Способ регистрации светового излучения

Способ регистрации светового излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

COlO3 СОВЕТС

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИМ=

РЕСПУБЛИН (19) ЗС51) . H 01 L 31/ОО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 2383854/18-25 (22 ) 12.07.76 (46) 29.02.84. Бюл. Р 8 (72) Х.И. Кляус, А.В. Ржанов и Е.И. Черепов (71) Институт физики полупроводников СО AH СССР (53) 621 382(088.8) (56) 1. Носов Ю.Р ..и др. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью.

М., "Советское радио", 1976, с. 103.

2. Барбе. Прибор с зарядовой связью формирования сигналов изображения. THH ЭР, 1975, т. 63, 9 1, с. 45. (54)(5 7)" СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ в структуре металлдиэлектрик-полупроводник, основанный на генерации световым потоком носителей разряда при приложении импульсов напряжейия к полевому электроду, о т л и ч а ю щ и. и с я тем, что, с целью расширения диапазона чувствительности за длинновол новый край полосы поглощения, к поле вому электроду прикладывают серию импульсов с периодом следования,. меньшим времени эмиссии носителей заряда с поверхностнйх состояний, и амплитудой, создающей потенциальную яму в подложке порядка толщины инверсионного слоя.

667016

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в различных устройствах автоматики и информационно-измерительной техники для регистрации, измерения интенсивности и определения спектральной характеристики инфракрасного (ИК) излучения.

Известен способ регистрации светового излучения в МДП-структуре, заключающийся в генерации световым потоком носителей заряда с глубоких уровней в полупроводниковой подложке tq . недостаток заключается в сложности технологии легирования полупроводника глубокими уровнями.

Известен также способ регистрации светового излучения в структуре металл-диэлектрик-полупроводник, основанный на генерации световым потоком носителей заряда при приложении импульсов напряжения к полевому электроду $2j .

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 расшнреяие диапазона чувствительнОсти за длинноволновый край полосы поглощения.

Цель достигается тем, что к полевому электроду прикладывают серию импульсов с периодом следования, Меньшим времени эмиссии носителей заряда с поверхностных состояний, и амплитудой, создающей потенциальную 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 (Ucw E — постоянные напряжения смещения входного Р-и перехода и питания; U,и — выходное напряжение ), на фиг. Z — О, 0< - Q6 - напряжения, поступающие на входной, передающие и выходной электроды, U6 — напряжение сброса накопленного заряда, U gg(y выходное напряжение, на фиг. 3 — показаны неподвижный заряд 13, величина заряда, передаваемая в соседнюю потенциальную яму 14, На фиг. 4 поверхностные состояния

13 постоянно заполнены захваченными носителями на данной тактовой частоте, Š— минимальная энергия освобождения захваченных носителей заряда, Š— энергия падающего ИКизлучения; Ev u Ee — энергия валент15 ной и эоны 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 0 c входного Р-и перехода 2.

Через некоторое время напряжение на электродах 4 уменьшается с первоначального значения U q до U р . Затем на электродах 5 устанавливается напряжение 0q, и заряд перемещается под электрод 5. Потом на электродах

5 устанавливается напряжение U qp a на электродах 6 — напряжение Нз .

Это приведет к перемещению заряда под электроды б. В последующем цикле повторяются и зарядовые пакеты перемещаются вдоль границы раздела полупроводник-диэлектрик от входа

ПЗС к выходу.

При появлении неосновных носителей в потенциальной яме под МДПструктурой происходит захват части заряда на поверхностные состояния (ПС). После перемещения свободного заряда под соседний ИДП-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 и составляет 1 = 2/3 j с. Часть носителей, не эмитированная с ПС за время 1, будет постоянно находиться на ПС. Это ведет к тому, что при периодическом вводе заряда в ПЗС

55 под каждым ФЩП-электродом будет находиться неподвижный заряд 13. С другой стороны время эмиссии с уровня экспоненциально зависит от его энергии Е

<>«cc„,„ «ev V (- I V» i где A< — постоянная, зависящая от свойств границы раздела полупровод66 7016 ник-диэлектрик; g — постоянная Больцмана; Т вЂ” температура. Из выражения (1) видно, что с уменьшением времени эмиссии, т.е. с увеличением тактовой частоты работы ПЗС, с ПС успевают эмитироваться только носители, захваченные на более мелкие уровни.

Например, при частоте 1 = 100 .кгц и вводе в ПЗС заряда на каждом такте все уровни, имеющие энергию -0,40 эВ и более, постоянно заняты захваченными носителями, в то время, когда при частоте f = 1,0 МГц занятыми будут уже все состояния с энер.гиями более 0,35 эВ.

Через некоторое время после вклю- 15 чения ПЗС в потенциальных ямах .под

МДП-структурами устанавливается квазистационарное состояние, при котором ПС заполнены до энергии Е (сМ. фиг. 3), определяемой тактовой час- 2р тотой, и на ПЗС подается поток фотонов ИК-диапазона. Фотоны, имеющие энергию Е > Е1, могут возбудить захваченные на ПС носителей заряда и перевести их в соответствующую зону. 25

Так как при работе ПЗС полупроводник под передающими электродами периодически и синхронно с подачей фазовых напряжений переводится в режим им.пульсного обеднения, то носители, освобожденные с ПС ЙК-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„= п(ю-1) Q; — < aQ„, 1=1 где n - количество электродов, и количество фаз; h g — потери заряда под -тым электродом.

Если накопление заряда проводится во внешних устройствах, например в ,выходном устройстве ПЗС, и считывание осуществляется через М циклов, то общий накопленный заряд при этом определяется соотношением и

90 щ. (>(m- <)Qj - E ья;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 10 см с с

-1

3 мкм падал на поверхность ПЗС регистра сдвига, при этом до границы раздела Si-SiOg достигает 50Ъ фотонов, за подложкой установлено отражающее зеркало, трехфазный регистр сдвига содержит 32 биты и работает на частоте 1,0 ИГц: накопление заряда в выходном устройстве ПЗС осуществляется в течение 1000 циклов, площадь одного электрода составляет

2 10 см2, концентрация N -10 см эВ ", неэффективность передачи составляет Е = 10, величина емкости выходного устройства равна 0,1 пф.

Величина полезного сигнала, оцененная с использованием перечисленных выше параметров, составляет 125 мкВ. Полученное оценочное значение выходного напряжения позволяет считать, что предлагаемый способ существенно расширяет область чувствительности, позволяет регистрировать средние и значительные потоки ИК-излучения..н

4е

667016

Корректор В. Гирияк

Редактор О. Иркова Техред A.À÷

Заказ 11 1/6 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и Открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4