Двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент

Двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент, що вміщує зформований на підкладці на 28569 ж на змінному струмі великі ємкості, що притаманні фотошарам, викликають значні струми витоку в темпових областях. Інтегральна вольтова чутливість цього фотоелементу, як і інших існуючих, обмежується, за інших рівних умов (для напівпровідникових матеріалів з найкращою фоточутливістю), малою довжиною освітлюваних ділянок фотоелементу. Порогова чутливість фоторезистивних двокоординатних позиційно-чутливих фотоелементів обмежується значною мірою шумами джерела живлення. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент шляхом збільшення довжини освітлюваної робочої поверхні фотоелементу, розміщення його в магнітне поле і реєстрації фотомагнітної едс, забезпечити підвищення інтегральної вольтової чутливості і зменшення порогової чутливості з одночасним зменшенням потужності струму, що споживається. Зазначена задача вирішується тим, що двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент, що вміщує сформований на підкладці напівпровідниковий фоточутливий шар з омічними контактами, виконаний у формі змійок, які поширюються від центрального контакту по двом взаємоперпендикулярним координатам та мають на кінцях контакти, і розташований в зазорі мікромагніту, магнітне поле якого спрямовано під кутом 45° до координат, при цьому вільна поверхня шару захищена пасивуючим покриттям, а з зворотного боку підкладки розміщена діафрагма, на яку падає випромінювання і яка закриває контакти від випромінювання та надає форми поверхні змійок що освітлюються. Пропонуєма конструкція двокординатного позиційно-чутливого фотоелементу дозволяє значно підвищити інтегральну вольтову чутливість за рахунок збільшення довжини освітлюваної робочої поверхні фотоелементу, а також загалом відмовитися від автономного джерела живлення необхідного для фоторезістора, оскільки фотоелемент, що пропонується, працює в режимі реєстрації фотомагнітної едс; крім цього, шуми на виході фотоелементу будуть визначатися лише власними шумами активного елементу. Вибір і застосування в конструкції фотоелементу, що пропонується, матеріалів для фоточутливої напівпровідникової плівки (шару), рівно як і для підкладки, визначається цілями та задачами використання. Двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент, що пропонується, ілюструється кресленнями, де: фіг. 1а - конструкція фотоелементу з боку фоточутливої плівки та його розташування в магнітному полі, фіг. 1б - вигляд з боку, масштаб: 20:1; фіг. 2 - збільшена ділянка фотоелементу; заштриховано - області фотоелементу, на які падає випромінювання; фіг. 3 - позначення розмірів елементів фотоелементу; пунктиром зазначено границі переміщення освітлюваних областей (заштриховано); фіг. 4 - позначення розмірів фотоелементу (у розрізі). На фіг. 1 зображено конструкцію двокоординатного позиційно-чутливого фотоелементу, що вміщує сформовану на підкладці напівпровідникову фоточутливу плівку 1, яку виконано у формі змійок, що поширюються від центрального контакту 2 по двом взаємоперпендикулярним координатам Х і Y та мають на кінцях контакти 3 і 4. На вільну поверхню плівки (шару) нанесено пасивуюче покриття 5. Діафрагма 6 розташована з зворотного боку і прилягає безпосередньо до підкладки 7. Діафрагма закриває контакти від випромінювання, що спрямовується з боку підкладки, та надає форми і розміри поверхні змійок що освітлюються, фотоелемент розташовується між полюсами феритового мікромагніту таким чином, що напрямки відповідних координат (х і у), уздовж яких поширюються змійки, складають 45° до напрямку магнітного поля, і все разом розташовано в корпусі з тонкого магнітного металу, який екранує фотоелемент від зовнішнього магнітного поля. Двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент функціонує наступним чином. У вихідному стані контакти 2, 3 та 3, 4 попарно підключені до входу реєструючої системи. Випромінювання спрямовується з зворотного боку підкладки 7 крізь діафрагму 6, яка закриває контакти та надає форми ділянкам робочої поверхні фотоелементу, що освітлюються. На фіг. 2 і 3 показано ділянки змійок фотоелементу, що освітлюються за падінням випромінювання перпендикулярно до поверхні підкладки. При цьому освітлюються рівні ділянки сусідніх плеч змійок, а фотомагнітні едс, що виникають під дією випромінювання, в цих плечах, рівні за величиною і протилежні по знаку; таким чином результуючі едс, які знімаються з контактів 2, 3 та 2, 4 дорівнюють нулю. Зміщення (D' на фіг. 3) потоку світлового випромінювання (за відхилення від вертикального напрямку падіння) по х чи у координаті, або по обом одночасно, призводить до збільшення поверхні, що освітлюється, одного та зменшення другого з двох сусідніх плеч змійки і на відповідній парі контактів (2 і 3 чи 2 і 4, або на обох парах одночасно) виникає корисний сигнал (відмінна від нуля результуюча фотомагнітна едс), який зростає зі збільшенням зміщення, а знак якого визначає напрямок зміщення випромінювання. Зміщення випромінювання на D' показано на фіг. 3 пунктиром. Із наведеного вище стає зрозуміло, що максимальний сигнал буде спостерігатися при повному освітленні одного з сусідніх плеч; на друге із цих плеч випромінювання в даному разі зовсім не падає. На фіг. 3 застосовані слідуючі позначення розмірів: l 3 - ширина змійок, l k ширина канавки між змійками, D - відстань від краю світлової плями (за вертикальним падінням випромінювання) до перемички між плечами змійок, d3 - довжина плечей змійок, l СВ - ширина світлової плями. Величина l k визначається мінімально можливою шириною вскритого вікна у фоторезисті і визначає надійність електричної ізоляції між сусідніми ділянками змійки. Ширина l 3 визначає чутливість фотоелемента до лінійного зміщення випромінювання, чим менше l 3 , тим вище чутливість за 2 28569 D=60 мкм. Загальна довжина ділянок змійок, що освітлюються, дорівнює 200 мм (по 100 мм на кожну з двох груп змійок). Кут обзору (див. формулу 1) дорівнює: a max =±46°. Інтегральна вольтова чутливість на довжині хвилі збуджуючого випромінювання l=10,6 мкм і при лінійному відхиленні променя на 50 мкм ( a max =46°), яке відповідає максимальному сигналу фотомагнітной едс, при 80 К більше чи дорівнює 2000 В/Вт. Звідси чутливість фотоелемента до зміщення в х-напрямку (або у) на 1 мкм по поверхні фотоелементу більше чи дорівнює 40 В/Вт×мкм (40 мкВ/мкВт×мкм). Приклад 2. Структура CdxHg1-xTe/CdTe з х 0,17 та з такими ж лінійними розмірами як і в прикладі 1. Робоча температура приблизно 210 К. Значення чутливостей (при l=10,6 мкм) більше чи дорівнюють, відповідно: 300 В/Вт і 6 В/ВТ×мкм. Пропонуємий двокоординатний позиційночутливий фотоелемент має наступні переваги у порівнянні з аналогами і прототипом: - значно підвищується інтегральна вольтова чутливість, за рахунок збільшення довжини освітлюваної робочої поверхні фотоелементу, - нема потреби в джерелах змінного та постійного струму для живлення фоточутливих шарів, тобто суттєво зменшується питома потужність джерела живлення, - зменшується порогова чутливість, тому що в даному разі вона визначається лише шумами активного елементу, а раніш в значній мірі залежала від шумів джерел живлення, - високий рівень сигналу на виході не потребує подальшого суттєвого підсилення, - спрощується схема реєстрації, - значно підвищується розрізнювальна спроможність (В/Вт×см), - підвищується точність пристрою за рахунок відсутності струмів витоку в темпових областях, - незалежність закону змінення характеристики зміщення від інтенсивності випромінювання, - незалежність вихідного сигналу від фонового засвітлення, тому що ортогональне освітлення випромінюванням дає нульовий сигнал на виході, - підвищується надійність пристрою за рахунок спрощення конструкції і технології його виготовлення, та усунення складних електронних схем для керування його роботою та реєстрації вихідного сигналу. Таким чином, застосування пропонуємого двокоординатно-чутливого фотоелемент, що працює в фотомагнітному режимі, за рахунок підвищення чутливості, зменшення порогу чутливості і усунення автономного джерела живлення фотошарів, підвищує розрізнювальну спроможність (В/Вт×см) і точність пристрою, зменшує дестабілізуючий вплив паразитного засвітлення, спрощує схему реєстрації і підвищує надійність системи. Крім того, конструктивне рішення, що пропонується, дозволяє створювати двокоординатні позиційно-чутливі фотоелементи з високими параметрами для застосування в різних діапазонах спектру, за допомогою використання різноманітних матеріалів (з відповідними характеристиками) при виготовленні фоточутливих шарів і підкладок. інших рівних умов. Важливим тут виявляється також і те, що зі зменшенням l 3 зростає не тільки інтегральна вольтова чутливість, але й порогова чутливість фотоелементу, оскільки інтегральна вольтова чутливість лінійно зростає зі зменшенням ширини змійки, а тепловий шум фотоприймача зростає обратно пропорційно l 3 (кореню квадратно му з опору фотоелемента). Існує, між тим, границя в прямуванні зменшити l 3 до нуля, оскільки це пов'язано із зростаючими загальними технологічними труднощами виготовлення як самих змійок, так і діафрагми, яка формує поверхню, що освітлюється випромінюванням. Так, наприклад, якщо ширина щілин діафрагми буде сумірна з довжиною хвилі збуджуючого випромінювання, то завдяки дифракційним процесам розпочнеться сильне спотворення форми світлового зображення пучка. Світлові смужки повинні бути такої довжини, щоб максимальне зміщення D' (див. фіг. 3), наприклад, в х-напрямку, не призводило до освітлення бокових перемичок у серії змійок, чутливих в у-напрямку, тобто повинна виконуватись нерівність D>D'. Кут обзору a max (див. фіг. 4, позначення на якому відповідають позначенням на фіг. 1, 2, 3) визначається наступним чином. При відхиленні променя (напрямку випромінювання) на кут a від нормалі, його зміщення D' в площині падіння на фоточутливі змійки фотоелемента дорівнюватиме (в разі розташування діафрагми безпосередньо на зворотному боці підкладки): D' = d × tg b , де sin a =n, sin b тут d - товщина підкладки, n - показник заломлювання матеріалу підкладки. Таким чином, максимальний кут зору дорівнює: é D' æ öù a max = arcsinên × sinç arctg max ÷ ú , (1) ç d ÷û è ø ë Винахід ілюструється прикладами. Приклад 1. Двокоординатний позиційно-чутливий фотоелемент виконано із епітаксійної плівки CdxHg1-xTe (х 0,20) р-типу з NA-ND 1015 см-3, яка вирощена на підкладці із CdTe. Товщина плівки приблизно 20 мкм, товщина підкладки 180 мкм. Фотоелемент сформовано на прямокутній пластині (підкладка) із CdTe з розмірами 7´2,2 мм2. Фотоелемент розташовано між полюсами феритового мікромагніта з площею полюсів 9´4 мм2. Напруженість магнітного поля (Н) між полюсами мікромагніта, коли зазор між ними (тобто відстань між полюсами) дорівнює 2,5 мм, становить Н=5×103 Ерст, звідки Нx=Нy= H 2 3,5×103 Ерст. Робоча температура приблизно 80 К і рухливість електронів CdxHg1-xTe дорівнює mn 2×105 см2/В×с. Мікромагніт, що застосовано, забезпечує, таким чином, однорідне магнітне поле, що є сильним (холловський кут більше одиниці) для електронів фоточутливого шару. Вигляд фотоелемента зображенj на фіг. 1 (масштаб 20:1). Розміри елементів структури (позначення наведені в фіг. 3) становлять: l 3 =100 мкм, l к =50 мкм, l СВ =150 мкм, 3 28569 Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 4 28569 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5