Способ регистрации световых импульсов

 

1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ с использованием, полупроводниковых элементов с внутренним усилением выходного сигнала на основе МДП-структур, работающих в режиме лавинного пробоя полупроводника, о тличающийся тем, что, с целью его упрощения при одновременном обеспечении возможности регистрацииимпульсов света с энергией менее 10'^^ Дж, используют структуры с ДИ-* электриком, сопротивление которого не менее 10 Ом/см"^, и подают на • структуры импульсное напряжение с длительностью импульса меньше времени образования слоя неосновных носителей в полупроводнике.2.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения стабильности усиления, подают импульсное напряжение,с крутизной не менее jl'O'3.Способ попп. 1и2, отличающийся тем, что, с целью упрощения последующей обработки выходного сигнала, на структуру подают импульс напряжения, амплитуда переднего фронта которого равна напряжению лавинного пробоя ВДП-структуры,с линейно нарастающей вершиной.нарастающее >&^ В/с.i

00103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А (5D4 Н 01 Т 31 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTQPGHQMV СВРЩЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬП ИЙ (21) 2434401/18-25 (22) 10.01.77 (46) 23.09.87. Бюл. № 35 (71) Физический институт им. П.Н. Лебедева (72) Н.И. Гольбрайх, А.Б. Кравченко, А.Ф. Плотников и В.3. Шубин (53) 621.382(088.8) (56) Патент Великобритании № 1175404, кл. Н 01 К, опублик. 1969.

Journal of Appl. Phys. 44, ¹ 2, 1973, с. 728. (54)(57) 1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ CBETOBbIX ИМПУЛЬСОВ с использованием. полупроводниковых элементов с внутренним усилением выходного сигнала на основе МДП-структур, работающих в режиме лавинного пробоя полупроводника, о тл и ч а ю шийся тем, что, с. целью его упрощения при одновременном обеспечении возможности регистрации импульсов света с энергией менее

10 Дж, используют структуры с ди электриком, сопротивление которого не менее 10 Ом/см, и подают на 7 z структуры импульсное напряжение с длительностью импульса меньше времени образования слоя неосновных носителей в полупроводнике.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения стабильности усиления, подают импульсное напряжение, нарастающее

4 с крутизной не менее,! 0 В/с.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения последующей обработки выходного сигнала, на структуру подают импульс напряжения, амплитуда переднего фронта которого равна напряжению лавинного пробоя МДП-структуры, с линейно нарастающей вершиной.

1 - 60838 З 2

Изобретение относится к полупро- малого сопротивления диэлектрика на водниковой технике, а именно к спо- копления носителей на границе раздела собам регистрации световых импульсов диэлектрик-полупроводник не происхос помощью полупроводниковых устройств дит, и через структуру течет сквоз5 с внутренним усилением, и может быть ной ток. Выходной электрический сигиспользовано в оптоэлектронике, сис- нал измеряется на сопротивлении, темах оптической связи и в лаборатор- включенном последовательно с МДПных исследованиях для регистрации, структурой. световых импульсов и преобразования 0 Недостатки известного технического изображений. решения состоят в следующем. ПротекаИзвестны технические решения, по- ние через структуру значительного зволящие осуществлять фоторегистра- сквозного тока приводит к появлению цию при помощи структуры металл-ди- дробовых токовых шумов, снижающих электрик-полупроводник (МДП), рабо- 15 пороговую чувствительность устройства тающий в режиме инициируемого светом при работе с коэффициентом внутреннелавинного пробоя, т.е; пробоя проте- го усиления более 20. Вследствие огкающего в приповерхностной области раничения коэффициента усиления при полупроводника. регистрации мальгх световых сигналов

К структуре прикладывается напря- возникает необходимость в дополнительжение равное напряжению пробоя. Па- ных усилительных каскадах электричесЭ дающий свет инциирует лавинный пробой кого сигнала, что .ведет к существенв структуре, что вызывает осцилляции ; ному усложнению и удорожанию фотов электрической цепи. Указанным обра- регистрирующего устройства. Кроме тозом осуществляется обнаружение света 25 го, создание на основании известного малой интенсивности, однако проблема технического решения многоэлементного преобразования светового сигнала в фотоприемника с внутренним усилением

t электрический сигнал соответствующей для преобразования изображении связаформы не решается, что резко сужает но со значительными усложнениями, область применения изобретения, по- 0 так как даже незначительная неоднозволяя его использовать лишь в роли родность толщины низкоомного слоя обнаружительного элемента. кремния от элемента к элементу при-, водит к различным величинаМ напряже-.

Известен также способ регистрации б, . требуется ния лавинного пробоя, т.е. тре уется световых импульсов с использованием ения для отдельный источник напряжения я полупроводниковых элементов с в утренним усилением выходного сигнала очень сложно реализовать технически случае линеек и матриц с 60JIbmHM в режиме лавинного пробоя полупроводколичеством элементов, ника.

МДП-структура состоит из слоя по- 4О Целью изобретения является упролупрозрачного золота, слоя двуокиси щение способа. фоторегистрации при одо кр м е ния толщиной 300 А сопротивле- новременном обеспечении возможности

Ф 2 ние которого не более, чем 10 Ом/см регистрации импульсов света с энери кремния с концентрацией носителей гией менее 10-15 дкс. Возможная реа10 см, причем с целью повышения 45 лизация многоэлементного фоторегистстабильности усиления выходного сиг- рирующего устройства,,с внутренним нала, приповерхностный слой кремния . усилением выходного сигнала, упродополнительно легирован до концентра- щенной конструкции. ций 10 -18 см . Для создания в Указанная цель достигается тем, полупроводнике области лавинного ум- 5g что используют структуры с диэлектножения носителей тока ИДП-структура риком, сопротивление которого не меподключается к источнику постоянного нее 10 Ом/см и подают на структуры напряжения. Освещение структуры све- импульсное напряжение с длительностью том из области собственного погло- импульса меньше времени образования щения кремния приводит к генерации 55 слоя неосновных носителеи в полупрофотоносителей, которые ускоряясь в воднике. электрическом поле в приповерхност- . Для повышения стабилизации усиленой области кремния умножаются вслед- ния подают импульсное напряжение, ствие ударной ионизации. Вследствие нарастающее с крутизной не менее

608383

10 B c. упрощение последующей обра- основных носителей тока у поверхносботки выходного электрического сигна- ти полупроводника (для кремния при ла достигается использованием импуль- комнатной температуре это время соссов питания специальной формы, а 5 тавляет !00 мс). При напряжении питаименно амплитуда переднего фронта его ния, соответствующем напряжению ларавна напряжению лавинного пробоя винного пробоя ЬЩП-структуры напряМДП-структуры с линейной нарастаюженность электрического поля в припощей вершиной. верхностной области полупроводника

На чертеже представлено устройство 10 достаточна для возникновения процесдля реализации предложенного способа, са ударной ионизации, что позволяет где 1 — МДП-структура, 2-сопротивле- осуществить фоторегистрацию светового ние нагрузки, 3-импульсный источник импульса с усилением. Могут быть иснапряжения, 4 — линия задержки, 5 — пользованы 1ЩП-структуры 1, изготовзадающий импульсный генератор, вклю- 15 ленные на основе кремния типа КДБ чающий источник света, 6 — импульсный (кремний дырочный, легированный боисточник света, 7 — фокусирующая сис- ром), концентрация носителей в кото16 тема. ром варьируется в пределах 10 (5 9.

МДП-структура 1, выполняющая функ- 10 1/см ; в качестве диэлектрика цию светочувствительного элемента, 20 двуокись кремния SiO толщиной о z изготавливается на основе полупровод- 1000 А, при этом его сопротивление т 2 ника с концентрацией носителей тока, составляет 10 Ом/см и выше и при которой наблюдается лавинный про- металлические электроды из никеля. бой в МДП-структуре. Диапазон концен- Для таких структур диапазон напряжетраций ограничен со стороны меньших 25 ний лавинного пробоя составлял 10значений величиной, начиная с которой 100 В. Регистрируемый световой имлавинный пробой становится неодно- пульс от источника 6, включаемого родным, сосредотачиваясь по перимет- запускающим импульсным генератором 5, ру МДП-структуры, наибольшее значение через оптическую систему 7 попадает концентрации определяется величиной, 3(j на МДП-структуру в момент времени на!иная с которой развивается про- действия импульса напряжения. Для цесс прямого туннелирования носителей этого запускающий генератор 5 включачерез запрещенную зону (пробой Зипе- ется синхроимпульсом от импульсного ра) к границе раздела диэлектрик-по- источника напряжения 3, задержанным лупроводник. Материал диэлектрика и 35 линией задержки 4. Свет, прошедший его толщина подбираются такими, чтобы через полупроводниковый слой металла сопротивление диэлектрика на единицу и слой диэлектрика, поглощается в площади было не менее 10 Ом/см . приповерхностной области полупроводПри этом сквозной ток через диэлект- ника. Образующиеся электронно-дырочрик блокируется, и носители, рождае- 40 ные пары ускоряются в приповерхностмые в процессе лавинной йонизации, нам поле до энергии, достаточной для накапливаются на границе диэлектри- ударной ионизации атомов полупроводка. На диэлектрик напыляется полупро- ника, вследствие чего происходит умзрачный металлический электрод. В .". ножение числа фотоносителей. Выходной

В случае многоэлементного фотоприемни- 45 электрический сигнал, в общем слука напыляется соответствующая матри- чае представляющий собой сумму фотоца или линейка независимых электротока и темнового тока снимается с дов и система токоподводящих шин сопротивления нагрузки 2 и воспроизи контактных площадок. Последователь- водится на осциллографе, либо подаетно со структурой включается нагрузоч- 50 ся на вход соответствующей электриное сопротивление 2 и источник пита- ческой схемы для дальнейшей обработния 3. Источник 3 подает на МДП- ки. При необходимости фототок может структуру 1 импульс напряжения, по-. быть отделен от темнового тока путем лярность которого выбирается такой, вычитания последнего из суммарного

Л чтобы создать у,поверхности полупро- 55 сигнала. Для повышения стабильности водника область, обедненную основны- усиления выходного сигнала импульсми носителями тока, Длительность ное питание делается нарастающим. импульса выбирается меньшей, чем вре- Стабильность объясняется тем, что мя установления равновесного слоя не- при нарастающем напряжении питания

608383 6 лавинного пробоя, а затем линейно .нарастает с крутизной не менее

10 В/с. При такой форме импульса пи5 тания время установления усилительного режима фотоприемника сводится к минимуму, и упрощается дальнейшая обработка усиленного фотосигнала, поскольку постоянной величине крутизны соответствует постоянная величина выходного темнового тока.. В результате выходной сигнал представляет собой сумму фотосигнала и некоторой е. постоянной составляющей. В этом слу15 чае фотосигнал может быть выделен м с помощью порогового устройства.

Составитель Г. Корнилов

Редактор С. Титова Техред M.Äèäûê Корректор С. Шекмар

Заказ 4358 Тираж 697 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лавинный процесс в МДП-структуре 1 принимает устойчивый самостабилизированный характер. Увеличение прило женного напряжения ведет к увеличе нию напряженности поля в полупровод нике, вследствие чего увеличивается коэффициент умножения носителей, однако отсутствие сквозного тока че рез диэлектрик приводит к накоплению

У на границе диэлектрика неосновных носителей, которые экранируют внешнее поле и снижают напряженность электрического поля в полупроводник

В результате наличия этих двух конкурирующих процессов при нарастающе напряжении питания устанавливается постоянная напряженность поля, обеспечивающая постоянство коэффициента усиления фототока в пределах нескольких вольт. Поскольку при устойчивом лавинном приборе в МДП-структуре 1 величина коэффициента умножения носителей пропорциональна величине выходного тока, а ток, в свою очередь, пропорционален крутизне. приложенного напряжения, то для получения коэффициента усиления фотосигнала не менее тысячи крутизна должна быть не менее

10 В/с.

Поскольку при напряжении питания, меньшим напряжения пробоя, приемник работает практически без усиления, целесообразно подавать на МДП-структуру 1 импульсное напряжение, которое скачком достигает величины напряжения

Предложенный способ фоторегистрации с чувствительным элементом на ос20 нове структуры никель-двуокись кремния-кремний имеет пороговую чувствительность, превышающую чувствительность других способов, и соответству е ет, уровню 10 -10 Дж при отношении сигнал-шум равным нескольким единицам. При этом коэффициент внутреннего усиления равен нескольким тысячам, что позволяет исключить из фоторегистрирующего устройства электронный предусилитель и наблюдать фототок непосредственно на осциллографе при световых сигналах, соответствующих указанной пороговой чувствительности, а стабильность усиления

З выходного сигнала по питающему напряжению в пределах нескольких вольт.