Устройство для моделирования фоточувствительного элемента

 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для исследования и моделирования высокоомных фоточувствительных элементов, выполненных в виде P<SP POS="POST">+</SP>-P-P<SP POS="POST">+</SP>-полупроводниковой структуры. Целью изобретения является повышение точности моделирования высокоомных фоточувствительных элементов. Цель достигается за счет введения в устройство нагрузочного резистора, учитывающего дрейфовый ток в отсутствии светового потока, накопительного конденсатора, учитывающего потенциал смещения, нелинейного резистивного элемента задания граничных условий, второй и третьей управляемых фотопроводимостей, второго и третьего источников постоянного напряжения и регулируемого источника напряжения, что позволило учесть граничные условия на P<SP POS="POST">+</SP> -P- переходе и инерционные процессы, связанные с генерацией дырок, обусловленной тепловым и сигнальным излучениями. 1 ил.

СОЮЗ ССВЕтСНИХ

СОЦИАЛИСтИЧЯСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 5 С Об С 7/48 (53) 681.333(088.8) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО Ижж1 ЬтИНИЯМ И ОтНРЪ тИЛМ

ПЩ ГКНТ CCCP. (21) 4457695/24-24 (22) 11.07.88 (46) 23.04,90. Бюл. 11« 15 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмь«кова (72) .В,Б.Дудка и В.E.Ïðoçoðoâñêèé

1 (5á) Sah С.Т. The equivalent circuitmodel in solid state electronics. — Solid-State Electronics, 1970, v 13 9 12> р. 1«547 1575

Авторское свидетельство СССР

У 824234, кл. G 06 С 7/48, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА (57) Изобретение î-носится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для исследования и моделирования высокоомных фоточувствительИзобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для исследования и моделирования высокоомных фоточувствительных элементов, выполненных в виде

4 + р — р - р полупроводниковой структуры, Целью изобретения является повышение точности моделирования высокоомных фоточувствительных элементов.

На чертеже изображена схема устройства.

Устрочство содержит первый источник 1 постоянного напряжения, пер„.ЯО„„ 559356 ных элементов, выполненных в виде р — р — p полупроводниковой струк« + туры. Целью изобретения является повышение точности моделирования высокоомных фоточувствительных элементов. Цель достигается за счет введения в устройство нагруэочного резистора, учитывающего дрейфовый ток в отсутствии светового потока, накопительного конденсатора, учитывающего потенциал смещения, нелиней-. ного резистивного элемента задания граничных условий, второй и третьей управляемых фотопроводимостей, второго и третьего источников постоянного напряжения и регулируемого источника напряжения, что позволило .«учесть граничные условия на р - рпереходе и инерционные процессы,связанные с генерацией дырок, обусловленной тепловым и сигнальным излучениями. 1 ил. вый регулируемый источник 2 тока, первый накопительный конденсатор 3, ««ервый .нагрузочный резистор 4, второй источник 5 постоянного напряжения, второй регулируемый ««сточ««««к 6 тока, третий источник 7 постоянного напряжения,третий регул««руе««ьп«источник 8 тока, второй нагрузочньп резистор 9, второй накопительный конденсатор 10 регулируемый «сточ««««к 11 напряжения, нелинейный рез««ст««внь«««элемент 12 задания граничных условий, третий нагрузочный резистор 13.

1559356 ф — плотность потока квантов

$,å фонового и сигнального излучения;

Ч = ° р ° N> скорость захвата дырок на ловушки; — коэффициент захвата дырки

1 на ловушку, При попадании на фоточувствительный элемент сигнального излучения концентрации дырок изменяется на Ар напряженность поля — на ДЕ, плотность с тока - на h, I, концентрация ловушек— на hN

15 Уравнения (1)-(4), записанные.относительно указанных приращений, имеют вид: аь црЕ + Эс уравнение Пуассона

3 NA

=а +а +в

Эс т с граничное условие

E(0 t) " Е сг 20 р(0 t) = р ех — - - — — — — (4) 9 . СТ Е

3 (5) ЕЕ, 3 дскб — — — =5p -5N

25 е ах где е. Р

Р плотность тока; заряд электрона; подви;кность дырок; концентрация свободных дырок; йапряженность поля; диэлектрическая проницаемость 30 концентрация атомов остаточных мелких донорных примесей; концентрация минусо-однозарядных акцепторов (ловушек); концентрация дырок перед попаданием сигнального из,лучения на фоторезистор; напряженность поля до попа- 40 дания сигнального излучения характерное контактное поле; о

Б — скорость тепловой 45 генерации, дырок; частота тепловых выбросов;, И вЂ” Ц вЂ” концентрация ней-

A 4 тральных атомов акцелторной примеси;

50 полная конце итра ция акце п" торов; (6) (8) P ст (9) Устройство работает следующим образом.

Уравнение полного тока

FfО BE — -=р+М -N (2) а. Эх= уравнение перезарядки примесного уровня

s>.,=(NANp) G G - скорость генерации дырок фоновым и сигнальным нз- л уче ни ем, 6 — сечение фотоионизации ней« трального акцептора; дХ = е Цдр Е + е 1Ар Е +

+ е дрдЕ +ЕР— ——

3Юст о эс

Э," = (NA — "ю) 1 Рс — <©+ c (т + р%р) б > А

- ф, др N> -k<5 p DNA - (7)

0 ) рст А

ЬЕ(0) = Е 1n (1 + - -) д

1 Pct

Выражение (6) для приращения потенциала дя в окрестности точки х =

= 0 на отрезке 1 можно аппроксимировать рядом Тейлора:, (,),„(О), а дц (О) +

dx

d 6CP(0)

2 с1 хе

Ограничиваясь записанными слагаемыми, можно найти соотношение, аппроксимирующее дифференциальный оператор в (6): с ДЧ 2 1 И (1) - Дч" (0)

dx 1 1

МЦ (О) I

Изменение разности потенциалов на фоточувствительном элементе равно

1559356

U = Lg (1} — 5q(0), P.K, A

С е

0Е = 1 Е(d h(p(0)

Е

I7 е1

= — — — hN

М 2ЕГ, KEG РA о « с ° с е Ир1

Е

А 2FE

«З

30 (13) - G 8A

Ug 11

- G-Ug

Р

lп (1 + — <)

11 о (14)

35 где i *вТАА еф ЬрА

1 нального излучения;

R = еррс, А

50 а изменение напряженности поля при

x = 0 равно

Учитывая это и применив аппроксимацию (9), (6) можно записать в виде:

2ВС (— — — Ь Е (0) ) = 6 р — h N.,(10) е1 1 Д I5

Используя при записи (5), (7), (8} и (10) новую систему параметров, имеющих размерности, совпадающие с размерностями электрических величин и параметров электрических цепей, получим:

i. GU + + GU + С вЂ” — — (11)

U dU

9 R d! t

И -"Е " + "н = 0,, (12) С вЂ” — G Š— G U

<Вн Бн

dt t. A с М Rf приращение тока фоточувствительного элемента,; площадь поперечного 40 сечения фоточувствительного элемента; проводимость, пропорциональная изменению 45 концентрации дырок при воздействии сигсопротивление фоточувствительного элемента при отсутствии сигнального излуче-. ния; напряжение на фоточувствительном элементе при отсутствии сигнального излуче-. ния; . паразитная емкость фоточувствительного элемента;

2 е1

О) U = ЮРУ

2ЕЕ, Я е (Ng — Ng 1 и A 2ЕЕа

) АЫо

+ь Ф) — — — +

> р р сто бс«

1 е

1 .-o)

Л ц е1- р э е. е1

Е 1; И = — — -р а 2ссо ст

С системой уравнений (11) — (14) можно сопоставить устройство,. схема которого изображена на чертеже. Напряжение источника 1 равно Е, напряжение источника S равно Е> напряжение источника 7 равно Uy,напряжение источника 1 1 управляется напряжениями U u UN и равно их сумме, проводимость элемента 12, пропорциональная плотность потока кван« тов сигнального излучения, равна G

1 проводимость источника 6 тока, управляемая напряжением Up, равна G, проводимость источника B.тока, управляемая напряжением Бр, равна G, емкости конденсаторов 3 и 10 равны С, сопротивление резистора 4 равно Rg сопротивление резистора 9 равн R сопротивление резистора 13 имеет произвольную величину R, нелинейный элемент 12 имеет вольт-амперную характеристику е

= --<(e — 1)

R«

У где U — напряжение на нелинейном элементе;

= U /R — ток через него.

При отсутствии светового потока проводимости источников 6 и 8 тока и конденсатора 3 равны нулю, а также равны нулю напряжение регулируемого источника 11 напряжения и сигнальное напряжение на фоточувствительном элементе.

1559356

30

Наличие сигнального светового потока приводит к пропорциональному увеличению проводимости источника 2 тока и появлению тока в цепи из параллельно соединенных конденсаторов 3 и резистора 4, позволяющего учесть инерционность процесса перезарядки ловушек, Резистор 4 моделирует тепловую генерацию дырок и генерацию дырок фоновым излучением. Источник 5 постоянного напряжения и пропорциональная концентрации дырок проводимость источника 6 тока позволяют учесть конечную скорость захвата дырок на ловушки. Совокупность элементов 1, 5, 2, 6, 3 и 4 при таком соединении моделирует уравнение, описывающее захват свободных дырок на ловушки резистором 13.

Напряжение на выходе источника

11 напряжения равно сумме напряжения, пропорционального концентрации ловушек, и изменения напряжения на фоточувствительном элементе. Сумма этого Напряжения, напряжения на элементе 12, равного U, и напряжения на резисторе 13, равного U< равна нулю в соответствии с вторым законом

Кирхгофа. Цепь, состоящая из элементов 11-13 моделирует уравнение (6), а.также граничные условия на р+ — р-переходе (8) .

Напряжение U резистора 13 пропорциональное концентрации дырок, управляет источниками 6 и 8 тока.

Источник 8 тока .включен последовательно с 1»сточником 7, напряжение которого равно напряжению на фоточувствительном элементе при отсутствии светового потока, и параллельно включенными резистором 9 конденсатором 10. Конденсатор 10 позволяет учесть ток смещения, а резистор 9— ток проводимости при отсутствии светового потока. При наличии светового потока генерация дырок приводит к увеличению проводимости источника 8 тока, что приводит к появлению сигнального напряжения на параллельно включенных конденсаторе 10 и резисторе 9, которое вызывает во внешней цепи ток 1 Следовательно, элементы 7-10 моделируют уравнение полного тока (5) и (11).

Таким образом для модели фоточувствительного элемента справедливы уравнения (11)-(14) и указанная модель может использоваться в совокупности с устройствами обработки информации в фотоприемных устройствах.

Формула и з о б р е т ения

Устройство для моделирования фоточувствительного элемента, содержащее первый накопительный конденса тор, первый нагруз очный. резистор, включенный параллельно первому накопительному конденсатору, причем один вывод первого нагрузочного резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а другой подключен к положительному полюсу первого источника постоянного напряжения, отрицатель»»ый полюс которого через первый регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потенциала, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в него введены второй источник постоян- ного напряжения, второй регулируемый источник тока, третий источник постоянного напряжения, третий регулируемый источник тока, второй нагрузочный резистор, второй накопительный конденсатор, регулируемый источник напряжения, нелинейный резистивный элемент задания граничных условий и третий нагрузочный резистор, причем положительный полюс первого источника постоянного напряжения подключен к первому управляющему входу регулируемого источника напряжения и к положительному полюсу второго источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого через второй регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потенциала, второй нагрузочный резистор, включен параллельно второму накопительному конденсатору, причем один вывод второго нагрузочного резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а другой подключен к второму управляющему входу регулируемого источника напряжения и к положительному полюсу третьего источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого через третий регулируемый источник тока соединен с шиной нулевого потен-циала, отрицательный полюс регулируемого источника напряжения подключен к шине нулевого потенциала, à его положительный полюс через нелинейный

1559356 резистивньй элемент задания граничных условий соединен с управляющими и поцключен к одному выводу тр тьего нагрузочного резистора, другой вывод которого подключен к и пне нулевого потенциала. выводами соответственно второго и третьего регулируемых источников тока

Составитель Н.Королев

Редактор В.Петраш Техред Л.Сердюкова Корректор П.Патей

Заказ 839 Тирам 556 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101