Устройство для преобразования пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов

(22) Заяв 32 оп 2 чо 04 01 7 вкп Ъ ПРПСОЕД:НЕНИЕМ Государстзеииыв комитет света Министров СССР 3, Приоритет(088,8) тлстепь М 1 но 15,05 публико по делам изобретений и открытий. И. Архипов, С, Р, Кельнер и денко 71) Заявитель осковский ордена Трудового Красного Знамени инженернофизический институт(54) УСТРОЯ СТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАН ИЯРОСТРАНСТВЕННЫХ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВМЕННУЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКСИГНАЛОВ О ВР Изобретение относится к преобразователям света и мокет быть использовано в оптико электронных устройствах, где требуется преобразование одномерного распределения интенсивности освещения во временную после доватсльность электрических сигналов, в частности в вычислительной технике, автоматике, телевидении.Известно устройство для преобразования одномерного распределения интенсивности 10 освещения в последовательность электрических сигналов, работающее в режиме эксклюзии генерируемых светом носителей 111.Недостатком известных устройств являстся искажение преобразуемого сппала н огра ничеппые частотные характеристики.Известно устройство для прсобр азова пня пространственных световых сигналов во временую последовательность электрических сигналов, состоящие из последовательо сое О диненных источника импульсного напряжспия, полупроводникового фотоприемника и дифференципрующей цепочки. Это устройство работает в режиме постоянного освещеня фотоприемника и псриодического включс;я 25 прямоугольых импульсов папряжс 11 я 1 а фотоприемнике. При отключенном напряжении процессы фотоинжекции и рекомбинации устанавливают стационарную концентрацию носителей в каждой точке. Прямоугольный им- зо пульс напряжения вызывает ного тока в фотоприемнике. нала происходит на выходе ющей цепочки (21.Работа этого устройства ь сапа следующей математичесЭксклюзня носителей опи ПНЯ.;11: мпульс переход Считывание сиг дифференциир ожет быть опикой моделью.ывается уравнее(х, ) = р(х, ) - п(х(х,0) =1,Пуассона,непрерывответствен- зразмерные где выраже;ие (1) - ураьвыражения (2) и (3) - ураности для электронов и дьпо. В уравнениях используювеличины пение вненп ся р.,Г,3,1 оо 4 дОЬой=Р"е 1 огде Х - координата (0(Х(1.);1. - длина фотоприемника;1 - время;Уо - амплитуда прямоугольного импульсанапряжения;М, Р - плотности электронов и дырок соответственно;Е - напряженность электрического поля;ре рпе, р - подвижности электронов и дыроксоответственно;б - скорость генерации пар;Я - скорость комбинации носителей;Ч - заряд носителя,К - диэлектрическая проницаемость.Функции р(х), рр(х) (начальные концентрации носителей) определяются интенсивностью освещения в каждой точке и рекомбинацией носителей, Они являются стационарнымР ешением системы выражений (1) - (3) при отключенном напряжении е(х, 1) =0. В случае бимолекулярной рекомбинации й(х, Ц==гр(х, 1)п(х, 1), где г - безразмерная константа бимолекулярной рекомбинации и Р(х), рр(х) имеют вид В случае рекомбинации через центр функциир(х), рр(х) различны и также не пропорциональны д(х).Однако, если концентрация центров рекомбинации достаточно велика и справедливоприближение постоянного времени жизни носителей, то р(х) и рр(х) равны и пропорциональны д(х)р(х) =- о (х) = д (х),где т - время жизни носителей. В реальных фотоприемниках имеет место и бимолекулярная рекомбинация и рекомбинация черезцентр, так что р(х) и рр(х) являются нелинейными функциями й(х),Таким образом рекомбинация играет определяющую роль в установлении равновеснойконцентрации носителей и ее скорость должна быть достаточно велика. Но интенсивнаярекомбинация продолжается и в процессеэксклюзии носителей, что вызывает искажение преобразуемого сигнала, С одной стороны, время установления равновесной концентррации носителей т. е. время их жизни, долк1но удовлетворять неравенству т= , 1 - рабочая частота устройства, но, с другой стороны, для того, чтобы сигнал не искажался рекомбинацией в процессе эксклюзии, времяжизни носителей должно быть много больше времени пролета носителей через фотоприемник т пр.Следовательно, время жизни носителей должно удовлетворять противоречивым неравен 5 ствам, что приводит к снижению рабочей частоты устройства или к искажениям сигнала.Кроме того, сигнал искажается собственнымполем зарядов носителей и продолжающейсяв процессе эксклюзии генерацией носителей.10 Отличие реального импульса напряжения отпрямоугольного также вносит искажения впреобразуемый сигнал.За время установления равновесной концентрации носителей диффузия успевает исказить 15 функции Р(х) и Р 1(х).С целью уменьшения искажений преобразуемого сигнала и улучшения частотных характеристик устройства перед фотоприемником установлен прерыватель (затвор) для 20 преобразования непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемниказатемнена.Напряжение на стадии считывания основ ного сигнала поддерживается постоянным,Эксклюзия носителей осуществляется из неосвещенного фотоприемника.Таким образом, отличительной чертой данного изобретения является использование реЗ 0 жима импульсного освещения и постоянногонапряжения. Длительность светового импульса, генерирующего носители, до;1 жна бытьдостаточно мала для применения приблияения малого сигнала малого сигнала 35 (Р(х)1, р(х)1, е(х, Ц=1), а рекомбинация при этих концентрацияк носителей недолжна искажать преобразуемый сигнал(Р (х) = Рр (х) =д(х) Л, где ЛЕ - длительность импульса).40 В этом случае эксклюзия носителей описывается уравнениямид, дод 1 дхдр45д; д дх с начальными условиямип(х,О);:р(х, О) = - (х):. 1(х) Л 1, 50Решение этой задачи имеет види (х, 1) - . о (х + 1) х:- 0р( 1) о-- 1 ХТок, протекающий через фотопрпемник, выйражается каку (г) = - = (х, ) + и (х, К) + - . р (х, 1), (4)д 1д 1Здесь следует учесть производную от поля по 00 времени, так как оиа порядка и, р. Далее11 (1) =-у1 Х =,о (Х+ 1) +д оПервое слагаемое в выражении (4) после интегрирования по х выпадает, так какх, ) сУх = У, = - . сопз 1,о И, наконец,д 1 1- ,1(1) = - (г) -- 1 -- 1, (о)д 1Ь Ь Таким образом, производная от тока по времени состоит из двух слагаемых, Первое обязано своим происхождением току проводимости электронов, второе - току проводимости дырок. Одно из них, например электронное, можно считать основным сигналом, второе (в Ь раз меньше и в Ь раз более долго- живущее) - искажением сигнала. Такое же искажение преобразуемого сигнала имеет место и в прототипе. Использование полупроводников с малоподвижными дыркамп (б 1) не позволяет устранить искажение, так как дырки, накапливаясь в процессе работы фотоприемника, искажают поле, а, следовательно, и преобразуемый сигнал. Искажающее влияние дырок можно исключить, если некоторую область фотоприемника около катода оставить неосвещенной (размер этой области должен быть нс меньше ). Тогда1+6 и из равенства (5) следует, что производная от тока во время считывания основного сигнала равна плотности электронов, т. е. устройство позволяет получить неискаженный основной сигнал, Фотоприемник затем очищается от оставшихся в нем дырок импульсом напряжения. Если амплитуда прямоугольного импульса такова, что е=б (в безразмерных единицах), то можно получить зеркально отображенный сигнал в том же масштабе времени.На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для преобразования световых сигналов в электрические; на фиг. 2 - режим работы генератора импу льсного напряжения,Устройство содержит генератор 1 импульсов напряжения, прерыватель 2 светового потока, работающий в режиме импульсного освещения, фотоприемник 3 с затемненной (например, закрытой непрозрачным экраном 4) прикатодной областью 5, дифференциирующую цепочку 6, с которой снимается выходной сигнал.Импульсный световой сигнал, сформированный прерывателем 2, генерирует в фотоприемнике 3 электронно-дырочные пары, которые под действием поля начинают дрейфо 45 50 дд бо вать к противоположным концам фотоприемника. Уход электронов из фотоприемника приводит к уменьшению тока, что, в свою очередь, вызывает появление преобразованного сигнала на выходе дифференциирующей цепочки 6,Во время считывания основного сигнала дырочная составляющая тока остается постоянной (дырки дрейфуют через затемненную область 5) и не искажает сигнал. Затем импульс напряжения генератора 1 очищает фотопрпемник от оставшихся в нем дырок. На фиг. 2 показан режим работы генератора импульсного напряжения, где Уо - рабочее напряжение считывания основного сигнала; Ь - амплитуда импульса напряжения, удаляющего из фотоприемника дырки;1 О - период работы устройства, заштрихованные прямоугольники - импульсы освещения фотоприемника.Использование прерывателя для преобразования непрерывного освещения в последовательность световых импульсов и фотоприемника с затемненной прикатодной областью выгодно отличает предлагаемое устройство для преобразования световых сигналов в электрические от указанного прототипа, так как нет необходимости получать стационарную концентрацию инжектированных носителей, что позволяет уменьшить искажение сигнала из-за рекомбинации и диффузии носителей, устранить искажающее влияние дырок, помехи, вносимые отличием реальных импульсов напряжения от пря:оугольных, удается улучшить частотные характеристики устройства и сравнительно просго получить повторение сигнала. Формула изо бр етенияУстройство для преобразования пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные источник импульсного напряжения, полупроводниковый фотоприемник и дифференциирующую цепочку, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений преобразумого сигнала н улучшения частотных характеристик устройства, перед фотоприемником установлен прерыватель для преобразования непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемника затемнена.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Патент США3111556 кл. 178 - 7.1, 1963.2. Авторское свидетельство СССР366446, М. Кл.- й 02 Е 7/00, 1970.55825 47 ах Составитель Н, Решетников Техред М. Семенов Корректор Л. Котова Редактор Т. Морозова Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 1376/5 Изд.497 Тираж 630 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5