Фотодіод

Фотодіод, що містить метало-скляний корпус, в напівпровідниковій підкладці якого сформований чотириелементний квадрантний фоточутливий елемент із захисним ізолюючим покриттям та омічними металевими контактами, який відрізняється тим, що площа кожного фоточутливого елемента складає не менше 48 мм 2 , а діаметр вхідного вікна корпусу має бути не менше 17 мм. Корисна модель відноситься до мікрофотоелектроніки, а саме до напівпровідникових фотодіодів і може бути використана як фотоприймач в оптико-електронних системах. Відомі фотодіоди, які являють собою власний напівпровідник з великим питомим опором, обмежений з двох боків двома сильно легованими шарами п- та р- типу провідності, на які нанесені омічні контакти. При цьому ширина області власної провідності має бути максимально мала [1]. Недоліком такої конструкції є та обставина, що товщина підкладки має бути дуже малою (до ЮОмкм), при цьому фотодіодні структури великої площі втрачають механічну міцність, і їх площу потрібно зменшувати. Це накладає додаткові вимоги на оптикомеханічні системи, які застосовуються для фокусування оптичного випромінювання на фоточутливий елемент фотодіода. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є фотодіод типу ФДК-142-01 у металоскляному корпусі, в напівпровідниковій підкладці якого сформовано чотириелементний (чотирьохсекторний) квадрантний фоточутливий елемент з охоронним кільцем, із захисним ізолюючим покриттям та омічними металевими контактами с площею кожного з чотирьох фоточутливих елементів 37мм 2 [2], при цьому фоточутливі елементи утворюють круг із чотирьох секторів діаметром 14мм. Недоліком такої конструкції є складність застосування у системах далекометрії, яка полягає у тому, що недостатньо великий розмір фоточутливих елементів вимагає застосування складної оптико-механічної системи для фокусування оптич ного випромінювання на фоточутливі елементи фотодіоду. Завданням запропонованої корисної моделі є спрощення умов застосування фотодіоду при незмінності його габаритних розмірів. Зазначене завдання розв'язується тим, що площа кожного фоточутливого елемента складає не менше 48мм 2 , а діаметр вхідного вікна корпуса має бути не менше 17мм. У корисної моделі запропоновано рішення, принципово нове для фотодіодів, яке полягає у тому, що площа кожного фоточутливого елемента складає не менше 48мм 2 , а діаметр вхідного вікна корпуса має бути не менше 17мм. Промислове використання корисної моделі не вимагає великих витрат, спеціальних матеріалів та технологій, його реалізація можлива на виробництвах України і за її межами. При використанні фотодіоду у системах далекометрії для збільшення дальності, на якій можливе виявлення певного об'єкту застосовується оптико-механічна система, яка збирає оптичне випромінювання, відбите від об'єкту, на поверхню фоточутливого елементу, який представлений у вигляді чотирьох секторів з однаковими площинами. Чим менше площа кожного фоточутливого елементу, тим більш складну оптико-механічну систему необхідно застосовувати. Крім того, на величину порогових характеристик фотодіоду, впливає і значення шуму фотодіоду, яке визначається особливостями конструкції фотодіоду та його технології. Таким чином, для спрощення умов застосування фотодіоду в системах далекометрії потрібно ю со ю О) 5735 з одного боку мати мінімальні значення шуму фоточутливих елементів, що сприяє покращенню порогових характеристик фотодіоду, а з другого боку максимально велику площу кожного фоточутливого елементу, що сприяє спрощенню оптикомеханічної системи далекоміра. Але збільшення розмірів фоточутливих елементів приводить до збільшення їх ємності та обернених струмів, що негативно відбивається на шумових характеристиках. Отже, для конструкції конкретного фотодіоду, який є аналогом фотодіоду ФДК-142-01 потрібно досягнути певного компромісу між площею фоточутливих елементів та величинами ємності і зворотного струму. Крім того, певні розміри фоточутливого елементу визначають і мінімальний розмір (діаметр) вхідного вікна фотодіоду, оскільки воно повинно забезпечити певний плоский кут поля зору фотодіоду. Для прототипу ФДК-142-01 це 100°. При незмінній загальній топології фоточутливих елементів - чотири фоточутливих сектори, які утворюють круг певного діаметру, максимально можливі розміри фоточутливого елементу визначені із співвідношення між максимально припустимими значеннями ємності (СМах) та темнового струму (І мах ) при робочій напрузі, які наведені у таблиці. Таблиця Площа ФЧЕ, мм^ 37 42 45 48 51 55 С, пФ Смах, П Ф 11,5 13,0 14,0 15,0 16,0 17,3 Таким чином, при площі кожного фоточутливого елементу 48мм 2 , і проміжку між ними до ЗООмкм вони утворюють круг діаметром 16мм. При цьому плоский кут поля зору фотодіоду у 100° забезпечується при діаметрі вхідного вікна не менше 17мм. На Фіг.1 наведено схематичне фронтальне зображення фотодіоду. На Фіг.2 наведено схематичне зображення розрізу фотодіоду. На Фіг.З наведено схематичне зображення ходу променів випромінювання у випадку застосування фоточутливого елементу попередньої та нової конструкції. Кристал фотодіоду 1 з чотирма фоточутливими елементами 2 кожен у вигляді секторів розділених проміжком 3, зібраних в круг діаметром 16мм, розміщено у металевому корпусі 4. При цьому фоточутливі елементи оточені кільцевим фоточутливим елементом - охоронним кільцем 5, а діаметр вхідного вікна фотодіоду 6 складає 17мм. Провідники 7 з'єднують кристал фотодіоду з виводами фотодіоду 8, які ізольовані від корпусу ізоляторами 9. Приклад конструкції фотодіода. Кристал фотодіоду 1 виконано на основі кремнієвої підкладки р-типу провідності з питомим опором не менше 1040кОм товщиною 500±100мкм. Фоточутливі елементи 2 та охоронне кільце 5 створені методами пленарної технології шляхом дифузії фосфору. Омічні контакти створено вакуумним напиленням золота з подальшим виділенням контактів за допомогою фотолітографії. Площа кожного фоточутливого елементу 2 складає 48мм 2 . Діаметр кола, описаного навколо фоточутливих елементів 16мм. Проміжок між фоточутливими елементами 3 складає ЗООмкм, проміжок між фоточутливими елементами і охоронним кільцем також складає ЗООмкм. Кристал фотодіоду розміщено у метало-скляному корпусі 4, який має скляне (або сапфірове) вхідне 15 15 15 15 15 15 Іт, мкА 0,8 0,87 0,95 11 , 13 , 1,7 'т мах, М К А 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 вікно 6, діаметр якого не менше 17мм. Діаметр вхідного вікна визначається плоским кутом зору фотодіоду, який має бути 100°. Кристал фотодіоду з'єднаний з виводами 8 за допомогою золотих провідників 7 діаметром 30-70мкм. Електричні виводи 8 ізольовані від корпусу фотодіоду скляними ізоляторами 9. Фотодіод працює наступним чином Оптичне випромінювання певної довжини хвилі (промені 1 і 2 на Фіг.З) потрапляє через вхідне вікно фотодіоду 3 на поверхню фоточутливого елементу 4 та 5. В залежності від розмірів фоточутливого елементу випромінювання може падати на нього під більшим або меншим кутом, які відрізняються на величину р. Таким чином, при незмінних розмірах вхідного вікна фотодіоду, відстані фоточутливого елементу від нього та величини завданого плоского кута зору фоточутливий елемент більших розмірів здатен забезпечити більший кут зору фотодіоду. Ця обставина дозволяє не змінюючи проекційну оптико-механічну систему збільшити кут поля зору далекоміра, або не змінюючи кут поля зору зменшити масогабаритні характеристики оптико-механічної системи. Режим роботи власне кристалу фотодіоду в частині генерації фотосигналу істотно не відрізняється від режиму роботи аналогічних фотодіодів. Джерела інформації: 1. Ишанин ГГ. Приемники излучения оптических и оптоэлектронных приборов. - Л.: - Машиностроение. Ленингр. Отд-ние. -1986. - с.64-65. 2. Дунаенко О.Х., Фотий В.Д., Ащеулов А.А. Некоторые особенности применения фотоприемников для метрологи // Труды (тезисы докладов) VII Международной научно-практической конференции "Системы и средства передачи и обработки информации". - Академия связи Украины, ОНАС им. А.С. Попова. - 2-7 сентября 2003г. Одесса, -с. 139. 5735 Фіг.1 5 Фіг.3 Фіг.2 Комп'ютерна верстка Д Шеверун Підписне Тираж 28 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ-42, 01601