авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью

-- [ Страница 2 ] --

В зависимости от пространственных параметров и интенсивности светового воздействия возможно как уменьшать ток пика, в том числе и с уменьшением напряжения пика, вплоть до полного спрямления N-участка ВАХ, так и увеличивать ток пика, что принципиально отличает данный фотоприемник от других фоточувствительных приборов, у которых при облучении происходит либо только уменьшение участка отрицательного сопротивления, как, например, у тиристоров и симисторов, либо только увеличение тока насыщения, как у фототранзисторов.

При создании и проектировании полупроводниковых приборов важной задачей является задача точного компьютерного моделирования с применением программных средств физического и технологического моделирования.

В программе физико-топологического моделирования Genius TCAD используется модификация диффузионно-дрейфовой модели Гуммеля для описания полупроводниковых приборов, основных физических параметров, таких как подвижность, скорость рекомбинации и других. При решении используется набор известных уравнений с частными производными. Уравнение Пуассона:

, (1)

где — диэлектрическая проницаемость; q — заряд электрона; n и р — концентрации электронов и дырок; и — число ионизированных доноров и акцепторов соответственно.

Уравнения непрерывности для электронов и дырок:

, (2)

где U и G — скорость электронно-дырочной рекомбинации и генерации; и - плотности электронного и дырочного токов соответственно.

Плотности электронного и дырочного токов задаются известными уравнениями:

, (3)

где и — подвижности электронов и дырок; и — коэффициенты диффузии для электронов и дырок соответственно.

Эти уравнения в совокупности с граничными условиями при разбиении структуры на элементарные ячейки позволяют провести физико-топологическое моделирование структуры (рис. 2,а), у которой в общей полупроводниковой высокоомной подложке n – типа 1 с концентрацией примеси 51014 см-3 последовательно сформированы базовые р-области 2, с концентрацией примеси 7.51017 см-3 и глубиной залегания p-n-переходов 10 мкм, и коллекторные n+-области 3, а также n+-область 6 для получения омического контакта к эмиттеру металлического проводника 9, служащего электродом Э3 фотоприемника, с концентрацией 21019 см-3 и глубиной залегания p-n-переходов 6 мкм, симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5. Базовые 2 и коллекторные 3 области могут быть сформированы симметрично только плоскости симметрии структуры 4 или только оси симметрии структуры 5. Конфигурация проекций базовых 2 и коллекторных 3 областей на поверхность структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и коллекторные 3 области, может быть в виде прямоугольника, полукруга или другой формы. Коллекторные области n1 и n2 соединены металлическими проводниками 7 и 8, служащими электродами Э1 и Э2 фотоприемника с базовыми областями p2 и p1 соответственно. Преимуществом данной структуры является то, что она имеет простую технологию изготовления, неотличимую от технологии изготовления биполярных транзисторов. Сетка разбиения структуры составляла 12000 элементов.

Результат моделирования выходной ВАХ структуры нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ приведен на рис. 2,б. Как следует из рис. 2,б, в зависимости от положения и интенсивности светового пучка Ф1 или Ф2 на поверхности структуры, ток пика ВАХ может возрастать или уменьшаться.

а) б)

Рис. 2. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (б) интегрального позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ полученная в результате физико-топологического моделирования: 1 - Ф1 = 100 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 2 - Ф1 = 50 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 3 - Ф1 = 0 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 4 - Ф1 = 0 мВт/мм2,

Ф2 = 50 мВт/мм2; 5 - Ф1 = 0 мВт/мм2, Ф2 = 100 мВт/мм2

Для математического моделирования, интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ и расчета параметров ВАХ использована модель Эберса-Молла биполярного транзистора. Для построения математической модели введены некоторые ограничения: составляющие структуру транзисторы являются бездрейфовыми; рассматривается только одномерная модель; транзисторы симметричны, т.е. площадь эмиттера и коллектора равны Sэ = Sк.

Для тока коллектора фотоприемника можно выделить два участка. Первый участок, описывающий N-образную ВАХ, до напряжения Uмин, характеризуется выражением для коллекторного тока выходного транзистора:

(4)

Второй участок, на котором основное влияние вносит прямосмещенный база-эмиттерный переход шунтирующего транзистора, работающего в режиме насыщения, описывающий образование вторичной положительной ветви характеризуется выражением:

, (5)

где Inээ; Inэк; Inкэ; Inкк - характеристические токи и Uкэ, Uбэ - напряжения на переходах основного и шунтирующего транзисторов (индексы о и ш соответственно).

С учетом влияния управления структуры оптическим излучением входной ток приобретает вид: , где Iо и Iш - токи фотогенерации в база-эмиттерных переходах основного и шунтирующего транзисторов, соответственно. Токи фотогенерации Iо, Iш определяются выражением:

, (6)

где - квантовый выход фотоионизации; - коэффициент поглощения; h - энергия фотона.

При использовании в экспериментальных исследованиях оптопары, величина светового потока, излучаемого диодом оптопары , где

IД – ток, протекающий через излучающий диод; k - постоянная, зависящая от параметров оптопары.

Вольт-амперные характеристики интегрального позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ, полученные в результате математического моделирования и экспериментальных исследований макетных образцов, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Выходные экспериментальные (пунктирные) и расчетные (сплошные линии) ВАХ интегрального фотоприемника с N-образной ВАХ в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо = 110 мА, IДш = 0 мА; 2 - IДо = 30 мА,

IДш = 0 мА; 3 - IДо = 0 мА, IДш = 0 мА; 4 - IДо = 0 мА, IДш = 30 мА;

5 - IДо = 0 мА, IДш = 110 мА

Макетные образцы, собранные на основе двух вертикальных транзисторных структур типа КТ8143 с внешней коммутацией, с линейными размерами 820 мм, изготовленные на базе ОАО ОКБ «ИСКРА» г. Ульяновск, представляют собой мощные структуры с гребенчатыми эмиттерами. В качестве источников излучения использованы инфракрасные светодиоды АЛ156, с диаметрами светового пучка 1 мм. Токи светодиодов IДо и IДш (освещающего основной и шунтирующий переходы) до 110 мА. Ток управления макетного образца составлял 100 мкА.

Экспериментальные исследования показывают, что при освещении основного транзистора происходит увеличение, а при освещении шунтирующего - уменьшение тока пика на N-образной ВАХ, вплоть до полного спрямления в зависимости от пространственного положения светового пучка на поверхности фотоприемника.

Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований показывает их качественное согласование.

В третьей главе рассмотрены моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительного полупроводникового прибора с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой.

Особенностью приборов с N-образной ВАХ, имеющих участок ОДП, является наличие на выходной ВАХ падающего участка тока при возрастающем напряжении питания. Это обстоятельство предполагает использование приборов с ОДП в качестве элементов защиты узлов электронной техники от скачков тока и напряжения. При изменении выходного тока выше максимального прибор с ОДП переходит в выключенное состояние, в котором при малом токе на приборе падает практически все напряжение источника питания, тем самым отключая нагрузку. Однако скачки напряжения и тока могут происходить и в цепях управления. Для защиты прибора с ОДП по цепи управления предлагается комбинация приборов с ОДП с введением одного из них в цепь управления (см. рис. 4). Такая структура имеет передаточную и выходную N-образные вольт-амперные характеристики.

Рис. 4. Комбинация приборов с ОДП, обладающая передаточной ВАХ

N-типа: N1 - первый полупроводниковый прибор с ОДП; N2 - второй полупроводниковый прибор с ОДП; К – коллектор Б – база Э - эмиттер комбинированного прибора

При проведении физико-топологического моделирования за основу была взята структура интегрального позиционно-чувствительного фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ, в управляющую цепь которого введен -диод, на основе n- и p- канальных полевых транзисторов. Полученные в результате передаточные ВАХ приведены на рис. 5. Выходные ВАХ аналогичны характеристикам, представленным на рис. 2.

Рис. 5. Передаточная ВАХ фото-чувствительного прибора с передаточной N-образной ВАХ, полученная в результате физико-топологического моделирования при Uкэ: 1 - 0,2 В; 2 - 0,3 В; 3 - 0,4 В; 4 - 0,6 В Рис. 6. ВАХ структуры с передаточной N-образной ВАХ, полученная в результате математического моделирования

Для математического моделирования передаточных и выходных ВАХ прибора использована модель Эберса-Молла. Конечное уравнение, описывающее поверхность ВАХ, имеет вид:

, (7) где Iээ; Iэк; Iкэ; Iкк --25, (7)

где Iээ; Iэк; Iкэ; Iкк - характеристические токи биполярных транзисторов; S – крутизна и Uотс – напряжение отсечки полевого транзистора; Uкэ, Uбэ - напряжения на приборе.

Семейство передаточных и выходных вольт-амперных характеристик, полученное в результате расчета, приведено на рис. 6.

Сечение поверхности плоскостью при фиксированном напряжении Uбэ дает выходную характеристику, а сечение плоскостью – передаточную (при фиксированном напряжении Uкэ).

При проведении экспериментальных исследований использован макетный образец на базе комбинации двухэлектродного -диода и схемы трехэлектродного прибора с ОДП с шунтированием база-эмиттерного перехода основного транзистора вторым биполярным транзистором того же типа, реализованный на базе полевых транзисторов КП103 (канал p-типа) и КП303 (канал n-типа) и биполярных бескорпусных транзисторов КТ3102. Два инфракрасных светодиода АЛ156А использовались в качестве источника излучения инфракрасного диапазона.

На рис. 7 представлена передаточная характеристика экспериментального образца, а на рис. 9 - выходная вольт-амперная характеристика.

Рис. 7. Семейство передаточных характеристик экспериментального образца при различных значениях Uкэ: 1 - 0,2 В; 2 - 0,3 В; 3 - 0,4 В; 4 - 0,6 В Рис. 8. Семейство экспериментальных (пунктирные) и расчетных (сплошные) передаточных характеристик прибора при Uкэ = 0,4 В в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо = 100 мА, IДш = 0 мА; 2 - IДо = 0 мА, IДш = 0 мА; 3 - IДо = 0 мА, IДш = 100 мА

Передаточная характеристика имеет N-образную форму с максимумом при напряжении 1,5 В. Как следует из рисунка, увеличение входного напряжения Uбэ приводит к увеличению тока пика характеристики, а при напряжении свыше 1,5 В выходной ток Iк уменьшается. Данное обстоятельство можно интерпретировать как обеспечение защиты нагрузки от скачков тока и перенапряжения в управляющей цепи.

При увеличении выходного напряжения Uкэ первоначально происходит рост тока коллектора, а затем его уменьшение (рис. 9). Это и обеспечивает режим защиты по выходу.

На рис. 8 и 10 представлены зависимости влияния освещения на переходную и выходную ВАХ. Как следует из рис. 8 и 10, в зависимости от величины освещения двух пространственно разделенных фоточувствительных областей, ток пика на выходной и переходной характеристике увеличивается или уменьшается.

Таким образом, в приборе проявляется не только защита выходной и входной цепей, но и позиционная фоточувствительность.

Рис. 9. Семейство выходных характеристик экспериментального образца (Uкэ = 0,4 В) при различных значениях Uбэ: 1 - 0,5 В; 2 - 0,8 В; 3 - 1 В; 4 – 1,4 В; 5 - 1,7 В; 6 - 2,2 В; 7 - 2,4 В Рис. 10. Выходные экспериментальные (пунктирные) и расчетные (сплошные) ВАХ при Uбэ = 1,4 В в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо= 100 мА, IДш= 0 мА; 2 - IДо= 50 мА, IДш= 0 мА; 3 - IДо= 0 мА, IДш= 0 мА; 4 - IДо= 0 мА, IДш= 50 мА; 5 - IДо= 0 мА, IДш= 100 мА

С учетом особенностей выполненных макетных образцов на базе дискретных элементов результаты экспериментальных исследований качественно согласуются с результатами моделирования.

Четвертая глава посвящена исследованию комбинированного позиционно-чувствительного прибора с N-образной ВАХ на основе ПЧФ и полупроводникового прибора с N-образной ВАХ. В таком приборе достигается значительное увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности по сравнению с ранее описанными позиционно-чувствительными фотоприемниками с ОДП за счет использования ПЧФ, линейные размеры фоточувствительной области которого могут достигать нескольких сантиметров.

ПЧФ представляет собой p-n-p-структуру с тремя омическими контактами, два из которых расположены по краям верхнего фоточувствительного слоя, служащего эмиттером и одновременно делителем напряжения источника. Третий является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника, служащей коллектором. При проецировании светового пучка на эмиттерную область ПЧФ создается рельеф возбужденных светом и разделенных p-n-переходом носителей тока. ПЧФ может быть реализован в виде линейного или дугового фотоприемника.

ПЧФ включен в цепь управления элемента с ОДП (рис. 11) таким образом, что первый контакт (1) к фоточувствительной области полупроводникового ПЧФ соединен с эмиттерным электродом (Э) прибора с ОДП, второй контакт (2) к фоточувствительной области соединен с коллекторным электродом (К), а третий контакт (3) полупроводникового ПЧФ соединен с базовым электродом (Б) прибора с ОДП. Э1 и Э2 — электроды двухполюсного прибора с отрицательной проводимостью, Ф — световой пучок, падающий на поверхность ПЧФ. За счет рассматриваемой схемы соединения реализуется двухполюсный комбинированный позиционно-чувствительный фотоприемник, обладающий N-образной ВАХ.

Рис. 11. Структурная схема комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной вольт-амперной характеристикой

Получение участка ОДП на выходной ВАХ такого прибора в двухэлектродном включении обеспечивается за счет использования ПЧФ в режиме фотоуправляемого делителя напряжения - фотопотенциометра.

Проведено физико-топологическое моделирование структуры линейного ПЧФ, которая получена одной диффузией с двух сторон полупроводниковой пластины в объеме полупроводника n-типа проводимости. Диффузией примеси p-типа с концентрацией 51015 см-3 формируются два p-n перехода с глубинами залегания 50 и 200 мкм. Напряжение, прикладываемое к эмиттерным электродам, составляло 10 В. Из результатов моделирования наблюдается линейная зависимость напряжения выходного сигнала U3 от координаты.

При проведении математического моделирования было учтено, что напряжения на выходном электроде 3 линейного ПЧФ при нахождении центра светового пучка в координате х можно описать следующим аналитическим выражением: U3=kE0x/L, где Е0 - постоянное напряжение, прикладываемое между Э1 и Э2 электродами ПЧФ; L - длина фоточувствительного слоя; x - координата центра светового пучка на поверхности ПЧФ; k - параметр, зависящий от геометрии ПЧФ и интенсивности излучения.

Для дугового ПЧФ напряжение на третьем электроде: U3=kE0/0, где Е0 - постоянное напряжение, прикладываемое между Э1 и Э2 электродами ПЧФ; - угол координаты центра светового пучка в градусах, 0 – угол сектора фоточувствительного слоя в градусах, k - конструктивный параметр, зависящий от геометрии ПЧФ и интенсивности излучения.

Как следует из рис. 12, наблюдается линейная зависимость напряжения выходного сигнала U3 от координаты линейного ПЧФ в диапазоне от 3 до 24 мм и угла для дугового ПЧФ в диапазоне от 10 до 80 град.

а) в)
б) г)


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.