Интегральный фотоэлектрический преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H03K19/175 

VJ

ю ел ел

4

Изобретение относится к фотоэлектрическим преобразователям, а более конкретно интегральным фотоэлектрическим преобразователям на основе нормально-закрытого полевого транзистора с управляющим р-п-переходом, и может быть использовано в полупроводниковых И С высокой степени интеграции в качестве преобразователя оптической информации в системах обработки оптической информации.

Известны интегральные фотоэлектрические преобразователи представляющие собой составные фототранзисторы, которые содержат два интегрально совмещенные биполярных транзистора, один из которых является фототранзистором и отличается от обычного транзистора тем, что р-п-переход база-коллектор, выполняющий в нем роль .фоточувствительного элемента, имеет большую площадь. Такой фотоэлектрический преобразователь имеет высокий коэффициент усиления, но низкое быстродействие вследствие большой емкости перехода база-коллектор. Кроме того, при увеличении коэффициента усиления из-за эффекта обратной связи быстродействие такого фотоэлектрического преобразователя снижается.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является интегральный фотоэлектрический преобразователь, построенный на нормально-закрытом полевом транзисторе с управляющим р-п-переходом, который и выбран в качестве прототипа.. Фоточувствйтельным элементом в прототипе является p-n-переход затвор-исток нормально-Закрытого полевого транзистора с управляющим р-п-переходом, на котором под действием света наводится фотоЭДС, обуславливающее отпирание полевого транзистора и, таким образом, его переключение из закрытого состояния в открытое. Присутствие оптического сигнала соответствует открытому состоянию полевого транзистора, а его отсутствие закрытому состоянию полевого транзистора.

Недостатком прототипа является то, что такой фотоэлектрический преобразователь обладает низким быстродействием вследствие значительного времени запирания р-п- переходазатвор-исток нормально-закрытого полевого транзистора с управляющим р-п-переходом, обуслов- ленного тем, что затвор полевого транзистора находится в оборванном состоянии и, соответственно, велико время рекомбинации избыточных фотосгенериро- ваниых носителей в его затворной области.

Этот недостаток предлагается устранять путем закорачивания затвора полевого транзистора через сопротивление на землю, тем самым выводить избыточные носители

из затворной области, Однако, такое решение является нежелательным, т.к. это снижаетфоточувствительностьнормально-закрытого полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, посколь0 ку избыточные носители выводятся из затворной области независимо от наличия или отсутствия оптического сигнала.

Целью изобретения является повышение быстродействия фотоэлектрического

5 преобразователя на основе нормально-закрытого полевого транзистора с управляющим р-п-переходом..

Поставленная цель достигается тем, что интегральный фотоэлектрический преобра0 зователь, содержащий основной нормально-закрытый полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, включенный по схеме с общим истоком, p-n-переход которого является фоточувствительным,-за5

твор подключен к оптическому входу

фотоэлектрического преобразователя, дополнительно содержит дополнительный нормально-закрытый полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, включенный

0 по схеме с общим истоком, p-n-переход которого является фоточувствительным, два инвертора инжекционного типа, генератор прямоугольных импульсов, сумматор по модулю два, при этом, затворы основного и

5 дополнительного нормально-закрытых полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом подключены к выходам первого и второго инверторов инжекционного типа, ко входам которого подключены прямой и

0 инверсный выходы генератора прямоугольных импульсов, стоки основного и дополнительного нормально-закрытых полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом подсоединены к первому и второму вхо5 дам сумматора по модулю два, выход которого является выходом фотоэлектрического преобразователя.

На фиг.1 представлена эквивалентная схема фотоэлектрического преобразовате0 ля, где 1 - основной нормально-закрытый полевой транзистор с управляющим р-п-пе- рэходом, 2 - дополнительный нормально- закрытый полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, 3, 4,- шины,

5 соединяющие выходы инверторов инжекционного типа с затворами полевых транзисторов, 5, б - первый и второй инверторы, 7. 8 - шины, содержащие прямой и инверсный выходы генератора прямоугольных импульсов со входами первого и второго инверто-.

ров, 9 - генератор прямоугольных импульсов, 10, 11 -шины, соединяющие стоки основногои дополнительного нормально-закрытого полевого транзистора с управляющим р-п-переходом с первым и вторым входом сумматора по модулю два, 12 - сумматор по модулю два, 13 - выход сумматора по модулю два, который является выходом фотоэлектрического преобразователя; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема фотоэлектрического преобразователя без генератора прямоугольных импульсов; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого фотоэлектрического преобразователя; на фиг.4 - функционально-топологическая схема фотоэлектрического преобразователя без генератора прямоугольных импульсов, где 14 - подложка n-типа, на которой сформирован фотоэлектрический преобразователь.

Рассмотрим работу устройства. При отсутствии оптического сигнала нормально- закрытые полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом 1 и 2 будут закрыты, т.к. на их затворах низкий потенциал ввиду отсутствия цепи питания, а потенциалов на выходах соответствующих им инверторов 5, 6, с затворами соответствующих нормально-закрытых полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом шинами 3, 4, недостаточно для их переключения в открытое состояние, поэтому на стоках нормально-закрытых полевых транзисторов, которые соединены со входами сумматора по модулю два 12 шинами 10, 11, сигналы одинаковы, что означает наличие уровня логического О на его выходе 13 и, соответственно, на выходе фотоэлект рического преобразователя (фиг.1, 3). При появлении оптического сигнала нормально- закрытые полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом 1 и 2 поочерёдно открываются и закрываются, управляемые импульсами, поступающими, соответственно, через инверторы 5, 6 с прямого и инверсного выходов генератора прямоугольных импульсов 9 по шинам 7,8, т.к. наведенного фотопотенцйала достаточно для их нормальной работы, поэтому на стоках и, соответственно, на первом и втором входах

сумматора 12 появятся импульсы в противо- фазе, что будет соответствовать появлению уровня логической 1 на выходе фотоэлектрического преобразователя 13. Таким об- 5 разом, уровень логической 1 на выходе фотоэлектрического преобразователя соответствует наличию оптического сигнала, а уровень логического О - его отсутствию. При этом, времена запирания р-п-перехо0 дов затвор-исток полевых транзисторов 1 и 2 будут значительно меньше, чем в прототипе, поскольку время переключения фоточувствительных полевых транзисторов 1 и 2 из открытого состояния в закрытое при выклю5 чении оптического сигнала будет определяться шириной импульса генератора прямоугольных импульсов 9, т.к. затворы полевых транзисторов 1 и 2 соединены с выходами соответствующих инверторов 5, б

0 (фиг.2) которые периодически замыкают их на землю через каналы соответствующих им переключательных полевых транзисторов, составляющих эти инверторы.

Предлагаемый фотоэлектрический пре5 образователь может быть реализован в рамках стандартного безэпитаксиального технологического процесса на подложке п- типа (КЭФ-4, 5) со сформированными на - ней элементами: нормально-закрытые поле0 вые транзисторы с управляющим р-п-переходом 1 и 2, инверторами инжекционного типа 5, 6. а также сумматора по модулю два 12. В качестве генератора прямоугольных импульсов может быть использован кольце5 вой генератор, сформированный на этом же кристал ле в том же технологическом цикле, или тактовая последовательность импульсов с развязывающим инвертором, если таковая имеется в схеме устройства,

0 сформированного на этом же кристалла вместе с фотоэлектрическим преобразователем. Функционально-технологическая схема фотоэлектрического преобразователя без генератора прямоугольных импуль5 сов (фиг.4) одна из возможных реализаций размещения фотоэлектрического преобразователя на кристалле.

Минимальное время переключения предлагаемого фотоэлектрического преоб0 разователя составляет, по крайней мере, .

Использование: в полупроводниковых ИС высокой степени интеграции в качестве преобразователя оптической информации в системах обработки оптической информации. Сущность изобретения: интегральный фотоэлектрический преобразователь содержит: основной и дополнительный нормально-закрытые полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом (1,2), 2 шины, соединяющие выходы инверторов инжекци- онного типа с затворами полевых транзисторов (3.4), первый и второй инверторы (5,6), 2 шины, соединяющие прямой и инверсный выходы генератора прямоугольных импульсов с входами первого и второго инверторов (7,8), 1 генератор прямоугольных импульсов (9), 2 шины, соединяющие стоки полевых транзисторов со входами сумматора по модулю два (10,11), 1 сумматор по модулю два (12), выход сумматора по модулю два (13). 4 ил.

Формулаизобретения Интегральный фотоэлектрический преобразователь, содержащий основной нормально- закрытый Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом, включённый по схеме с общим истоком, р-п-переход которого является фоточувствительным, затвор подключен к оптическому входу фотоэлектрического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, он дополнительно содержит дополнительный нормально-закрытый

полевой транзистор с управляющим р-п-пе- реходом, включенный по схеме с общим истоком, р п-переход которого является фоточувствительным, два инвертора йнжек- ционного типа, генератор прямоугольных импульсов, сумматор по модулю два, при этом затворы основного и дополнительного нормально-закрытых полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом подключены к выходам первого и второго инверторов

инжекционного типа, к входам которых подключены прямой и инверсный выходы генератора прямоугольных .импульсов, стоки основного и дополнительного нормально- закрытых полевых транзисторов с управляющим р-п-перехрдом подсоединены соответственно к перврму и второму входам сумматора по модулю два, выход которого является выходом фотоэлектрического преобразователя.

Фиг. 2