Фотоприемная ячейка Советский патент 1991 года по МПК G11C11/42 H01L31/16 

О

ю о ю о

Изобретение относится к технической физике, а точнее к оптоэлектронике, и может быть применено при создании оптоэ- лектронных устройств.

Цель изобретения - повышение чувствительности фотоприемной ячейки (ФЯ).

На чертеже изображена принципиальная схема ФЯ.

Между подложкой 1 и затворами усилительных транзисторов 2 и 3 дифференциального усилителя (ДУ) включены фотодиоды (ФД) 4 и 5, являющиеся оптическими входами ячейки. Истоки транзисторов 2 и 3 через токостабилиэирующий транзистор б соединены с общей шиной 7. Затворы транзисторов 2 и 3 соединены соответственно с истоками ключевых транзисторов 8 и 9 стирания, у которых стоки соединены с источником смещения через шину 10, а затворы - с шиной 11 стирания. Первый 12 и второй 13 нагрузочные транзисторы подключены к шине 14 источника питания соответственно через каналы третьего 15 и четвертого 16 дополнительных усилительных транзисторов. Информационные выходы 17 и 18 ФЯ (стоки транзисторов 2 и 3) соединены соответственно с затворами первого 19 и второго 20 дополнительных усилительных транзисторов, истоки которых подключены к общей шине 7 через последовательно соединенные дополнительные токостабилизирующий транзистор 21 и ключевой транзистор 22 стирания. Стоки транзисторов 19 и 20 соединены с источником 14 питания соответственно через третий и четвертый дополнительные нагрузочные транзисторы 23 и 24. Канал ключевого зарядного транзистора 25 включен между затвором транзистора 15 и стоком транзистора 19. Канал ключевого зарядного транзистора 26 включен между затвором дополнительного усилительного транзистора 16 и стоком 20 транзистора. Между подложкой 1 и затворами дополнительных усилительных транзисторов 15 и 16 включены соответственно запоминающие конденсаторы 27 и 28. Затворы ключевых транзисторов 22, 25, 26 соединены с шиной 11 стирания.

Фотоприемная ячейка работает следующим образом.

При стирании управляющее напряжение с шины 11 стирания открывает транзисторы 8,9,22,25.26. Емкости р-п-переходов ФД 4 и 5 заряжаются от источника 10 смещения через транзисторы 8 и 9. С открыванием транзисторов 22, 25, 26 дополнительный ДУ (транзисторы 10-24) охватывается глубокой отрицательной обратной связью (ООС). В петлю ООС кроме

дополнительного ДУ входят ключевые зарядные транзисторы 25 и 26, дополнительные усилительные транзисторы 15 и 16, нагрузочные транзисторы 12 и 13, динамические сопротивления стоков транзисторов 2 и 3. Благодаря действию ООС напряжение небаланса между выходами 17 и 18 уменьшается в F раз. где F -глубина ООС.

После стирания напряжение на шине 11

становится нулевым, закрываются транзисторы 8, 9, 2, 25, 26. Транзисторы 8 и 9 отключают источник 10 смещения от ФД4и 5, транзистор 22 отключает питание дополнительного ДУ, транзисторы 25 и 26 отключают выходы дополнительного ДУ от затворов транзисторов 15 и 16. Отрицательная ОС размыкается, но величина напряжения разбаланса между выходами 17 и 18 не изменяется, так как на запоминающих конденсаторах 27 и 28 сохраняются уровни напряжений, установившиеся при стирании. С подачей нулевого уровня ня шину 11 начинается фотоэлектрическое преобразование оптического сигнала. Под действием этого

сигнала уменьшаются заряды на емкостях ФД, возникающая разность напряжений на емкостях фотодиодов усиливается ДУ. Усиленный сигнал выделяется между выходами 17 и 18. Режим ДУ задается напряжением.

подаваемым на затвор транзистора 6.

Данная ФЯ, по сравнению с прототипом, обеспечивает повышение пороговой чувствительности в F раз. так как в F раз подавляется разбаланс на выходе дифференциального усилителя ФЯ. Глубину обратной связи F можно определить по приближенной формуле

F 1+k«k rV

где кд - коэффициент усиления дополнительного ДУ;

kn - коэффициент передачи истоковых повторителей на транзисторах 15 и 16;

RH сопротивление нагрузочных тран- зисторов 12 и 13;

Нд - динамическое сопротивление стоков усилительных транзисторов 2 и 3.

Учитывая, что из-за большой величины

Р Яд kn близок к единице, а -к-Д, 0,5,

Кд т Кн

из приведенной формулы следует, что при выполнении условия kA 20 можно повысить пороговую чувствительность на порядок.

Использование данной ФЯ в качестве элементарной ячейки многоэлементных интегральных фотоматриц позволяет обеспечить высокую пороговую чувствительность и идентичность этого параметра ячеек, а также надежность работы в условиях неодно- родностей электрофизических параметров исходного материала полупроводникового кристалла фотоматрицы, неоднородностей, вносимых используемой технологией про- изводства фотоматриц, а также внешних условий. Ведь автобалансировка каждой ФЯ фотоматрицы на каждом рабочем такте, т.е. в процессе ее работы, и является одним из наиболее эффективных средств подавления действия указанных факторов и повышения тем самым экономической эффективности процесса производства фотоматриц за счет увеличения процента выхода годных, т.е. удовлетворяющих техническим условиям, фотоматриц.

Формула изобретения Фотоприемная ячейка, содержащая первый и второй усилительные транзисторы, истоки которых соединены со стоком токостабилизирующего транзистора, а стоки, являющиеся первым и вторым информационными выходами фотоприемной ячейки, соединены соответственно с истоками и затворами первого и второго нагрузочных оранзисторов, два фотодиода, являющиеся оптическими входами ячейки, подключенных одноименными выводами к подложке, а другими выводами - к затворам первого и второго усилительных транзисторов и к ис- Токам ключевых транзисторов стирания, причем стоки ключевых транзисторов стирания соединены с источником смещения

фотодиодов, а затворы этих транзисторов - с шиной стирания, отличающаяся тем, что, с целью повышения чувствительности ячейки, к первому и второму информационным выходам ячейки подключены затворы соответственно первого и второго дополнительных усилительных транзисторов, истоки которых через дополнительный токостабилизирующий транзистор подключены к стоку дополнительного ключевого транзистора стирания, исток дополнительного ключевого транзистора стирания соединен с общей шиной, а его затвор - с шиной стирания, стоки первого и второго дополнительных усилительных транзисторов соединены через третий и четвертый дополнительные нагрузочные транзисторы с источником питания и соответственно со стоками первого и второго ключевых зарядных транзисторов, затворы которых подключены к шине стирания, а их истоки - к затворам соответственно третьего и четвертого дополнительных усилительных транзисторов, между затворами третьего и четвертого дополнительных усилительных транзисторов и подложкой включены запоминающие конденсаторы, стоки третьего и четвертого дополнительных усилительных транзисторов соединены с источником питания, а истоки третьего и четвертого дополнительных усилительных транзисторов подключены к стокам соответственно первого и второго нагрузочных транзисторов,

Изобретение относится к оптоэлектро- нике, к разделу считывания и хранения оптической информации. Цель изобретения - повышение пороговой чувствительности фотоприемной ячейки. Фотоприемная ячейка содержит подложку 1, дифференциальный усилитель на транзисторах 2 и 3 с фотодиодами 4. 5 на входах, на которые подается смещающее напряжение через каналы ключевых транзисторов 8, 9 стирания. Новым является введение элементов для подавления начального разбаланса дифференциального усилителя на каждом такте стирания. Это достигается включением в ячейку дополнительного дифференциального усилителя на транзисторах 19 и 20, зарядных транзисторов 25, 26, запоминающих конденсаторов 27, 28, дополнительных усилительных транзисторов 15,16, которые при стирании образуют цепь глубокой отрицательной обратной связи и подавляют начальный разбаланс дифференциального усилителя, что приводит к повышению пороговой фоточувствительности. На чертеже приняты следующие обозначения: 6 - токо- стабилизирующий транзистор-, 7 - общая шина. 10 - шина источника смещения, 11 - шина стирания. 12, 13. 23, 24 - нагрузочные транзисторы, 14 - шина источника питания, 17, 18 - информационные выходы ячейки, 21- токостабилизирующий транзистор, 22- ключевой транзистор стирания. 1 ил. Ё