RU2399117C1 - Coordinate-sensitive sensor multiscan - Google Patents
Coordinate-sensitive sensor multiscan Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399117C1 RU2399117C1 RU2009135382/28A RU2009135382A RU2399117C1 RU 2399117 C1 RU2399117 C1 RU 2399117C1 RU 2009135382/28 A RU2009135382/28 A RU 2009135382/28A RU 2009135382 A RU2009135382 A RU 2009135382A RU 2399117 C1 RU2399117 C1 RU 2399117C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diodes
- photosensitive
- length
- line
- distance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Facsimile Heads (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, конкретно - к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано в качестве координатно-чувствительного датчика для измерения положения одиночного светового пятна в устройствах, предназначенных для определения координат различных объектов, контроля смещения объектов в пространстве, измерения их размеров и т.п.The invention relates to measuring equipment, in particular, to devices that convert light information into electrical information, and can be used as a coordinate-sensitive sensor for measuring the position of a single light spot in devices designed to determine the coordinates of various objects, control the displacement of objects in space, measuring their size, etc.
В настоящее время в бесконтактных методах измерения положения объектов широко используются приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодные матрицы и другие приборы с пиксельной структурой, позволяющие определять координаты сигналов с высокой точностью и достаточным быстродействием. Однако использование накопления заряда в таких датчиках не позволяет работать в присутствии мощных фоновых засветок, а пиксельная структура ограничивает их разрешающую способность.Currently, non-contact methods for measuring the position of objects are widely used charge-coupled devices (CCDs), photodiode arrays and other devices with a pixel structure, which allow to determine the coordinates of signals with high accuracy and sufficient speed. However, the use of charge accumulation in such sensors does not allow working in the presence of powerful background flares, and the pixel structure limits their resolution.
Максимальной разрешающей способностью (до 10-5 от поля зрения) обладают аналоговые координатно-чувствительные фотоприемники интегрального типа.The maximum resolving power (up to 10 -5 from the field of view) is possessed by analog coordinate-sensitive photodetectors of integral type.
Известен координатно-чувствительный детектор интегрального типа Сканистор [К.Ф.Берковская, Н.В.Кириллова, Л.М.Кулиманина, Б.Г.Подласкин «Многострочный фотоприемник - сканистор с параллельно-последовательным опросом», Микроэлектроника, т.4, вып.4, с.291-298 (1975)], состоящий из базовой области монокристаллического кремния n+-типа, на которой сформированы фоточувствительная n+-область, образующая диод, и резистивный n+-cлой, позволяющий обеспечить линейное распределение потенциала по поверхности p-n перехода. Разрешающая способность этого датчика составляет величину ≤5 мкм. В отличие от ПЗС структур этот датчик обеспечивает непрерывность поля регистрации оптического сигнала, однако сплошная неразделенная на дискретные диоды структура Сканистора обуславливает большую площадь p-n перехода и, тем самым, большое значение его выходной емкости и высокое значение темнового тока, что существенно снижает значения таких важных параметров, как точность определения координаты (более 50 мкм) и быстродействие (10-3 с).The known coordinate-sensitive detector of integral type Scanistor [K.F. Berkovskaya, N.V. Kirillova, L.M. Kulimanina, B.G. Podlaskin "Multiline photodetector - scanner with parallel-serial polling", Microelectronics, v.4, 4, pp. 291-298 (1975)], consisting of the base region of n + -type single-crystal silicon, on which a photosensitive n + -region is formed, forming a diode, and a resistive n + -layer, which allows linear potential distribution over surface pn junction. The resolution of this sensor is ≤5 μm. Unlike CCD structures, this sensor ensures the continuity of the optical signal recording field, however, the continuous Scanistor structure, which is not divided into discrete diodes, causes a large pn junction area and, therefore, a large value of its output capacitance and a high dark current, which significantly reduces the values of such important parameters as the accuracy of determining the coordinate (more than 50 microns) and speed (10 -3 s).
Известен многоэлементный координатно-чувствительный датчик интегрального типа Мультискан, который также обеспечивает непрерывность поля регистрации оптического сигнала [Б.Г.Подласкин, Е.Г.Гук. «Позиционно-чувствительный фотодетектор - мультискан». Измерительная техника, №8, с.31-34 (2005)], взятый в качестве прототипа, представляющий собой кремниевую с диэлектрической изоляцией структуру (КСДИ), состоящую из общей подложки, на которой сформированы изолированные друг от друга и от подложки первая и вторая базовые фоточувствительные n-области из монокристаллического кремния n-типа (карманы) глубиной Q=15 мкм, длиной L=20 мм и шириной F, равной 230 мкм. В каждой из базовых фоточувствительных n-областей вдоль линии раздела карманов и симметрично относительно нее сформированы ячейки из встречно включенных дискретных р+n диодов с диаметром диода 10 мкм, с шагом h=30 мкм, расстоянием от центра диода до линии раздела N=40 мкм. Каждые два диода, расположенных напротив друг друга (симметрично) в двух карманах, соединены между собой перемычками, расположенными над линией раздела двух базовых фоточувствительных n-областей и имеющими ширину 20 мкм и длину 120 мкм. Эти перемычки обеспечивают встречное включение пары диодов. Вдоль внешних краев базовых фоточувствительных n-областей на расстоянии F=230 мкм от линии раздела и симметрично относительно нее созданы первый и второй резистивные n+-слои шириной 100 мкм и длиной, превышающей суммарную длину всех ячеек (длину всей цепочки дискретных диодов). Т.о. каждая элементарная ячейка Мультискана содержит два встречно включенных диода, эта элементарная ячейка повторяется по длине Мультискана с шагом h=30 мкм, образуя набор встречно включенных диодов, расположенных в двух изолированных базовых фоточувствительных n-областях на равных расстояниях от их линии раздела. Диоды, сформированные в первой базовой фоточувствительной n+-области, соединены через эту базовую область с первым резистивным n-слоем, а диоды, сформированные во второй базовой фоточувствительной n-области, соединены через эту базовую область со вторым резистивным n+-слоем.Known multi-element coordinate-sensitive sensor of the integral type Multiscan, which also ensures the continuity of the field of registration of the optical signal [B. G. Podlaskin, E. G. Guk. "Position-Sensitive Photo Detector - Multiscan." Measuring equipment, No. 8, p.31-34 (2005)], taken as a prototype, which is a silicon structure with dielectric insulation (KSDI), consisting of a common substrate, on which the first and second are isolated from each other and from the substrate basic photosensitive n-regions of n-type single crystal silicon (pockets) with a depth of Q = 15 μm, a length of L = 20 mm and a width F of 230 μm. In each of the basic photosensitive n-regions along the pockets dividing line and symmetrically relative to it, cells are formed from counter-switched discrete p + n diodes with a diode diameter of 10 μm, with a step of h = 30 μm, a distance from the center of the diode to the dividing line N = 40 μm . Each two diodes located opposite each other (symmetrically) in two pockets are connected by jumpers located above the dividing line of two basic photosensitive n-regions and having a width of 20 μm and a length of 120 μm. These jumpers provide a counter inclusion of a pair of diodes. Along the outer edges of the base photosensitive n-regions at a distance of F = 230 μm from the interface and symmetrically with respect to it, the first and second resistive n + layers are created with a width of 100 μm and a length exceeding the total length of all cells (the length of the entire chain of discrete diodes). T.O. each unit cell of the Multiscan contains two counter-enabled diodes, this unit cell is repeated along the length of the Multi-scan with a step h = 30 μm, forming a set of counter-enabled diodes located in two isolated base photosensitive n-regions at equal distances from their dividing line. Diodes formed in the first base photosensitive n + region are connected through this base region to the first resistive n-layer, and diodes formed in the second base photosensitive n + region are connected through this base region to the second resistive n + layers.
Описанный датчик Мультискан имеет следующие характеристики:The described Multiscan sensor has the following characteristics:
- точность определения координаты, мкм, -<5;- the accuracy of determining the coordinates, microns, - <5;
- координатное разрешение, мкм, - 0.2;- coordinate resolution, microns, - 0.2;
- темновой ток, A, (U=10 В), - (10-8÷10-11);- dark current, A, (U = 10 V), - (10 -8 ÷ 10 -11 );
- быстродействие (минимальное время определения- speed (minimum determination time
координаты при мощности светового сигнала,coordinates at the power of the light signal,
падающего на фоточувствительную поверхностьfalling on a photosensitive surface
датчика W=3-10-5 Вт), с, - 10-5.sensor W = 3-10 -5 W), s, - 10 -5 .
Точность определения координаты <5 мкм определена при наличии учета систематической ошибки за счет нелинейности распределения резистивного делителя.The accuracy of determining the coordinate <5 μm is determined if systematic error is taken into account due to the nonlinearity of the distribution of the resistive divider.
Мультискан обладает высокой точностью (<5 мкм) и рекордной для координатно-чувствительных датчиков разрешающей способностью - до 0,2 мкм на фоточувствительном интервале от 5 до 20 мм, т.е. 10-5 от поля зрения. Широкий динамический диапазон датчика позволяет работать в условиях фоновой засветки, превышающей мощность полезного сигнала на несколько порядков. Формирование координатного отсчета в датчике производится за счет перезарядки выходной емкости с помощью фототока, генерируемого под действием оптического сигнала. Скорость формирования этого отсчета зависит от величины суммарной емкости p-n переходов Мультискана и величины фототока, которая определяется эффективностью генерации и собирания неосновных носителей заряда (ННЗ) на фоточувствительной площади датчика при заданной мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность Мультискана. Так, минимальное время определения координаты сигнала на Мультискане при мощности светового сигнала на фоточувствительной поверхности датчика W=3·10-5 Вт равно 10-5 с. Мощность W=3·10-5 Вт, при которой производится измерение быстродействия, соответствует освещению Мультискана прямым солнечным светом в наземных условиях АМ1.5 через щель шириной 0.1 мм.The multiscan has high accuracy (<5 μm) and a record resolution for coordinate-sensitive sensors - up to 0.2 μm in the photosensitive range from 5 to 20 mm, i.e. 10 -5 from the field of view. The wide dynamic range of the sensor allows you to work in conditions of background illumination exceeding the power of the useful signal by several orders of magnitude. The coordinate reading in the sensor is generated by recharging the output capacitance using the photocurrent generated by the optical signal. The speed of formation of this reference depends on the total capacitance pn of the Multiscan junctions and the magnitude of the photocurrent, which is determined by the efficiency of generation and collection of minority charge carriers (NEC) on the photosensitive area of the sensor for a given light power incident on the photosensitive surface of the Multiscan. So, the minimum time to determine the coordinate of the signal on the Multiscan with the power of the light signal on the photosensitive surface of the sensor W = 3 · 10 -5 W is 10 -5 s. The power W = 3 · 10 -5 W, at which the performance is measured, corresponds to the Multiscan illumination with direct sunlight in ground conditions AM1.5 through a slit 0.1 mm wide.
Однако в большинстве измерительных систем, использующих для определения координат объекта как прямой, так и отраженный оптические сигналы, мощность света, попадающего на датчик, меньше на 2-3 порядка, что, соответственно, снижает быстродействие до (10-2÷10-3)c.However, in most measuring systems that use both direct and reflected optical signals to determine the coordinates of an object, the power of the light incident on the sensor is less by 2–3 orders of magnitude, which, accordingly, reduces the speed to (10 –2–10 –3 ) c.
В результате в реальных условиях быстродействие Мультискана позволяет определять в следящем режиме координаты сигналов, перемещающихся по поверхности датчика со скоростью не выше (2-20) м/с, в то время как, например, контроль толщины проката в современных прокатных станах требует регистрации сигнала, перемещающегося со скоростью (30÷70) м/с.As a result, under real conditions, the performance of the Multiscan allows you to determine in a follow-up mode the coordinates of signals moving along the surface of the sensor at a speed of no higher than (2-20) m / s, while, for example, controlling the thickness of rolled products in modern rolling mills requires signal registration, moving at a speed of (30 ÷ 70) m / s.
В связи с этим актуальной задачей является повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан, что позволит расширить область его применения.In this regard, an urgent task is to increase the speed of the coordinate-sensitive sensor Multiscan, which will expand the scope of its application.
Задачей, для решения которой создано заявляемое изобретение, является повышение быстродействия многоэлементного координатно-чувствительного датчика Мультискан при сохранении разрешающей способности и точности датчика.The task to which the invention is created is to increase the speed of a multi-element coordinate-sensitive sensor Multiscan while maintaining the resolution and accuracy of the sensor.
Задача решается координатно-чувствительным датчиком Мультискан, представляющим собой кремниевую с диэлектрической изоляцией структуру, состоящую из общей кремниевой подложки, на которой расположены имеющие линию раздела изолированные друг от друга и от подложки первая и вторая базовые фоточувствительные n-области из монокристаллического кремния n-типа глубиной Q=15 мкм, длиной 1=20 мм и шириной F=(430÷510) мкм каждая, в которых вдоль линии их раздела и симметрично относительно нее последовательно расположен набор ячеек с расстоянием между ними вдоль линии раздела h=30 мкм, каждая из которых состоит из четырех пар встречно включенных дискретных р+n диодов диаметром d=10 мкм, расположенных с шагом h=30 мкм вдоль линии раздела, центр каждого диода первой и третьей пары расположен на расстоянии N1=N3=2.5Ld от упомянутой линии раздела, центр каждого диода второй пары расположен на расстоянии N2=0.8Ld от линии раздела, центр каждого диода четвертой пары расположен на расстоянии N4=4.2Ld от линии раздела, где Ld - диффузионная длина неосновных носителей заряда в базовой фоточувствительной n-области, диоды, симметрично расположенные в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях, соединены между собой перемычками, размещенными над линией раздела, имеющими ширину 1.5d каждая и длину соответственно для первых и третьих пар диодов - P1=(2N1+20) мкм и P3=(2N3+20) мкм, для вторых пар диодов -Р2=(2N2+20)мкм, для четвертых пар диодов - Р4=(2N4+20) мкм, а на расстоянии F от линии раздела симметрично относительно нее расположены первый и второй резистивные n+-слои шириной 100 мкм каждый и длиной, превышающей суммарную длину всего ряда дискретных диодов, причем диоды, расположенные в первой базовой области, соединяются с первым резистивным n+-слоем, а диоды, расположенные во второй базовой области, соединяются со вторым резистивным n+-слоем.The problem is solved by the multiscan coordinate-sensitive sensor, which is a silicon with dielectric insulation structure consisting of a common silicon substrate, on which are located the first and second basic photosensitive n-regions made of single-crystal silicon n-type with an interface separated from each other and from the substrate Q = 15 μm,
Решение задачи достигается выявленной авторами совокупностью существенных признаков, обеспечивающих изменение топологии датчика (сочетание ширины базовой фоточувствительной n-области и расположения на ней диодов), что позволяет существенно увеличить число неосновных носителей заряда, генерируемых под действием оптического сигнала, и обеспечить их эффективное собирание, что приводит к резкому росту фототока и, тем самым, к повышению быстродействия определения положения светового пятна.The solution to the problem is achieved by the combination of essential features identified by the authors that provides a change in the sensor topology (a combination of the width of the base photosensitive n-region and the location of the diodes on it), which can significantly increase the number of minority charge carriers generated by the optical signal and ensure their efficient collection, which leads to a sharp increase in the photocurrent and, thereby, to increase the speed of determining the position of the light spot.
Возможность обеспечения эффективного собирания неосновных носителей заряда основана на модификации топологии координатно-чувствительного датчика. Топология Мультискана, приведенная в прототипе, не обеспечивает максимального значения фототока вследствие недостаточной ширины фоточувствительной области датчика F и отсутствия согласования между расстоянием N диодов до линии раздела базовых фоточувствительных областей и диффузионной длиной неосновных носителей заряда (ННЗ) в базовых областях.The ability to ensure efficient collection of minority charge carriers is based on a modification of the topology of a coordinate-sensitive sensor. The multiscan topology shown in the prototype does not provide the maximum photocurrent due to the insufficient width of the photosensitive region of the sensor F and the lack of coordination between the distance N of diodes to the dividing line of the basic photosensitive regions and the diffusion length of minority charge carriers (NCD) in the base regions.
Новым является изменение ширины фоточувствительной области Мультискана до значений (430÷510) мкм. Так как величина фототока IF растет с увеличением площади фоточувствительной области Мультискана, на которую попадает оптический сигнал, увеличение ширины фоточувствительной области датчика F приводит к увеличению фототока. Однако верхний предел ширины фоточувствительной области датчика F ограничивается допустимой величиной отношения фототока IF к току IR, протекающему через первый резистивный n+-слой. Это обусловлено тем, что ток IR, протекающий через первый резистивный n+-слой и определяющий распределение потенциалов вдоль длины базовой фотоприемной n-области, включает в себя фототек IF. Поэтому точность определения координаты оптического сигнала определяется величиной отношения фототока IF к току IR. Для сохранения точности определения координаты оптического сигнала не более 5 мкм (что составляет 10-4 от длины базовой фотоприемной n-области) величина фототока IF, вносящего искажения в величину тока IR, должна быть на четыре порядка ниже тока IR. Исследование зависимости величины фототока, возникающего на Мультискане в условиях солнечного освещения АМ1,5, показывает, что ширина F фоточувствительной области может быть увеличена до 510 мкм. При F<430 мкм не обеспечиваются достаточная генерация неосновных носителей заряда (ННЗ) и возможность изменения в размещении диодов в фоточувствительной области.New is the change in the width of the photosensitive region of the Multiscan to values (430 ÷ 510) μm. Since the magnitude of the photocurrent I F increases with the increase in the area of the photosensitive region of the Multiscan to which the optical signal falls, an increase in the width of the photosensitive region of the sensor F leads to an increase in the photocurrent. However, the upper limit of the width of the photosensitive region of the sensor F is limited by the permissible ratio of the photocurrent I F to the current I R flowing through the first resistive n + layer. This is due to the fact that the current I R flowing through the first resistive n + layer and determining the potential distribution along the length of the base photodetector n-region includes the photo library I F. Therefore, the accuracy of determining the coordinates of the optical signal is determined by the ratio of the photocurrent I F to the current I R. To maintain the accuracy of determining the coordinate of the optical signal of not more than 5 μm (which is 10 -4 of the length of the base photodetector n-region), the value of the photocurrent I F , introducing distortions into the current I R , should be four orders of magnitude lower than the current I R. The study of the dependence of the magnitude of the photocurrent arising on the Multiscan under conditions of sunlight AM1.5 shows that the width F of the photosensitive region can be increased to 510 μm. At F <430 μm, sufficient generation of minority charge carriers (NEC) and the possibility of a change in the placement of diodes in the photosensitive region are not ensured.
Новым является большее количество диодов в ячейке (при сохранении общего числа диодов в составе Мультискана) и размещение их на разных расстояниях от линии раздела базовых фоточувствительных областей.New is the larger number of diodes in the cell (while maintaining the total number of diodes in the Multiscan) and placing them at different distances from the dividing line of the base photosensitive regions.
Известно, что изменение концентрации генерированных под действием оптического сигнала ННЗ, за счет их рекомбинации при диффузии в базе фотодиода, характеризуется величиной диффузионной длины ННЗ [В.В.Горбачев и Л.Г.Спицина. «Физика полупроводников и металлов». М.: Металлургия, 1982, 336 с.]. Топология Мультискана предусматривает расположение всех диодов в каждой базовой области на одинаковом расстоянии от линии раздела областей и вблизи от нее. В этом случае зоны светочувствительной области, лежащие вблизи резистивных n+-слоев, находятся от диодов на расстоянии, равном S=F-N=230-40=190 мкм, что существенно превышает величину Ld, т.е. расстояние, на котором концентрация ННЗ, генерированных под действием света, уменьшается в е раз (величина Ld, характерная для n-кремния, используемого при изготовлении Мультискана, составляет 100 мкм). Т.о. концентрация ННЗ, дошедших до диода из этих зон, значительно снижена по сравнению с условиями S≤ Ld, и в результате эффективность собирания в этих зонах также значительно снижена по сравнению с теоретически возможной. Величина фототока Ir=6·10-6А, полученная при мощности освещения на поверхности Мультискана W=3÷10-5 Вт в случае прототипа, свидетельствует об отсутствии максимально возможного собирания ННЗ на фотоприемнике Мультискан.It is known that a change in the concentration of NNZ generated by the optical signal due to their recombination during diffusion in the base of the photodiode is characterized by the diffusion length of the NNZ [V.V. Gorbachev and L.G. Spitsina. "Physics of semiconductors and metals." M.: Metallurgy, 1982, 336 p.]. The multiscan topology provides for the location of all diodes in each base region at the same distance from and near the dividing line of the regions. In this case, the zones of the photosensitive region lying near the resistive n + layers are located from the diodes at a distance equal to S = FN = 230-40 = 190 μm, which significantly exceeds the value of L d , i.e. the distance at which the concentration of NNC generated by light decreases by a factor of e (the value of L d characteristic of n-silicon used in the manufacture of Multiscan is 100 μm). T.O. the concentration of NDZs that reached the diode from these zones is significantly reduced in comparison with the conditions S ≤ L d , and as a result, the collection efficiency in these zones is also significantly reduced compared to theoretically possible. The magnitude of the photocurrent I r = 6 · 10 -6 A, obtained with the lighting power on the surface of the Multiscan W = 3 ÷ 10 -5 W in the case of the prototype, indicates the absence of the maximum possible collection of low-voltage sensors on the Multiscan photodetector.
Как установили авторы, топология Мультискана должна предусматривать такое расположение диодов (при таком же общем количестве диодов как в прототипе), при котором все участки фоточувствительной области находятся на расстоянии от ближайшего диода, меньшем или равном диффузионной длине ННЗ, при увеличенной ширине фоточувствительной области, равной (430÷510)мкм. На основании проведенных исследований авторы определили, что такое требование удовлетворяется в случае расположения диодов, входящих в каждые четыре пары и образующих одну ячейку, последовательно повторяемую по длине Мультискана, на различных, специально установленных расстояниях N1, N2, N3 и N4 (так, что N1=N3 и N4=2N1-N2=2N3-N2) от линии раздела базовых фоточувствительных n-областей. Так как расстояние N4=2N1-N2, расстояния от линии расположения диодов из первой пары до линий расположения диодов из второй и четвертой пары одинаковы и равны Т:As the authors found, the topology of the Multiscan should provide for such an arrangement of diodes (with the same total number of diodes as in the prototype), in which all sections of the photosensitive region are located at a distance from the nearest diode that is less than or equal to the diffusion length of the CCD, with an increased width of the photosensitive region equal to (430 ÷ 510) microns. Based on the studies, the authors determined that this requirement is satisfied in the case of the location of the diodes included in every four pairs and forming one cell, sequentially repeated along the length of the Multiscan, at various, specially established distances N 1 , N 2 , N 3 and N 4 ( so that N 1 = N 3 and N 4 = 2N 1 -N 2 = 2N 3 -N 2 ) from the dividing line of the base photosensitive n-regions. Since the distance N 4 = 2N 1 -N 2 , the distances from the diode arrangement line from the first pair to the diode arrangement lines of the second and fourth pair are the same and equal to T:
Для удовлетворения требования, чтобы все участки светочувствительной площади находились на расстоянии от ближайшего диода, меньшем или равном диффузионной длине ННЗ, все параметры (F, h, N1, N2, N3, N4 и Т) удобно выразить через диффузионную длину: F=(0.43÷0.51)Ld, h=0.3Ld, T=k·Ld, что позволит определить величину к, а следовательно, и расстояния Т, N1, N2, N3, N4, обеспечивающие максимальное значение эффективности собирания ННЗ, генерированных под действием света на фоточувствительной базовой области модифицированного Мультискана. Проведенные исследования установили, что резкое увеличение собирания ННЗ происходит при k=1.7, т.е. при T=1.7Ld.To satisfy the requirement that all sections of the photosensitive area are located at a distance from the nearest diode, less than or equal to the diffusion length of the low voltage, all parameters (F, h, N 1 , N 2 , N 3 , N 4 and T) are conveniently expressed through the diffusion length: F = (0.43 ÷ 0.51) L d , h = 0.3L d , T = k · L d , which allows us to determine the value of k, and therefore the distances T, N 1 , N 2 , N 3 , N 4 , providing the maximum the value of the efficiency of collecting NNZ generated by the action of light on the photosensitive base region of the modified Multiscan. Studies have shown that a sharp increase in the collection of NNZ occurs at k = 1.7, i.e. at T = 1.7L d .
Т.о. для достижения поставленной цели необходимо обеспечить модифицированную топологию Мультискана со следующими параметрами: ширина базовой фоточувствительной n-области F=(430÷510)мкм, расстояние между ячейками, каждая из которых состоит из четырех пар встречно-включенных дискретных р+n диодов диаметром d=10 мкм, расположенных с шагом h вдоль линии раздела, равно h=30 мкм, расстояние от линии раздела светочувствительных областей до первой пары и третьей пары диодов ячейки N1=N3=2.5-Ld, расстояние от упомянутой линии раздела до второй пары диодов ячейки N2=0.8Ld, расстояние от упомянутой линии раздела до четвертой пары диодов ячейки N4=4.2Ld; длина перемычек, соединяющих между собой диоды первой пары и диоды третьей пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях, P1=P3=(2N1+20) мкм = (5Ld+20)мкм, длина перемычки, соединяющей диоды второй пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовых фоточувствительных n-областях Р2=(2N2+20) мкм = (1.6Ld+20)мкм, длина перемычки, соединяющей диоды четвертой пары, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях, P4=2N4+20=(8.4Ld+20) мкм, расстояние от линии раздела до первого и второго резистивных n+-слоев шириной 100 мкм и длиной, соответствующей длине всего ряда дискретных диодов (набора ячеек), F=(430÷510) мкм.T.O. To achieve this goal, it is necessary to provide a modified Multiscan topology with the following parameters: the width of the base photosensitive n-region F = (430 ÷ 510) μm, the distance between cells, each of which consists of four pairs of counter-switched discrete p + n diodes with diameter d = 10 μm, located in increments of h along the interface, is h = 30 μm, the distance from the interface of the photosensitive regions to the first pair and the third pair of cell diodes is N 1 = N 3 = 2.5-L d , the distance from the mentioned interface to the second pair diode cell ki N 2 = 0.8L d, the distance from said partition line to the fourth pair of diodes 4 N cell = 4.2L d; the length of the jumpers connecting the diodes of the first pair and the diodes of the third pair, located opposite each other in the first and second basic photosensitive n-regions, P 1 = P 3 = (2N 1 +20) μm = (5L d +20) μm, the length of the jumper connecting the diodes of the second pair, located opposite each other in the first and second basic photosensitive n-regions P 2 = (2N 2 +20) μm = (1.6L d +20) μm, the length of the jumper connecting the diodes of the fourth pair, located opposite each other in the first and second n-base photosensitive areas, P = 2N 4 + 4 20 = (8.4L d +20) mm, the distance from the line ECTION to the first and second resistive n + -layers 100 microns width and length corresponding to the length of the total number of discrete diodes (cell set), F = (430 ÷ 510) microns.
На Фиг.1 схематически представлена топология модифицированного Мультискана (вид сверху), где:Figure 1 schematically shows the topology of the modified Multiscan (top view), where:
1 - кремниевая подложка;1 - silicon substrate;
2 - первая и вторая базовые фоточувствительные n-области;2 - the first and second basic photosensitive n-regions;
3 - линия раздела базовых фоточувствительных n-областей;3 - dividing line of the base photosensitive n-regions;
4 - ячейки;4 - cells;
5 - диоды первой пары;5 - diodes of the first pair;
6 - диоды третьей пары;6 - diodes of the third pair;
7 - диоды второй пары;7 - diodes of the second pair;
8 - диоды четвертой пары;8 - diodes of the fourth pair;
9 - перемычки;9 - jumpers;
10 - первый резистивный n+-слой;10 - the first resistive n + layer;
11 - второй резистивный n+-слой.11 - the second resistive n + layer.
На Фиг.2 схематически показана структура ячейки с диодами (вид сверху), где:Figure 2 schematically shows the structure of the cell with diodes (top view), where:
3 - линия раздела базовых фоточувствительных n-областей;3 - dividing line of the base photosensitive n-regions;
4 - ячейка;4 - cell;
5 - диоды первой пары;5 - diodes of the first pair;
6 - диоды третьей пары;6 - diodes of the third pair;
7 - диоды второй пары;7 - diodes of the second pair;
8 - диоды четвертой пары;8 - diodes of the fourth pair;
9 - перемычки.9 - jumpers.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
При приложении к первому резистивнму n+-слою 10 постоянного напряжения пары встречно включенных диодов (5, 6, 7, 8) оказываются под воздействием линейно распределенного напряжения. При воздействии оптического сигнала на первую и вторую базовые фотоприемные n-области 2 Мультискана возникает фототок, направление и величина которого соответствует вольт-амперной характеристике прибора, имеющей положительную и отрицательную области насыщения и переходную зону. Фототок за счет заряда общей емкости датчика за время, соответствующее быстродействию датчика, изменяет потенциал второго резистивного n+-слоя 11 так, что положение нулевой эквипотенциали смещается в центр светового пятна, где фототоки слева и справа от энергетического центра сигнала равны между собой, а результирующий фототок равен нулю. Таким образом, возникающее на втором резистивном n+-слое 11 напряжение U0, при котором полный суммарный ток сигнала на выходе Мультискана устанавливается равным нулю, соответствует координате центра оптического сигнала. Это напряжение с датчика через эмиттерный повторитель устройства для определении положения светового пятна, частью которого является Мультискан, выводится на регистрирующее устройство.When a constant voltage is applied to the first resistive n + layer 10, the pairs of on-board diodes (5, 6, 7, 8) are affected by a linearly distributed voltage. When an optical signal is applied to the first and second basic photodetector n-regions of Multiscan 2, a photocurrent appears, the direction and magnitude of which corresponds to the current-voltage characteristic of the device, which has a positive and negative saturation region and a transition zone. The photocurrent due to the charge of the total capacitance of the sensor during the time corresponding to the speed of the sensor changes the potential of the second resistive n + layer 11 so that the position of the zero equipotential is shifted to the center of the light spot, where the photocurrents to the left and right of the energy center of the signal are equal to each other, and the resulting photocurrent is zero. Thus, the voltage U 0 occurring at the second resistive n + layer 11, at which the total total current of the signal at the output of the Multiscan is set to zero, corresponds to the coordinate of the center of the optical signal. This voltage from the sensor through the emitter repeater of the device for determining the position of the light spot, of which the Multiscan is a part, is output to the recording device.
ПРИМЕР 1.EXAMPLE 1
Для подтверждения возможности повышения быстродействия был создан модифицированный Мультискан со следующими параметрами:To confirm the possibility of improving performance, a modified Multiscan was created with the following parameters:
Ld=100 мкм; ширина каждой базовой фоточувствительной n-области 2 F=480 мкм; длина каждой базовой фоточувствительной n-области 2 L=20 мм; шаг (расстояние) h между ячейками 4, каждая из которых состоит из четырех пар встречно-включенных дискретных p+n диодов, расположенных с шагом h вдоль линии раздела, h=30 мкм; диаметр каждого из диодов d=10 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до первой пары 5 и третьей пары 6 диодов ячейки 4 (до их центров) N1=N3=2.5·Ld=250 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до второй пары диодов 7 ячейки 4 N2=0.8·Ld=80 мкм; расстояние от линии раздела 3 светочувствительных областей 2 до четвертой пары диодов 8 ячейки 4 N4=4.2Ld=420 мкм; ширина перемычек 9, соединяющих пары диодов, расположенных напротив друг друга 1.5d=15 мкм; длина перемычки 9, соединяющей между собой соответственно первые и третьи диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях, P1=(2N1+20) мкм = (5Ld+20) мкм=520 мкм; длина перемычки, соединяющей вторые диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях P2=(2N2+20) мкм = (1.6Ld+20) мкм = 180 мкм; длина перемычки, соединяющей четвертые диоды, расположенные напротив друг друга в первой и второй базовой фоточувствительной n-областях 2, P4=(2N4+20) мкм = (8.4Ld+20) мкм = 860 мкм; расстояние от линии раздела 3 до первого 10 и второго 11 резистивных n+-слоев F=480 мкм; ширина резистивных n+-слоев 10 и 11 равна 100 мкм, длина каждого из резистивных n+-слоев равна 20 мм.L d = 100 μm; the width of each base photosensitive n-region 2 F = 480 μm; the length of each base photosensitive n-region 2 L = 20 mm; step (distance) h between
Была определена величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3-10-5 Вт и Ld=100 мкм для прототипа - IF=0,6·10-5A.The value of the photocurrent was determined with the power of light incident on the photosensitive surface of the sensor equal to W = 3-10 -5 W and L d = 100 μm for the prototype — I F = 0.6 · 10 -5 A.
Для заявляемого изобретения с приведенными выше параметрами при тех же условиях величина фототока IF=1.8·10-5A.For the claimed invention with the above parameters under the same conditions, the photocurrent value I F = 1.8 · 10 -5 A.
Т.е. эффективность генерации и собирания ННЗ на Мультискане увеличилась в 3 раза.Those. The efficiency of generation and collection of NNZ on Multiskan increased by 3 times.
Было измерено быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3-10-5 Вт по фронту нарастания выходного напряжения прибора при импульсном оптическом сигнале. Оно составило величину 3.3·10-6 с.The performance of the Multiscan was measured as the minimum time for determining the coordinates of the optical signal at W = 3-10 -5 W from the front of the rise in the output voltage of the device with a pulsed optical signal. It amounted to 3.3 · 10 -6 s.
Созданный Мультискан имеет следующие характеристики:The created Multiscan has the following characteristics:
Т.о. осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 3 раза при сохранении остальных характеристик датчика (разрешающей способности и точности), свойственных прототипу.T.O. 3-fold increase in the speed of the coordinate-sensitive sensor Multiscan was carried out while maintaining the remaining characteristics of the sensor (resolution and accuracy), characteristic of the prototype.
Пример 2.Example 2
То же, что в примере 1, но F=430 мкм.The same as in example 1, but F = 430 microns.
Величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3·10-5 Вт, и Ld=100 мкм получилась равной IF=1.6·10-5 А.The magnitude of the photocurrent at the power of light incident on the photosensitive surface of the sensor, equal to W = 3 · 10 -5 W, and L d = 100 μm, turned out to be equal to I F = 1.6 · 10 -5 A.
Быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3·10-5 Вт составило величину 2.9·10-6 с.The performance of the Multiscan as the minimum time for determining the coordinates of the optical signal at W = 3 · 10 -5 W was 2.9 · 10 -6 s.
Осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 2.6 раза.The performance of the coordinate-sensitive sensor Multiscan was increased by 2.6 times.
Пример 3.Example 3
То же, что в примере 1, но F=510 мкм.The same as in example 1, but F = 510 μm.
Величина фототока при мощности света, падающего на фоточувствительную поверхность датчика, равной W=3·10-5 Вт, и Ld=100 мкм получена равной IF.=1.9·10-5 А.The magnitude of the photocurrent at the power of light incident on the photosensitive surface of the sensor, equal to W = 3 · 10 -5 W, and L d = 100 μm, is obtained equal to I F. = 1.9 · 10 -5 A.
Быстродействие Мультискана как минимальное время определения координаты оптического сигнала при W=3·10-5 Вт составило величину 3.2·10-6 с.The performance of the Multiscan as the minimum time for determining the coordinates of the optical signal at W = 3 · 10 -5 W was 3.2 · 10 -6 s.
Осуществлено повышение быстродействия координатно-чувствительного датчика Мультискан в 3.2 раза.The performance of the coordinate-sensitive sensor Multiscan was increased by 3.2 times.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009135382/28A RU2399117C1 (en) | 2009-09-22 | 2009-09-22 | Coordinate-sensitive sensor multiscan |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009135382/28A RU2399117C1 (en) | 2009-09-22 | 2009-09-22 | Coordinate-sensitive sensor multiscan |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2399117C1 true RU2399117C1 (en) | 2010-09-10 |
Family
ID=42800637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009135382/28A RU2399117C1 (en) | 2009-09-22 | 2009-09-22 | Coordinate-sensitive sensor multiscan |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399117C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591302C1 (en) * | 2015-05-26 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Device for determining position of object |
-
2009
- 2009-09-22 RU RU2009135382/28A patent/RU2399117C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591302C1 (en) * | 2015-05-26 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Device for determining position of object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5399880A (en) | Phototransistor with quantum well base structure | |
| JP4786924B2 (en) | Photonic mixer device | |
| US11587960B2 (en) | Photodetector | |
| CN103155150A (en) | Range sensor and range image sensor | |
| US5187380A (en) | Low capacitance X-ray radiation detector | |
| JP2022529184A (en) | UTBB Photodetector Pixel Units, Arrays and Methods | |
| US8884394B2 (en) | Range sensor and range image sensor | |
| US20140159180A1 (en) | Semiconductor resistor structure and semiconductor photomultiplier device | |
| US3812518A (en) | Photodiode with patterned structure | |
| US9142579B2 (en) | Photoelectric conversion cell and array, reset circuit and electrical signal sense control circuit therefor | |
| RU2399117C1 (en) | Coordinate-sensitive sensor multiscan | |
| US8482092B2 (en) | Silicon photomultiplier and method for fabricating the same | |
| JP5843527B2 (en) | Photoelectric conversion device | |
| KR101627198B1 (en) | Solar cell measuring apparatus | |
| US11152528B2 (en) | Non-contiguous layouts for photosensitive apparatus | |
| Isaak et al. | Design and characterisation of 16× 1 parallel outputs SPAD array in 0.18 um CMOS technology | |
| US4282541A (en) | Planar P-I-N photodetectors | |
| JP3107585B2 (en) | Two-dimensional light incident position detection element | |
| CN103178134B (en) | For the photovoltaic devices that the phase sensitive of light signal detects | |
| US11107938B2 (en) | Photodiode | |
| KR20180137245A (en) | Lock-in pixel biased with fixed voltage and control method for the same | |
| RU2501116C1 (en) | Method of measuring diffusion length of minority charge carriers in semiconductors and test structure for implementation thereof | |
| Metzler et al. | Ultrathin, two-dimensional, multi-element Si pin photodiode array for multipurpose applications | |
| JPS62123784A (en) | Semiconductor photodetector | |
| RU121960U1 (en) | COORDINATE-SENSITIVE PHOTO RECEIVER WITH COMBINED PHOTO EFFECT |