Интеллектуальные датчики на биспин-структурах

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ НА БИСПИН-СТРУКТУРАХ Кнаб О. Д., Щука А. А.

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

Описывается многофункциональный прибор БИСПИН, позволяющий преобразовывать входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов тока и напряжения. Изменение величины входного сигнала приводит к пропорциональному изменению частоты следования импульсов при их постоянной амплитуде. Рассматриваются физические основы работы прибора, его свойства, примеры использования в качестве датчиков физических величин с частотным выходом1

БИСПИН-приборы представляют собой полупроводниковые структуры с бисмещенным переходом и инжекционной неустойчивостью. Эти приборы преобразуют входной аналоговый сигнал в регулярную последовательность импульсов тока или напряжения [1,2].

В качестве континуальной среды используется полупроводниковая структура с распределенным р+-п-или п+-р-переходом (рис. 1.а).

На поверхности слабо легированной п- или р-области формируют

нелинейный (А) и омический (<) контакты. В качестве нелинейного контакта

++

может выступать встроенный локальный п -р-п- или р -п-р-транзистор.

Рис. 1. БИСПИН-структура

На поверхности сильно легированной р+- или и+-подложки формируется омический контакт (С). Если к контактам : и В приложить определенную разность потенциалов иАВ таким образом, чтобы «+-область была включена в прямом направлении, а затем структуру осветить со стороны слабо легированной области, то во внешней цепи появляются импульсы тока определенной частоты следования. При большой скважности импульсы тока имеют релаксационную форму (рис.1.б). В промежутках между импульсами тока на контакте С имеют место пилообразные импульсы напряжения. Аналогичная генерация проявляется и без подсветки, но при пропускании тока через распределенный р+-«-переход. Увеличение интенсивности подсветки или уровня тока в подложку приводит к пропорциональному росту частоты следования импульсов без изменения их амплитуды, величина которой определяется разностью потенциалов иАВ на структуре. Таким образом, БИСПИН может рассматриваться как релаксационный генератор, имеющий три независимых канала управления: потенциальный, токовый и гальванически развязанный - световой. Каждый из каналов характеризуется порогом генерации, величина которого зависит от состояния двух других каналов и с их помощью легко изменяется в большую или меньшую сторону.

В зависимости от напряжения питания, уровня освещенности или тока в подложку БИСПИН может находиться в трех состояниях:

• закрытое, с низкой проводимостью, когда внутреннее сопротивление структуры между контактами : и В определяется сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода локального транзистора и составляет ~108 Ом;

• открытое, с высокой проводимостью, когда сопротивление структуры не превышает единиц кОм. В это состояние структура переходит при больших уровнях токов в подложку или подсветке;

• автоколебательное.

Из сказанного выше следует, что БИСПИН может работать как ключ, если время нарастания подаваемого на его вход сигнала не превышает периода следования импульсов при максимальной частоте повторения.

Физический механизм работы БИСПИНа в автоколебательном режиме состоит в следующем. После включения источника напряжения благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора существенно превышает сопротивление Яп «-слоя, коллекторный потенциал фк и потенциал под омическим контактом фв совпадают с точностью до 1О-3 В, т. е. фк @ фв. Такого же уровня достигает потенциал подложки ф. Следовательно, распределенный ^-«-переход находится под нулевым смещением. При включении света за счет внутреннего

фотоэффекта происходит зарядка распределенного р+-«-перехода и возникает инжекция дырок из подложки в «-слой. При этом часть дырок попадает в коллекторную область встроенной локальной «+-р-«-структуры. Для дырок в «слое коллекторный переход является экстрактором, благодаря чему они поступают в р-базу локального транзистора и скапливаются в ней. Последнее обстоятельство приводит к понижению потенциального барьера эмиттерного «+-р-перехода и инжекции электронов из «-эмиттера в узкую р-базу, после

пролета которой они оказываются в «-слое структуры. Возникает электронный

+

ток I«, протекающий по «-слою вдоль распределенного р -«-перехода к омическому контакту. Следует иметь в виду, что этот электронный ток во много раз больше тока дырок, поступающих в р-базу локального транзистора.

Падение напряжения ¡«-Я« на распределенном сопротивлении «-слоя (Я« @ 3-5 кОм) приводит к снижению потенциала фк вблизи коллекторного перехода (фк=иАВ-/«-Я«). Поскольку потенциал подложки ф вследствие ее высокого уровня легирования можно считать независимым от координаты, то смещение на распределенном р+-«-переходе вдоль него изменяется. Прямое смещение этого перехода под коллектором локального транзистора увеличивается, а в остальной, большей его части, сначала уменьшается, а затем становится отрицательным. Инжекция дырок из р -области в р-базу транзистора при этом растет, что в свою очередь вызывает еще больший перекос в смещении р+-«-перехода и т.д. Процесс развивается лавинообразно и приводит транзистор в режим насыщения.

Вольт-амперная характеристика структуры имеет ^-образный вид, и в этом случае следует ожидать токовую неустойчивость [2,3,4].

При небольших уровнях фототока основной поток дырок в р-область

+

локального транзистора поступает из р -подложки за счет двух процессов: перераспределения фототока и перезарядов барьерной емкости р+-«-перехода. В начале процесса дырки, образующиеся вследствие внутреннего фотоэффекта, захватываются полем объемного заряда р+-«-перехода и перебрасываются в р+-подложку, благодаря чему он весь равномерно переходит в состояние прямого смещения (до О,3 В). Вследствие этого дырки также равномерно инжектируются в «-слой по всей площади распределенного перехода, и в базу транзисторной структуры поступает лишь небольшая их часть, определяемая величиной площади этого перехода, расположенной под коллектором локальной структуры. Вследствие развивающейся описанной выше петли положительной обратной связи (включающей ток вдоль «-слоя, падение потенциала фк и рост прямого смещения на р+-«-переходе) распределенный переход оказывается бисмещенным, происходит перераспределение инжекционного тока дырок, в результате чего все фотодырки, собранные

основной обратносмещенной частью р+-п-перехода, поступают через прямосмещенную часть в базу локальной транзисторной структуры. К этому току добавляется ток перезарядки емкости р+-п-перехода через открытую вертикальную п+-р-п-р+'структуру. Оценки показывают, что начальный всплеск тока в импульсе носит емкостный характер и его амплитуда линейно зависит от разности потенциалов на структуре1

После прекращения перезарядки р+-п-перехода количество дырок, поступающих в базу локальной транзисторной структуры, резко сокращается и остается только поток ©фотодырок». Концентрация их в базе из-за рекомбинации резко сокращается и все большая часть коллекторного перехода выходит из насыщения, сопротивление растекания коллектора увеличивается, коллекторный ток снижается и площадь прямосмещенной части р -п-перехода уменьшается1

Если фототок настолько велик, что ток вдоль р+-п-перехода обеспечивает сохранение на нем прямосмещенного участка, то структура остается открытой1 В противном случае она переходит в закрытое состояние и весь процесс повторяется (автоколебательный режим).

Таким образом, в процессе развития импульса р+-п-переход проходит четыре состояния: с нулевым смещением, прямосмещенное, обратносмещенное и бисмещенное. Последнее обстоятельство послужило основанием для названия структуры и прибора1

Возможности практического применения БИСПИНов определяются их многофункциональностью, высокой чувствительностью по входу; большой амплитудой выходного сигнала; малыми темновыми токами; широким диапазоном перестройки; большой крутизной преобразования "аналоговый сигнал - частота следования импульсов"; наличием на выходе сигналов двух типов - релаксационного токового и пилообразного (напряжения); широким диапазоном напряжений питания; большим интервалом сопротивлении нагрузки1

Особого внимания заслуживает вопрос о применении БИСПИНов в датчиковых устройствах. Здесь возможны два направления:

• использование БИСПИНа, как датчика, например, светового потока, температуры, тока, напряжения и т1д1

• использование БИСПИНа в качестве преобразования "аналоговый сигнал - частота" для любых стандартных и выпускаемых промышленностью датчиков1

На рис. 2. приведены фотошаблоны для изготовления БИСПИН-прибора на основе пластин легированного бором кремния1

После процессов окисления, нанесения фоторезиста и сушки производится первая фотолитография областей разделения (рис121а)1 Затем следуют процессы травления окисла, снятия фоторезиста, химическая обработка и разделительная

4

высокотемпературная диффузия бора1 Новый технологический цикл процессов снятия окисла, химической обработки пластин, окисления и второй фотолитография(рис.2.б). Циклы травления окисла, снятие фоторезиста,химическая обработка позволяют подготовить пластину к проведению базовой диффузии бора1

База формируется размером 350х350 мкм., глубиной залегания 2,4 мкм.,и

18 _з

концентрацией примеси бора 10 см

Третья фотолитография проводится с целью формирования эммитеров в виде линейного и нелинейного контактов (рис.2.в) С этой целью проводятся операции травления окисла, снятия фоторезиста, химической обработки, а затем эмиттерная двухстадийная диффузия фосфора. Размер эмиттерных областей составляет 150х90 мкм., глубина залегания 1,1 мкм. и концентрация

2 0 _з

примесей 10 см .

Затем пластина готовится к процессам формирования контактных окон и с этой целью проводится четвертая фотолитография (рис.2.г). В очередном цикле технологических процессов предусмотрено травление окисла, снятие фоторезиста, химическая обработка перед процессом металлизации алюминием.

Пятая фотолитография проводится с целью формирования металлических контактов к линейному, нелинейному и базовому контактам (рис.2.д). После этого следуют циклы химической обработки, наконец, последняя шестая фотолитография (рис.2.е). Очередные циклы травления, снятия фоторезиста, химической обработки и термообработка при 300 градусах. После проверки ВАХ проводится термокомпрессионная обработка. Пластины отмываются, скрайбируются и развариваются в корпуса. Тестирование приборов проводится при напряжении икб >50 В, ибэ@20 В. Процессы травления алюминия, снятие фоторезиста, химическая обработка предваряют процесс вжигания алюминиевых токопроводящих дорожек. Контакты имеют размеры 50х100 мкм., их удельное сопротивление составляет 2 Ом/ .

На рис.2.ж представлены корпусированные БИСПИН-приборы, в центре которых просматриваются кристаллы.

На их основе созданы различные типы датчиков с частотным выходом: оптоэлектронные преобразователи, преобразователь типа аналоговый сигнал-количество импульсов, измеритель световых, магнитных потоков и т.п. [2,4].

Значительный интерес представляют датчики различных физических параметров, реализованные на БИСПИН- приборах. В этом случае резко повышается точность измерений, появляется возможность передачи данных по радиоканалу. На основе БИСПИН-приборов разработаны датчики для дистанционного контроля параметров среды в системах экологического мониторинга.

Рис 2. Комплект фотошаблонов для изготовления

БИСПИН-приборов

6

Рис 3. Схема датчика температуры на БИСПИН - приборе

На рис. 3 приведены температурно-частотные зависимости датчиков температуры на основе БИСПИН-приборов при различных значениях тока в подложку I и напряжение смещения 6,3 В.

Наблюдается линейность в диапазоне температур от -60 до +80 градусов. Оценки показывают, что в этом случае возможно получить точность измерения температуры порядка 10-3 градуса.

Частотный выход датчиков на основе БИСПИН-приборов позволил создать на их основе комплект интеллектуальных датчиков для экологического мониторинга [2,3,4].

Весьма плодотворной является идея интегрального исполнения БИСПИН-структур. В этом случае существенно расширяются размеры континуальной среды, увеличивается число динамических неоднородностей и появляется возможность расширить степень интеграции функций такого устройства

Частотный выход БИСПИН-структур позволяет на их основе реализовать передачу телеинформации по радиоканалу. На этом принципе были реализованны датчик магнитного поля, измеритель мощности световых потоков, датчик температуры с использованием термистора т др.

Значительный интерес представлял датчик прозрачности, который использовался для определения прозрачности или задымленности атмосферы, а также для определения замутнения морской воды и определения ряда ее физических параметров.

Рис 4. Блок-схема датчика прозрачности с передачей информации по радиоканалу

Датчик прозрачности на основе БИСПИН-фотоприемника (БСФ) на основе преобразователя освещенность-частота, блок-схема которого приведена на рис1 41а1 Падающий калиброванный световой поток от светодиода (СД) проходит через исследуемую среду1 Выходные уровни БСФ преобразуются в преобразователях уровня (ПУ) в импульсы строго калиброванной длительности. Эти импульсы попадают на схему совпадения (И), реализованную на КМОП легике. Одновременно на второй вход блока И поступают импульсы, формирующие временной интервал1 Эти импульсы генерируются задающим генератором (Г) реализованном на кварце и термостабилизированном1 Формирование временного интервала в виде пакета из двух импульсов обеспечивается блоком формирования интервалов (ФИ)1 Временная диаграмма работы устройства приведена на рис. 4.б.

С выхода логического блока И на модулятор М приходят сдвоенные пакеты импульсов А В сигналов, заполненные прямоугольными импульсами. Частота этих импульсов пропорциональна интенсивности светового потока1 именно этим сигналом осуществляется моделяция несущей частоты передатчика1 Приемное устройство индефицирует пакут А и направляет его на счетчик А, а пакет В соответственно на счетчик В1 Сигналы должны отвечать критериям отбора1 Длительность пачек А и В определяются заданной разрешающей способностью устройства.

При изменении частоты БСФ от 1 до 30 КГц и длительности интервалов А и В значением 1 секунда разрешающая способность достигает 30 000 точек отсчета1 Формирование временных интервалов А и В в передающем устройстве позволяет повысить кпд устройства, работающего в режиме отсечки и минимизировать величину потребляемой энергии от автономного источника поскольку энергия потребляется только в момент передачи сигналовА и В. Это является важным условием для датчиков, работающих в автономном режиме.

Генератор временных интервалов (Г) реализован на МОП ИС Д1 (К1766ИЕ5) и стабилизирован кварцем Х1с частотой 32768 КГц. Делением частоты кварца на 215 на выходе ИС можно получить меандровый сигнал с частотой 1Гц. Точная подстройка длительности временного интервала осуществляется конденсатором С3. В формирователе временных интервалов (ФИ) и блоке логики (И) используется десятиразрядный счетчик с дешифратором на КМОП (К176ИЕ8). Сигнал с выходов 1,3 поступает через схему Д4-1 (ИЛИ-НЕ) на вход схемы Д4-3 (ИЛИ-НЕ), в данном случае выполняющую функцию И для инверсных уровней. На другой вход ИС Д4-3 через инвертор Д4-2 поступает сигнал с ПУ. На выходе Д4-3 формируются инверсные пачки импульсов (рис. 4.в).

Преобразователь входных уровней (ПУ) обеспечивает формирование сигнала по длительности и его усиление. Входной каскад выполнен на двух

эмиттерных повторителях на транзисторах УТ1 ,УТ2. Особенность их включения таково, что входной сигнал поступает на резистор Я3 без измения постоянной составляющей и амплитуды. Различие входных характеристик комплементарных транзисторов компенсируется подключением дополнительных транзисторов УТ2 и УТ4. На транзисторах УТ5 и УГ6 реализованно токовое зеркало, подключенное к коллектору эмиттерного повторителя на транзисторе УТ3. Коэффициент усиления устанавливается путем выбора соотношения номиналов резисторов 53,56. Усиленный импульс поступает на триггер Шмидта, в котором формируется длительность импульса с помощью конденсатора С2. Импульс триггера Шмидта приводится в соответствие с логическими уровнями И0=0,4 и И1=4,2 с помощью токового зеркала УТ10 и УТ11. Выбором соотношения резисторов 511, 57 и 58 задается соотношение токов смещения генератора тока, соответствующих открытому и закрытому состоянию.

Модулятор (М) и передатчик (П) состоит из задающего кварцевого генератора, реализованного на транзисторе УТ12, в коллекторной цепи которого включен контур Ь1, настроенный на резонансную частоту кварца. Через катушки связи Ь2 сигнал поступает на двухтактный выходной каскад-усилитель высокой частоты. Сигнал с выхода УВЧ через контур связи Ь4 поступает на входную систему устройства. Триммер С12 обеспечивает подстройку резонансной частоты выходного контура, а триммер С16 обеспечивает согласование с антенной. Модулятор М реализован на на транзисторе УТ15, работающем в режиме отсечки. Модулятор управляет током, протекающем чарез УВЧ. Скорость нарастания сигнала ограничена параметрами элементов С14, С15, и Др2, обеспечивающими снижение проникновения ВЧ сигнала в логическую часть ИС. Для этих же целей служит дроссель Др1.

Следует заметить, что вся эта схема может быть реализованна в виде одной интегральной схемы. Одновременно можно разместить несколько датчиков для контроля нескольких физических величин. Реально встроить схемы автоматического переключения каналов, адаптации к изменению эксплуатационных условий, схем промежуточной обработки информации . Такие конструкции получили название интеллектуальные датчики (сенсоры).

ЛИТЕРАТУРА

1. Кнаб О.Д., Фролов В.Д. Эффект фотостимулированной генерации колебаний

тока в полупроводниковой структуре,- Письма в ЖЭТФД983. Т.38. Вып.5. С.244-246.

2. Булгаков С.С., Кнаб О.Д., Лысенко А.П., Мома Ю.А. БИСПИН новый прибор

микроэлектроники. Обзоры по электронной технике.- М.:ЦНИИ "Электроника", 1989. Сер.2. -Вып.6.(1563).-72с.

3. Щука А.А. Процессоры и ЗУ в функциональной электронике.- М.: ЦНИИ"

Электроника", 1992. - 73 с. -

4. Щука А. А. Функциональная электроника. Учебник -М.: МИРЭА 1998-260с.