Колориметрический датчик Советский патент 1991 года по МПК G01J3/46 

Изобретение относится к колориметрии и может быть использовано при создании фотоэлектрических трехцветных колориметров.

Цель изобретения - упрощение конст- рукции и технологии изготовления датчика. На чертеже представлена схема колориметрического датчика.

На чертеже указаны полупроводниковые слои с разными типами проводимости: слой 1, п+- слой 2, р - слой 3, подложка 4 п - типа проводимости (v- слой) с высоким удельным сопротивлением, низкоомный п+ - слой 5, р44 - участок 6 с низким удельным сопротивлением, а также пассивирую- щий слой 7 двуокиси кремния и металлизирующие покрытия 8 подложки и полупроводниковых слоев, выполняющие как защитную функцию, так и роль омических контактов.

Датчик работает следующим образом. р-п-переходы 1-3 смещаются в обрат- - ном направлении путем приложения соот- ветственно напряжений Vs 30 В, V2 10 В и Vi 2 В. При этом области объемного заряда занимают соответствующие низко- омные области p-n-переходов. На датчик подается анализируемое видимое излучение. Центральные длины волн синего, зеленого и красного цветов: Ас 0,45 мкм, А3 0,56 мкм и Акр 0,72 мкм, а их обратные коэффицие н- ты поглощения (глубины поглощения) 1/Ос 0,40 мкм, 1/из 1,61 мкм и 1 /Окр 4,33 мкм, а соответствующие величины: 3/«с 1,20 мкм, 3/а3 4,83 мкм и 3/Окр 13,0 мкм. В этих условиях глубины р-п переходов составят hi 0,3 мкм, h2 1,4 мкм и Из 4,5 мкм, а толщина v-обпасти (глубина т гт -перехода гц 15 мкм.

В зависимости от спектрального состава видимого излучения будут изменяться фототоки трех p-n-переходов. По соотношению между этими фототоками можно судить о цветовом составе анализируемого излучения.

Принцип действия датчика основан на дисперсии коэффициента поглощения света от длины волны излучения, т.е. его цвета. Верхние слои (слой) являются поглощающими фильтрами по отношению к нижним слоям (слою). p-n-переходы смещаются каждый в своей цепи в обратном направлении так, что области пространственного заряда занимают для каждого из них (верхнего, среднего и нижнего) почти полностью соответственно слои 2-4. С этой целью уровни леги- рования соседних слоев p-n-переходов отличаются более чем на порядок величины. Падающее видимое излучение поглощается

в датчике следующим образом: в основном синий цвет - в области 2, зеленый - в области 3, красный - в области 4. Образовавшиеся в них избыточные фотоносители заряда преобразуются в фототоки трех р-п-перехо- дов. По соотношении между этими фототоками можно судить о цветовом составе падающего на колориметрический датчик видимого излучения.

П р и м е р. В качестве исходной структуры взята пластина обращенного кремния v/n+, где удельное сопротивление v-слоя составляет 2 1030м -см( ), его толщина 15 мкм. Полная толщина пластины 350 - 400 мкм. Удельное сопротивление низкоомной подложки 0,001 Ом см (No 1 Ю19 см 3). Далее на глубину Ьз . 4,5 мкм проводится диффузия бора для создания р-слоя с Ps 1,4 104 Ом/о(М 2,р Ю14 ), Для создания п+-слоя ср 2,1 Ю3 Ом/а (No 2 1016 ) проводится диффузия фосфора на глубину ti2 1,4 мкм. р -область с Ps 170 OM/Q(NA

ч19

-3 5 10 см ) получается путем легирования ионами бора на глубину hi 0,3 мкм с последующим импульсным фотонным отжигом. Для создания омических контактов к высокоомному р-слою применяется соответствующее подлегирование контактного участка этого слоя, проводимое одновременно с созданием р -области. Маскирующей пленкой служит слой двуокиси кремния толщиной 0,28 мкм. Последней операцией является металлизация пластины с обеих сторон алюминиевой пленкой толщиной 1,0 мкм.

Синий цвет не только в основном поглощается в области 2, но и проходит через нее и частично поглощается в областях 3 и 4. То же самое можно сказать о зеленом и красном свете, т.е. спектральные характеристики трех p-n-переходов (фотодиодов) перекрываются. Однако их геометрия подобрана так, что это перекрытие незначительно и существенного влияния на распознавание цветового образа исследуемого объекта не оказывает. О цветовом составе падающего на колориметрический датчик светового потока судят по соотношению выходных фототоков каждого из р-п-перехо- дов. Предварительно необходимо прокалибровать датчик с помощью эталонного объекта, например белой бумаги. Три выходных фототока могут быть усилены. причем коэффициенты усиления подбираются так, чтобы в случае белой бумаги выходные фототоки (напряжение) были одинаковы. При изменении цветового состава падающего излучения вне зависимости от его интенсивности соотношение между выходными фототоками колориметрического датчика изменится в соответствии с его назначением. Если анализируемый пучок имеет только один спектральный диапазон, лежащий, например, а синей области спектра, то датчик показывает наличие и других спектральных компонентов. Однако эти компоненты, т.е. фототоки среднего и нижнего p-n-переходов, незначительны, а соотношение между всеми тремя фототоками трех p-n-переходов строго адекватно спектральному составу (синему цвету).

Вещество, которым проводится легирование слоев, является существенным с той точки зрения, что это должен быть мелкий донор или акцептор, а выбор самой мелкой примеси не является существенным. Например, для создания ) и р-{3) слоев применяется мелкая акцепторная примесь - бор, алюминий; для создания ) и v-(A) слоев - мелкая донорная примесь - фосфор, сурьма, мышьяк, С другой стороны, область р -типа (1) с высоким уровнем легирования может быть без ущерба заменена либо прозрачным металлическим барьером Шоттки (например, золотой электрод толщиной 50 - 200 А), либо гетеропереходом (например, Sn02-SI). При этом верхний p-n-переход сохраняется и сущность работы от этого не изменяется, а лишь изменяется способ со- здания фронтальной области (эмиттера) верхнего р-п-перехода.

Формула изобретения Колориметрический датчик, выполненный в виде полупроводниковой подложки, включающей три полупроводниковые области с р-п-переходами,и металлических электродов, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и технологии изготовления, p-n-переходы расположены один под другим в полупроводниковой подложке, причем глубины hi,h2 и ha залегания первого, второго и третьего р-п-перехо- дов относительно поверхности подложки удовлетворяют условиям

hi аГ , min (3 of , «Г1Х to max (3 «Г , оГ1); min (3 оГ1, пз max (3 аГ ОкД

а толщина подложки 1ц 3сЈкр , где «с, а3 и Окр - соответственно коэффициенты поглощения излучения синего, зеленого и красного цветов в подложке, при этом р-п-пе- реходы выполнены с концентрациями легирующих примесей соседних областей, отличающимися друг от друга более чем на прядок величины и убывающими от поверхности подложки, металлические электроды расположены на областях, образующих первый p-n-переход, а в областях, образующих третий p-n-переход, созданы низкоомные участки тех же типов проводимости, на которых расположены металлические электроды.

Изобретение относится к устройствам для измерения цвета, в частности к фотоэлектрическим трехцветным колориметрам. Целью изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления колориметрического датчика. Датчик состоит из трех p-n-переходов, сформированных на одной полупроводниковой подложке: р - слой 1, п+ - слой 2, р - слой 3, v - слой 4 с высоким удельным сопротивлением подложки, низкоомная п+ - область 5, контактный р - участок 6 с низким удельным сопротивлением, пассивирующий слой 7 двуокиси кремния, металлизация 8 (подложки и слоев); р-п - переходы выполнены резкими и расположены один над другим вниз по толщине подложки, причем глубины залегания этих переходов hi, h2 и Ьз удовлетворяют условиям : hi Oc min (3/Gt, 1/«3) h2 max (3/Oc, 1/a3); mln (З/Оз, 1 /okp) пз max (З/Оз, ), a толщина подложки З/Okp. где а. - коэффициент поглощения света в полупроводнике, индексы с, з и кр соответствуют синему, зеленому и красному цветам. Уровни легирования слоев 1-4 убывают от поверхности в глубину. В высокоомных слоях 3 и 4, образующих нижний р-п переход, для получения омических контактов и обеспечения механической прочности пластины созданы низко- омные участки того же типа проводимости (изотипные переходы). Поверхность датчика покрыта пассивирующим слоем 7 двуокиси кремния. Металлизация 8 осуществляется пленкой алюминия. 1 ил. сл с с со о VI о со