Фотоприемник
PHOTODETECTOR

Изобретение относится к микроэлектронике, датчикам лучистой энергии, в которых изменение потока лучистой энергии преобразуется в изменение электрического тока. Изобретение может применяться в научной аппаратуре, устройствах автоматики, в приборах ночного видения, в устройствах наведения ракет и беспилотников.
Известно техническое решение с применением специальных фоточувствительных материалов, изменяющих свое электрическое сопротивление под действием потока лучистой энергии, например, конструкция которого включает активный элемент, который представляет собой монокристаллическую пластину моносульфида германия (GeS) с параллельными сторонами, подключенными к токоведущим проводам [1].
Также известны конструкции фотоприемника, использующие материалы, изменяющие сопротивление в результате нагревания их потоком лучистой энергии, например, фотоприемник включающий материал, поглощающий излучение, и, находящийся с ним в контакте сенсорный слой, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры [2].
Известно применение микромеханических систем, изменяющих взаимное расположение деталей под действием потока лучистой энергии, что изменяет электрическую емкость между ними и величину переменного тока, например, конструкция, которая включает в себя отклоняющуюся за счет поглощенного теплового излучения первую пластину, состоящую из двух материалов с большой разницей в коэффициентах теплового расширения, и неоткло-няемую вторую пластину, которые вместе образуют конденсатор [3].
Может применяться и внешний фотоэффект, например, в фотоумножителях, конструкция которых содержит вакуумную колбу с входным окном для приема светового потока и расположенные внутри колбы фотокатод и систему фокусирования фотоэлектронов с системой умножения вторичных электронов [4].
Или может применяться внутренний фотоэффект в полупроводниках, например, фотоприемник, использующий фотодиод для приема излучения [5].
Основным недостатком всех этих фотоприемников является их слабая защищенность от мощного оптического излучения, поскольку все они работают на принципе поглощения лучистой энергии. Мощное лазерное излучение, надолго ослепляет их или выводят из строя, они просто выгорают и перестают работать.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению техническим решением является устройство, ячейка которого содержит фоточувствительный элемент - фотодиод и связанный с ним воедино МДП транзистор, который служит нагрузкой и усилителем сигнала [6]. Его недостатком также является отсутствие защищенности от мощного оптического излучения.
Задачей данного изобретения является увеличение защищенности фотоприемника данного типа от мощного лазерного излучения, способного вывести его из строя.
Поставленная задача решается устройством, включающем фоточувствительный элемент и связанный с ним воедино МДП транзистор, и использующим в качестве фоточувствительного элемента зеркально полированную металлическую пластину с высоким коэффициентом отражения, имеющую узкий выступ внизу, контактная площадь которого с затвором МДП транзистора во много раз меньше площади пластины, а на затвор подается напряжение смещения, держащее транзистор в приоткрытом состоянии.
Отличительными признаками изобретения являются использование в качестве фоточувствительного элемента зеркально полированной пластины с высоким коэффициентом отражения и наличие узкого выступа на нижней стороне этой пластины, контактирующего с затвором МДП транзистора, площадь контактной поверхности которого многократно меньше площади пластины.
Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что благодаря использованию в качестве фоточувствительного элемента зеркально полированной пластины с высоким коэффициентом отражения основная часть мощного излучения отражается от фотоприемника, не нагревая его, что позволяет выдерживать более мощные потоки излучения. При этом отраженные фотоны тоже создают разность потенциалов на освещенной и теневой сторонах пластины. Узость выступа на теневой стороне пластины позволяет многократно повысить плотность зарядов на нем, что приводит к повышению потенциала на затворе полевого транзистора и увеличению чувствительности фотоприемника.
Устройство фотоприемника схематично показано на фиг.1, где 1 - металлическая фотоприемная пластина, являющаяся фоточувствительным элементом, 2 - диэлектрик, 3 - затвор МДП транзистора, 4 - сток МДП транзистора, 5 - подложка, 6 - подзатворный диэлектрик, 7 - исток МДП транзистора.
Работает фотоприемник следующим образом. При падении излучения на фотоприемную пластину в результате явления увлечения электронов фотонами благодаря полученному импульсу электроны немного удаляются от поверхности пластины вглубь металла, что приводит к появлению разности потенциалов на освещенной и неосвещенной сторонах пластины. На узком выступе на задней стороне пластины происходит концентрация зарядов, которая создает более сильное электрическое поле над затвором полевого транзистора, находящегося в приоткрытом состоянии за счет подачи на него внешнего смещения. При отсутствии излучения через транзистор протекает темновой ток, а при попадании светового потока на фотоприемную пластину ток через транзистор увеличивается. Благодаря полированной зеркальной поверхности пластины от нее отражается до 95% падающих фотонов, что существенно снижает нагрев пластины излучением. Кроме того, ток в цепи затвора не протекает, а мощность, получаемая от электрического поля для увеличения канала проводимости, ничтожна. Это и позволяет фотоприемнику выдерживать большие интенсивности излучения.
-13
Поскольку импульс электронам передают фотоны всех длин волн, такой фотоприемник является широкополосным. Кроме того, он обладает очень высоким быстродействием, время реакции на изменение освещенности менее 10 секунды.
2
В качестве примера конкретной реализации можно привести результаты испытаний данного фотоприемника на тестовом МДП транзисторе, располагаемом на межкристальной дорожке кремниевой пластины, на которой формируются интегральные микросхемы. При подаче напряжения питания на тестовый МДП транзистор ток через него не протекал, а когда контактная площадка, соединенная с затвором через узкие контактные окна, заполненные металлом, была освещена узким лучом лазера минимально возможной для него мощности, не выходящим за пределы площадки, транзистор открылся даже без предварительной подачи внешнего смещения. У данного транзистора контакт площадки с затвором осуществлялся через 9 контактных окон, заполненных металлом, общей площадью 30 мкм, что в 233 раза меньше площади контактной площадки. Причем транзистор открывался как при освещении голубым лучом, так и при освещении инфракрасным лучом. Увеличение интенсивности излучения до начала плавления алюминиевой контактной площадки (в режиме пережигания лазером алюминиевых проводников на кристаллах интегральных схем) к пробою транзистора не привело. Повторные включения лазера также вызывали его открывание.
Предложенная конструкция фотоприемника питается низковольтным напряжением, потребляет очень малую мощность, имеет практически мгновенное реагирование на изменение величины потока излучения, работает в широком диапазоне длин волн от ПК до УФ излучения, выдерживает мощное лазерное излучение. Чувствительность фотоприемника зависит от соотношения площадей фотоприемной пластины выступа на ней.
Источники информации:
1. Патент Украины №105856.
2. Патент Китая №207456611.
3. Патент США №5844238.
4. Патент РФ №2016119228.
5. Международный патент №2018047986.
6. Патент РФ №2045110 – прототип.