Д.т.н., Осадчук В.С., д.т.н., Осадчук О.В., Ільченко О.М., Барабан С.В.

Вінницький національний технічний університет, Україна

АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ РЕАЛІЗАЦІЙ ФОТОЧУТЛИВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Широке застосування мікроелектроніки при створенні засобів обчислювальної техніки, контрольно-вимірювальних систем, систем автоматизації засноване на перевагах масового виробництва економічних високоефективних твердотільних структур, для якого характерні такі можливості, як групові методи виробництва елементів, малі розміри елементів, можливість інтеграції на одному кристалі різних елементів і схем, високий рівень надійності виробів і їх стійкість до зовнішніх впливів, низька вартість виробів, можливість створення виробів на нових фізичний принципах. Незважаючи на те, що в даний час відоме широке коло твердотільних структур, їх використання в сучасних пристроях функціональної електроніки і мікроелектронних сенсорах стримується традиційними технічними рішеннями, які багато в чому вичерпали свої можливості. Тому дослідження проводяться в напрямку розширення можливостей елементної бази на основі нових фізичних принципів і конструктивно-технологічних рішень.

На теперішній час серед первинних перетворювачів різного типу особливе місце у вимірювальній техніці займають сенсори оптичного випромінювання (оптичної потужності). Необхідність контролю оптичного випромінювання у промисловості, а також у побуті робить актуальною проблему розроблення і дослідження сенсорів оптичного випромінювання різних типів, принцип дії яких базується на зміні електрофізичних параметрів [1].

Сучасний рівень розвитку інформаційно-вимірювальної техніки характеризується великою різноманітністю методів перетворення оптичного випромінювання в електричний сигнал. Представлення вимірювальної інформації в аналоговій формі струму чи напруги призводить до необхідності використання аналого-цифрових перетворювачів, вартість яких при високих вимогах точності може бути порівняна з вартістю мікро-ЕОМ. Крім того, аналого-цифрові перетворювачі потребують додаткових затрат, пов’язаних із забезпеченням завадостійкості системи. Це створює ряд обмежень по застосуванню традиційних вимірювальних перетворювачів сумісно з цифровими засобами обробки інформації [2].

Використання частотного сигналу в якості інформативного параметра первинних вимірювальних перетворювачів характеризується високою завадостійкістю передачі, простотою і значною точністю перетворення в цифровий код, а також зручністю комутації в багатоканальних вимірювальних системах. Розповсюджені частотні датчики фізичних величин, робота яких заснована на використанні електромагнітних резонансних ланцюгів, несумісні з груповою інтегральною технологією, в результаті чого по ряду показників вони поступаються мікроелектронним перетворювачам, які в свою чергу володіють високою надійністю за рахунок скорочення числа міжз'єднань, малими габаритами і масою, можливістю розміщення чутливого елемента і схеми обробки інформації на одному кристалі, взаємозамінністю і низькою вартістю [3].

На сьогоднішній день розроблено цілий ряд перетворювачів оптичного випромінювання, заснованих на використанні реактивних властивостей напівпровідникових структур [4]. Розглянемо резонаторні перетворювачі з електромагнітним резонатором з зосередженими параметрами, який являє собою LC-контур, власна частота якого може бути змінена шляхом впливу на ємність або індуктивність оптичного випромінювання.

Так, в автогенераторах знайшли широке використання напівпровідникові нелінійні ємності, в яких використовується залежність бар’єрної ємності від зміщення на p-n переході [5]. Доцільність використання таких пристроїв для реєстрації оптичного випромінювання обумовлена високою завадостійкістю і чутливістю перетворення оптичного випромінювання в частоту.

Переналаштування частоти генератора, в яких використовуються варикапи, здійснюється подачею постійної запираючої напруги через кола зміщення. Переналаштування таких генераторів можна здійснювати, змінюючи параметри середовища. При зміні температури, освітленості, вологості навколишнього середовища змінюється ємність варикапа. З врахуванням цих властивостей р-п переходу розроблено прилад для вимірювання теплового і оптичного випромінювання [6]. В наведеному приладі застосовувалась трьохшарова структура p-n-p типу, яка вмикалась в коливальний контур генератора, під дією теплового або оптичного випромінювання змінювалась резонансна частота генератора.

Також розроблено твердотільні фоточутливі генератори, які працюють на основі лавинного помноження носіїв заряду в області p-n переходу [7]. Зміна величини реактивного опору еквівалентної схеми, під дією оптичного випромінювання, призводить до зміни власної резонансної частоти контура.

Існує багато модифікацій вимірювальних генераторів на основі лавинних фотодіодів і транзисторів [8]. В лавинних фотодіодах досягається підсилення первинного фотоструму за рахунок лавинного помноження числа носіїв заряду. Якщо носії електричних зарядів володіють досить великою кінетичною енергією, то при непружньому ударі з нейтральними атомами кристалічної решітки відбувається іонізація атомів, виникають пари електрон-дірка. При збільшенні напруги змінюється ємність лавинного фотодіода, що призводить до зміни частоти генератора.

Використанню фотореактивних властивостей напівпровідникових приладів з від’ємним диференційним опором в якості частотних вимірювальних перетворювачів оптичного випромінювання присвячено цілий ряд публікацій [9]. Особливий інтерес складає фоточутливий генератор на основі одноперехідного транзистора, оскільки він здатний виконувати функції датчика потужності світлового потоку і координати світлового променя, а також можливий режим порогової реєстрації оптичного випромінювання.

Переваги фотоємнісних датчиків оптичного випромінювання на основі МДН-структур в порівнянні з традиційними фоторезисторними і p-i-n фотодіодами (в першу чергу по рівню власних шумів і технології виготовлення) викладені в ряді робіт. Зокрема описані вимірювальні перетворювачі з використанням фотореактивних властивостей МДН-структур [10]. Для переналаштування автоколивальних систем, реалізованих на МДН-структурах, використовується фотоємність затвор-канал, яка володіє високою добротністю, але невеликим діапазоном зміни.

Насьогодні розроблено і досліджено оптично переналаштовуваний генератор на основі індуктивного ефекту в напівпровідникових приладах [11]. Робота такого датчика заснована на зміні реактивної складової повного вхідного опору структури від інтенсивності світлового потоку, що призводить до зміни резонансної частоти генератора. Особливий інтерес викликають перетворювачі, побудовані на базі генератора з коливальним контуром на активних напівпровідникових елементах.

Оптичні перетворювачі на основі напівпровідникових структур з від’ємним диференційним опором можна розділити на дві групи фоточутливих приладів, в яких наявність від’ємного опору обумовлена внутрішніми фізичними процесами, що відбуваються в напівпровідниках, або дією зовнішніх додатних зворотних зв’язків або, іншими словами, схемотехнічний спосіб реалізації.

Фоточутливі прилади з від’ємним диференційним опором також діляться по виду вольт-амперної характеристики, а саме: S-типу, N-типу, -типу [12].

Різноманітність опублікованих робіт по питанням застосування реактивних властивостей напівпровідникових структур в первинних вимірювальних перетворювачах свідчить про безсумнівну переспективність частотних перетворювачів потужності оптичного випромінювання і інших неелектричних величин на їх основі, які відрізняються високими метрологічними показниками і технологічною сумісністю з мікроелектронними пристроями обробки вимірювальної інформації.

Напівпровідникові перетворювачі типу “потужність оптичного випромінювання – частота” внаслідок їх ефективного застосування не лише в якості датчиків освітленості, але і як пристроїв вторинного перетворення інформативного сигналу в амплітудних волоконо-оптичних вимірювальних перетворювачах, дозволяє вирішувати проблеми сумісництва з системами цифрової обробки сигналів.

Транзисторні структури, які мають від’ємний диференційний опір, можна використати в якості первинних перетворювачів оптичного випромінювання. Використання від’ємного опору і реактивних властивостей напівпровідникових приладів дає змогу підвищити чутливість і точність виміру оптичних сигналів завдяки перетворенню їх в частоту.

В якості фоточутливих елементів в оптичних перетворювачах застосовуються фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори. Загальні вимоги, що пред’являються до фоточутливих елементів – це висока спектральна чутливість, висока швидкодія і ККД, велике відношення сигнал/шум. Подальше підвищення чутливості, розширення робочого діапазону частот перетворювача можливе за умови використання фототранзисторів в якості фоточутливих елементів. Коефіцієнт підсилення фототранзистора лежить в межах 50…200, що забезпечує значно більшу його чутливість, ніж у фотодіода. Також фототранзистори мають схематичну гнучкість, повну електричну і технологічну сумісність з інтегральними схемами, а також помітну інерційність. Час їх переключення становить с.

Найбільш суттєві результати у вирішені проблеми створення оптичної обробки інформації досягнуті з використанням фоточутливих структур метал-діелектрик-напівпровідник [13].

МДН-фототранзистор розроблений для рішення прикладних задач інтегральної фотоелектроніки і фотосенсорики [14].

Відомі МДН-фототранзистори (МДНФТ) з напівпрозорим електродом, через який освітлюється підзатворна область. Наявні в літературі матеріали вказують на значну залежність спектральної чутливості МДНФТ від матеріалу затвора , що обмежує їхню область застосування. Відомо також, що електрод затвора тонкоплівкового МДНФТ можна виконувати непрозорим, а освітлення робити через підкладку. До недоліків таких приладів відносяться невисока фоточутливість і ускладнена технологія [15].

З метою розширення функціональних можливостей, у пропонованій конструкції МДНФТ, що містить підкладку з n-Si ( ) 1, з непрозорим затворним електродом з А1 2, зі зворотної сторони підкладки під областю каналу виконані глибокі пази, площа перерізу кожного з яких А задовольняє наступному співвідношенню: А < S/n, де S - площа каналу, n - число пазів. При цьому глибина пазів повинна бути такою, щоб виконувалася умова , де а - коефіцієнт поглинання, d - товщина пластини між дном паза і діелектрика затвора [16] (рис. 1).

Рисунок 1 – Конструкція МДН-фототранзистора з непрозорим затвором

Вперше аналогічний спосіб освітлення був використаний у формувачах відеосигналів на основі ПЗЗ [17]. Прилади мали двократний виграш по квантовій ефективності і стабільні характеристики в діапазоні 0,22 2,5 мкм.

Існують різні модифікації МДНФТ, представлені на рис. 2, а) – д) [18]:

а) б)

в) г)

д)

Рисунок 2 – Основні конструктивно-технологічні різновиди МДН-фототранзисторів: а) МДНФТ з двохстороннім освітленням; б) топологія МДНФТ з витоком – фотодіодом: 1 – витік, 2 – затвор, 3 – стік, 4 – підкладка n-типу, 5 – паз; в) V-МОН-фототранзистор; г) МДНФТ з пазами під областями стоку, витоку, затвора; д) МДНФТ на діелектричній підкладці: 1 – діелектрична підкладка [18]

МДН-фототранзистори використовуються в якості фоточутливого елемента в різних мікроелектронних частотних сенсорах оптичного випромінювання для підвищення чутливості, точності і розширення границь вимірювання. Так, мікроелектронний вимірювач оптичної потужності (рис. 3) містить в якості фоточутливого елемента МДН-фототранзистор з непрозорим затворним електродом із Al, у якого зі зворотньої сторони підкладки під областю каналу виконані глибокі пази, площа перерізу кожного з яких А задовільняє наступне співвідношення: , де S – площа канала, n – число пазів.

Рисунок 3 – Мікроелектронний вимірювач оптичної потужності

Пристрій складається з джерела постійної напруги 1, МДН-фототранзистора з непрозорим затворним електродом із Al 2, біполярний транзистора 3, пасивної індуктивності 4. Конденсатор 5 підключений паралельно другому джерелу постійної напруги 6. Вихід пристрою утворений базою біполярного транзистора 3 і загальною шиною.

Мікроелектронний вимірювач оптичної потужності працює таким чином. В початковий момент часу оптичне випромінювання не діє на МДН-фототранзистор 2. Підвищенням напруги джерела постійної напруги 1 і джерела постійної напруги 6 до величини, коли на електродах стоку МДН-фототранзистора 2 і колектора біполярного транзистора 3 виникає від’ємний опір, який приводить до виникнення електричних коливань в контурі, який утворений послідовним включенням повного опору з ємнісним характером на електродах стік – колектор МДН-фототранзистора 2 і біполярного транзистора 3 та індуктивним опором пасивної індуктивності 4. Конденсатор 5 запобігає проходженню змінного струму через джерело постійної напруги 6. При наступній дії оптичного випромінювання на МДН-фототранзистор 2 змінюється ємнісна складова повного опору на електродах колектор-стік біполярного транзистора 3 і МДН-фототранзистора 2, а це викликає ефективну зміну резонансної частоти коливального контуру. [19]

Одним із перспективних напрямків створення фоточутливих перетворювачів є застосування реактивних властивостей транзисторних фоточутливих структур з від’ємним опором, що дає можливість підвищити точність перетворення “оптичний сигнал - частота” і підвищити економічні показники таких пристроїв.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 255 с.

2. Агейкин Д.И., Тухачев Д.С. датчики на основе технологии микроэлектроники//Приборы и сист. управления, 1983. –№10. – С. 43 – 44.

3. Викулин И.М., Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 128 с.

4. Одобецкий С.И., Осадчук В.С. Современное состояние и перспективы развития полупроводниковых частотных датчиков неэлектрических величин. Часть 2/Винница: Винницкий политехнический институт, 1988. – 22 с.

5. Колобутин В.К. Колебательный контур с нелинейной емкостью – М.: Энергия, 1984. – 96 с.

6. Гольдман В.С. Индуктивно-частотные преобразователи неэлектрических величин – М.: Энергия, 1968. – 96 с.

7. Алимпиев В.Н., Баранов Л.И. Об индуктивных свойствах квазимонополярных полупроводников// Радиотехника и электроника. – 1973. – т.18, №12. – 256 с.

8. Носов Ю.Р. Фотоприемники в оптоэлектронике – М.: ЦНИИ “Электроника”, 1986. – С. 24 – 42.

9. Викулин И.М. и др. Фотоприемники на однопереходном транзисторе// Приборы и техн. эксперимента. – 1973. – №3. – С. 7 – 20.

10. Одобецкий С.И. Измерительные преобразователи оптического излучения и температуры на основе реактивных свойств полупроводниковых структур// Автореферат диссертации. – Винница, 1989.

11. Осадчук В.С., Яремчук В.Ф. Микроэлектронные датчики температуры. Электронная техника. – М.: ЦННИ “Электроника”, 1991.

12. Гасанов Л.С. Размерное отрицательное дифференциальное сопротивление p-i-n структур. Электронная техника. – М.: ЦНИИ “Электроника”, 1981. С. 11 – 17.

13. Ковтонюк Н.Ф., Сальников Е.Н. Фоточувствительные МДП-приборы для преобразования изображения. – М.: Радио и связь, 1990, 160 с.

14. Костенко В.Л., Киселев Е.Н. МДП-фототранзистор с непрозрачным затвором// Тез. докл. VI Междунар. н.-т. конф.: Волоконно-оптические линии связи и системы передачи информации. – Запорожье, 1995. – с. 48 – 49.

15. Зуев В.А., Попов В.Г. Фотоэлектрические МДП-приборы. – М.: Радио и связь. – 1983. – 160 с.

16. А.с. N 862753 (CCCР). М. Н 01 L 31/10. Фототранзистор/ Костенко В.Л., Клименко В.А. – Зарег. 5.07.81 г.

17. Приборы с зарядовой связью/ Под. ред. М. Хоувза, Д. Моргана. – М.: Энергоиздат. – 1981. – 376 с.

18. Патент Украины на изобретение N 95041770 от 19.04.95.б Н 01 L 29/76/ Костенко В.Л. МОП-транзистор.

19. Осадчук В.С., ,Осадчук О.В., Вербицький В.Г. Температурні та оптичні мікроелектронні частотні перетворювачі – Вінниця: УНІВЕРСУМ – Вінниця. 2001. – 195 с.