SU652829A1 - Полупроводниковый преобразователь - Google Patents

Description

1

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

Известны полупроводниковые устройстёа , осуществл ющие преобразование пространственного распределени  освещенности в электрический .сигнал 1.

Из известных устройств полупроводниковых преобразователей энергии светового излучени  в электрический сигнал наиболее близким по технической сущности  вл етс  устройство, выполненное на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный токоотвод щей шиной, делительный слой типа проводимости общего сло , снабженный двум  омическими контактами, и анизотропно провод щий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напр жени , источник посто нного смешени , подключенный параллельно делительному слою, и усилитель считывани  2.

При работе этого устройства сигнал, выделенный дифференциальным усилителем считывани , пропорционален освещенности той области линейки фоточувствительных элементов базового сло , где в данный момент времени находитс  нулева  эквипотенциаль, положение которой задаетс  генератором пилообразного напр жени .

Основные недостатки данного устройства следующие: узкий диапазон изменени  скоростей сканировани  и невозможность работы в статическом режиме и режиме медленного сканировани , а также низка  порогова  чувствительность и разрешающа  способность; жестко заданна  апертура сканировани , определенна  формой вольтамперной характеристики элементарной  чейки устройства , содержащей два встречно включен6 НЫХ диода, что огра)Е1ичивает возможности функциональной обработки оптическог-Ь сигнала; ограниченна  скорость сканировани  и низка  чувствительность выданной волновой области спектра све, тьвого излучени ,Целью-изобретени   вл етс  расшире ние диапазона изменени  скорости счи- тывани  сигнала, улучшение пороговой чувствительности и разрешаюидей споср&ности полупроводникового преобразователи SHepf-ji и светового излучени  в электрический сигнал. Дл  достижени  этой цели в полупроводниковом преобразователе энергии светового излучени  в электрический сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный токо- отвод щей Ц1ИНОЙ, делительный слой типа проводимости общего сло , снабженный двум  омическими контактами, и анизотропно провод щий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напр 5 ени . Источник посто нного смешени , подключенный параллельно делительному слою, и усилитель, считывани , полупроводникова  структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводимос ти общего сло , к контактам которого подключен генератор пилообразного напр жени  последовательно с усилителем считывани , а второй генератор пилообразного напр жени  последовательно с вторым усилителем считывани  подключе к контактам другого делительного сло , причем оба усилител  считывани  подсое динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делитель ными сло ми, и его. токоотвод ща  щина соединена с областью того же типа про- вбдймости дополнительно включенного ди ода ;,.;... . . : . ; , . . С целью ра:сщирени  возможностей функциональной обработки оптического сигнала последовательно с каждым генератором пилообразного напр жени  включен Генератор управлени , С целью повышени  скоростй сканиро вани  и расширени  области спектрально чувствительности между участками базо вого сло  и общим слоем включен i -юло а делительные слои выполнены из материала , врем  жизни носителей в которых ниже, чем врем  жизни в общем слое. На фиг. I показана бл ок- ;хема предлг .гаёмого полупрбводникоРОТо преоёраэо вател  энергии светового излучрни  в 94 электрический сигнал; на фиг. 2 - часть электрической схемы преобразовател . Полупроводниковый преобразователь содержит полупроводниковую структуру, выполненную на подложке, в качестве которой мджeV быть вз т исходный монокристалл , например n-bi с большим временем жизни. На данной подложке созданы общий слой 1, делительные слои 2 и 3, раздел ющие области 4 ц 5. В общем слое 1 сохранено врем  жизни исходного Монокристалла, а в делительных сло х 2 и 3 врем  жизни специально снижено. Линейка фоточувствительных элементов образована участками базового сло  6, противоположного типа проводимости общего сло  1, и материала общего сло  1. К контактам 7-8 и 9-10 делительных слоев 2 и 3 параллельно подключень1 источники 11, 12 посто нного смещени . К контактам 7, и 9 последовательно подключены генераторы 13 и 14 пилообразного напр жени  и усилители 15 и 16 считывани . В случае оперативного управлени  апертурой сканировани  последовательно с блоками 13 и 14, 15 и 16 включены генераторы 17 и 18 управлени  апертурой (фиг, 2). Усилители 15 и 16 считывани  по отдельности подключены ко входу сумматора 19, Обща  токоотвод ща  шина 20 подключена к и -области диода 21. В случае исполь- зованч  р- i -п диодов i -область включена между дискретными участками базо вого сло  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 посто нного смещени  создают линейное падение напр жени  Е и Ц, причем , например, на левом конце структуры , а на правом ,,E NEIJE; ; где N - число элементов линейки, а Е; и Е - соответственно, падени  напр жени  на верхнем и нижнем концах баэовогр участка первого элемента линейки . При t г+. напр жение на выходах генераторов 13 и 14 равно нулю. Поскольку дискретны : участки базового сло  6 образуют с пелит«гл1.ными 5. . сло ми 2 и 3 р- и - переходы, падение напр жени , например, на р-област фотодиодов линейки - U оказываетс  только положительным. Таким образом. все фотодиоды линейки оказываютс  см щенными в обратном направлений, и фо тоток через каждый фотодиод пропорционален освещенности этого элемента. В первый момент времени (t 1, ) начинаетс  электрическое сканирование элементов линейки. Значени  напр жени  на выходе генератора 13 пилообраз ного напр жени  устанавливаетс  отрицательным и равным , а на выходе генератора 14 положитель ным и равным uVt-V-E В результате на первом фоточувстви тельном элементе устанавливаетс  нулевое падение напр жени  и , j 1 11 i а на всех последующих элементах устанавливаетс  положительное смешение, В результате ток через первый элемент оказываетЬ  равным нулю, ибо вольт-амперна  характеристика первого элемента с учетом встречно включенног диода 21 дает нулевое значение тока при нулевом смещении на  чейке. Таким образом, в цепи делительного сло  2 ток будет равен нулю, а ток в цепи делительного сло  3 будет равен ёумме токов через все элементы линейки, кром первого, и этот ток будет регистрироватьс  сумматором 19. В м «-Й момент времени (t.tf,) значение падени  напр жени  на выходе генератора 13 установитс  равным / П11 а йа выходе генератора 14 U /t--t I |Uс V nU nfc Таким образом на п -и  чейке устанавливаетс  нулевое падение напр жени  а на всех последующих и предыдущих  чейках устанавливаетс  положительное смешение, соответственно ток в цепи делительного сло  2 будет равен сумме 29 токов через все предыдущие элементы линейки, а ток в цепи делительного сло  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 формируетс  в сумматоре 19 в вийе модул ции посто нной составл ющей, равной интегральному току через всю линейку. Сканирование эквивалентно последовательному перемещению невид щей точки по всей линейке. Посто нна  составл юща  формируетс  с MoMei Ta времени t-t,. При необходимости оперативно управл ть апертурой устройство работает следующим образом. Пусть необходимо расширить апертуру сканировани  в момент опроса h -го и п 1-го элементов. Тогда в to -и момент времени (t-tf,) начинают формироватьс  напр жени  F и F на выходах двух дополнительных генераторов 17 и 18 управлени  апертурой, включенных последовательно с генераторами пилообразного напр жени  u и U . В моменты времени t. и t . измен ютс  .1 посто нные составл ющие сигналов и и счет суммировани  этих сигналов С сигналами F и F . Суммарный сигнал обеспечивает такое распределение потенциалов по линейке фотодиодов U, что на  чейках номера п и ntlUg O. Соответственно, фототок через эти  чейки равен нулю, а токи через все остальные  чейки пропорциональны их освещенности . Число  чеек, наход щихс  под нулевым напр жением, зависит от амплитуды управл ющего, импульса, и может из-, мен тьс  К1аждый такт работы устройства . Таким образом, осуществл етс  оперативное управление апертурой сканировани  без перестройки устройства. В случае использовани  р-i-n фотодиодов устройство работает следующим образом. В исходном состо нии регистрируемое распределение освещенности создает электронно-дырочные пары. ТТоложитольное смешение на линейке достаточно дл  того, чтобы область объемного зар да распространилась на всю область, электронно.ырочныс пары дрейфуют в этом поле объемного зар да к р-п-переходу и раздел ютс  им.

За счет дрейфового перемещени  носиалей увеличиваетс  собирание носитеей , созданных длинноволновым, т„ е. лубоко проникающим светом, чем достиаетс  расширение области спектральной увствительности в длинноволновую стоону . За счет дрейфового перемещени  носителей ускор етс  разделение пар, созданных светом, р-п - переходом, т. е. увеличиваетс  быстродействие устройства . Переключение ключевых элементов осуществл етс  за врем , лтугитируемое временем жизни носителей в делительных област х, где оно специально сниже-. но.

Данное устройство полупроводникового преобразова тел  энергии светового излучени  в электрический сигнал обладает следующими преимуществами перед соответству|ощими известными устройствами. Этот полупроводниковый преобразователь позвол ет расширить диапазон изменени  скоростей считывани  как в сторону малых скоростей, включа  статический режим работы, так и в сторону высоких скоростей, за счет изменени  механизма формировани  видеосигнала. В известных устройствах видеосигнал формируетс  как разностный сигнал двух положений сканирующей апертуры. Tertepb видеосигнал формируетс  одним положением сканирующей апертуры непосредственно как значение фототока, протекающего через сумматор . Усилители 15 и 16 считывани  теперь не должны быть дифференцирующими . Следовательно, снимаютс  ограничени  на изменени  скорости сканировани  как в сторону больших, так и в сторону малых скоростей, включа  и статический режим работы устройства.

Данное устройство .полупроводникового преобразовател  имеет более высокую чувствительность, чем соответствующие известные устройства. Действительно, использование исходного р-члатериала с большим временем жизни дл  построени  линейки фоточувствительных элементов позвол ет подн ть квантовую эффективность преобразовани  световой энергии в электрический сигнал.

Кроме того, предлагаемое устройство имеет более высокую разрешающую способность чем соответствующие известные устройства; за счет использовани  только положительных и нулевого значений смещени  на структуре фоточувствительной лт нёйки без отрицательных значений удаетс  уменьшить апертуру сканировани 

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

Кроме того, предлагаемый полупроводниковый преобразователь позвол ет расширить возможности функциональной обработки оптического сигнала управлени  размерами сканирующей апе ртуры за сче дополнительного включени  в цепи делительных слоев генерато ров управлени  апертурой.

Управление апертурой может осуществл тьс  оперативно по результатам предыдущего цикла сканировани . Апертура может быть изменена за период одного сканировани  линейки несколько раз, и каждый раз могут опрашиватьс  новые группы элементов и новое количество элементов.

Кроме того, это устройство пблупроводникового преобразовател  позвол ет расширить область спектральной чувствительности и повысить быстродействиеприбора за счет использовани  р- i - п фотодиодов в качестве чувствительных элементов линейки и быстродействующих ключевых, образованных делительными сло ми с пониженным временем жизни и участками базового сло .

Действительно, р-i-п фотодиоды обеспечивают собирание носителей зар да , созданных светом, с глубин -3080 мкм, что перекрывает практически всю длинноволновую область чувствительности кремни . Дрейфовое перемещение зар дов вместо диффузионного позвол ет ускорить получение фотоответа, а снижение времени жизни носителей в делительных сло х - ускорить процесс коммутации линейки.

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

Claims (3)

1. Полупроводниковый преобразователь энергии светового излучени  в электри- ческий сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой, снабженный то соотвод щей шиной, делительный слой типа проводимости общего сло , снабженный двум  омическими контактами , и анизотропно провод щий ба-

зовый слой противоположного типа проводимости , содержащий генератор пилообразного напр жени , источник посто нного смещени , подключенный параллельно делительному слою, и усилитель считывани , отличающийс  тем, что, с целью расщирени  диапазона изменени  скорости считывани  сигнала, улучшени  пороговой чувствительности и разрещающей способности, полупровод- никова  структура дополнительно содержит второй делительный слой типа проводимости общего сло , к контактам которого подключён генератор пилообразного напр жени  последовательно с усилителем считывани , а второй генератор пилообразного напр жени  последовательно с вторым усилителем считывани  подключен к контактам другого делительного сло , причём оба усилител  считывани  подсое- динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делительными сло ми, и его токоотвод ща  щина соединена с областью того же типа проводимости дополнительно включенного диода .

2.Преобразователь по п. 1, о т л и чающийс  тем, что, с целью расширени  возможностей функциональной обработки оптического сигнала, последовательно с каждым генератором пилообразного напр жени  генератор управлени  апертурой.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийс  тем, что, с целью повышени  скорости сканировани  и расщирени  области спектральной чувствительности , между участками базового сло  и общим слоем включен -юлой, а делительные слои выполнены из материала , врем  жизни носителей в которых ниже, чем врем  жизни в общем слое.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3668408,

кл, 250/219 D , опублик. 06.О6.72.

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

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