Способ регистрации световых импульсов Советский патент 1987 года по МПК H01L31/00 

.

п. 1-6 Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам регистрации световых импульсов с помощью полупроводниковых устройств с внутренним усилением, и может быть использовано в оптоэлектронике, системах оптической связи и в лабораторных исследованиях для регистрации - световых импульсов и преобразования изображений. Известны технические решения, позволящие осуществлять фоторегистрацик) при помощи структуры металл-диэлектрик-полупррводник (МДП), работающий в режиме инициируемого светом лавинного пробоя, т.е; пробоя протекающего в приповерхностной области полупроводника. К структуре прикладьшается напряжение, равноенапряжению пробоя. Падающий свет инцинрует лавинный пробо в структуре, что вызывает осцилляции в электрической цепи. Указанным обр зом осуществляется обнаружение света малой интенсивности, однако проблема преобразования светового сигнала в электрический сигнал соответствующей формы не решается, что резко сужает область применения изобретения, по зволяя его использовать лишь в роли обнаружительного элемента. Известен также способ регистрации световых импульсов с использованием полупроводниковых элементов с внутренним усилением выходного сигнала на основе МДП-структур, работающих в режиме лавинного пр|Обоя полупровод rfkKa. МДП-структура состоит из слоя полупрозрачного золота, слоя двуокиси кремния толщиной 300 А, сопротивле-. ние которого не более, чем 10 Ом/см и кремния с концентрацией носителей Ю см, причем с целью повышения стабильности усиления выходного сиг.нала, приповерхностный слой кремния дополнительно легирован до концентра ций 10 -18® . Для создания в полупроводнике области лавинного умножения носителей тока МДП-структура подключается к источнику постоянного напряжения. Освещение структуры светом из области собственного поглощения кремния приводит к генерации фотоносителей, которые ускоряясь в электрическом поле в приповерхностной области кремния умножаются вслед ствие ударной ионизации. Вследствие малого сопротивления диэлектрика накопления носителей на границе раздела диэлектрик-полупроводник не происходит, и через структуру течет сквозной ток. Выходной электрический сигнал измеряется на сопротивлении, включенном последовательно с МДПструктурой.. Недостатки известного технического решения состоят в следующем. Протекание через структуру значительного сквозного тока приводит к появлению дробовых токовых шумов, снижающих пороговую чувствительность устройства при работе с коэффициентом внутреннего усиления более 20. Вследствие ограничения коэффициента усиления при регистрации малых световых сигналов возникает необходимость в дополнительных усилительных каскадах электрического сигнала, что ведет к существенному усложнению и удорожанию фоторегистрирующего устройства. Кроме того, создание на основании известного технического решения многоэлементного фотоприемника с внутренним усилением для преобразования изображений связано со значительными усложнениями, |так как даже незначительная неоднородность толщины низкоомного слоя кремния от элемента к элементу при- , водит к различным величинам напряже-: ния лавинного пробоя, т.е. требуется отдельный источник напряжения для каждого элемента фотоприемника, что очень сложно реализовать технически в случае линеек и матриц с большим количеством элементов. Целью изобретения является упрощение способа фоторегистрации при одновременном обеспечении возможности регистрации импульсов света с энергией менее 10-15 дкс. Возможная реализация многоэлементного фоторегистрирующего устройства,,с внутренним усилением выходного сигнала, упрощенной конструкции. Указанная цель достигается тем, что используют структуры с диэлектриком, сопротивление которого не менее 10 Ом/см и подают на структуры импульсное напряжение с длительностью импульса меньше времени образования слоя неосновных носителей в полупроводнике. Дпя повьш1ения стабилизации усиления подают импульсное напряжение, нарастающее с крутизной не менее 360 10 В/с. Упрощение последующей обработки выходного электрического сигнала достигается использованием импульсов питания специальной формы, а именно амплитуда переднего фронта его равна напр-яжанию лавинного пробоя МДП-структуры с линейной нарастающей вершиной. На чертеже представлено устройство 10

для реализации предложенного способа, где 1 - МДП-структура, 2-сопротивление нагрузки, 3-импульсный источник напряжения, 4 - линия задержки, 5 задающий импульсный генератор, вклю- 15 чающий источник света, ,6 - импульсны источник света, 7 - фокусирующая сис тема. МДП-структура 1, вьптолняющая функ цию светочувствительного элемента, изготавливается на основе полупровод ника с концентрацией носителей тока, при которой наблюдается лавинный про бой в МДП-структуре. Диапазон концен траций ограничен со стороны меньших значений величиной, начиная с которо лавинный пробой становится неоднородным, сосредотачиваясь по периметру МДП-структуры, наибольшее значени концентрации определяется величиной, на1иная с которой развивается процесс прямого туннелирования носителей через запрещенную зону (пробой Зипера) к границе раздела диэлектрик-полупроводник. Материал диэлектрика и его толщина подбираются такими, чтобы сопротивление диэлектрика на единицу площади было не менее 10 Ом/см. При этом сквозной ток через диэлектрик блокируется, и носители, рождаемые в процессе лавинной ионизации, накапливаются на границе диэлектрика. На диэлектрик напыляется полупрозрачный металлический электрод. В . . случае многоэлементного фотоприемника напыляется соответствующая матрица или линейка независимых электродов и система токоподводящих шин и контактных площадок. Последовательно со структурой включается нагрузочное сопротивление 2 и источник питания 3. Источник 3 подает на МДПструктуру 1 импульс напряжения, полярность которого выбирается такой, чтобы создать у .поверхности полупроводника область, обедненную основными носителями тока. Длительность импульса выбирается меньшей, чем бремя установления равновесного слоя неса ударной ионизации, что позволяет осуществить фоторег1дстрацию светового импульса с усилением. Могут быть использованы МДП-структуры I, изготов3основных носителей тока у поверхности полупроводника (для кремния при комнатной температуре это время составляет 100 мс). При напряжении питания, соответствующем напряжению лавинного пробоя МДП-структуры напряженность электрического поля в приповерхностной области полупроводника достаточна для возникновения процесленные на основе кремния типа КДБ (кремний дырочный, легированньш бором) , концентрация носителей в котором варьируется в пределах IО 10 1/см, в качестве диэлектрика двуокись кремния SiO толщиной 1000 А, при этом его сопротивление составляет IО Ом/см и выше и металлические электроды из никеля. Для таких структур диапазон напряжеНИИ лавинного пробоя составлял 10100 В. Регистрируемый световой импульс от источника 6, включаемого запускающим импульсным генератором 5, через оптическую систему 7 попадает на МДП-структуру 1 в момент времени действия импульса напряжения. Для этого запускающий генератор 5 включается синхроимпул ьсом от импульсного источника напряжения 3, задержанным линией задержки 4. Свет, прошедший через полупроводниковый слой металла и слой диэлектрика, поглощается в приповерхностной области полупроводника. Образующиеся электронно-дырочные пары ускоряются в приповерхностном поле до энергии, достаточной для ударной ионизации атомов полупроводника, вследствие чего происходит умножение числа фотоносителей. Выходной электрический сигнал, в общем случае представляющий собой сумму фото-тока и темнового тока снимается с сопротивления нагрузки 2 и воспроизводится на осциллографе, либо подает вход соответствующей электрической схемы для дальнейшей обработки. При необходимости фототок может быть отделен от темнового тока путем вычитания последнего из суммарного сигнала. Для повышения стабильности усиления выходного сигнала импульсное питание делается нарастающим. Стабильность объясняется тем, что при нарастающем напряжении питания лавинный процесс в МДП-структуре 1 принимает устойчивый самостабилизированный характер. Увеличение приложенного напряжения ведет к увеличению напряженности поля в полупроводнике, вследствие чего увеличивается коэффициент умножения носителей, однако отсутствие сквозного тока через диэлектрик приводит к накоплению на границе диэлектрика неосновных носителей, которые экранируют внешнее поле и снижают напряженность электрического поля в полупроводнике В результате наличия этих двух конкурирующих процессов при нарастающем напряжении питания устанавливается постоянная напряженность поля, обеспечивающая постоянство коэффициента усиления фототока в пределах несколь ких вольт. Поскольку при устойчивом лавинном приборе в МДП-структуре 1 величина коэффициента умножения носи телей пропорциональна величине выход ного тока, а ток, в свою очередь, пропорционален крутизне.приложенного напряжения, то для получ ения коэффициента усиления фотосигнала не менее тысячи крутизна должна быть не менее 10 В/с. Поскольку при напряжении питания, меньшим напряжения пробоя, приемник работает практически без усиления, целесообразно подавать на МДП-структуру 1 импульсное напряжение, которо скачком достигает величины напряжени авинного пробоя, а затем линейно арастает с крутизной не менее Ю Б/с. При такой форме импульса питания время установления усилительного режима фотоприемника сводится к минимуму, и упрощается дальнейшая обработка усиленного фотосигнала, поскольку постоянной величине крутизны соответствует постоянная величина выходного темнового тока.. В результате выходной сигнал представляет собой сумму фотосигнала и некоторой постоянной составляющей. В этом случае фотосигнал может бытьвыделен с помощью порогового устройства. Предложенный способ фоторегистрации с чувствительным элементом на основе структуры никель-двуокись кремния-кремний имеет пороговую чувствительность, превышающую чувствительность других способов, и соответствует, уровню 10 -10 Дж при отношении сигнал-шум равным нескольким единицам. При этом коэффициент внутреннего усиления равен нескольким тысячам, что позволяет исключить из фбторегистрирующего устройства электронный предусилитель и наблюдать фототок непосредственно на осциллографе при световых сигналах, соответствуюш 1х указанной пороговой чувствительности, а стабильность усиления выходного сигнала по питающему напряжению в пределах нескольких вольт.

1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ с использованием, полупроводниковых элементов с внутренним усилением выходного сигнала на основе МДП-структур, работающих в режиме лавинного пробоя полупроводника, о т- личающийся тем, что, с целью его упрощения при одновременном обеспечении возможности регистрацииимпульсов света с энергией менее 10'^^ Дж, используют структуры с ДИ-* электриком, сопротивление которого не менее 10 Ом/см"^, и подают на • структуры импульсное напряжение с длительностью импульса меньше времени образования слоя неосновных носителей в полупроводнике.2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения стабильности усиления, подают импульсное напряжение,с крутизной не менее jl'O'3.Способ попп. 1и2, отличающийся тем, что, с целью упрощения последующей обработки выходного сигнала, на структуру подают импульс напряжения, амплитуда переднего фронта которого равна напряжению лавинного пробоя ВДП-структуры,с линейно нарастающей вершиной.нарастающее >&^ В/с.i