Полупроводниковый преобразователь

Полупроводниковый преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

% фарии и ф, фм ивов

"" сел

Союз Советских

Социалистических

Республик

Е4> ц.. ии652829

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву —: (51) М. Кл. (22) Заявлено 03.08.76 (21) 2393556/18-25

Н 01 Ь 31/04 с присоединением заявки Ж—

Государственный комитет.СССР (23) Приоритет по делам изобретений и открытий

Опубликовано 15.03.80, Бюллетень J@ 10

Дата опубликования описания 18,03.80 (53) УДК621,382, (088.8) К. Ф. Берковская,, Н. В. Кириллова, Б. Г, Подласкин и К. А. Чертков (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель

Ордена Ленина физикогехнический институт им. А. Ф. Иоффе (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к безвакуумным фотоэлектрическим ,устройствам, осуществляющим сканирование и автоматический контроль параметров, поступающих на вход устройства в виде пространственного распределения освещенности.

Известны полупроводниковые устройства, осуществляющие преобразование пространственного распределения освещенности в электрический. сигнал (Ц .

Из известных устройств полупроводни- ковых преобразователей энергии светового излучения в электрический сигнал наиболее близким по технической сущности является устройство, выполненное на ос нове полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный токоотводя» щей шиной, делительный слой типа проводимости общего слоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий гене»

2 ратор пилообразного напряжения, источник постоянного смешения, подключенный параллельно делительному слою, и усили тель считывания (2).

При работе этого устройства сигнал, выделенный дифференциальным усилителем считывания, пропорционален осве щенности той области линейки фоточувствительных элементов базового слоя, где в данный момент времени находит» ся нулевая эквипотенциаль, полбжение которой задается генератором пилообразного напряжения.

Основные недостатки данного устройства следующие: узкий диапазон измене15 ния скоростей сканирования и невозможность работы в статическом режиме и режиме медленного сканирования, а также низкая пороговая чувствительность и разрешающая способность; жестко за20 данная апертура сканирования, определенная формой вольтамперной характеристики элементарной ячейки устройства, содержащей два встречно включен»

652829 4 электрический сигнал; на фиг. 2 - часть электрической схемы преобразователя.

Полупроводниковый преобразователь содержит полупроводниковую структуру, 5 выполненную на подложке, в качестве которой может быть взят исходный. монокристалл, напримерн-Ь с большим временем жизни. На данной подложке созданы общий слой 1, делительные слои 2 и

3, разделяющие области 4 и 5. В общем слое 1 сохранено время жизни исходного монокристялла, а в делительных слоях 2 и 3 время жизни специально снижено.

Линейка фоточувствительных элементов образована участками базового слоя 6, 15 л lIpoTNBonQlIQRHoi o тип& проводимости общего слоя 1, и материала общего слоя

1. 15. контактам 7-8 и 9-10 делительных слоев 2 и 3 параллельно подключе20 ны источники 11, 12 постоянного смешения. К контактам 7, и 9 последовательно подключены гейераторы 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). Усилитеос ли 15 и 16 считывания по отдельности

3О подключены ко входу сумматора 19. Общая токоотводящая шина 20 подключена к ri -области диода 21. В случае использования р- i «к диодов 1 -область включена между дискретными участками базоен вого слоя 6 и общей и-областью 1.

З5

Полупроводниковый преобразователь е работает следующим образом. и В исходный .момент времени (t =t. )

b- на участки дискретной базовой области

40 1 а 6, например по линии A-А, спроецнро» вано регистрируемое линейное распреде« и ление освещенности. Источники 11 и

12 постоянного смещения создают линейное падение напряжения Е и E npuI u

45 чем, например, на левом конце структуры

Е =Е =О, и» а на правом ных диода, что ограничивает воэможности функциональной обработки оптичес-кого сигнала; ограниченная скорость сканирования и низкая чувствительность в данйой волновой области спектра све тового излучения, ?1елью изобретения является расшире ние диапазона изменения скорости счиI

- тывания сигнала, улучшение пороговой чувствительности и разрешающей способности полупроводникового преобразовате ля энергии светового излучения в элект рический сигнал.

Для достижения этой цели в полупро« водниковом преобразователе энергии све тового излучения в электрический сигна 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, полупроводниковая структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводим ти общего слоя, к контактам которого подключен генератор пилообразного напряжения последовательно с усилителем считывания, а второй генератор пилообразного напряжения последовательно с вторым усилителем считывания подключ к контактам другого делительного слоя, причем оба усилителя считывания подсо динены к входу сумматора, а общий сло изолированно расположен между делител ными слоями, и его, токоотводящая шин соединена с областью того же типа проводймости дополнительно включенйого д

og,à.

С целью расширения возможностей функциональной обработки оптического сигнала последовательно с каждым гене ратором пилообразного напряжения вклю чен генератор управления.

С целью повышения скорости сканирования и расширения области спектральной чувствительности между участками базового слоя и общим слоем включен 1- лой, а делительные слои выполнены из материала, время жизни носителей в которых ниже, чем время жизни в обшем слое.

На фиг. 1 показана блок-схема предло.гаемого полупроводникоового преооразователя энергии гветового излучения в

Е =-E,E =NE,,E =НЕ,)Е,)=)Е,! где N — - число элементов линейки, а (и (- соответственно, падения на%

1 / пряжения на верхнем и нижнем концах базового участка первого элемента линейки. При t= напряжение на выходах генераторов 13 и 14 равно нулю.

Поскольку дискретиы? участки базового слоя 6 образуют с делители,ными

5, 65

1 слоями 2 и 3 р- n — переходы, падЮние напряжения, например, на р-областях фотодиодов линейки - 0 5 оказывается только положительным. Таким образом, все фотодиоды линейки оказываются сме щенными в обратном направлении, и фототок через каждый фотодиод пропорци- онален освещенности этого элемента.

В первый момент времени (4 =1-, ) начинается электрическое сканирование элементов линейки. Значения напряже-. ния на выходе генератора 13 пилообразного напряжения устанавливается отрицательным и равным

2829

1о длине структуры, Видеосигнал формируется в сумматоре 19 в виДе модуляции постоянной составляющей, равной интегральному току через всю линейку. Сканирование эквивалентно последовательному перемещению "невидящей" точки по всей линейке. Постоянная составляющая формируется с момейта времени t =t.

При необходимости оперативно управлять апертурой устройство работает следующим образом,.

Пусть необходимо расширить аперту ру сканирования в момент опроса п -го и n+ 1-го элементов. Тогда в в -й мо25 мент времени (t =<„) начинают формироваться напряжения F u F на выхоI Н дах двух дополнительных генераторов

17 и 18 управления апертурой, включенных последовательно с генераторами пи« зо лообразного напряжения U u U . В мо-! ll менты времени t и 1 изменяются и и+ 1! постоянные составляющие сигналов О и 0 за счет суммирования этих сигналов

Н с сигналами F u FII . Суммарный сигнал обеспечивает такое распределение потенциалов по линейке фотодиодов Оц что на ячейках номера и и n+I.()@=0.

Соответственно, фототок через эти ячейки равен нулю, а токи через все осталь40 ные ячейки пропорциональны их освещенности. Число ячеек, находящихся под нулевым напряжением, зависит от амплитуды управляющего импульса, и может из-, меняться каждый такт работы устройст45 ва. Таким образом, осуществляется оперативное управление апертурой сканирования без перестройки устройства.

В случае использования р-i-II фотодиодов устройство работает следующим

5о образом. В исходном состоянии регистрируемое распределение освещенности создает электронно-дырочные пары. Положительное смешение на линейке достаточно для того, чтобы область объемного

55 заряда распространилась на всю базовую область, электронно-дырочные пары дрейфуют в этом поле объемного заряда к р-п»переходу и разделяются им. е

0 la-- =+E, Я к

U /t=t =nU =-nE

% 3 1

П 1 а на выходе генератора 14 положитель» ным и равным

В результате на первом фоточувствительном элементе устанавливается нуле« вое падение напряжения а на всех последующих элементах устанавливается положительное смешение.

В результате ток через первый элемент оказывается равным нулю, ибо вольт-амперная характеристика первого элемента с учетом встречно включенного диода 31 дает нулевое значение тока при нулевом смешении на ячейке. Таким образом, в цепи делительного слоя 2 ток будет равен нулю, а ток в цепи делительного слоя 3 будет равен сумме, токов через все элементы линейки кроме первого, и этот ток будет регистрироваться сумматором 19.

В п -й момент времени (=t„) значение падения напряжения на выходе генератора 13 установится равным а на выходе генератора 14

О It t -иО =nE, 6»

rl 1

Таким образом на и -й 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 токов через все предыдущие элементы линейки, а ток в цепи делительного слоя

3 будет равен сумме токов через все последующие элементы линейки (при этом ток через g -й элемент равен нулю, а

Через остальные элементы линейки пропорционален их освещенности) .

Дальнейшее изменение О и О по вре»

I Н мени приводит к сканированию по всей

652829

За счет дрейфового перемещения носителей увеличивается собирание носитею ей созданных длинноволновым, т. е. м глубоко проникающим светом, чем достигается расширение области спектральной чувствительности в длинноволновую сторону. За счет дрейфового перемещения носителей ускоряется разделение пар, созданных светом, р-g — - переходом, т. е. увеличивается быстродействие устройства, Переключение ключевых элементов осуществляется за время, лимитируемое временем жизни носителей в делительных областях, где оно специально сниже-. но.

Данное устройство полупроводникового преобразователя энергии светового излучения в электрический сигнал обладает следующими преимуществами перед соответству1ощими 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. Теперь 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-материала 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 линейки без отрицатрльных значений удается уменьшить апертуру сканирования от двух до четырех раз и, следовательно, повысить разрешающую способность в два-четыре раза.

5 0

Кроме того, предлагаемый полупроводниковый преобразователь позволяет расширить возможности функциональной обработки оптического сигнала управления размерами сканирующей апертуры за счет дополнительного включения в цепи делительных слоев генераторов управления

/ формула изобретения

1. Полупроводниковый преобразователь

I энергии светового излучения в электрический сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный то оотводящей шиной, делительный слой типа проводимости общего слоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий бяапертурой.

Управление апертурой может осущест15 вляться оперативно по результатам предыдущего цикла сканирования. Апертура может быть изменена эа период одного сканирования линейки несколько раз, и каждый раз могут опрашиваться новые группы элементов и новое количество 0 элементов.

Кроме того, это устройство полупроводникового преобразователя позволяет расширить область спектральной чувст вительности и повысить быстродействиеприбора за счет использования р- 1 — n фотодиодов в качестве чувствительных элементов линейки и быстродействующих ключевых, образованных делительными

30 слоями с пониженным временем жизни и участками базового слоя.

Действительно, р- -n фотодиоды обеспечивают собирание носителей заряда, созданных светом, с глубин 30з 80 мкм, что перекрывает практически всю длинноволновую область чувствительности кремния. Дрейфовое перемещение зарядов вместо диффузионного позволяет ускорить получение фотоответа, а сни40 жение временя жизни носнтелей в делительных слоях - ускорить процесс коммутации линейки.

Чувствительность прибора может быть повышена на 40%, а разрешающая способность, связанная с уменьшением величины апертуры сканирующей области, соответственно в 2,5 разя.

652829 зовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилооб- разного напряжения, источник постоянного смешения, подключенный параллельно делительному слою, и усилитель считывания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона изменения скорости считывания сигнала, улучшения пороговой чувствительности и разрешающей способности, полупроводниковая структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводимостй общего слоя, к контактам которого подключен генератор пилообразного напряжения последовательно с усилителем считывания, а второй генератор пилообразного напряжения последовательно с втоЬ рым усилителем считывания подключен к контактам другого делительного слоя, причем оба усилителя считывания подсое- 2о динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делительными слоями, и его токоотводящая шина соединена с областью того же типа проводимости дополнительно включенного ди- 25 ода.

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

3„ Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем,что,с целью повышения скорости сканирования и расширения области спектральной чувствительности, между участками баэового слоя и общим слоем включен (-слой, 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 No 3668408, кл. 250/219 О, опублик. 06.06.72, 2. Берковская К. Ф. Безвакуумный телевизионный преобразователь иэображения — сканистор. Полупроводниковые приборы и их применение, Под ред.

Я. И. Федотова, N., "Сов. радио, 1968, вып, 20.

Рог. 2

ЦНИ ИП И Заказ 1 1 20/50

Тираж 844 Подписное

Финал ППП Пат.нт, г. Ужгор< п, ул. П р 1ектяая,4