Способ регистрации светового излучения Советский патент 1984 года по МПК H01L31/00 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в различньлх устройствах автоматики и информационно-измерительной техники для регистрации, из мерения интенсивности и определения спектральной характеристики инфракрасного (ИК) излучения. Известен способ регистрации свет вого излучения в МДП-структуре, за ключающийся в генерации световым потоком носителей заряда с глубоких уровней в полупроводниковой подложке М . недостаток заключается в сложнос ти технологии легирования полупрово ника глубокими уровнями. Известен также способ регистраци светового излучения в структуре ме талл-диэлектрик-полупроводник , осно ванный на генерации световым потоком носителей заряда при приложении импульсов напряжения к полевому электроду 2 . Данный способ является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату . Недостатком его является то, что генерация носителей происходит в объеме полупроводника, вследствие чего из-за наличия длинноволнового края; полосы поглощения имеет место узкий диапазон чувствительности. Целью изобретения является расширение диапазона чувствительности за длинноволновый край полосы погло щения . Цель достигается тем, что к полевому электроду прикладывают серию импульсов с периодом следования, Меньшим времени эмиссии носителей заряда с йоверхностных состояний и амплитудой, создающей потенциальйую яму в подложке порядка толщинй инверсионного слоя. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства на ПЗС, реализующего способ. На фиг. 2 - временная диаграмма поясняющая работу, на фиг. 3 - потенциальная яма под полевым электродом; на фиг. 4 - распределение концентрации поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводниковой подложки. . На ПЗС резистор сдвига содержит подложку 1 из п-кремния, входную р-область 2, входной электрод 3, Прозрачные передающие электроды 4-6, выходной затвор 7, выходную р-область 8, слой диэлектрика 9, зарядовый транзистор 10, выходной транзистор 11, нагрузочный резистор 12 {UCM постоянные напряжения смещени я входного р-п перехода и питания U д,|, - выходное напряжёние), на фиг. 2 - 11 , U - Ug - напряжения, поступающие на входной, Передающие и выходной электроды, Ug- - напряжение сброса накопленного заряда, и 8Ь| - выходное напряжение, на фиг. 3 - показаны неподвижны.й заряд 13, величина заряда, передаваемая в соседнюю потенциальную яму 14, На фиг. 4 поверхностные состояния 13 постоянно заполнены захваченными носителями на данной тактовой частоте, Е - минимальная энергия освобождения захваченных носителей заряда, Е - энергия падающего ИКизлучения) ЕУ и Eg - энергия валентной и зоны проводимости. : Регистрация излучения по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Заряд неосновных носителей вводится в ПЗС под электрод 4 на каждом такте через входное устройство. Величина этого заряда может регулироваться напряжением обратного смещения Uсм входного р-п перехода 2. Через некоторое время напряжение на электродах 4 уменьшается с первоначального значения (1- до U хр . Затем на электродах 5устанавливается напряжение U , и заряд перемещается под электрод 5. Потом на электродах 5 устанавливается напряжениеUлр, а на электродах 6 - напряжение з Это приведет к перемещению заряда no|t электроды 6. В последующем цикле повторяются и зарядовые пакеты перемещаются вдоль границы раздела полупроводник-диэлектрик от входа ПЗС к выходу. I . При появлении неосновных носителей в потенциальной яме под МДПструктурой происходит захват части заряда на поверхностные состояния (ПС). После перемещения свободного заряда под соседний ВДП-электрод захваченные носители эмитируются с ПС. При вводе заряда в ПЗС на каждом такте времени от начала эмиссии до следующего заполнения ПС носителями из нового зарядового пакета определяется тактовой частотой i и составляет i 2/3i с. Часть носителей, не эмитированная с ПС за время t , будет постоянно находиться на ПС. Это ведет к тому, что при Периодическом вводе заряда в ПЗС под каждазм 1ДП-электродом будет находиться неподвижный заряд 13. С другой стороны время эгдассии с уровня экспоненциально зависит от его энергии Е -A expi-ElkT), j П) эмиссии где А - постоянная, зависящая от свойств границы раздела полупроводник-диэлектрик; | - постоянная Больцмана; Т - температура. Из выражения (1) видно, что с уменьшением времени эмиссии, т.е. с увеличением тактовой частоты работы ПЗС, с ПС ус певают эмитироваться только носители захваченные на более мелкие уровни. Например, при частоте i 100 кгц и вводе в ПЗС заряда на каждом такте все уровни, имеющие энергию ,40 эВ и более, постоянно заняты захваченными носителями, в то время когда при частоте i 1,0 МГц занятыми будут уже все состояния с энер, гиями более 0,35 эВ. .Через некоторое время после вклю чения ПЗС в потенциальных ямах -под МДП-структурами устанавливается ква зистационарное состояние, при котором ПС заполнены до энергии Е( (см. фиг. 3), определяемой тактовой частотой, и На ПЗС подается поток Фото нов ИК-диапазона. Фотоны, имеющие энергию ,, могут возбудить захваченные на ПС носителей заряда и перевести их в соответствующую зону Так как при работе ПЗС полупроводни под переданяцими электродами периоди чески и синхронно с подачей фазовых напряжейий переводится в режим импульсного обеднения, то носители, освобожденные с ПС ИК-излучением во время импульсного обеднения, будут передаваться вместе с фоновым зарядом от мест их генерации в выходное устройство. Если за один такт под. каждым электродом освобождается заряд Q , то общий заряд одного паке .та равен ;Q, n(m-0 Q; -z bQ; j ( где и - количество электродов; гп - количество фаз , и - потери заряда под i-тым электродом. Если накопление заряда проводится во внаиних устройствах, например в выходном устройстве ПЗС, и считывание осуществляется через М циклов, то общий накопленный заряд при этом определяется соотношением Qo6w U i-4) 4йЛ л 1 -1 Таким образом, накопление, заряда во внешних устройствах может существенно повысить чувствительность приемника, работающего на предлагаемом способе регистрации ИК-излучения. Для оценки величины выходного напряжения использовались следующие данные: поток .фотонов Ю см мкм падал на поверхность ПЗС регистра сдвига, при э-том до границы раздела Si-SiO достигает 50% фотонов, за подложкой установлено отражающее зеркало, трехфазный регистр сдвига содержит 32 биты и работает на частоте 1,0 МГц: накопление заряда в выходном устройстве ПЗС осуществляется в течение 1000 циклов, площадь одного электрода составляет , концентрация NSS 10 , неэффективность передачи составляет 10, величина емкости выходного устройства.равна 0,1 пФ. Величина полезного сигнала, оцененная с использованием перечисленных выше параметров, составляет IV125 мкВ. Полученное оценочное значение выходного напряжения позволяет считать, что предлагаемый способ существенно расширяет область чувствительности, позволяет регистрировать средние и значительные потоки ИК-излучения .

и..

и.

fj.

Ptjf. 2

I 1

Ри.3