КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК С КОМБИНИРОВАННЫМ ФОТОЭФФЕКТОМ

Полезная модель относится к области электроники, оптоэлектроники, полупроводниковой техники, а именно к полупроводниковым координатно-чувствительным фотоприемникам.
Известны координатно-чувствительные фотоприемники приборы с p-n-переходами, использующие продольный фотоэффект (Wellmark J.T. Proc.IRE. 1957. 45. Р.474-484., Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Наука, 1965. 592 с.). Координатно-чувствительные фотоприемники такого типа содержат протяженную полупроводниковую структуру, состоящую из первой полупроводниковой области первого типа проводимости и второй полупроводниковой области второго типа проводимости, с большей электропроводностью по сравнению с первой полупроводниковой областью, имеющая два выходных контакта, расположенные по краям первой полупроводниковой области и третий контакт ко второй полупроводниковой области. Т.е., такие фотоприемники представляют собой плоский протяженный p-n-переход в котором наблюдается продольный фотоэффект (продольная фото-ЭДС). Выходом фотоприемников с продольной фото-ЭДС являются контакты, расположенные по краям первой области. При этом контакт от второй области с высокой проводимостью не используется. Условием наблюдения продольной фото-ЭДС, т.е. ЭДС, возникающей между участками области одного типа проводимости в направлении, параллельном плоскости p-n-перехода, является неравномерное освещение поверхности фотоприемника.
Такие приборы отличаются простотой изготовления, высокой разрешающей способностью, высокой фоточувствительностью, а главное, для своего функционирования не требуют дополнительных источников питания, т.к. выходным сигналом таких координатно-чувствительных фотоприемников является фото-ЭДС, зависящая от координаты светового зонда на поверхности фотоприемника. В большинстве случаев эта зависимость линейна, а значения выходного сигнала (фото-ЭДС) достигают нескольких милливольт. При этом выходной сигнал является биполярным, что усложняет устройства его обработки. Механизм появления продольной фото-ЭДС, обусловленный явлением реинжекции, хорошо изучен и описан в [Wellmark J.T. Proc.IRE. 1957. 45. P.474-484., Pat. US. №30228500, 1962], где также предложены способы увеличения фото-ЭДС и получения структур с линейными характеристиками. Эти способы сводятся к использованию внешних резистивных делителей и дополнительных источников энергии (Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Наука, 1965. 592 с.). Подача дополнительного напряжения, например, между одним из контактов к области с низкой проводимостью и контактом к области с высокой проводимостью смещает выходную характеристику в ту или иную сторону от центра симметрии структуры в зависимости от напряжения, а также изменяет чувствительность элемента и может быть использована для модуляции выходного сигнала. Однако использование дополнительных элементов и источников питания существенно усложняет устройство, а невысокий уровень выходного сигнала является также проблемой при использовании фотоприемников с продольным фотоэффектом в условиях малой интенсивности светового потока, попадающего на поверхность фотоприемника особенно при построении автономных систем преобразования физических величин. Поэтому задача предлагаемой полезной модели заключается в повышении уровня выходного сигнала фотоприемников с продольным фотоэффектом без существенного его усложнения, а также в получении однополярного выходного сигнала.
Технический результат состоит в увеличении уровня входного сигнала (фотоЭДС) без использования внешних источников энергии и получении выходного сигнала одной полярности линейно зависящего от координаты светового зонда на поверхности фотоприемника.
Технический результат достигается за счет того, что третий контакт ко второй полупроводниковой области, омически соединенный с одним из контактов к первой полупроводниковой области.
На фиг.1 (а) представлен позиционно-чувствительный фотоприемник на базе структуры p-n-типа и схема измерения фото-ЭДС (б).
Предлагаемый координатно-чувствительный фотоприемник с комбинированным фотоэффектом, содержит протяженную полупроводниковую структуру, состоящую из первой полупроводниковой области первого типа проводимости, например p-типа, и второй полупроводниковой области второго типа проводимости, например n-типа, с большей электропроводностью по сравнению с первой полупроводниковой областью, и обладающей двумя выходными контактами 1 и 2 (фиг.1, а), расположенными по краям области p-типа и третьим контактом (3) ко второй полупроводниковой области n-типа.
Структура p-n-типа на основе кремния представляет собой полупроводниковую полоску длиной 26 мм, сечением трапецеидальной формы с верхним основанием шириной 0,6 мм, нижним основанием шириной 1,5 мм и толщиной 246 мкм. Угол между боковой стороной и нижним основанием составляет 32 градуса. P-n-переход реализован на глубине 50 мкм в объеме полупроводника n-типа проводимости. Поверхностное сопротивление p-области составляет 170 Ом/, удельное сопротивление n-области - 70 Ом·cm. Контакты 1 и 2, выполнены при помощи контактной сварки (расщепленным электродом) золотой проволокой диаметром 40 мкм непосредственно на края верхнего фоточувствительного слоя кремния p-типа. Третий (3) контакт реализован в виде сплошной никелевой контактной площадки.
В случае локального освещения p-n-перехода с помощью светового зонда, наряду с возникновением разности потенциалов между p и n слоями полупроводника (поперечная фото-ЭДС) образуется разность потенциалов и между участками одной области в продольном направлении, параллельном p-n-переходу, обусловленная эффектами генерации носителей в области светового зонда, растекания носителей в квазинейтральных областях перехода за счет диффузии от области интенсивной генерации (светового зонда) в направлениях параллельных плоскости p-n-перехода и реинжекции неосновных носителей через p-n-переход, в областях, находящихся слева и справа от светового зонда по всей поверхности перехода. Величина и знак продольной фото-ЭДС изменяется при смещении светового зонда от оси симметрии структуры, что также является проблемой при согласовании выходных сигналов фотоприемников с обрабатывающей электронной аппаратурой.
Типовые зависимости продольной фото-ЭДС, измеряемой между контактами 1 и 2, от координаты светового зонда диаметром 1 мм, для создания которого применялся полупроводниковый лазерный диод с длиной волны 980 нм, представлены на фиг.2. Как видно из рисунка, максимальное значение фото-ЭДС во всем диапазоне изменения координаты светового зонда по длине фотоприемника не превышает значения 17 мВ. При этом зависимость линейна и имеет точку по координате (геометрический центр структуры), в которой значение фото-ЭДС равно нулю.
Эту зависимость можно получить из анализа простой схемы замещения структуры, представленной на фиг.1,6, в виде аналитического выражения:
,
F
pn
1
2
где, I - фототок, R - сопротивление верхнего слоя между контактами 1 и 2, R - сопротивление обратносмещенного p-n-перехода, R(x) - сопротивление верхнего слоя от контакта 1 до области засветки, R(x) - сопротивление верхнего слоя от области засветки до контакта 2 (фиг.1).
2
Величина поперечной фото-ЭДС для данной двухслойной структуры при локальной засветке и при смещении светового зонда вдоль поверхности фотоприемника практически постоянна и в среднем составляет от 0,1 до 0,25 В при различных интенсивностях засветки. При объединении вывода 2 от верхней p-области с выводом 3 от n-области (фиг.1,б пунктирная линия) вид зависимости выходной (комбинированной) фото-ЭДС от координаты светового зонда изменяется (фиг.3) - наблюдается увеличение выходной фото-ЭДС за счет шунтирования p-n-перехода у контакта 2 короткозамкнутым участком цепи и увеличения тока, протекающего через сопротивление R верхнего слоя между областью светового зонда и контактом 2 (фиг.1,б).
При этом приближенное аналитическое выражение для расчета выходного значения комбинированной фото-ЭДС имеет вид:
,
УВ соответствии с которым линейность зависимости комбинированной фото-ЭДС от координаты центра светового зонда сохраняется.
3
3
В отличие от фиг.2, зависимости, приведенные на фиг.3 не меняют знак во всем диапазоне исследуемых координат, а значение выходной комбинированной фото-ЭДС изменяется от 0 при нахождении светового зонда на правой границе фотоприемника, до 50 мВ на левой границе. При этом увеличивается наклон характеристик при одинаковых токах через лазерный диод, в частности, при токе 0,2 А для продольной фото-ЭДС (фиг.2 линия 4) отношение U/x составляет 1,36 мВ/мм, а для комбинированной фото-ЭДС (фиг.3 линия 4) - U/x=2 мВ/мм, что свидетельствует о повышении чувствительности фотоприемника.
Наличие фото-ЭДС, равной нулю у границы образца, может быть использовано для калибровки датчиков на основе таких фотоприемников или для измерения уровня интенсивности засветки.
Таким образом, предлагаемый координатно-чувствительный фотоприемник с комбинированным фотоэффектом, содержит протяженную полупроводниковую структуру, состоящую из первой полупроводниковой области первого типа проводимости и второй полупроводниковой области второго типа проводимости, с большей электропроводностью по сравнению с первой полупроводниковой областью, имеющая два выходных контакта, расположенные по краям первой полупроводниковой области и третий контакт ко второй полупроводниковой области. Координатно-чувствительный фотоприемник отличается тем, что третий контакт ко второй полупроводниковой области омически соединен с одним из контактов к первой полупроводниковой области.
За счет использования предлагаемой полезной модели, в частности за счет изменения тока в одной из областей, находящихся слева или справа от светового зонда, возможно увеличить величину выходной фото-ЭДС и чувствительности фотоприемника в 1,5 раза, с сохранением линейной зависимости выходного сигнала от координаты положения светового зонда на поверхности фотоприемника и обеспечением однополярности этого сигнала. Такие фотоприемники могут найти применение в различных автономных устройствах преобразования координат и размеров объектов в электрический сигнал.