Способ регистрации световых импульсов

(51) 4 Н 1 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТО МУ СВРЩЕТЕЛЬСТВУ Лебедева(54) (57)ВЫХ ИМПу х, А,Б, К .Э. Шубин британии к. 1969.1. РЬуз,вченко 1175404,анием.полу- внутренним а на оснох в режиме дника, о тчто, с цеиспользо ментов с го сигна роводнико усилением ве МДП-ст хо ктур робо а ота авинного полупро я тем лича лью его уп обеспечени я п н ременном истрации ще во ожности СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Физический институт им. Гольбраи раников и В382(088.8)нт Велико УК, опублиа 1 оГ Арр 44, У 2,728.1, СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТЛЬСОВ с в импульсов света с энергией менее 10 Дж, используют структуры с ди электриком, сопротивление которого не менее 1 О Ом/см , и подают на7структуры импульсное напряжение с длительностью импульса меньше времени образования слоя неосновных носителей в полупроводнике.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности усиления, подают импульсное напряжение, нарастающее4с крутизной не менее,10 В/с.3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения последующей обработки выходного сигнала, на структуру подают импульс напряжения, амплитуда переднего Фронта которого равна напряжению лавинного пробоя МДП-структуры, с линейно нарастающей вершиной.1 60838 З 2Изобретение относится к полупро- малого сопротивления диэлектрика наводниковой технике, а именно к спо- копления носителей на границе разделасобам регистрации световых импульсов диэлектрик-полупроводник не происхос помощью полупроводниковых устройств дит, и через структуру течет сквоз 5с внутренним усилением, и может быть ной ток, Выходной электрический сигиспользовано в оптоэлектронике, сис- нал измеряется на сопротивлении,темах оптической связи и в лаборатор- включенном последовательно с МДПных исследованиях для регистрации с структурой.световых импульсов и преобразования 10 Недостатки известного техническогоизображений. решения состоят в следующем. ПротекаИзвестны технические решения, по- ние через структуру значительногозволящие осуществлять фоторегистра- сквозного тока приводит к появлениюцищ при помощи структуры металл-ди- дробовых токовых шумов, снижающихэлектрик-полупроводник (МДП), рабо пороговую чувствительность устройстватающий в режиме инициируемого светом при работе с коэффициентом внутреннелавинного пробоя, т,е; пробоя проте- го усиления более 20. Вследствие огкающего в приповерхностной области раничения коэффициента усиления приполупроводника. регистрации малых световых сигналовК структуре прикладывается напря О возникает необходимость в дополнительжение равное напряжению пробоя, Па- ных усилительных каскадах электричесЭдающий свет инциирует лавинный пробой кого сигнала, что ведет к существенв структуре, что вызывает осцилляции ; ному усложнению и удорожанию фотов электрической цепи. Указанным обра- регистрирующего устройства. Кроме тозом осуществляется обнаружение света 2 В го, создание на основании известногомалой интенсивности, однако проблема технического решения многоэлементногопреобразования светового сигнала в фотоприемника с внутренним усилениемч нэлектрический сигнал соответствующей для преобразования изображении связаформы не решается, что резко сужает но со значительными усложнениями,область применения изобретения, по- ЗО так как даже незначительная неоднозволяя его использовать лишь в роли родность толщины низкоомного слояобнаружительного элемента, кремния от элемента к элементу при-,водит к различным величинаМ напряже-.Известен также способ регистрацииб , , требуетсяния лавинного пробоя, т,е. тре уетсясветовых импульсов с использованиемения дляотдельный источник напряжения яполупроводниковых элементов с в утренним усилением выходного сигналаочень сложно реализовать техническислучае линеек и матриц большимв режиме лавинного пробоя полупроводколичеством элементов,ника.МДП-структура состоит из слоя по О Целью изобретения являетсяупролупрозрачного золота, слоя двуокиси щение способа фоторегистрации при одакр ме ния толщиной 300 А сопротивле- новременном обеспечении возможностиЭфние которого не более, чем 10 Ом/см регистрации импульсов света с энери кремния с концентрацией носителей гией менее 10-15 дкс. Возможная реа 10 см , причем с целью повышения 45 лизация многоэлементного фоторегистстабильности усиления выходного сиг- рирующего устройствас внутРеннимнала, приповерхностный слой кремния . усилением выходного сигнала, упродополнительно легирован до концентра- щенной конструкции.ций 10 -18 см . Для создания в Указанная цель достигается тем,полупроводнике области лавинного ум что используют структуры с диэлектножения носителей тока МДП-структура риком, сопротивление которого не меподключается к источнику постоянного нее 10 Ом/см и подают на структурынапряжения. Освещение структуры све- импульсное напряжение с длительностьютом из области собственного погло- импульса меньше времени образованиячщения кремния приводит к генерации 55 слоя неосновных носителеи в полупрофотоносителей, которые ускоряясь в воднике.электрическом поле в приповерхност- . Для повышения стабилизации усиленой области кремния умножаются вслед- ния подают импульсное напряжение,ствие ударной ионизации, Вследствие нарастающее с крутизной не менее6083831010 В с. Упрощение последующей обра- основных носителей тока у поверхносботки выходного электрического сигна- ти полупроводника (для кремния прила достигается использованием импуль- комнатной температуре это время соссов питания специальной формы, а 5 тавляет 00 мс). При напряжении питаименно амплитуда переднего фронта его ния, соответствующем напряжению ларавна напряжению лавинного пробоя винного пробоя ЬЩП-структуры напряМДП-структуры с линейной нарастаюженность электрического поля в припощей вершиной. верхностной области полупроводникаНа чертеже представлено устройство 10 достаточна для возникновения процесдля реализации предложенного способа, са ударной ионизации, что позволяетгде 1 - МДП-структура, 2-сопротивле- осуществить фоторегистрацию световогоние нагрузки, 3-импульсный источник импульса с усилением, Могут быть иснапряжения, 4 - линия задержки, 5 - пользованы МЦП-структуры 1, изготовзадающий импульсный генератор, вклю ленные на основе кремния типа КДБчающий источник света, 6 - импульсный (кремний дырочный, легированный боисточник света, 7 - фокусирующая сис- ром), концентрация носителей в кото 16тема. ром варьируется в пределах 1 ОЬ 3,МДП-структура 1, выполняющая функ О 1/см ; в качестве диэлектрикацию светочувствительного элемента, 20 двуокись кремния ЯО толщинойо гизготавливается на основе полупровод А, при этом его сопротивлениет 2ника с концентрацией носителей тока, составляет 10 Ом/см и выше ипри которой наблюдается лавинный про- металлические электроды из никеля.бой в МДП-структуре. Диапазон концен- Для таких структур диапазон напряжетраций ограничен со стороны меньших 25 ний лавинного пробоя составлял 10 значений величиной, начиная с которой 100 В. Регистрируемый световой имлавинный пробой становится неодно- пульс от источника 6, включаемогородным, сосредотачиваясь по перимет- запускающим импульсным генератором 5,РУ МДП-структуры, наибольшее значение через оптическую систему 7 попадаетконцентрации определяется величиной, 311 на МДП-структурув момент временинаМиная с которой развивается про- действия импульса напряжения. Дляцесс прямого туннелирования носителей этого запускающий генератор 5 включачерез запрещенную зону (пробой Зипе- ется синхроимпульсом от импульсногора) к границе раздела диэлектрик-по- источника напряжения 3, задержаннымлупроводник. Материал диэлектрика и З 5 линией задержки 4. Свет, прошедшийего толщина подбираются такими, чтобы через полупроводниковый слой металласопротивление диэлектрика на единицу и слой диэлектрика, поглощается вплощади было не менее 10 Ом/см . приповерхностной области полупроводПри этом сквозной ток через диэлект- ника. Образующиеся электронно-дырочрик блокируется, и носители, рождае ные пары ускоряются в приповерхностмые в процессе лавинной йонизации, нам поле до энергии, достаточной длянакапливаются на границе диэлектри- ударной ионизации атомов полупроводка. На диэлектрик напыляется полупро- ника, вследствие чего происходит умзрачный металлический электрод, Вножение числа фотоносителей. Выходнойслучае многоэлементного фотоприемни электрический сигнал, в общем слука напыляется соответствующая матри- чае представляющий собой сумму фотоца или линейка независимых электротока и темнового тока снимается сдов и система токоподводящих шин сопротивления нагрузки 2 и воспроизи контактных площадок. Последователь- водится на осциллографе, либо подаетно со структурой включается нагрузоч ся на вход соответствующей электриное сопротивление 2 и источник пита- ческой схемы для дальнейшей обработния 3. Источник 3 подает на МДП- ки. При необходимости фототок можетструктуру 1 импульс напряжения, по- быть отделен от темнового тока путемлярность которого выбирается такой, вычитания последнего из суммарногочтобы создать у,поверхности полупро сигнала. Для повышения стабильностиводника область, обедненную основны- усиления выходного сигнала импульсми носителями тока, Длительность ное питание делается нарастающим.импульса выбирается меньшей, чем вре- Стабильность обьясняется тем, чтомя установления равновесного слоя не- при нарастающем напряжении питания608383 6лавинного пробоя, а затем линейнонарастает с крутизной не менее10 В/с, При такой форме импульса пи 5тания время установления усилительного режима фотоприемника сводится кминимуму, и упрощается дальнейшаяобработка усиленного фотосигнала, поскольку постоянной величине крутизны10 соответствует постоянная величинавыходного темнового тока В результате выходной сигнал представляет собой сумму фотосигнала и некоторой е. постоянной составляющей. В этом слу 15 чае фотосигнал может быть выделен м с помощью порогового устройства. Составитель Г. Корнилов Редактор С. Титова Техред М.Дидык Корректор С. ШекмарЗаказ 4358 Тираж 697 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лавинный процесс в МДП-структуре 1 принимает устойчивый самостабилизированный характер. Увеличение прило женного напряжения ведет кувеличе нию напряженности поля в полупровод нике, вследствие чего увеличивается коэффициент умножения носителей, однако отсутствие сквозного тока че рез диэлектрик приводит к накоплениюУ на границе диэлектрика неосновных носителей, которые экранируют внешнее поле и снижают напряженность электрического поля в полупроводник В результате наличия этих двух конкурирующих процессов при нарастающе напряжении питания устанавливается постоянная напряженность поля, обеспечивающая постоянство коэффициента усиления фототока в пределах нескольких вольт. Поскольку при устойчивом лавинном приборе в МДП-структуре 1 величина коэффициента умножения носителей пропорциональна величине выходного тока, а ток, в свою очередь, пропорционален крутизне. приложенного напряжения, то для получения коэффициента усиления фотосигнала не менее тысячи крутизна должна быть не менее 10 В/с.Поскольку при напряжении питания, меньшим напряжения пробоя, приемник работает практически без усиления, целесообразно подавать на МДП-структуру 1 импульсное напряжение, которое скачком достигает величины напряжения Предложенный способ фоторегистрации с чувствительным элементом на ос нове структуры никель-двуокись кремния-кремний имеет пороговую чувствительность, превышающую чувствительность других способов, и соответствуУ -16ет, уровню 10 -10 Дж при отношениисигнал-шум равным нескольким единицам, При этом коэффициент внутреннего усиления равен нескольким тысячам, что позволяет исключить из фоторегистрирующего устройства электрон- ЗО ный предусилитель и наблюдать фототок непосредственно на осциллографепри световых сигналах, соответствующих указанной пороговой чувствительности, а стабильность усиления ЗВ выходного сигнала по питающему напряжению в пределах нескольких вольт,