RU2086042C1

RU2086042C1 - Semiconductor brightness detector

Info

Publication number: RU2086042C1
Application number: RU94028635A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Original assignee: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1997-07-27
Also published as: RU94028635A

Abstract

FIELD: instruments, automatic control. SUBSTANCE: device converts capacitance to frequency using field-effect photo transistor as light- controlled capacitors for oscillating circuit. Passive coil is used as inductance element. This results in possibility of negative resistance at drain-to-drain terminals of transistors. This leads to oscillations in circuit which is produced by parallel connection of resistance element with capacitor characteristics to drain-to-drain terminals of transistors and inductance resistance of passive coil. When light enters field-effect photo transistors, capacitance constituent of total resistance at drain-to-drain terminals is altered, so that resonant frequency of circuit is changed. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как датчик освещенности в различных устройствах автоматизированного управления технологическими процессами. The invention relates to instrumentation and can be used as a light sensor in various devices for automated control of technological processes.

Известны устройства для измерения освещенности, которые состоят из фотодиода и операционного усилителя. Фотодиод представляет собой полупроводниковую p-i-n структуру, в которой тонкие проводящие слои p- и n- типа разделены областью нелегированного высокоомного кремния (i). При попадании на p i переход световых лучей возникает фототок, величина которого изменяется линейно в зависимости от интенсивности падающего света. Преобразование ток-напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора в цепи обратной связи операционного усилителя [1]
Однако такие устройства обладают низкой чувствительность, особенно в области слабых освещенностей, так как при этом резко снижается скорость оптической генерации носителей заряда.Known devices for measuring illumination, which consist of a photodiode and an operational amplifier. A photodiode is a semiconductor pin structure in which thin p- and n-type conductive layers are separated by a region of undoped high-resistance silicon (i). When a ray of light hits the pi transition, a photocurrent occurs, the magnitude of which varies linearly depending on the intensity of the incident light. The current-voltage conversion with the linearity of the output voltage is carried out using a resistor in the feedback circuit of the operational amplifier [1]
However, such devices have low sensitivity, especially in the low-light region, since the speed of optical generation of charge carriers is sharply reduced.

Наиболее близким к изобретению техническим решением можно считать фотоэлектрический преобразователь [2] конструкция которого представляет собой высокоомную полупроводниковую подложку, на которой расположен канал с низкой концентрацией легирующей примеси, на котором сформированы области стока и истока с высокой концентрацией примеси, имеющие тип проводимости, противоположный типу проводимости подложки. Поверх канала расположена Н - накопительная область затвора с типом проводимости подложки. Н накопительная область собирает заряды, возникающие при освещенности поверхности прибора. Величина тока, протекающего между истоком и стоком через накопительную область, изменяется в соответствии с ее потенциалом. The closest technical solution to the invention is the photoelectric converter [2], the design of which is a high-resistance semiconductor substrate on which a channel with a low concentration of dopant is located, on which drain and source regions with a high concentration of impurity are formed, having the type of conductivity opposite to the type of conductivity the substrate. On top of the channel is H - the storage region of the gate with the type of substrate conductivity. H the accumulation region collects charges arising from the illumination of the surface of the device. The magnitude of the current flowing between the source and the drain through the storage region changes in accordance with its potential.

Однако известное устройство обладает низкой чувствительностью и точностью измерения, связанной с тем, что изменение освещенности канала полевого транзистора приводит к небольшим изменениям напряжения на затворе, а это в свою очередь приводит к небольшим изменениям тока стока. However, the known device has low sensitivity and measurement accuracy due to the fact that a change in the illumination of the channel of the field effect transistor leads to small changes in the gate voltage, and this in turn leads to small changes in the drain current.

Задача изобретения создание полупроводникового датчика освещенности, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения. The objective of the invention is the creation of a semiconductor light sensor, which has high sensitivity and measurement accuracy.

Задача решается тем, что в известном устройстве преобразование тока в напряжение заменяется в предполагаемом устройстве преобразованием емкости в частоту, для чего полевые транзисторы выступают в качестве управляемых светом емкостных элементов колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах стоков полевых транзисторов. Индуктивным элементом контура является внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости под действием света преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения освещенности. The problem is solved in that in the known device, the conversion of current into voltage is replaced in the proposed device by converting the capacitance to frequency, for which field-effect transistors act as light-controlled capacitive elements of the oscillatory circuit, the energy loss of which is compensated by the negative resistance that occurs at the terminals of the field drains transistors. The inductive element of the circuit is an external passive inductance. Thus, in the proposed device, a small change in capacitance under the influence of light is converted into a significant change in the resonant frequency of the oscillatory circuit, which allows to increase the sensitivity and accuracy of determining the illumination.

На чертеже изображен предлагаемый датчик. Полупроводниковый датчик освещенности содержит источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание светодиода 2, оптическое излучение которого воздействует на МДП фототранзисторы 3 и 4, причем затвор полевого фототранзистора 4 соединен со стоком полевого фототранзистора 3, а затвор полевого фототранзистора 3 соединен со стоком полевого фототранзистора 4, истоки полевых фототранзисторов 3 и 4 соединены между собой. Параллельно затвору полевого фототранзистора 3 и стоку полевого фототранзистора 4 включен источник 5 управляющего постоянного напряжения. Последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 7 и конденсатора 8 подключена совместно с источником постоянного напряжения 6 параллельно электродам сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 8 и общей шиной. The drawing shows the proposed sensor. The semiconductor light sensor contains a constant voltage source 1, which provides electrical power to the LED 2, the optical radiation of which acts on the MIS phototransistors 3 and 4, the gate of the field phototransistor 4 connected to the drain of the field phototransistor 3, and the gate of the field phototransistor 3 connected to the drain of the field phototransistor 4 , the sources of field phototransistors 3 and 4 are interconnected. In parallel with the gate of the field phototransistor 3 and the drain of the field phototransistor 4, a control DC voltage source 5 is turned on. A series circuit consisting of a passive inductance 7 and a capacitor 8 is connected together with a constant voltage source 6 parallel to the drain-drain field effect phototransistor electrodes 3 and 4. The output of the device is formed by the first lining of the capacitor 8 and a common bus.

Полупроводниковый датчик освещенности работает следующим образом. В начальный момент времени оптическое излучение не действует на полевые фототранзисторы 3 и 4.С повышением напряжения управляющих источников 5 и 6 до величины, когда на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4 возникнет отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 7. Емкость 8 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту и предохраняет источник 6 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 7, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующей подаче оптического излучения на полевые фототранзисторы 3 и 4 происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах сток-сток полевых фототранзисторов 3 и 4, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура. A semiconductor light sensor operates as follows. At the initial moment of time, optical radiation does not act on field phototransistors 3 and 4.With increasing voltage of control sources 5 and 6 to a value when negative resistance appears on the drain-drain terminals of field phototransistors 3 and 4, which leads to electric oscillations in the circuit, formed by the parallel connection of the impedance with a capacitive character at the terminals of the drain-drain of the field phototransistors 3 and 4 and the inductive resistance of the passive inductance 7. Capacitance 8 serves to adjust The oscillator circuit is set to the desired resonant frequency and protects the source 6 of the control voltage from short circuit through inductance 7, and also serves as an AC load resistance from which the output signal is taken. With the subsequent supply of optical radiation to the field phototransistors 3 and 4, the capacitance component of the impedance changes at the drain-drain terminals of the field phototransistors 3 and 4, which leads to a change in the resonant frequency of the oscillating circuit.

Использование предлагаемого полупроводникового датчика освещенности по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых фототранзисторов, в которых изменение емкости под действием света обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания 5 и 6. The use of the proposed semiconductor light sensor in comparison with the prototype significantly increases the sensitivity and accuracy of determining the informative parameter due to the implementation of the capacitive element of the oscillating circuit in the form of field phototransistors, in which the change in capacitance under the influence of light provides an effective tuning of the resonant frequency, as well as due to the possibility of linearizing the conversion function by selecting the voltage value of power supplies 5 and 6.

Claims

A semiconductor light sensor containing an adjustable optical radiation source, a fiber optic line for transmitting light, a field phototransistor electrically coupled to two parallel connected power sources, characterized in that a second field phototransistor, a capacitor and a passive inductance are additionally introduced therein, the shutter of the first the field phototransistor through a second power source is connected to the drain of the second field phototransistor, and the gate of the second field about the transistor is connected to the drain of the first field-effect transistor, the sources of the first and second field-effect transistors are connected to each other, the first output of the passive inductance is connected to the drain of the first field-effect transistor, the gate of the second field-effect transistor and the first pole of the first power supply, and the second passive inductance terminal is connected to the first output the capacitor to which the first output terminal is connected, and the second output of the capacitor is connected to the drain of the second field phototransistor, the second pole of the first and second power sources, which form a common bus, which is connected to the second output terminal.