ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОРОГОВЫЙ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ФОТОПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к области электроники, оптоэлектроники, полупроводниковой техники, а именно к полупроводниковым координатно-чувствительным фотоприемникам.
Известны фоточувствительные приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением, имеющие S-образные выходные вольт амперные характеристики - фототитисторы (Полторапавлова Г.С. и Удалов Н.П. Фототиристоры. М., «Энергия», 1971. 104 с., Герлах В. Тиристоры. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.308-309.). Фототиристоры - это переключающие приборы, свойства которых зависят от интенсивности падающего на его фоточувствительную область оптического излучения. Фототиристоры имеют четырехслойную p-n-p-n-структуру и могут находиться в одном из двух устойчивых состояниях: закрытое состояние - соответствует низкому протекающему току через тиристор и высокому значению падения напряжения на нем; открытое состояние, соответствующее высокому значению протекающего через фототиристор тока и низкому значению падения напряжения на нем. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется скачком при достижении уровня тока срабатывания. Если к аноду приложено положительное (по отношению к катоду) напряжение, то в темновом режиме крайние переходы окажутся смещенными в прямом, а средний переход - в обратном направлении, и фототиристор будет находиться в закрытом состоянии. При освещении перехода в тонкой базе происходит генерация пар электрон-дырка, вызывая лавинообразное умножение носителей заряда с последующим включением фототиристора. Известные фототиристоры обладают существенным недостатком - параметры переключения зависят только от интенсивности падающего излучения и не зависят от его положения.
Известны также координатно-чувствительные полупроводниковые приборы - сканисторы (А.С. 197683, 1976, В.Ф.Золотарев Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. М.: Энергия. - 1972 - 216 с.), представляющие собой p-n-p- или n-p-n-структуры с тремя омическими контактами, два из которых расположены по краям верхнего фоточувствительного слоя, служащего эмиттером и одновременно делителем напряжения источника. Третий контакт является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника, служащей коллектором. При проецировании светового пучка на эмиттерную область сканистора создается рельеф возбужденных светом и разделенных р-n-переходом носителей тока. Считывание рельефа осуществляется приложением пилообразного напряжения между одним из контактов к фоточувствительной области и контактом к эквипотенциальной области. Однако сканистор не обладает участком отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике, что существенно сужает области его применения.
Известен двухполюсный полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью (Пат. РФ №2445725 от 7.10.2010). Фотоприемник представляет собой комбинированный прибор, реализованный на основе полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью и полупроводниковой структуры позиционно-чувствительного фотоприемника. Целью изобретения является увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью. Для увеличения протяженности области позиционной фоточувствительности дополнительно к полупроводниковому прибору с отрицательной дифференциальной проводимостью введена протяженная фоточувствительная полупроводниковая структура, имеющая верхнюю фоточувствительную область первого типа проводимости с первым и вторым контактами, расположенными по краям области, вторую, среднюю, область второго типа проводимости и третью, нижнюю, область первого типа проводимости с третьим контактом, соединенную таким образом, что первый контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с эмиттерным электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью, второй контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с коллекторным электродом, а третий контакт протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с базовым электродом прибора с отрицательной дифференциальной проводимостью.
Данный фотоприемник является наиболее близким к предлагаемому трехэлектродному пороговому координатно-чувствительному фотопереключателю с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Однако прототип является фотоприемником, у которого от координаты положения светового зонда зависит ток переключения. В предлагаемой же полезной модели от координаты положения светового зонда зависит напряжение переключения (пороговое напряжение). Кроме того, предлагаемый фотопереключатель в отличие от прототипа, обладает третьим электродом, позволяющим, посредством изменения напряжения на нем, регулировать ток управления прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением в составе фотопереключателя.
Цель полезной модели заключается в создании электрически управляемого трехэлектродного порогового координатно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Технический результат: реализация координатной чувствительности фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением, повышение функциональности за счет реализации дополнительного гальванического управления током переключения.
Технический результат достигается за счет того, что фотопереключатель содержит соединенные между собой полупроводниковый прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением, имеющий анодный, катодный и управляющий электроды и протяженную фоточувствительную полупроводниковую структура, имеющую последовательно расположенные фоточувствительную область первого типа проводимости с первым и вторым контактами, размещенными по краям области, вторую область второго типа проводимости и третью область первого типа проводимости с третьим контактом, причем первый контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен с катодным электродом прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением и образует первый электрод трехэлектродного порогового координатно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением, второй контакт к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры образует второй электрод трехэлектродного порогового координатно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением, третий контакт протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры соединен через токоограничивающий резистор с управляющим электродом прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а анодный электрод полупроводникового прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением образует третий электрод трехэлектродного порогового координатно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением благодаря наличию у них внутренней положительной обратной связи являются элементарными функциональными устройствами. Ключевой режим работы и возможность управления параметрами таких приборов с помощью оптического и полевого воздействий позволяют использовать их в различных системах электроники, мехатроники, микросистемной техники и автоматики в качестве коммутаторов исполнительных механизмов (двигатели, постоянные электромагниты, реле и др.) с источниками энергии.
Первоначальными датчиками и преобразователями физических величин в электрический сигнал в таких системах могут выступать фотодатчики, координатные фотоприемники, датчики Холла, емкостные датчики и т.п. Для обработки сигналов, получаемых с датчиков, используется сложная аппаратура, массо-габаритные показатели которой значительно превышают массогабаритные показатели датчиков и коммутирующих элементов. При этом современная конструктивная и технологическая организация нано- и микросистемной техники требует упрощения конструкции, а также повышения интеллектуальности систем обработки сигналов. Удовлетворение этих требований возможно за счет объединения свойств ключевого элемента и датчика в одном многослойном полупроводниковом приборе.
Создание координатно-чувствительного фотопереключателя возможно при совмещении традиционной четырехслойной полупроводниковой тиристорной структуры с полупроводниковым фотоприемником, обладающим координатной фоточувствительностью. На выходе координатно-чувствительного фотоприемника (КЧФ) в зависимости от координаты светового луча x формируется управляющий сигнал, который деформирует вольт-амперную характеристику тиристора таким образом, что различным положениям светового зонда на поверхности КЧФ соответствуют разные напряжения включения.
В качестве координатно-чувствительного фотоприемника можно использовать трехслойную полупроводниковую структуру, представляющую собой пластину кремния n-типа, на противоположных гранях которой диффузионными методами созданы p-области. Схематично устройство КЧФ показано на фиг.1. Верхний p-слой выполняет роль эмиттера и является достаточно тонким, чтобы сфокусированный на поверхности световой пучок генерировал неравновесные носители в области верхнего p-n-перехода. На краях эмиттера созданы металлизированные площадки контактов 1 и 2. Нижняя p-область является эквипотенциальным коллектором и покрыта сплошным слоем металлизации. Между эмиттерными контактами 1 и 2 прикладывается постоянное напряжение питания КЧФ, равномерно распределяющееся по длине всего эмиттера. При отсутствии освещения потенциал на коллекторе 3 равен нулю, так как сопротивление двух встречно-включенных p-n-переходов очень велико. При освещении световым зондом ограниченного участка поверхности эмиттерного слоя с координатой x поперечное сопротивление структуры в этом месте существенно уменьшается и часть напряжения питания, пропорционального координате, снимается с обратной стороны полупроводниковой пластины коллекторным контактом. Этот сигнал можно использовать в качестве управляющего для других элементов схемы.
1
2
3
Предлагаемый трехэлектродный пороговый координатно-чувствительный фотопереключатель с отрицательным дифференциальным сопротивлением, содержит соединенные между собой полупроводниковый прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением, имеющий анодный А, катодный К и управляющий электроды У (фиг.1) и протяженную фоточувствительную полупроводниковую структура, имеющую последовательно расположенные фоточувствительную область первого типа проводимости с первым 1 и вторым 2 контактами, размещенными по краям области, вторую область второго типа проводимости и третью область первого типа проводимости с третьим контактом 3. Фотопереключатель образован соединением первого контакт 1 к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры с катодным электродом прибора К с отрицательным дифференциальным сопротивлением, образующим первый электрод Э трехэлектродного порогового позиционно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением, вторым контактом 2 к фоточувствительной области протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры образующим второй электрод Э трехэлектродного порогового позиционно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением, соединением третьего контакта 3 протяженной фоточувствительной полупроводниковой структуры через токоограничивающий резистор R с управляющим электродом У прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением и анодным электродом А полупроводникового прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением, образующим третий электрод Э трехэлектродного порогового позиционно-чувствительного фотопереключателя с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
В таком фотопереключателе значение напряжения переключения прибора с отрицательным дифференциальным сопротивлением зависит от координаты положения светового зонда на поверхности КЧФ.
Для исследований был изготовлен координатно-чувствительный фотоприемник со следующими параметрами: толщины слоев (слева направо) 50, 180, 50 мкм; длина фоточувствительной области 32 мм, ширина 1,5 мм. Источником света в эксперименте служил лазерный диод ИЛПН-203 с длиной волны 845 нм, рабочий ток 120 мА; диод создавал пятно диаметром ~2 мм. В качестве порогового прибора использовался кристалл тиристора, входящего в состав гибридного порогового тиристора 2У106, для управления которого достаточно тока, протекающего через 3 электрод КЧФ.
2
вкл
Экспериментальная зависимости тока управления от координаты светового зонда при напряжении на Э 10 В, и зависимость напряжения переключения U(x) представлены на фиг.3.
вкл
упр
вкл
Как следует из фиг.2, напряжение включения практически не изменяется до некоторого значения координаты x светового зонда, но при дальнейшем увеличении координаты резко уменьшается, т.е. тиристор и при управлении сигналом с КЧФ обладает пороговым характером срабатывания. При напряжении питания КЧФ 10 В падение напряжения включения с 186 до 30 В происходит при перемещении зонда на 6 мм. Аналогичный характер зависимости U(x) сохраняется и при других значениях напряжения питания КЧФ. Следует отметить, что увеличение напряжения питания КЧФ приводит к увеличению угла наклона прямой I(x), т.е. возрастание тока управления с изменением координаты светового зонда x происходит быстрее, и поэтому падение напряжения включения будет происходить при меньших изменениях координаты, вырастет «скорость» включения dU/dx.
Таким образом показано, что использование трехслойной полупроводниковой структуры в качестве координатно-чувствительного фотоприемника совместно с тиристором позволяет построить прибор, пороговые свойства которого определяются координатой светового зонда. Реализация такого прибора приведет к существенному снижению массогабаритных показателей систем управления в устройствах автоматики и микросистемной техники.