SU1104607A1 - Координатно-чувствительный фоторезистор (его варианты) - Google Patents

Abstract

1. Координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточупствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на рассто нии не более двух амбипол рных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, отличающийс  тем, что, с целью расширени  его функциональных возможностей, увеличени  интегральной вольтовой чувствительности, а. также уменьшени  потребл емой мощности , он снабжен размещенным на .освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика периодически измен кицейс  толщины, причем период изменени  толщины диэлектрика - не менее рассто ни  между ближайщими омическими контактами к пластине, на котором расположен прозрачный провод щий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты.

Description

5 f

Л

/

1/г.у ц

К

2.Координатно-чувствительный фоторезистор , содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину

с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на рассто нии не более двух амбипол рных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, о тличающийс  тем, что., с целью расширени  его функциональных возможностей, увеличени  интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшени  потребл емой мощности , он снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика , на котором расположен прозрачный провод Едий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, а в фоточувствительной пластине выполнены расположенные с периодом не менее рассто ни  между ближайшими омическими контактами к пластине стоп-области.

3.Координатно-чувствительный фоторезистор , содержащий фоточувствиИзобретение относитс  к полупровниковым приборам, в частности к фотрезисторам , и может быть применено в формировател х сигналов изображени  оптического диапазона спектра.

Известны фоторезисторы, работающие в различных диапазонах спектра, состо щие из пластины полупроводника (монолитной или в виде пленки) с омическими контактами, присоединенными к противоположным концам пластины 1.

Поскольку данные фоторезисторы не обладают свойством координатной чувствительности, то в формировател х сигналов изображени  обычно используют наборы фоторезисторов в виде линеек и матриц. Недостатком таких формирователей сигналов изображени   вл етс  необходимость применени  сложной электронной схемы управлени  работой приемника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс 

тельную пластину с омическими контактами , расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на рассто нии не более двух,амбипол рных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, отличающийс  тем, что, с целью расширени  его функциональных возможностей, увеличени  интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшени  потребл емой мощности, он снабжен размещенными на освещаемой стороне пластины последовательно расположенными первым слоем диэлектрика,непрозрачным провод щим электродом в виде сетки с шагом расположени   чеек сетки не менее рассто ни  между ближайшими омическими контактами к пластине , к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, вторым слоем диэлектрика и прозрачным провод -, щим электродом с омическими контактами на противоположных кон- цах.

Координатно-чувствительный фотерезистор , содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину, к противоположным концам которой присоединены два омических контакта, используемые дл  подачи тока питани  на фоторезистор, третий омический контакт расположен на одной из боковых сторон пластины на рассто нии не более двух амбипол рных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов и используетс  дл  считывани  выходного сигнала 2:.

в фоторезисторе имеютс  две области , существенно различные по размерам и назначению. Перва  (больша  по размеру) область предназначена дл  приема и интегрировани  сигнала, втора  - область считывани  накопленного в первой области сигнала.

При работе фоторезистора через концевые омические контакты пропускаетс  посто нный ток питани , протекание которого через полупроводниковую пластину создает в ней посто нное вдоль пластины электрическое поле. На поверхность полупроводниковой пла тины в первой области падает узка  полоска света, под действием которог в -приповерхностной области полупрово ника образуетс  пакет фотогенерированных носителей, который начинает дрейфовать в электрическом поле в направлении области считывани  со скоростью амбипол рного дрейфа. Синхронно с движением пакета носителей движетс  вдоль пластины полупроводника и полоска света. В результате такого синхронного движени  происходит интегрирование сигнала. Максимальное врем  интегрировани  определ етс  временем жизни неравновесных носителей в нейтральном объеме. При проходе пакета носителей в область считывани  измен етс  сопротивление последней. За счет протекани  посто нного тока смещени  через полупроводниковую пластину изменение сопротивлени  области считывани  приводит к изменению напр жени  на омических контактах, образующих эту область, что и  вл етс  выходным сигналом. Благодар  интегрированию входного сигнала этот фоторезистор позвол ет получить большую величину выходного сигнала, чем в простом фоторезисторе а также увеличить в несколько раз отношение сигнал/шум на выходе прибора . Недостатками данного фоторезистора  вл ютс  принципиальна  необходимость использовани  дл  обеспечени  его работы высокоскоростных и достаточно сложных, а следовательно, мало надежных оптико-механических схем сканировани  изображени  вдоль фоторезистора , высокие требовани  к синх ронизации работы оптико-механической системы прибора и схем питани  фоторезистора (синхронизаци  лучше 5%), невозможность измен ть врем  интегрировани  в данном приборе при изменении внешних условий приема изображени  (например, при изменении уровн  входного сигнала), так как оптико-механические системы инерционны, относительно мала  интегральна  воль това  чувствительность из-за малого времени интегрировани  сигнала, боль ша  потребл ема  мощность (так,дл  прибора на Cd Hg Те рассеиваема  мощ ность составл ет / 250 мВт). Цель изобретени  - расширение . ункциональных возможностей, увелиение интегральной вольтовой чувствиельности , а также уменьшение потреб емой мощности. Указанна  цель достигаетс  тем, что координатно-чувствительный фоторезистор , содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на рассто нии не более- двух амбипол рных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика периодически измен ющейс  толщины, причем период изменени  толщины диэлектрика - не менее рассто ни  между ближайшими омическими контактами к пластине, на котором расположен прозрачный провод щий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты. Сигласно второму варианту координатно-чувствительный фоторезистор снабжен размещенным на ocBeniaeMoA стороне фоточувствительной полупроводниковой пластины слоем диэлектрика , на котором расположен прозрачный провод щий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, а в фоточувствительной полупроводниковой пластине выполнены расположенные с периодом не менее рассто ни  между ближайшими омическими контактами к полупроводниковой пластине стоп-области . . Согласно третьему варианту координатно-чувствительный фоторезистор снабжен размещенным на освещаемой стороне фоточувствительной полупроводниковой пластины последовательно расположенными первым слоем диэлектрика , непрозрачным провод щим электродом в виде сетки с шагом расположени   чеек сетки не менее рассто ни  между ближайшими омическими контактами к полупроводниковой пластине, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, вторым слоем диэлектрика и прозрачным провод щим электродом с омическими контактами на 1Ц)отивоположных концах. Все варианты позвол ют создать координатно-чувствительный фоторезис тор принципиально одним и тем же путем , а именно путем создани  фотоприемных МДП- чеек интегрировани  сигнала. Спой диэлектрика с периодически измен ющейс  толщиной, так же как и стоп-области и сеточный электрод , позвол ет сформировать указанные фотоприемные  чейки. В конструкции максимальное врем  интегрировани  определ етс  временем релаксации МДП-структуры при нестаци нарном обеднении. Отношение этих вре мен у полупроводниковых материалов на собственном поглощении в спектральном диапазоне до 14 мкм составл  ет 10-10. Например, дл  антимонида инди  экспериментально получено отно шение указанных времен 10, а дл  HgCdTe на диапазон 3-5 мкм 10 , Ввиду того, что в МДП-структуре процесс интегрировани  может быть на чат или окончен в любое врем , данный прибор может выполн ть функцию адаптации по величине принимаемого сигнала (при большом сигнале врем  интегрировани  должно уменьшатьс ), селекции принимаемого сигнала по вре мени его по влени , регулировани  (скорости считывани  информации и ее мультиплексирование (при считывании сигналов с группы приборов гшедлагае мого типа). Прибор может переключать с  из режима интегрировани  в режим временной задержки с накоплением. Реализаци  всех этих возможностей св зана с конструктивными особенност ми прибора: наличием на поверхности фоторезистора МДП-структуры с периодически измен ющимис  параметрами диэлектрического сло  и единым полупрозрачным провод щим электродом Вольтова  чувствительность фотоприемников с интегрированием пропорциональна времени интегрировани , поэто му вольтова  чувствительность повышаетс  на 3-4 пор дка. Кроме того, снижаетс  средн   потребл ема  мощность, так как предлагаемый фоторезистор потребл ет мощ ность от источника питани  только в процессе считывани  сигнала. Следо вательно, можно использовать менее мощные охлаждающие устройства и создавать матричные приемники с большим числом элементов разрешени . Выбор конструкции координатно-чув стЕительного фоторезистора определ 1 76 етс  используемым полупроводниковым материалом подложки, диэлектриком. Например, диэлектрик с периодически измен ющейс  толщиной можно примен ть дл  приборов, изготовленных на кремний п-типа, дл  кремни  р-типа можно использовать диффузионные или ионноимплантированные р стоп-области. В случае антимонида инди  п-типа нет технологии формировани  п стоп-областей , поэтому можно использовать сеточный электрод дл  формировани  МДП- чеек интегрировани  сигнала. Наиболее универсальной конструкцией, применимой дл  всех полупроводниковых пластин как п-, так и р-типа проводимости ,  вл етс  конструкци  с сеточным электродом. Но последн   требует дополнительных двух внешних контактов по сравнению с двум  другими конструкци ми . Характеристики трех конструкций фоторезистора - величина выходного сигнала, чувствительность, потребл ема  мощность и отношение сигнал - равноценны. На фиг. 1 - 3 изображены варианты 1-Ш координатно-чувствительного фоторезистора соответственно. Координатно-чувствительный фоторезистор (фиг. 1) содержит фоточувствительную полупроводниковую пластину 1 , к противоположным концам которой присоединены омические контакты 2 и 3. Омический контакт 4 расположен на боковой стороне пластины 1 на рассто нии не более двух амбипол рных диффузионных длин от контакта 3. На освещаемую (лицевую) сторону пластины 1 нанесен диэлектрик 5 периодически измен ющейс  толщины (период изменени  толшлны диэлектрика не менее рассто ни  между контактами 3 и 4). На диэлектрике 5 расположен прозрачный провод щий электрод б, к которому присоединены дополнительные омические контакты 7 и 8. В случае варианта П диэлектрик 5 выполнен с посто нной толщиной, а в полупроводниковой пластине 1, например , п-типа проводимости сформированы п стоп-области 9, расположенные с периодом не менее рассто ни  между контактами 3 и 4. Дл  варианта Ш между пластиной 1 и диэлектриком 5 расположены дополнительный слой диэлектрика 10 и непрозрачный сеточный провод щий электрод , 11 с контактами 12 и 13, причем шаг  чеек сеточного электрода не менее рассто ни  между контактами 3 и 4, . Фоторезистор можно изготовить, например, на антимониде инди  и-типа проводимости с концентрацией основных носителей зар да 2 - , време«ем жизни дырок 10 с, амбипол рной подвижностью 10 и диффузионной длиной дл  дырок . Все параметры относ тс  к температуре 77 К и типичны дл  материала, выпускаемого отечественной промьппленностью . Последовательность основных технологических операций изготовлени  фоторезистора (дл  варианта 1) следующа  . Пластину полупроводника 1 наклеивают на диэлектрическую подложку-носитель (не показана) и с помощью механической и химической обработки до вод т ее толщину до 15 мкм. На по-, верхность пластины 1 термическим испарением в вакууме нанос .т слой (1000 А) диэлектрика SiO. Затем нанос т фоторезист слоем 2 мкм, экспо нируют через соответствую ций шаблон, про вл ют, но не задубливают. В результате на поверхности пластины остаютс  островки фоторезиста 100 IlOO мкм в местах расположени  будущих фоточувствительных ВДП- чеек. Термическим испарением в вакууме на всю поверхность пластины нанос т сло Sic толщиной /--5000 А.. Методом катодного распылени  в Аг нанос т прозрач ный провод щий электрод 6 из трехоки си инди  толщиной 1 мкм. Далее пластину раздел ют на отдельные приборы имеющие в сечении вид, показанный на фиг. 1, при этом размеры каждого при бора 0,0015-0,02-1 см. К прозрачному провод щему электроду 6 пайкой присо дин ют омические контакты 7 и 8, а к пластине полупроводника 1 - омичес кие контакты 2 - 4. При этом рассто  кие между контактами 3 и 4 составл ет 160 мкм и определ етс  диффузион ной длиной неосновных носителей зар да . Координатно-чувствительный фоторезистор работает следующим образом В исходном состо нии контакты 2 и 3, 7 и 8 (фиг. 1 и 2) попарно замкнуты. Сигнальный поток света через прозрачный провод щий электрод диэлектрик 5 падает на пластину 1 и поглощаетс . Дл  накоплени  входног сигнала к электроду 6 через контакт 7 или 8 прикладывают обедн ющий импульс напр жени  относительно полупроводника и замкнутых контактов 2 и 3. В результате в полупроводниковой пластине 1 вблизи границы раздела полупроводник - диэлектрик под област ми с тонким слоем диэлектрика 5 (фиг. 1) или в промежутках между стоп-област ми 9 (фиг. 2) образуютс  неравновесные потенциальные  мы дл  неосновных носителей зар да. Фотогенёрированные неосновные носители зар да накапливаютс  в этих потенциальных  мах в течение времени интегрировани  входного сигнала. По окончании процесса интегрировани  входного сигнала импульс напр жени  снимают с электрода 6, а контакты 2 и 3, 7 и 8 размыкают и контакт 7соедин ют с контактом 2, а контакт 8- с контактом 3. При этом накопленные в потенциальных  мах неосновные носители инжектируютс  в объем полупроводника , где за врем  максвелловской релаксации образуютс  электрически нейтральные неравновесные пакеты носителей. Одновременно с этим через контакты 2 и 3 пропускают посто нный ток, протекание которого через полупроводниковую пластину 1 создает в ней т нущее электрическое поле. Под действием этого пол  пакеты носителей дрейфуют в направлении области считывани . При попадании пакета носителей в область считывани  (область между контактами 4 и 3) измен етс  сопротивление последней и пропорционально этому измен етс  напр жение между контактами 4 и 3. Изменение напр жени  представл ет собой импульсный выходной сигнал. Координаты точек изображени  определ ютс  по формуле где X - координата точки изображени ; А - посто нна  прибора; t - врем , прошедшее с момента окончани  интегрировани  сигнала до момента прихода пакета носителей в область считывани  . После считывани  сигнала от всех пакетов носителей фоторезистор отключают от источника питани  и контакт 2 соедин ют с контактом 3, а контакт. 7 - с контактом 8. Далее цикл работы прибора повтор етс . Работа координатно-чувствительного фоторезистора по варианту Ш требует дополнительных манипул ций. В не91

ходном состо нии контакт 12 замкнут с контактом 13 (так же, как и контакты 2иЗи7и8). В режиме накоплени  входного сигнала на электрод 11 через контакт 12 или 13 подаетс  обогащающий импульс напр жени  относительно пластины 1 (в то врем , как на электрод 6 подаетс  обедн ющий импульс). При этом потенциальные  мы образуютс  в пластине 1 на участках, не закрытых электродом 11.

При считывании сигнала напр жение с электрода 11 снимаетс , контакт 12 соедин ют с контактом 2, а контакт 13 - с контактом 3 (соответственно снимаетс  напр жение с электрода 6 и контакт 7 соедин ют с контактом 2, а 8 - с 3). В остальном работа прибора происходит так же, как описано дл  вариантов 1 и И,

Попарное замыкание контактов 7 и 8, 2 и 3 (фиг. 1 и 2), а также 12 и 13 (фиг. 3) при интегрировании входного сигнала необходимо, чтобы уменьшить разброс начального поверхностного потенциала в МДП- чейках. Разброс }1ачального поверхностного потенциала св зан с различным рассто нием МЦП- чеек от контактов 2 и 3.

/ фиг. Z

0460710

Координатно-чувствительный фоторезистор позвол ет определ ть координаты нескольких точек изображени , одновременно экспонируемых на его поJ верхность (например, как показывают оценки в случае использовани  в качестве полупроводниковой пластины антимонида инди  п-типа проводимости, можно одновременно Экспонировать до }Q 30 точек изображени ), характеризуетс  отсутствием дрейфа нул  координатной характеристики, так как координата точки изображени  определ етс  по координате жестко фиксированной в пространстве фоточувствительной  чейки , принимающей сигнал от данной точки изображени , обладает более высокой вольтовой чувствительностью и малой потребл емой мощностью.

На основе вариантов конструкции предлагаемого координатно-чувствительного фоторезистора могут быть изготовлены монолитные матричные фотоприемники . Применение фоторезистора

5 в формировател х сигнала изображени  вместо линеек и матриц фоторезисторов и диодов позволит существенно упростить конструкцию фотоприемника, а также оптическую и электрическую схемы управлени  его работой.

Claims (3)

1. Координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омичес ким контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от од ного из торцовых омических контактов, отличающийс я тем, что, с целью расширения его функциональных 'возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а. также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика периодически изменяющейся толщины, причем период изменения толщины диэлектрика - не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине, на котором расположен прозрачный проводящий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты.

2. Координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, о тличающийся тем, что., с целью расширения его функциональных возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика, на котором расположен прозрачный проводящий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, а в фоточувствительной пластине выполнены расположенные с периодом не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине стоп-области.

3. Координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточувстви тельную пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух,амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, отличающийся тем, что,' с целью расширения его функциональных возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенными на освещаемой стороне пластины последовательно расположенными первым слоем диэлектрика,непрозрачным проводящим электродом в виде сетки с шагом расположения ячеек сетки не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, вторым слоем диэлектрика и прозрачным проводящим электродом с омическими контактами на противоположных кон— цах.