньпс фоточувствительных элементов.

На чертеже изображена схема устройства,

Устройство содержит первый источник 1 постоянного напряжения, первый регулируемый источник 2 тока, первый накопительный конденсатор 3, первый нагрузочный резистор 4, второй источник 5 постоянного напряжения, второй регулируемый источник 6 тока, третий источник 7 постоянного напряжения,третий регулируемый источник 8 тока, второй нагрузочный ре-.истор 9, второй накопительный конденсатор 10, регулируемый источник 11 напряжения, нелинейный резигтивный элемент 1 з.а- дания граничных УСЛОВИЙ, третий нагрузочный резистор 13.

Каме.

сл

СП

со

00

ОН

имя

Устройство работает следующим образом.

Уравнение полного тока

I +ЈЈ„-/уравнение Пуассона ЈЕ0 ЭЕ

3t Эх

р + N

з

(3)

перезарядки примесного

„

T + g f+Bc-V,

условие

РСТ exp Ј(0а 1-§-- ,(4)

bj

плотность тока; заряд электрона; подвижность дьфок; концентрация свободных

дьфок;

напряженность поля} диэлектрическая проницаемость;

N - концентрация атомов остаточных мелких донорных приме- сей; N - концентрация минусо-однозарядных акцепторов (ло- 35 вушек); р - концентрация дьфок перед

попаданием сигнального из-„ flL

.Выражение (.Ь) для приращения по,лучения на фоторезистор; л,

тенциала &U в окрестности точки х

Е л, - напряженность поля до попа- 40 ni

ст r 4W 0 на отрезке 1 можно аппроксими- дания сигнал.ьного излуче-1

-От )ЛКА-otfip Np -cipup АНд - (7) -C pPCT UN,

ДЕ(0) Е; In (I + 2.) .(8)

JРст

ровать рядом Тейлора:

ния;

Е: - характерное контактное поле; Q )T Nft- скорость тепловой 45

г

генерации дырок;

частота тепловых выбросов;

N

Ограничиваясь записанными слагад NА- Нд - концентрация ней- емыми, можно найти соотношение, ап тральных атомов акцепторнойпроксимирующее дифференциальный опепримеси; 50ратор в (6): NA - полная концентрация акцепторов;d2A4 2 Г Mf (1) - AtP(O)

gmc CNA- d x1 T I1

NjJ скорость генерации дырок

фоновым и сигнальным из- 55 )1 -. (9)

лучением dx J

CJcp - сечение фотоионизации ней-Изменение разности потенциалов на

трального акцептора;фоточувствительном элементе равно

ф - плотность потока квантов

фонового и сигнального излучения;V p P N - скорость-захвата дырок

на ловушки - коэффициент захвата дырки

на ловушку.

При попадании на фоточувствитель- ный элемент сигнального излучения концентрации дырок изменяется на &р, напряженность поля - на &Е, плотность тока - на UI, концентрация ловушек - на AN.

Уравнения (1)-(4), записанные относительно указанных приращений, имеют вид:

UI efUip ECT + е|ЦрстДЕ

+ +ее0-9-| т- ,

ее0 3ain ,

UP UNA,

е Эх1р

(5) (6)

at

(NA - Np)GfPc -UN.

-От )ЛКА-otfip Np -cipup АНд - (7) -C pPCT UN,

ДЕ(0) Е; In (I + 2.) .(8)

JРст

0 на отрезке 1 можно аппр

ровать рядом Тейлора:

d uCf(O)

ЛЦ|(1) U(j)(0) + 1

dx

1 (0) 2

Ограничиваясь записанными слагами, можно найти соотношение, апи лч(1) - Лс(о)

а изменение напряженности поля при х 0 равно

,„ d ACKO) &ь

UE - UECO) ; ир - -Ш

el и- р е (Ыд - N.l.

J0 UN ГбТ;&кА; ЕА 2-Јё;

Учитьшая это и применив аппрокси-„ л.

v - e..NBl .

ЕА 2ЕЕ0

мацию (9), (6) можно записать в виде:

Јf.q.t&A.

1

- (- -ДБ (0)) Др -АМд.(Ю)

15 R, - ,Р,)

Используя при записи (5), (7), (8) и (10) новую систему параметров, имеющих размерности, совпадающие с размерностями электрических величин

15 R, - ,Р,)

. ретЕЕоА +.

J 2 и параметров электрических цепей, по- Sp 2 л с

J±:0 - паразитная емкость фоточурстнительного элемента;

el

UE - UECO) ; ир - -Ш

UP;

2-Јё;

Јf.q.t&A.

1

15 R, - ,Р,)

. ретЕЕоА +.

J

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для исследования и моделирования высокоомных фоточувствительных элементов, выполненных в виде P⁺-P-P⁺-полупроводниковой структуры. Целью изобретения является повышение точности моделирования высокоомных фоточувствительных элементов. Цель достигается за счет введения в устройство нагрузочного резистора, учитывающего дрейфовый ток в отсутствии светового потока, накопительного конденсатора, учитывающего потенциал смещения, нелинейного резистивного элемента задания граничных условий, второй и третьей управляемых фотопроводимостей, второго и третьего источников постоянного напряжения и регулируемого источника напряжения, что позволило учесть граничные условия на P⁺ -P- переходе и инерционные процессы, связанные с генерацией дырок, обусловленной тепловым и сигнальным излучениями. 1 ил.

лучимi

i .- GU + GU +C -fr

U - Ug - U(j, + UN 0

,(11)

(12)

VEA

r-u - - - Gtu« Ra

- Gp-fiA - Gp U,(13)

U. Ul In (1 + Ј),(14)

1JUQ

i LI A - приращение тока фоточувствительногоэлемента;

А - площадь поперечного сечения фоточувствительного элемента;

е ft uЈA -

проводимость, пропорциональная изменению концентрации дырок при воздействии сиг- нального излучения;

-,- сопротивление фотое|ир,,гА

i ст чувствительного элемента при отсутствии сигнального излуче-т ния;

- напряжение на фоточувствительном элементе при отсутствии сигнального излучения;

U

Ф

UJ

el

и 2ёё;р

ст

С системой уравнений (11) - (14) можно сопоставить устройство,, схема которого изображена на чертеже. Напряжение источника 1 равно Ед, напряжение источника 5 равно Ед, напряжение источника 7 равно Uoi, напряжение источника 11 управляется напряжениями U и UN и равно их сумме, проводимость элемента 12, пропорциональная плотность потока квантов сигнального излучения, равна Gc, проводимость источника 6 тока, управляемая напряжением Up, равна G, проводимость источника 8.тока, управляемая напряжением Up, равна G, емкости конденсаторов 3 и 10 равны С, сопротивление резистора 4 равно RJ, сопротивление резистора 9 равно R, сопротивление резистора 13 имеет произвольную величину R, нелинейный элемент 12 имеет вольт-амперную характеристику

i -2«L(e f R,

Ue Ъ

- 1),

где Ug - напряжение на нелинейном

элементе;

i Up/R, - ток через него. При отсутствии светового потока проводимости источников 6 и 8 тока и конденсатора 3 равны нулю, а также равны нулю напряжение регулируемого источника 11 напряжения и сигнальное напряжение на фоточувствн- тельном элементе.

Наличие сигнального светового потока приводит к пропорциональному увеличению проводимости источника 2 тока и появлению тока в цепи из параллельно соединенных конденсаторов 3 и резистора 4, позволяющего учесть инерционность процесса перезарядки ловушек. Резистор 4 моделирет тепловую генерацию дырок и генерацию дырок фоновым излучением. Источник 5 постоянного напряжения и пропорциональная концентрации дырок проводимость источника 6 тока позволяют учесть конечную скорость захвата дырок на ловушки. Совокупност элементов 1, 5, 2, 6, 3 и 4 при таком соединении моделирует уравне

ние, описывающее захват свободных дырок на ловушки резистором 13.

Напряжение на выходе источника 11 напряжения равно сумме напряжения пропорционального концентрации ловушек, и изменения напряжения на фоточувствительном элементе. Сумма этого Напряжения, напряжения на элементе 12, равного Up, и напряжения на резисторе 13S равного Up, равна нулю в соответствии с вторым законом Кирхгофа. Цепь, состоящая из элементов 11-13 моделирует уравнение (6), а также граничные условия на - р-переходе (8).

Напряжение и„ резистора 13, пропорциональное концентрации дырок, управляет источниками 6 и 8 тока. Источник 8 тока включен последовательно с источником 7, напряжение которого равно напряжению на фоточув- ствительном элементе при отсутствии светового потока, и параллельно включенными резистором 9 конденсатором 10о Конденсатор 10 позволяет учесть ток смещения, а резистор 9 - ток проводимости при отсутствии светового потока. При наличии светового потока генерация дырок приводит к увеличению проводимости источника 8 тока, что приводит к появлению сигнального напряжения на параллельно включенных конденсаторе 10 и резисторе 9, которое вызывает во внешней цепи ток i. Следовательно, элементы 7-10 моделируют уравнение полного тока (5) и (11).

Таким образом для модели фоточувствительного элемента справедливы уравнения (11)-(14) и указанная мо

0

5

8

дель может использоваться в совокупности с устройствами обработки информации в фотоприемных устройствах.

Формула изобретения

Устройство для моделирования фоточувствительного элемента, содержащее первый накопительньй конденсатор, первый нагрузочный резистор, включенный параллельно первому накопительному конденсатору, причем один вывод первого нагрузочного резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а другой подключен к положитель0

5

0

5

0

5

0

5

ному полюсу первого источника постоянного напряжения, отрицательтсый полюс которого через первый регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены второй источник постоянного напряжения, второй регулируемый источник тока, третий источник постоянного напряжения, третий регулируемый источник тока, второй нагрузочный резистор, второй накопительный конденсатор, регулируемый источник напряжения, нелинейный резистивный элемент задания граничных условий и третий нагрузочньй резистор, причем положительный полюс первого источника постоянного напряжения подключен к первому управляющему входу регулируемого источника напряжения и к положительному полюсу второго источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого через второй регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потенциала, второй нагрузочньй резистор, включен параллельно второму накопительному конденсатору, причем один вывод второго нагрузочного резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а другой подключен к второму управляющему входу регулируемого источника напряжения и к положительному полюсу третьего источника постоянного напряжения, отрицательньй полюс которого через третий регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потенциала, отрицательньй полюс регулируемого источника напряжения подключен к шине нулевого потенциала, а его положительный полюс через нелинейный

реэнстипный элемент задания граничных условий соединен с управляющими выводами соответственно второго и третьего регулируемых источников ока

и подключен к одному ЯЫРОДУ третьего нагрузочного резистора, вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.