Полупроводниковый преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H01L31/04 

1

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к безвакуумным фотоэлектрическим .устройствам, осуществляющим сканирование и автоматический контроль пара- метров, поступающик на вход устрй Яст- ва в виде пространственного распршеления освещенности.

Известны полупроводниковые устройстёа, осуществляющие преобразование пространственного распределения освещенности в электрический .сигнал 1.

Из известных устройств полупроводниковых преобразователей энергии светового излучения в электрический сигнал наиболее близким по технической сущности является устройство, выполненное на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный токоотводящей шиной, делительный слой типа проводимости общего слоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напряжения, источник постоянного смешения, подключенный параллельно делительному слою, и усилитель считывания 2.

При работе этого устройства сигнал, выделенный дифференциальным усилителем считывания, пропорционален освещенности той области линейки фоточувствительных элементов базового слоя, где в данный момент времени находится нулевая эквипотенциаль, положение которой задается генератором пилообразного напряжения.

Основные недостатки данного устройства следующие: узкий диапазон изменения скоростей сканирования и невозможность работы в статическом режиме и режиме медленного сканирования, а также низкая пороговая чувствительность и разрешающая способность; жестко заданная апертура сканирования, определенная формой вольтамперной характеристики элементарной ячейки устройства, содержащей два встречно включен6НЫХ диода, что огра)Е1ичивает возможности функциональной обработки оптическог-Ь сигнала; ограниченная скорость сканирования и низкая чувствительность выданной волновой области спектра све, тьвого излучения,Целью-изобретения является расшире ние диапазона изменения скорости счи- тывания сигнала, улучшение пороговой чувствительности и разрешаюидей споср&ности полупроводникового преобразователи SHepf-ji и светового излучения в электрический сигнал. Для достижения этой цели в полупроводниковом преобразователе энергии светового излучения в электрический сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный токо- отводящей Ц1ИНОЙ, делительный слой типа проводимости общего слоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напря5 ения. Источник постоянного смешения, подключенный параллельно делительному слою, и усилитель, считывания, полупроводниковая структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводимос ти общего слоя, к контактам которого подключен генератор пилообразного напряжения последовательно с усилителем считывания, а второй генератор пилообразного напряжения последовательно с вторым усилителем считывания подключе к контактам другого делительного слоя, причем оба усилителя считывания подсое динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делитель ными слоями, и его. токоотводящая щина соединена с областью того же типа про- вбдймости дополнительно включенного ди ода ;,.;... . . : . ; , . . С целью ра:сщирения возможностей функциональной обработки оптического сигнала последовательно с каждым генератором пилообразного напряжения включен Генератор управления, С целью повышения скоростй сканиро вания и расширения области спектрально чувствительности между участками базо вого слоя и общим слоем включен i -юло а делительные слои выполнены из материала, время жизни носителей в которых ниже, чем время жизни в общем слое. На фиг. I показана бл ок- ;хема предлг.гаёмого полупрбводникоРОТо преоёраэо вателя энергии светового излучрния в 94 электрический сигнал; на фиг. 2 - часть электрической схемы преобразователя. Полупроводниковый преобразователь содержит полупроводниковую структуру, выполненную на подложке, в качестве которой мджeV быть взят исходный монокристалл, например n-bi с большим временем жизни. На данной подложке созданы общий слой 1, делительные слои 2 и 3, разделяющие области 4 ц 5. В общем слое 1 сохранено время жизни исходного Монокристалла, а в делительных слоях 2 и 3 время жизни специально снижено. Линейка фоточувствительных элементов образована участками базового слоя 6, противоположного типа проводимости общего слоя 1, и материала общего слоя 1. К контактам 7-8 и 9-10 делительных слоев 2 и 3 параллельно подключень1 источники 11, 12 постоянного смещения. К контактам 7, и 9 последовательно подключены генераторы 13 и 14 пилообразного напряжения и усилители 15 и 16 считывания. В случае оперативного управления апертурой сканирования последовательно с блоками 13 и 14, 15 и 16 включены генераторы 17 и 18 управления апертурой (фиг, 2). Усилители 15 и 16 считывания по отдельности подключены ко входу сумматора 19, Общая токоотводящая шина 20 подключена к и -области диода 21. В случае исполь- зованчя р- i -п диодов i -область включена между дискретными участками базо вого слоя 6 и общей п-областью 1. Полупроводниковый преобразователь работает следующим образом. В исходный момент времени (.Q) на участки дискретной базовой области 6, например по линии А-Л , спроецировано регистрируемое линейное распределение освещенности. Источники 11 и 12 постоянного смещения создают линейное падение напряжения Е и Ц, причем, например, на левом конце структуры , а на правом ,,E NEIJE; ; где N - число элементов линейки, а Е; и Е - соответственно, падения напряжения на верхнем и нижнем концах баэовогр участка первого элемента линейки. При t г+. напряжение на выходах генераторов 13 и 14 равно нулю. Поскольку дискретны : участки базового слоя 6 образуют с пелит«гл1.ными 5. . слоями 2 и 3 р- и - переходы, падение напряжения, например, на р-област фотодиодов линейки - U оказывается только положительным. Таким образом. все фотодиоды линейки оказываются см щенными в обратном направлений, и фо тоток через каждый фотодиод пропорционален освещенности этого элемента. В первый момент времени (t 1, ) начинается электрическое сканирование элементов линейки. Значения напряжения на выходе генератора 13 пилообраз ного напряжения устанавливается отрицательным и равным , а на выходе генератора 14 положитель ным и равным uVt-V-E В результате на первом фоточувстви тельном элементе устанавливается нулевое падение напряжения и , j 1 11 i а на всех последующих элементах устанавливается положительное смешение, В результате ток через первый элемент оказываетЬя равным нулю, ибо вольт-амперная характеристика первого элемента с учетом встречно включенног диода 21 дает нулевое значение тока при нулевом смещении на ячейке. Таким образом, в цепи делительного слоя 2 ток будет равен нулю, а ток в цепи делительного слоя 3 будет равен ёумме токов через все элементы линейки, кром первого, и этот ток будет регистрироваться сумматором 19. В м «-Й момент времени (t.tf,) значение падения напряжения на выходе генератора 13 установится равным / П11 а йа выходе генератора 14 U /t--t I |Uс V nU nfc Таким образом на п -и ячейке устанавливается нулевое падение напряжения а на всех последующих и предыдущих ячейках устанавливается положительное смешение, соответственно ток в цепи делительного слоя 2 будет равен сумме 29 токов через все предыдущие элементы линейки, а ток в цепи делительного слоя 3 будет равей сумме токов через все последующие элементы линейки (при этом ток через ц - элемент равен нулю, а 1ерез остальные элементы линейки пропорционален их освещенности). Дальнейшее изменение U и u по времени приводит к сканированию по всей длине структуры. Видеосигнал формируется в сумматоре 19 в вийе модуляции постоянной составляющей, равной интегральному току через всю линейку. Сканирование эквивалентно последовательному перемещению невидящей точки по всей линейке. Постоянная составляющая формируется с MoMei Ta времени t-t,. При необходимости оперативно управлять апертурой устройство работает следующим образом. Пусть необходимо расширить апертуру сканирования в момент опроса h -го и п 1-го элементов. Тогда в to -и момент времени (t-tf,) начинают формироваться напряжения F и F на выходах двух дополнительных генераторов 17 и 18 управления апертурой, включенных последовательно с генераторами пилообразного напряжения u и U . В моменты времени t. и t . изменяются .1 постоянные составляющие сигналов и и счет суммирования этих сигналов С сигналами F и F . Суммарный сигнал обеспечивает такое распределение потенциалов по линейке фотодиодов U, что на ячейках номера п и ntlUg O. Соответственно, фототок через эти ячейки равен нулю, а токи через все остальные ячейки пропорциональны их освещенности. Число ячеек, находящихся под нулевым напряжением, зависит от амплитуды управляющего, импульса, и может из-, меняться К1аждый такт работы устройства. Таким образом, осуществляется оперативное управление апертурой сканирования без перестройки устройства. В случае использования р-i-n фотодиодов устройство работает следующим образом. В исходном состоянии регистрируемое распределение освещенности создает электронно-дырочные пары. ТТоложитольное смешение на линейке достаточно для того, чтобы область объемного заряда распространилась на всю область, электронно.ырочныс пары дрейфуют в этом поле объемного заряда к р-п-переходу и разделяются им.

За счет дрейфового перемещения носиалей увеличивается собирание носитеей, созданных длинноволновым, т„ е. лубоко проникающим светом, чем достиается расширение области спектральной увствительности в длинноволновую стоону. За счет дрейфового перемещения носителей ускоряется разделение пар, созданных светом, р-п - переходом, т. е. увеличивается быстродействие устройства. Переключение ключевых элементов осуществляется за время, лтугитируемое временем жизни носителей в делительных областях, где оно специально сниже-. но.

Данное устройство полупроводникового преобразова теля энергии светового излучения в электрический сигнал обладает следующими преимуществами перед соответству|ощими известными устройствами. Этот полупроводниковый преобразователь позволяет расширить диапазон изменения скоростей считывания как в сторону малых скоростей, включая статический режим работы, так и в сторону высоких скоростей, за счет изменения механизма формирования видеосигнала. В известных устройствах видеосигнал формируется как разностный сигнал двух положений сканирующей апертуры. Tertepb видеосигнал формируется одним положением сканирующей апертуры непосредственно как значение фототока, протекающего через сумматор. Усилители 15 и 16 считывания теперь не должны быть дифференцирующими. Следовательно, снимаются ограничения на изменения скорости сканирования как в сторону больших, так и в сторону малых скоростей, включая и статический режим работы устройства.

Данное устройство .полупроводникового преобразователя имеет более высокую чувствительность, чем соответствующие известные устройства. Действительно, использование исходного р-члатериала с большим временем жизни для построения линейки фоточувствительных элементов позволяет поднять квантовую эффективность преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Кроме того, предлагаемое устройство имеет более высокую разрешающую способность чем соответствующие известные устройства; за счет использования только положительных и нулевого значений смещения на структуре фоточувствительной лт нёйки без отрицательных значений удается уменьшить апертуру сканирования

ОТ двух до четырех раз и, следовательно, повысить разрешающую способность в два-четыре раза.

Кроме того, предлагаемый полупроводниковый преобразователь позволяет расширить возможности функциональной обработки оптического сигнала управления размерами сканирующей апе ртуры за сче дополнительного включения в цепи делительных слоев генерато ров управления апертурой.

Управление апертурой может осуществляться оперативно по результатам предыдущего цикла сканирования. Апертура может быть изменена за период одного сканирования линейки несколько раз, и каждый раз могут опрашиваться новые группы элементов и новое количество элементов.

Кроме того, это устройство пблупроводникового преобразователя позволяет расширить область спектральной чувствительности и повысить быстродействиеприбора за счет использования р- i - п фотодиодов в качестве чувствительных элементов линейки и быстродействующих ключевых, образованных делительными слоями с пониженным временем жизни и участками базового слоя.

Действительно, р-i-п фотодиоды обеспечивают собирание носителей заряда, созданных светом, с глубин -3080 мкм, что перекрывает практически всю длинноволновую область чувствительности кремния. Дрейфовое перемещение зарядов вместо диффузионного позволяет ускорить получение фотоответа, а снижение времени жизни носителей в делительных слоях - ускорить процесс коммутации линейки.

Чувствительность прибора может быт повышена на 40%, а разрешающая способность, связанная с уменьщением величины апертуры сканирующей области, соответственно в 2,5 раза.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый преобразователь энергии светового излучения в электри- ческий сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный то соотводящей шиной, делительный слой типа проводимости общего слоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий ба-

зовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напряжения, источник постоянного смещения, подключенный параллельно делительному слою, и усилитель считывания, отличающийся тем, что, с целью расщирения диапазона изменения скорости считывания сигнала, улучшения пороговой чувствительности и разрещающей способности, полупровод- никовая структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводимости общего слоя, к контактам которого подключён генератор пилообразного напряжения последовательно с усилителем считывания, а второй генератор пилообразного напряжения последовательно с вторым усилителем считывания подключен к контактам другого делительного слоя, причём оба усилителя считывания подсое- динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делительными слоями, и его токоотводящая щина соединена с областью того же типа проводимости дополнительно включенного диода.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и чающийся тем, что, с целью расширения возможностей функциональной обработки оптического сигнала, последовательно с каждым генератором пилообразного напряжения генератор управления апертурой.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости сканирования и расщирения области спектральной чувствительности, между участками базового слоя и общим слоем включен -юлой, а делительные слои выполнены из материала, время жизни носителей в которых ниже, чем время жизни в общем слое.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3668408,

кл, 250/219 D , опублик. 06.О6.72.

2.Берковская К, Ф. Безвакуумный телевизионный преобразователь изображения - сканистор. Полупроводниковые приборы и их применение Под ред.

Я. И. Федотова, М., Сов. радио, 1968, вып. 20.