Устройство для преобразования пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов Советский патент 1977 года по МПК G02F7/00 

}PL jj у-е а/, v-f/o y.U, 4 g7VoI 4куРо 2 -t/0 s -ri где - координата (); L - длина фотоприемника; t - время; t/o - амплитуда прямоугольного импульса напряжения; Л, Р - плотности электронов и дырок соответственно;Е - напряженность электрического поля; 1е, 1Ип - ПОДВИЖНОСТИ электронов и дырок соответственно; G - скорость генерации пар; R - скорость комбинации носителей; q - заряд носителя, X - диэлектрическая проницаемость. Функции (x}, рр(х) (начальные концентрации носителей) определяются интенсивностью освещения в каждой точке и рекомбинацией носителей. Они являются стационарным решением системы выражений (1) - (3) при отключенном напряжении е(х, t)0. В случае бимолекулярной рекомбинации R(x, t) (x, t)n(x, t), где г - безразмерная константа бимолекулярной рекомбинации и РП(Х), РР(Х) имеют вид vW-ppW- /. в случае рекомбинации через центр функции рп(х), рр(х) различны и также не пропорциональны g(x). Однако, если концентрация центров рекомбинации достаточно велика и справедливо приближение постоянного времени жизни носителей, то РП(Х} и РР(Х) равны и пропорциональны g(x) Pn(x)p(x) g(x), где т - время жизни носителей. В реальных фотоприемниках имеет место и бимолекулярная рекомбинация и рекомбинация через центр, так что рп(х) и рр(х) являются нелинейными функциями g(x). Таким образом рекомбинация играет определяющую роль в установлении равновесной концентрации носителей и ее скорость должна быть достаточно велика. Но интенсивная рекомбинация продолжается и в процессе эксклюзии носителей, что вызывает искажение преобразуемого сигнала. С одной стороны, время установления равновесной концентрации носителей, т. е. время их жизни, должно удовлетворять неравенству , со - рабочая частота устройства, но, с другой стороны, для того, чтобы сигнал не искажался рекомбинацией в процессе эксклюзии, время жизни носителей должно быть много больше времени пролета носителей через фотоприемНИК Т fпр. Следовательно, время жизни носителей должно удовлетворять противоречивым иеравеиствам, что приводит к снижению рабочей частоты устройства или к искажениям сигнала. Кроме того, сигнал искажается собственным полем зарядов носителей и продолжающейся в процессе эксклюзии генерацией носителей. Отличие реального импульса напряжения от прямоугольного также вносит искажения в преобразуемый сигнал. За время установления равиовесной концентрации носителей диффузия успевает исказить функции рп(л;) и РР(Х). С целью уменьшения искажений преобразуемого сигнала и улучшения частотных характеристик устройства перед фотоприемником устаиовлен прерыватель (затвор) для преобразования непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемника затемнена. Напряжение на стадии считывания основного сигнала поддерживается постоянным. Эксклюзия носителей осуществляется из неосвещенного фотоприемника. Таким образом, отличительной чертой данного изобретения является использование режима импульсного освещения и постоянного напряжения. Длительность светового импульса, генерирующего носители, должна быть достаточно мала для применения приближения «малого сигнала «малого сигнала (, pj,(.t)l, e(x, 1)7У, а рекомбинация при этих концентрациях носителей ие должна искажать преобразуемый сигнал (9n(x)p(x)g(x)t, где Ai - длительность импульса). В этом случае эксклюзия носителей описывается уравнениями д.1 -- dt дх . I ± Q dtb дх с начальными условиями n(X,0)(X,0)(x).( Решение этой задачи имеет вид n(x,{}-::;.(X + t) р (л-, t) : J Xi X 1. Vо ок, протекающий через фотоприемник, выражается как У({ ±,(х,()+п(х, f) + у.р(X, t). (4) десь следует учесть производную от поля по ремени, так как оиа порядка п, р. Далее у(/) J(i)dx .(x + t) + лП L ОО )- Первое слагаемое в выражении (4) после интегрирования по X, выпадает, так как

1

Г (Л-, t dx - и о - const.

И, наконец,

о I 1 - /J .(о)

y(o--pw-,.

Таким образом, производная от тока по времени состоит из двух слагаемых. Первое обязано своим происхождением току проводимости электронов, второе - току проводимости дырок. Одно из них, например электронное, можно считать основным сигналом, второе (в b раз меньше и в Ь раз более долгоживущее) - искажением сигнала. Такое же искажение преобразуемого сигнала имеет место и в прототипе. Использование полупроводников с малоподвижными дырками () не позволяет устранить искажение, так как дырки, накапливаясь в процессе работы фотоприемника, искажают поле, а, следовательно, и преобразуемый сигнал. Искажающее влияние дырок можно исключить, если некоторую область фотоприемника около катода оставить неосвещенной (размер этой области

должен быть не меньще :; ). Тогда

1 -1- b

)

и из равенства (5) следует, что производная от тока во время считывания основного сигнала равна плотности электронов, т. е. устройство позволяет получить неискаженный основной сигнал. Фотоприемпик затем очищается от оставщихся в нем дырок и.мпульсом напряжения. Если амплитуда прямоугольного импульса такова, что (в безразмерных едиинцах), то можно получить зеркально отображенный сигнал в том же масщтабе времени.

Иа фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для преобразования световых сигналов в электрические; на фиг. 2 - режи.м работы генератора импульсного напряжения.

Устройство содержит генератор 1 импульсов напряжения, прерыватель 2 светового потока, работающий в режиме импульсного освещения, фотоприемпик 3 с затемненной (например, закрытой непрозрачным экраном 4) прикатодной областью 5, дифференциирующую цепочку 6, с которой сни.мается выходной сигнал.

Импульсный световой сигнал, сформированный прерывателем 2, генерирует в фотоприемнике 3 электронно-дырочные пары, которые под действием поля начинают дрейфовать к противоположным концам фотоприемника. Уход электронов из фотоприемника приводит к уменьшению тока, что, в свою очередь, вызывает появление преобразованного сигнала на выходе дифференциирующей цепочки 6.

Во время считывания основного сигнала дырочная составляющая тока остается постоянной (дырки дрейфуют через затемненную

область 5) и не искал ает сигнал. Затем импульс напряжения генератора 1 очищает фотоприемпик от оставщихся в нем дырок. На фиг. 2 показан режим работы генератора импульсного напряжения, где UQ - рабочее напряжение считывания основного сигнала; тах - амплитуда импульса напряжения, удаляющего из фотоприемннка дырки; to - период работы устройства, защтрихованные прямоугольники - импульсы освещения фотопрнемника.

Использование прерывателя для преобразования непрерывного освещения в последовательность световых импульсов и фотоприемника с затемненной нрикатодной областью

выгодно отличает предлагаемое устройство для преобразования световых сигналов в электрические от указанного прототипа, так как нет необходимости получать стационарную концентрацию инл ектированных носителей, что позволяет уменьшить искажение сигнала из-за реко.мбннации и диффузии носителей, устранить искажающее влияние дырок, помехи, впоснмые отличием реальных импульсов напряжения от прямоугольных, удается

улучщить частотные характеристики устройства и сравнительно просто получнть повторение сигнала.

Ф о р м } л а изобретения

40

Устройство для преобразованпя пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные источник импульсного напряжения, полупроводниковый фотопрнемннк и дифференциирующую цепочку, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений преобразумого сигнала п улучшепия частотпых характеристик устройства, перед фотоприемником установлен прерыватель для преобразоваппя непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемника затемнена.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе;

1.Патент США № 3111556 кл. 178-7.1, 1963.

2.Авторское свидетельство СССР 366446, М. Кл. G 02F 7/00, 1970.