SE442152B - Forfarande for jemforelse av en forsta optisk signal med minst en annan signal - Google Patents

Description

8f10~6927r 0 tingen adresseras till diskreta bildpunkter eller operera parallellt över bilden eller delar av den.

De angivna fördelarna uppnås genom att uppfinningen får den utform- ning som framgår av de efterföljande patentkraven.

Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas under hänvis- ning till bifogade ritningar där fig 1 fig 2 fig 3 fig 4 fig 5 fig 6 fig 7 fig 8 fig 9 fig 10 fig 11 fig 12 visar ett tvärsnitt av en MIS-struktur enligt uppfinningen visar energibandmodellen för en struktur enligt fig 1 belyst med choppat ljus visar strukturen i fig 1 och 2 kopplad till ett mätinstrument visar en oscilloskopbild från en anordning enligt fig 1-3 visar strukturen belyst med såväl choppat ljus som konstant ljus visar experimentella data av den elektriska signalen U som funk- tion av en yttre pålagd spänning V0 vid belysning med en choppad ljuskälla av intensiteten Ü1 visar experimentella data över hur den elektriska signalen U från MIS-strukturen kan styras med ytterligare en ljuskälla med konstant intensitet G2 visar experimentella data över den elektriska signalen U som funktion av den choppade ljuskällan med intensiteten ø1, med intensiteten øz hos den konstanta ljuskällan som paranæter visar en skiva i form av en MIS-struktur enligt fig 1 sedd från den sida, där ledaren3 är pålagd, belyst i en punkt av choppat ljus med intensiteten G1 och i en annan punkt av konstant ljus med intensiteten 02 visar den elektriska signalen U som funktion av förflyttningen hos ljusfläcken med intensiteten ø2i.fig 9 visar hur olika bildpunkter i en opto-elektrisk processor kan adresseras visar hur en bildpunkt i en färgkänslig optisk processor kan utformas. en Tv--vv .Frwvr ' '~- rusfá. Ä L: 4 3106927-0 2. Grundstruktur Anordningen innehåller (fig 1) en MIS-struktur bestående av en halv- ledare 1 med ett tunt isolatorskikt 2, på vilket ett tunt elektriskt ledande skikt 3 anbringas. Energibandmodellen för en. sådan struktur visas i fig 2. Komponenten i fig Z belyses med choppat ljus och kopp- las till ett elektriskt mätinstrument 4 för mätning av ström eller spänning så som visas i fig 3. Ljuset, som har en intensitet 61 och en fotoenergi större än halvledarens bandgap, ger upphov till optiskt genererade elektroner och hål inuti halvledaren. Ett villkor för god funktion hos komponenten är att halvledarens energiband böjer vid ytan.

Detta kan kontrolleras genom att införa ytladdningar eller genom ett lämpligt val av det elektriskt ledande skiktet 3. Om halvledarens energiband före belysningen är böjda så som visas i fig 2, kommer de av ljuset skapade elektronerna 5 att ansamlas i den energigrop som finns i halvledaren nära dess gräns mot isolatorn. De hål 6, som skapas vid belysningen, komer att driva in i halvledarens volym och vidare ut i en yttre krets genom den metallkontakt 7 som finns på kom- ponentens baksida. En laddningsförskjutning åstadkommas därmed, som kan mätas som en ström eller en spänning med instrumentet 4 i den yttre kretsen. Denna laddningsförskjutning kommer att fortgå tills böjningen av halvledarens energiband nära isolatorskiktet upphör på grund av den laddningsneutralisation som efter ett vissttidsintervall uppstår genom belysningen. Längden hos detta tidsintervall bestäms av den totala RC-konstanten hos den krets som visas i fig 3. Om RC- konstanten är lång i förhållande till chopperfrekvensen, får man en sig- nal i den yttre kretsen så som visas i fig 4, vilken är en oscillo- skopbild av den elektriska signalen U(t) från en anordning enligt fig 1-3. Signalens U(t) amplitud i fig 4 är beroende dels av intensiteten øï och dels av storleken Y' hos energibandens böjning i fig 2. Sig- nalamplituden U(t) i fig 4 kan därför för given intensitet Q] varieras genom att ändra ytpotentialen 4 i fig 2. Denna ändring kan åstadkom- mas på två sätt: Genom att lägga en yttre spänning mellan kontakterna 3 och 7 eller genom att belysa MIS-strukturen med ytterligare en ljus- källa med konstant ljusintensitet øz (fig 5). 11003 QUALITY fis1o6927-o Fig 6 visar experimentella data av den elektriska signalen U som funk- tion av en yttre pålagd spänning V6 vid belysning med en choppad ljus- källa av intensiteten $1. Signalen U ändrar tecken vid V0 = 1,75 V.

Positivt V0 i fig 6 innebär att_ledare 3 i MIS-strukturen (fig 1) har positiv potential. Det innebär att bandböjningen i fig 2 minskar för ökande V0. När U = 0 i fig 6 är energibanden i fig 2 raka ("flatband") och när U < 0 böjer banden uppåt, vilket innebär att hål samlas nära isolatorn och elektroner går ut i den yttre kretsen via kontakten 7. Därmed får den uppkoma laddningsförskjutningen motsatt tecken. Den väsentliga informationen från fig 6 är att den signal U som erhålles genom att belysa MIS"strukturen med den choppade intensi- teten ø1 går att styra med spänningen V0.

Fig 7 visar experimentella data över hur den elektriska signalen U från MIS-strukturen kan styras med ytterligare en ljuskälla med kon- stant (icke-choppad) intensitet øz. Den extra ljuskällan ger upphov till en minskning av ytpotentialen ¶J (fig 2), vilket minskar U.

Man ser i fig 7 att för øz Ãa10 och øz 2,20 är U = f(ø2) en nära hyper- Ibolisk funktion. Det knä i kurvan, som förekommer vid 02 ge 15 beror 'på energitillstånd i gränsskiktet mellan isolator och halvledare och har ingen kvalitativ inverkan på komponentens funktion. Sådana energi- "tillstånd kan påverkas genom en noggrann kontroll av tillverknings- processen vid påläggning av isolatorskiktet på halvledaren.

Att signalen U även är en funktion av den choppade intensiteten Û1 visas i fig 8 som utgör experimentella data över U = f(01) med ø, som parameter.

Vi har nu-visat med teoretiska argument och experimentella data hur den optiskt inducerade, elektriska signalen från en MlS-struktur kan styras med en annan optisk signal øz. Man kan således skriva u = fwo, m, øz) Vi skall nu se hur dessa egenskaper hos den ovan beskrivna MIS-struk- turen kan användas för processning av optisk information. - frn - 'flvzïrïrw- ÄÃÄ ka... ášïåšåíie-s» , _ ....'........,._.._._.__.._...._... _ >-.-... ___--_-......-... a-m ._ ..._-u ._ . _.. . _.-ß _ __. 3. 8106927-0 Qptiskjoptisk processor Fig 9 visar en skiva i form av en MIS-struktur enligt fig 1 sedd från den sida, där ledare 3 är pålagd. Vi tänker oss ett koordinatsystem (x, y) i skivans plan och belyser skivan i två olika punkter, dels med den choppado intensiteten Ö1 och dels med den konstanta intensi- teten øz. Den tídsberoendc utsignalen U bestäms då enbart av øl efter- som øg inte påverkar ytpotentialen T i den punkt som belyses med 01.

Om emellertid ljuspunkten med intensiteten 62 förflyttas i x-led mot UÜ1, kommer signalen U att påverkas av øg så snart de båda ljusfläckarna börjar sammanfalla. Ett experiment som verifierar detta visas i fig 10, där signalen U uppmätts som funktion av förflyttningen hos ljusfläcken med intensiteten øz i fig 9. De två ljusfläckarna sammanfaller helt då x = 6,0, vilket är den punkt där U har ett minimum.

Det är nu enkelt att generalisera detta resonemang till att gälla två bilder beskrivna av funktionerna ø1(x, y) och $2(x, y). Om bilden ø1(x, y) choppas på samma sätt som tidigare ljusfläcken ø1, kommer man i varje punkt (x, y) i MIS-strukturens yta att få en laddningsförskjut- ning som summerar sig till en signal U i den yttre kretsen. Vi såg tidigare (fig 7 och 8) att U är approximativt omvänt proportionell mot øz och approximativt proportionell mot ø1. För två bilder kan därför ø1(X, Y) dx dy signalen U tecknas Denna signal blir minimal då Q1 och ø2 är identiska och sammanfallande.

Den ovan beskrivna anordningen kan därför användas för bildigenkänning.

Beroendet hos signalen U av ø1 och øz som det beskrivs av fig 7 och 8 kan varieras genom lämplig dopning av halvledaren samt genom införandet av lämpliga energitillstånd mellan isolatorn 2 och halvledaren 1.

För att förbättra den laterala upplösningen vid korrelering av två bilder kan man tillse att den energigrop för elektroner eller hål, som förekommer vid gränsskiktet mellan isolator och halvledare är be- gränsad i lateralled. Man förser då ytan med ett stort antal sådana lateralt begränsade energigropar, som var och en utgör en biïdpunkt.

Detta förhindrar att elektroner eller hål vid ytan sprids ut över ett större ytområde, vilket höjer den laterala upplösningen. Ytterligare (5173 2' rïrv; . 3106927-0 ett sätt att förbättra upplösningen är att begränsa laddningsbärarnas mobilitet i energigropen. En lateral begränsning av energigroparna och en sänkning av mobiliteten åstadkommes genom lämplig dopning, in- förande av ytladdning eller genom lämpligt val av material i ledare 3.

Om någon av Ö1 och 02 väljes som en bild, kan den andra ljussignalen väljas som en punktformig ljuskälla och svepas i rastermönster över bilden. sätt som i en TV-kamera.

Det ger möjlighet till seriell utläsníng av en bild på samma Genom att tidsderivera den därvid uppkomna signalen kan bildinnehållet deriveras i godtycklig riktning längs skivans yta. Genom att tidsíntegrera signalen kan man på motsvarande sätt utföra en linjeintegrering i bilden. Vidare kan två bilder matrismultipliceras med varandra genom lämplig utformning av MIS- strukturen.

Optisk-elektrisk processor Genom att utnyttja den egenskap hos MIS-strukturen, som beskrevs i anslutning till fig 6, nämligen att signalen U kan styras med en yttre spänning Vg, kan man utföra en processor, där operatorsignalerna är elektriska signaler. Ledaren 3 i fig 1 utformas då som ett rutmönster över isolatorytan på det sätt som framgår av fig 11. Varje sådan ledar- ruta 8 adresseras genom x- och y-ledningar via en MOS-transistor 9, integrerad i halvledarskivan. Med denna struktur kan man operera på en bild dels med optiska signaler på det sätt som beskrivits i avsnitt 3 och dels med elektriska signaler så att delar av en bild kan väljas ut genom adresseringsmöjligheter beskrivna av fig 11.

Andra möjligheter till elektrisk processning finns även. Ett exempel är att korsa par av sammankopplade ledare, där varje par är isolerat från varje annat par. I korspunkten mellan två sådana par uppstår ett område där ytpotentialen 7/ kan påverkas. ,En sådan korspunkt får ut- .göra en bildpunkt och kan adresseras genom att lägga potential på de korsande ledningsparen.

Färginformation kan läsas ut ur en bild genom svepning i rastermönster enligt avsnitt 3 om man låter varje "bildpunkt" utgöras av flera från varandra isolerade, ledande skikt 3 ovanpå isolatorn 2 (se fig 12). 9106921-0 Varje del av bildpunkten är förutom det ledande materialet även för- sedd med ett optiskt bandpassfilter med en typisk passvåglängd för varje bildpunktsdel. Varje del av bildpunkten moduleras sedan av en elektrisk växelspänningssignal V0 med en för varje bildpunktsdel karakteristisk frekvens fr, fg, fb osv. Färgïnformationen i en bild_får man då genom att bandpassfiltrera den elektriska utsigna- len U vid frekvenserna f , f , f osv. rgb Fast programmering Genom att införa en över MIS-strukturens yta varierande ytladdning, kommer ytpotentialen 7 att variera över ytan redan innan den belyses.

Det innebär en möjlighet att utrusta processorn med "read only"-pro- grammering. Det finns ett flertal möjligheter att införa en sådan varierande ytpotential. En möjlighet är att utföra MTS-strukturen som en s k FAMOS-struktur, vilket innebär att en "flytande gate", ett ledande material, bakas in i isolatorskiktet vid tillverkningen.

Processorn kan då programmeras genom att lägga på en spänning över FAMOS-strukturen och samtidigt belysa den med en bild innehållande det mönster med vilket man önskar programmera processorn. Delar av processorytan som belyses kommer då att laddas upp, varvid ytpoten- tialen Y komer att förändras där.

En annan möjlighet är att utnyttja förekomsten av rörliga laddníngar i isolatorskiktet. Genom att lägga en spänning över MIS-strukturen, höja dess temperatur till ca ZOOOC och samtidigt belysa den med den önskade operatorbilden, kommer de rörliga laddningar, som finns i iso- latorn att förskjutas mera i starkt belysta områden än i svagt belysta (X, y), områden. Detta ger upphov till en varierande ytpotential 7 som är en kopia av operatorbilden.

Ytterligare en möjlighet är att använda halvledarlitografiska metoder i kombination med jonimplantation. Operatorbilden fastställes då i litografiprocessen och ett jonimplanterat mönster erhålles som ger en varierande laddning i isolatorhalvledargränsskiktet.

Ytterligare en möjlighet är att ombesätta yttíllstånd och andra energi- tillstånd inne i oxiden med olika former av bestrålning: optisk, rönt- gen, partikelbestrålning.

Claims (13)

3106927-0 Patentkrav

1. Förfarande för jämförelse av en första optisk signal (ø1) med minst en annan signal k ä n n e t e c k n a t av att en MIS-struktur (11; fig 1) belyses med den första optiska signalen (Ü1) vilket ger en optiskt inducerad ändring av MIS-strukturens ytpotential och av att ytpotentialen också påverkas av nämnda minst en annan signal genom att MIS-strukturen (11; fig 1) belyses med en andra optisk signal (øz) eller genom att signa- len påföres i form av en spänning över strukturen eller genom att strukturen förses med laddning i isolatorn eller dess gränsskikt eller genom en kombi- nation av dessa sätt.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den första optiska signalen (ø1) choppas.

3. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2 där en av nämnda minst en annan signal är den andra optiska signalen (øz), k ä n n e t e c k n a t av att de båda optiska signalerna (ø1,ø2) är tvådimensionella och kan variera över sin utsträckning, dvs utgöra bilder.

4. Förfarande enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t av att gräns- ytan mellan isolator och halvledare förses med lateralt begränsade energi- gropar.

5. Förfarande enligt patentkravet 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att laddningsbärarnas mobilitet begränsas i halvledaren nära gränsskiktet till isolatorn.

6. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2 där en av nämnda minst en annan signal är den andra optiska signalen (øz), k ä n n e t e c k n a t av att den ena optiska signalen är punktformig och svepes i rastermönster över den andra optiska signalen, som är tvådimensionell.

7. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MIS-strukturen i form av en elektrisk spänning över strukturen, k ä n n e t e c k n a t av att det ledande skiktet (3) utformas som ett rutmönster över isolatorn (2) och att varje sådan ledarr ruta (8) adresseras genom x- och y-ledningar via en MDS-transistor (9), integrerad i halvledarskivan. -M 9 ~ 8106927-0

8. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MIS~strukturen i form av en elektrisk spän- ning över strukturen, k ä n n e t e c k n a t av att varje bildpunkt ut- göres av korspunkten mellan ett par sammankopplade elektriska ledare, iso- lerade från övriga lednrpar och att bildpunktcn adresseras genom att spän- ning lägges på dithörande ledarpar.

9. Förfarande enligt patentkravet 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a t av att flera, från varandra isolerade, ledande skikt (3) finns på isolatorn (2) och att med hjälp av optiska bandpassfilter påverkas endast ett skikt i varje bildpunkt och att den elektriska utsignalen bandpassfiltreras så att den optiska signalen i varje passband, dvs Färgen, kan separeras.

10. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MIS~strukturen genom att strukturen förses med laddning i isolatorn eller dess gränsskikt, k ä n n e t e c k n a t av att MïS-strukturen är en FAMOS-struktur som ges laddning genom att en spänning läggs över strukturen samtidigt som den belyses med en tvådimen- sionell optisk signal.

11. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MIS~strukturen genom att strukturen förses med laddning i isolatorn eller dess gränsskikt, k ä n n e t e c k n a t av att MIS-strukturen förses med laddning genom att över strukturen läggs en spänning samtidigt som den belyses med en tvådimensionell optisk signal och dess temperatur hzsjt- rm ca zno°c.

12. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MIS-strukturen genom att strukturen förses med laddning i isolatorn eller dess gränsskikt, k ä n n e t e c k n a t av att laddningen erhålles genom jonimplantation.

13. Förfarande enligt något av de tidigare patentkraven, där en av nämnda minst en annan signal påföres MlS~strukturen genom atL strukturen förses med laddning i isolatorn eller dess gränsskikt, k ä n n e t e c k n a t av att laddningen erhålles genom att gränsskiktstillstånd och energitillstånd inne i oxíden ombesättes genom att strukturen bestrålas, exempelvis med optisk-, röntgen- eller partikelbestrålning.