..
п. 1-6 Изобретение относитс к полупроводниковой технике, а именно к способам регистрации световых импульсов с помощью полупроводниковых устройств с внутренним усилением, и может быть использовано в оптоэлектронике, системах оптической св зи и в лабораторных исследовани х дл регистрации - световых импульсов и преобразовани изображений. Известны технические решени , позвол щие осуществл ть фоторегистрацик ) при помощи структуры металл-диэлектрик-полупррводник (МДП), работающий в режиме инициируемого светом лавинного пробо , т.е; пробо протекающего в приповерхностной области полупроводника. К структуре прикладьшаетс напр жение , равноенапр жению пробо . Падающий свет инцинрует лавинный пробо в структуре, что вызывает осцилл ции в электрической цепи. Указанным обр зом осуществл етс обнаружение света малой интенсивности, однако проблема преобразовани светового сигнала в электрический сигнал соответствующей формы не решаетс , что резко сужает область применени изобретени , по звол его использовать лишь в роли обнаружительного элемента. Известен также способ регистрации световых импульсов с использованием полупроводниковых элементов с внутренним усилением выходного сигнала на основе МДП-структур, работающих в режиме лавинного пр|Обо полупровод rfkKa. МДП-структура состоит из сло полупрозрачного золота, сло двуокиси кремни толщиной 300 А, сопротивле-. ние которого не более, чем 10 Ом/см и кремни с концентрацией носителей Ю см, причем с целью повышени стабильности усилени выходного сиг .нала, приповерхностный слой кремни дополнительно легирован до концентра ций 10 -18® . Дл создани в полупроводнике области лавинного умножени носителей тока МДП-структура подключаетс к источнику посто нного напр жени . Освещение структуры светом из области собственного поглощени кремни приводит к генерации фотоносителей, которые ускор сь в электрическом поле в приповерхностной области кремни умножаютс вслед ствие ударной ионизации. Вследствие малого сопротивлени диэлектрика накоплени носителей на границе раздела диэлектрик-полупроводник не происходит , и через структуру течет сквозной ток. Выходной электрический сигнал измер етс на сопротивлении, включенном последовательно с МДПструктурой .. Недостатки известного технического решени состо т в следующем. Протекание через структуру значительного сквозного тока приводит к по влению дробовых токовых шумов, снижающих пороговую чувствительность устройства при работе с коэффициентом внутреннего усилени более 20. Вследствие ограничени коэффициента усилени при регистрации малых световых сигналов возникает необходимость в дополнительных усилительных каскадах электрического сигнала, что ведет к существенному усложнению и удорожанию фоторегистрирующего устройства. Кроме того , создание на основании известного технического решени многоэлементного фотоприемника с внутренним усилением дл преобразовани изображений св зано со значительными усложнени ми, |так как даже незначительна неоднородность толщины низкоомного сло кремни от элемента к элементу при- , водит к различным величинам напр же-: ни лавинного пробо , т.е. требуетс отдельный источник напр жени дл каждого элемента фотоприемника, что очень сложно реализовать технически в случае линеек и матриц с большим количеством элементов. Целью изобретени вл етс упрощение способа фоторегистрации при одновременном обеспечении возможности регистрации импульсов света с энергией менее 10-15 дкс. Возможна реализаци многоэлементного фоторегистрирующего устройства,,с внутренним усилением выходного сигнала, упрощенной конструкции. Указанна цель достигаетс тем, что используют структуры с диэлектриком , сопротивление которого не менее 10 Ом/см и подают на структуры импульсное напр жение с длительностью импульса меньше времени образовани сло неосновных носителей в полупроводнике . Дп повьш1ени стабилизации усилени подают импульсное напр жение, нарастающее с крутизной не менее 360 10 В/с. Упрощение последующей обработки выходного электрического сигнала достигаетс использованием импульсов питани специальной формы, а именно амплитуда переднего фронта его равна напр- жанию лавинного пробо МДП-структуры с линейной нарастающей вершиной. На чертеже представлено устройство 10 Claims 1-6 The invention relates to semiconductor technology, and specifically to methods for detecting light pulses using semiconductor devices with internal amplification, and can be used in optoelectronics, optical communication systems and in laboratory studies for recording light pulses and image conversion . Technical solutions are known that allow photographic registration to be carried out using a metal-insulator-semiconductor structure (MIS) operating in the light-initiated avalanche mode, i.e.; breakdown of a semiconductor flowing in the near-surface region. The voltage applied to the structure is equal to the voltage of the breakdown. Incident light injects avalanche breakdown in the structure, which causes oscillations in the electrical circuit. In this way, low-intensity light is detected, but the problem of converting a light signal into an electrical signal of the appropriate form is not solved, which drastically narrows the scope of application of the invention, allowing it to be used only as a detecting element. There is also known a method of registering light pulses using semiconductor elements with internal amplification of the output signal based on MIS structures operating in the avalanche mode | About rfkKa semiconductor. MDP-structure consists of a layer of translucent gold, a layer of silicon dioxide 300 A thick, resistive. which is no more than 10 Ω / cm and silicon with a carrier concentration of 10 cm, and with the aim of increasing the stability of the output signal gain, the near-surface silicon layer is additionally doped to concentrations of 10 -18®. To create an avalanche multiplication region of the current carriers in a semiconductor, the MOS structure is connected to a constant voltage source. Illumination of the structure with light from the region of silicon's own absorption leads to the generation of photocarriers, which are accelerated in an electric field in the near-surface region of silicon multiplied as a result of impact ionization. Due to the low resistance of the dielectric, there is no accumulation of carriers at the interface between the dielectric and semiconductor, and a through current flows through the structure. The electrical output signal is measured at a resistance connected in series with the MDP structure. The disadvantages of the known technical solution are as follows. The flow through the structure of a significant through current leads to the appearance of shot current noise, which reduces the threshold sensitivity of the device when operating with an internal gain greater than 20. Due to the limitation of the gain when registering small light signals, there is a need for additional amplification stages of the electrical signal, which leads to significant complication and appreciation of the photo logging device. In addition, the creation of a multi-element photo-receiver with an internal gain for image conversion based on a known technical solution is associated with considerable complications, since even a slight thickness non-uniformity of the low-resistance silicon layer from the element to the element leads to various magnitudes. avalanche test, i.e. a separate voltage source is required for each element of the photodetector, which is very difficult to implement technically in the case of lines and arrays with a large number of elements. The aim of the invention is to simplify the method of photo registration while ensuring the possibility of registering light pulses with energy less than 10-15 dx. It is possible to implement a multi-element photo-recording device, with an internal output gain, of a simplified design. This goal is achieved by using structures with a dielectric whose resistance is not less than 10 Ω / cm and is supplied to the structures by a pulse voltage with a pulse duration shorter than the time of formation of a layer of minority carriers in a semiconductor. In order to stabilize the gain, a pulse voltage is applied, increasing with a slope of not less than 360 10 V / s. Simplification of the subsequent processing of the output electrical signal is achieved by using special-shaped power pulses, namely, the amplitude of the leading front of it is equal to the voltage of the avalanche breakdown of the MIS-structure with a linear increasing tip. The drawing shows the device 10
дл реализации предложенного способа, где 1 - МДП-структура, 2-сопротивление нагрузки, 3-импульсный источник напр жени , 4 - лини задержки, 5 задающий импульсный генератор, вклю- 15 чающий источник света, ,6 - импульсны источник света, 7 - фокусирующа сис тема. МДП-структура 1, вьптолн юща функ цию светочувствительного элемента, изготавливаетс на основе полупровод ника с концентрацией носителей тока, при которой наблюдаетс лавинный про бой в МДП-структуре. Диапазон концен траций ограничен со стороны меньших значений величиной, начина с которо лавинный пробой становитс неоднородным , сосредотачива сь по периметру МДП-структуры, наибольшее значени концентрации определ етс величиной, на1ина с которой развиваетс процесс пр мого туннелировани носителей через запрещенную зону (пробой Зипера ) к границе раздела диэлектрик-полупроводник . Материал диэлектрика и его толщина подбираютс такими, чтобы сопротивление диэлектрика на единицу площади было не менее 10 Ом/см. При этом сквозной ток через диэлектрик блокируетс , и носители, рождаемые в процессе лавинной ионизации, накапливаютс на границе диэлектрика . На диэлектрик напыл етс полупрозрачный металлический электрод. В . . случае многоэлементного фотоприемника напыл етс соответствующа матрица или линейка независимых электродов и система токоподвод щих шин и контактных площадок. Последовательно со структурой включаетс нагрузочное сопротивление 2 и источник питани 3. Источник 3 подает на МДПструктуру 1 импульс напр жени , пол рность которого выбираетс такой, чтобы создать у .поверхности полупроводника область, обедненную основными носител ми тока. Длительность импульса выбираетс меньшей, чем брем установлени равновесного сло неса ударной ионизации, что позвол ет осуществить фоторег1дстрацию светового импульса с усилением. Могут быть использованы МДП-структуры I, изготов3 основных носителей тока у поверхности полупроводника (дл кремни при комнатной температуре это врем составл ет 100 мс). При напр жении питани , соответствующем напр жению лавинного пробо МДП-структуры напр женность электрического пол в приповерхностной области полупроводника достаточна дл возникновени процесленные на основе кремни типа КДБ ( кремний дырочный, легированньш бором ) , концентраци носителей в котором варьируетс в пределах IО 10 1/см, в качестве диэлектрика двуокись кремни SiO толщиной 1000 А, при этом его сопротивление составл ет IО Ом/см и выше и металлические электроды из никел . Дл таких структур диапазон напр жеНИИ лавинного пробо составл л 10100 В. Регистрируемый световой импульс от источника 6, включаемого запускающим импульсным генератором 5, через оптическую систему 7 попадает на МДП-структуру 1 в момент времени действи импульса напр жени . Дл этого запускающий генератор 5 включаетс синхроимпул ьсом от импульсного источника напр жени 3, задержанным линией задержки 4. Свет, прошедший через полупроводниковый слой металла и слой диэлектрика, поглощаетс в приповерхностной области полупроводника . Образующиес электронно-дырочные пары ускор ютс в приповерхностном поле до энергии, достаточной дл ударной ионизации атомов полупроводника , вследствие чего происходит умножение числа фотоносителей. Выходной электрический сигнал, в общем случае представл ющий собой сумму фото-тока и темнового тока снимаетс с сопротивлени нагрузки 2 и воспроизводитс на осциллографе, либо подает вход соответствующей электрической схемы дл дальнейшей обработки . При необходимости фототок может быть отделен от темнового тока путем вычитани последнего из суммарного сигнала. Дл повышени стабильности усилени выходного сигнала импульсное питание делаетс нарастающим. Стабильность объ сн етс тем, что при нарастающем напр жении питани лавинный процесс в МДП-структуре 1 принимает устойчивый самостабилизированный характер. Увеличение приложенного напр жени ведет к увеличению напр женности пол в полупроводнике , вследствие чего увеличиваетс коэффициент умножени носителей, однако отсутствие сквозного тока через диэлектрик приводит к накоплению на границе диэлектрика неосновных носителей, которые экранируют внешнее поле и снижают напр женность электрического пол в полупроводнике В результате наличи этих двух конкурирующих процессов при нарастающем напр жении питани устанавливаетс посто нна напр женность пол , обеспечивающа посто нство коэффициента усилени фототока в пределах несколь ких вольт. Поскольку при устойчивом лавинном приборе в МДП-структуре 1 величина коэффициента умножени носи телей пропорциональна величине выход ного тока, а ток, в свою очередь, пропорционален крутизне.приложенного напр жени , то дл получ ени коэффициента усилени фотосигнала не менее тыс чи крутизна должна быть не менее 10 В/с. Поскольку при напр жении питани , меньшим напр жени пробо , приемник работает практически без усилени , целесообразно подавать на МДП-структуру 1 импульсное напр жение, которо скачком достигает величины напр жени авинного пробо , а затем линейно арастает с крутизной не менее Ю Б/с. При такой форме импульса питани врем установлени усилительного режима фотоприемника сводитс к минимуму, и упрощаетс дальнейша обработка усиленного фотосигнала, поскольку посто нной величине крутизны соответствует посто нна величина выходного темнового тока.. В результате выходной сигнал представл ет собой сумму фотосигнала и некоторой посто нной составл ющей. В этом случае фотосигнал может бытьвыделен с помощью порогового устройства. Предложенный способ фоторегистрации с чувствительным элементом на основе структуры никель-двуокись кремни -кремний имеет пороговую чувствительность , превышающую чувствительность других способов, и соответствует , уровню 10 -10 Дж при отношении сигнал-шум равным нескольким единицам . При этом коэффициент внутреннего усилени равен нескольким тыс чам , что позвол ет исключить из фбторегистрирующего устройства электронный предусилитель и наблюдать фототок непосредственно на осциллографе при световых сигналах, соответствуюш 1х указанной пороговой чувствительности , а стабильность усилени выходного сигнала по питающему напр жению в пределах нескольких вольт.to implement the proposed method, where 1 is the MIS-structure, 2-load impedance, 3-pulse voltage source, 4 - delay lines, 5 specifying a pulse generator, including the light source, 6 - pulsed light source, 7 - focusing system. The MOS structure 1, the absolute function of the photosensitive element, is made on the basis of a semiconductor with a carrier concentration at which an avalanche breakdown is observed in the MIS structure. The concentration range is limited from the side of smaller values to the value, starting from which the avalanche breakdown becomes non-uniform, concentrating around the perimeter of the MIS-structure, the highest concentration value is determined by the value from which the process of direct tunneling of carriers through the forbidden zone (Zipper breakdown) develops. the interface of the dielectric-semiconductor. The dielectric material and its thickness are selected so that the dielectric resistance per unit area is at least 10 ohms / cm. In this case, the through-current through the dielectric is blocked, and the carriers generated in the process of avalanche ionization accumulate at the boundary of the dielectric. A semitransparent metal electrode is sprayed onto the dielectric. AT . . In the case of a multi-element photodetector, an appropriate matrix or array of independent electrodes and a system of current-carrying busbars and contact pads are sprayed. The load resistance 2 and the power source 3 are connected in series with the structure. The source 3 supplies to the MDPA structure 1 a voltage pulse, the polarity of which is chosen so as to create a region depleted in the main semiconductor surface, depleted in the main current carriers. The pulse duration is chosen to be less than the burden of establishing an equilibrium layer of impact ionization carrier, which allows photo registration of the light pulse with amplification. MIS structures I made of 3 main current carriers at the surface of the semiconductor can be used (for silicon at room temperature this time is 100 ms). At the supply voltage corresponding to the avalanche breakdown voltage of the MIS structure, the intensity of the electric field in the near-surface region of the semiconductor is sufficient to produce silicon based on KDB type (boron silicon, doped with boron), the concentration of carriers in which varies within 10 10 / cm As a dielectric, silicon dioxide SiO is 1000 A thick, while its resistance is IO Ω / cm and higher and nickel metal electrodes. For such structures, the avalanche breakdown voltage range was 10100 V. The registered light pulse from source 6, turned on by triggering pulse generator 5, through optical system 7 falls on MOS structure 1 at the time of the voltage pulse. For this, the driving generator 5 is turned on by synchronizing from a pulsed voltage source 3, which is delayed by a delay line 4. Light transmitted through the semiconductor metal layer and the dielectric layer is absorbed in the near-surface region of the semiconductor. The resulting electron-hole pairs are accelerated in the surface field to an energy sufficient for impact ionization of the semiconductor atoms, as a result of which the number of photocarriers is multiplied. The electrical output signal, generally representing the sum of the photocurrent and dark current, is removed from the load resistance 2 and reproduced on an oscilloscope, or supplies the input to the corresponding circuitry for further processing. If necessary, the photocurrent can be separated from the dark current by subtracting the latter from the sum signal. To increase the stability of the output gain, the pulse power is increasing. The stability is explained by the fact that with increasing supply voltage, the avalanche process in the MIS structure 1 takes on a stable self-stabilized character. An increase in the applied voltage leads to an increase in the field intensity in the semiconductor, as a result of which the multiplication factor of the carriers increases, but the absence of the through current through the dielectric leads to the accumulation of minority carriers at the dielectric boundary, which shields the external field and reduces the intensity of the electric field in the semiconductor. These two competing processes, with increasing supply voltage, establish a constant field strength, ensuring constant photocurrent gain within a few volts. Since, with a stable avalanche device in a MIS structure, 1, the magnitude of the carrier multiplication factor is proportional to the output current, and the current, in turn, is proportional to the slope of the applied voltage, to obtain a photo signal gain of at least a thousand of the slope less than 10 V / s. Since, at a supply voltage lower than the breakdown voltage, the receiver works with little or no gain, it is advisable to apply a 1M pulse voltage to the MIS structure, which jumps to the avinar breakdown voltage, and then linearly grows with a slope of at least 10 U / s. With this shape of the power pulse, the set-up time of the photodetector mode is minimized, and further processing of the amplified photosignal is simplified, since the constant value of the slope corresponds to the constant value of the output dark current. As a result, the output signal is the sum of the photo signal and some constant component . In this case, the photosignal can be selected using the threshold device. The proposed method of photo registration with a sensitive element based on the structure of nickel-silicon dioxide-silicon has a threshold sensitivity exceeding the sensitivity of other methods, and corresponds to a level of 10 -10 J with a signal-to-noise ratio of several units. At the same time, the internal amplification factor is several thousand, which makes it possible to exclude an electronic preamplifier from the registration device and observe the photocurrent directly on the oscilloscope with light signals corresponding to 1x the specified threshold sensitivity, and the stability of the output voltage over the supply voltage within several volts.