Полупроводниковый преобразователь

(23) Приоритет по делам изобретений и открытий(7) Заявитель Ордена Ленина физико-технический 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 устрЬйства в виде пространственного распределения освещенности.Известны полупроводниковые устройства, осуцгествляющие преобразование пространственного распределения освещенности в электрический, сигнал 1 Ц .Из известных устройств полупроводни- ковых преобразователей энергии светового излучения в электрический сигнал наиболее близким по технической сущности является устройство, выполненноена 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 2ратор пилообразного напряжения, источник постоянного смешения, подключенныйпараллельно делительному слою, и усилитель считывания 121,При работе этого устройства сигнал,выделенный дифференциальным усилителем считывания, пропорционален освещенности той области линейки фоточувствительных элементов базового слоя,где в данный момент времени находится нулевая эквипотенциаль, полбжениекоторой задается генератором пилообразного напряжения.Основные недостатки данного устройства следующие: узкий диапазон измене 15ния скоростей сканирования и невозможность работы в статическом режиме ирежиме медленного сканирования, а также низкая пороговая чувствительностьи разрешающая способность; жестко за 20данная апертура сканирования,определенная формой вопьтамперной характеристики элементарной ячейки устройства, содержащей два встречно включен652829 4электрический сигнал; на фиг. 2 - частьэлектрической схемы преобразователя.Полупроводниковый преобразовательсодержит полупроводниковую структуру,5 выполненную на подложке, в качествекоторой может быть взят исходный монокристалл, например н- Ь с большим временем жизни. На данной подложке созданы общий слой 1, делительные слои 2 и3, разделяющие области 4 и 5. В общемслое 1 сохранено время жизни исходногомонокристялла, а в делительных слоях 2и 3 время жизни специально снижено,Линейка фоточувствительных элементовобразована участками базового слоя 6,15л противоположного типа проводимостиобщего слоя 1, и материала общего слоя1, К контактам 7-8 и 9-10 делительных слоев 2 и 3 параллельно подключе 30 ны источники 11, 12 постоянного смешения. К контактам 7, и 9 последовательно подключены гейераторы 13 и 14 пилообразного напряжения и усилители 15и 16 считывания. В случае оперативно 25го управления апертурой сканированияпоследовательно с блоками 13 и 14,15 и 16 включены генераторы 17 и 18управления апертурой (фиг, 2). Усилители 15 и 16 считывания по отдельностиЭОподключены ко входу сумматора 19. Общая токоотводящая шина 20 подключенак и -области диода 21, В случае использования р-к 1 диодов-область включена между дискретными участками базон вого слоя 6 и общей и-областью 1.35Полупроводниковый преобразователье- работает следующим образом,й В исходный момент времени (1 =Ф.о)ь- на участки дискретной базовой области40а 6, например по линии А-Л, спроецнровано регистрируемое линейное распредеи- ление освещенности, Источники 11 и12 постоянного смещения создают линей 1 и45ное падение напряжения Е и Е, причем, например, на левом конце структурыЕ =Е =О,иа на правом ных диода, что ограничивает воэможности функциональной обработки оптичес-кбго сигнала; ограниченная скоростьсканирования и низкая чувствительностьв данйой волновой области спектра све " тового излучения,Целью изобретения является расширение диапазона изменения скорости счи"тывания сигнала, улучшение пороговойчувствительности и разрешаюшей способности полупроводникового преобразователя энергии светового излучения в электрический сигнал,Для достижения этой цели в полупроводниковом преобразователе энергии светового излучения в электрический сигнана основе полупроводниковой структуры,имеющей общий слой, снабженный токоотводящей шиной, делительныи слой типапроводимости общего слоя, снабженныйдвумя омическими контактами, и анизотропно проводящий базовый слой противоположного типа проводимости, содержащий генератор пилообразного напряэкенияисточник постоянного смешения, подключенный параллельно целительному слою,и усилитель считывания, полупроводниковая структура дополнительно содержитвторой делительный слой типа проводимости общего слоя, к контактам. которогоподключен генератор пилообразного напряжения последовательно с усилителемсчитывания, а второй генератор пилообразного напряжения последовательно свторым усилителем считывания подключек контактам другого делительного слоя,причем оба усилителя считывания подсодинены к входу сумматора, а общий слоизолированно расположен между делителными слоями, и его, 1 токоотводяшая шинсоединена с областью того же типа проводймости дополнительно включенного дода.С целью расширения возможностейфункциональной обработки оптическогосигнала последовательно с каждым генератором пилообразного напряжения включен генератор управления.С целью повышения скоростй сканирования и расширения области спектральнойчувствительности между участками базового слоя и общим споем включен 1-лой,а делительные слои выполнены из материала, время жизни носителей в которыхниже, чем время жизни в обшем слое.На фиг. 1 показана блок-схема предло,гаемого полупроводникового преобразо-вателя энергии гветового излучения в Е =-Е,Е =ХЕЕ =НЕ,)Е,)=)Е,где М - число элементов линейки, а Е и Еф - соответственно, падения на/пряжения на верхнем и нижнем концах базового участка первого элемента линейки, При=ф напряжение нв выходах генераторов 13 и 14 равно нулю.Поскольку дискретны участки базового слоя 6 образуют с делительными5, .68 слоями 2 и 3 р- й - переходы, падЮ- ние напряжении, например, на р-областях фотодиодов линейки - 05 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 (1 =1, ) начинается электрическое сканирование элементов линейки. Значения напряже-. ния на выходе генератора 13 пилообразного напряжения устанавливается отрицательным и равным 2829 1 о длине структуры, Видеосигнал формируется в сумматоре 19 в виДе модуляциипостоянной составляющей, равной интегральному току через всю линейку, Сканирование эквивалентно последовательномуперемещению "невидящей" точки по всейлинейке. Постоянная составляющая формируется с момейта времени С =1 .При необходимости оперативно управлять апертурой устройство работает следующим образом,Пусть необходимо расширить апертуру сканирования в момент опроса и -гои о+ 1-го элементов. Тогда в в -й мо 25мент времени (1=) начинают формироваться напряжения Г и Г на выхо идах двух дополнительных генераторов17 и 18 управления апертурой, включенных последовательно с генераторами пиЗолообразного напряжения 0 и О, В моменты времени 1 и 1 изменяютсяи и+1постоянные составляющие сигналов ди 0 за счет суммирования этих сигналовс сигналами Г и Ги, Суммарный сигнал обеспечивает такое распределениепотенциалов по линейке фотодиодов Оцчто на ячейках номера 9 и иОц =О.Соответственно, фототок через эти ячейки равен нулю, а токи через все осталь 40ные ячейки пропорциональны их освещенности. Число ячеек, находящихся под нулевым напряжением, зависит от амплитуды управляющего. импульса, и может из-,меняться каждый такт работы устройст 45ва. Таким образом, осуществляется оперативное управление апертурой сканирования без перестройки устройства.В случае использования р-и фото 5 одиодов устройство работает следующимобразом. В исходном состоянии регистрируемое распределение освещенности создает электронно-дырочные пары. Положительное смешение на линейке достаточно для того, чтобы область объемного55заряда распространилась на всю базовуюобласть, электронно-дырочные парыдрейфуют в этом поле объемного зарядак р-ппереходу и разделяются им. а на выходе генератора 14 положитедьным и равным В результате на первом фоточувствительном элементе устанавливается нуле вое падение напряжения о = о+и-о е =о1 1 И Кр 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 дедительного слоя 3 будет равен сумме , токов через все элементы линейки кроме первого, и этот ток будет регистрироваться сумматором 19,В и -й момент времени ( .=Фи) значение падения напряжения на выходе генератора 13 установится равным а на выходе генератора 14О )= -иО =иЕП 11 Таким образом на и -й ячейке устанавливается нулевое падение напряжения, а на всех последующих и предыдущих ячейках устанавливается положительное смещение, соответственно ток в цепи делительного слоя 2 будет равен сумме токов через все предыдущие элементылинейки, а ток в цепи делительного слоя3 будет равен сумме токов через всепоследующие элементы линейки (при этом ток через и -й элемент равен нулю, аЧерез остальные элементы линейки пропорционален их освещенности),Дальнейшее изменение О и О по вреимени приводит к сканированию по всейЗа счет дрейфового перемещения носителей увеличивается собирание носителей созданных длинноволновым, т. е.фщглубоко проникающим светом, чем достигается расширение области спектральной чувствительности в длинноволновую сторону. За счет дрейфового перемещения носителей ускоряется разделение пар, созданных светом, р- - переходом, т. е. увеличивается быстродействие устройства, Переключение ключевых элементов осуществляется за время, лимитируемое временем жизни носителей в делительных областях, где оно специально снижено.Данное устройство полупроводникового преобразователя энергии светового излучения в электрический сигнал обладает следующими преимуществами перед соответству 1 ощими 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 элементовпозволяет поднять квантовую эффективность преобразования световой энергии в электрический сигнал.Кроме того, предлагаемое устройствоимеет более высокую разрешающую способность чем соответствующие известныеустройства, за счет использования только попожительных и нулевого значений смещения на структуре фоточувствительной линейки без отрицательных значений удается уменьшить апертуру сканирования от двух до четырех раз и, следовательно, повысить разрешающую способность в два-четыре раза.Кроме того, предлагаемый пачупроводниковый преобразователь позволяет расширить возможности функциональной обработки оптического сигнала управленияразмерами сканирующей апертуры за счет1 одополнительного включения в цепи делительных слоев генераторов управленияапертурой,Управление апертурой может осущест 15вляться оперативно по результатам предыдущего цикла сканирования. Апертураможет быть изменена эа период одногосканирования линейки несколько раз, икаждый раз могут опрашиваться новыегруппы элементов и новое количество2 оэлементов,Кроме того, это устройство полупроводникового преобразователя позволяетрасширить область спектральной чувствительности и повысить быстродействие.прибора за счет использования р - пфотодиодов в качестве чувствительныхэлементов линейки и быстродействующихключевых, образованных целительными30слоями с пониженным временем жизни иучастками базового слоя.Действительно, р--п фотодиодыобеспечивают собирание носителей заряда, созданных светом, с глубин 30 зз80 мкм, что перекрывает практическивсю длинноволновую область чувствительности кремния. Дрейфовое перемещениезарядов вместо диффузионного позволяетускорить получение фотоответа, а сни 4 о жение времени жизни носителей в целительных слоях - ускорить процесс коммутации линейки.Чувствительность прибора может бытьповышена на 40%, а разрешающая способность, связанная с уменьшением величины апертуры сканирующей области,соответственно в 2,5 разя./формула изобретения1. Полупроводниковый преобразовательэнергии светового излучения в электрический сигнал на основе полупроводниковой структуры, имеющей общий слой,снабженный тооотводящей шиной, делительный слой типа проводимости общегослоя, снабженный двумя омическими контактами, и анизотропно проводящий бя652829 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, полупровод О никовая 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 целительного слоя, причемоба усилителя считывания подсое динены к входу сумматора, а общий слой изолированно расположен между делитель- ными слоями, и его токоотводящая шина соединена с областью того же типа проводимости дополнительно включенного ди ода. 102, Преобразователь по и, 1, о т л ивчающийся тем,что,сцельюрасширения возможностей функциональнойобработки оптического сигнала, последо-.вательно с каждым генератором пилообразного напряжения включен генераторуправления апертурой,3 Преобразователь по пп, 1 и 2,отличающийся тем,что,сцелью повышения скорости сканированияи расширения области спектральной чувствительности, между участками базового слоя и общим слоем включен ( -слой,а делительные слои выполнены из материала, время жизни носителей в которыхниже, чем время жизни в общем слое,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США М 3668408,кл. 250/219 О, опублик, 06.06.72,2. Берковская К. ф, Безвакуумныйтелевизионный преобразователь иэображения - сканистор. Полупроводниковые приборы и их применение, Под ред,Я. И. федотова, М"Сов. радио", 1968,вып, 20.