Колориметрический датчик

 

Изобретение относится к устройствам для измерения цвета, в частности к фотоэлектрическим трехцветным колориметрам. Целью изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления колориметрического датчика. Датчик состоит из трех p-n-переходов, сформированных на одной полупроводниковой подложке: р - слой 1, п+ - слой 2, р - слой 3, v - слой 4 с высоким удельным сопротивлением подложки , низкоомная п+ - область 5, контактный р - участок 6 с низким удельным сопротивлением, пассивирующий слой 7 двуокиси кремния, металлизация 8 (подложки и слоев); р-п - переходы выполнены резкими и расположены один над другим вниз по толщине подложки, причем глубины залегания этих переходов hi, h2 и Ьз удовлетворяют условиям : hi Oc min (3/Gt, 1/«3) h2 max (3/Oc, 1/a3); mln (З/Оз, 1 /okp) пз max (З/Оз, ), a толщина подложки З/Okp. где а. - коэффициент поглощения света в полупроводнике, индексы с, з и кр соответствуют синему, зеленому и красному цветам. Уровни легирования слоев 1-4 убывают от поверхности в глубину. В высокоомных слоях 3 и 4, образующих нижний р-п переход, для получения омических контактов и обеспечения механической прочности пластины созданы низкоомные участки того же типа проводимости (изотипные переходы). Поверхность датчика покрыта пассивирующим слоем 7 двуокиси кремния. Металлизация 8 осуществляется пленкой алюминия. 1 ил. сл с с со о VI о со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5U ÄÄ 1689768 А1 (я)5 6 01 J 3/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ :: (K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4629839/25 (22) 30.12.88 (46) 07.11.91.6юл.М 41 (72) В.В.Привезенцев и А.Г.Щетинин (53) 535.6(088.8) (56) Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.:Мир, 1978, с.236-244.

Н.Cato et al. А new integrated transducer

for colour distinction. Journal trf physIcs Е:

Scientific Instruments, 1976, v.Е 9, рв 12, р.1070-1072. (54) КОЛОРИМЕТРИЧ ЕСКИЙ ДАТЧИК (57) Изобретение относится к устройствам для измерения цвета, в частности к фотоэлектрическимм трехцветным колориметрам.

Целью изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления колориметрического датчика. Датчик состоит из трех р-п-переходов, сформированных на одной полупроводниковой подложке; р слой 1, n — слой 2, р — слой 3, ю — слой 4 с высоким удельным сопротивлением подложки, низкоомная и+ — область 5, контактный р — участок 6 с низким удельным сопротивлением, пассивирующий слой 7 двуокиси кремния, металлиэация 8 (подложки и слоев); р-n — переходы выполнены резкими и расположены один над другим вниз по толщине подложки, причем глубины залегания этих переходов h>, hz и пз удовлетворяют условиям . h> <ас, min (3/Qc, 1/Qa) < (hp < max (3/ас, 1/аз); min (3/аз, 1/акр) < сЬ3 - < max (3/аз, 1/акр), а толщина подложки hp > 3/акр, где a — коэффициент поглощения света в полупроводнике, индексы

"с", "з" и "кр" соответствуют синему, зеленому и красному цветам. Уровни легирования слоев 1-4 убывают от поверхности в глубину. В высокоомных слоях 3 и 4, образующих нижний р-и переход, для получения омических контактов и обеспечения механической прочности пластины созданы низкоомные участки того же типа проводимости (изоти п н ые переходы). Поверхность датчика покрыта пассивирующим слоем 7 двуокиси кремния. Металлиэация 8 осуществляется пленкой алюминия. 1 ил.

168 768

Изобретение относи гся к колориметрии и мо>кет быть исполь"-свана при создании фотоэлектрических трехцветных колориметров, Цель изобретения -- упрощение конструкции и технологии изготовления датчика.

На черте>ке представлена схема колориметрического датчика, На чертеже указань..полупроводн 1КОвые слои с разными типами проводимости: р — слой 1, п — слой 2, р — слой 3, подложка

4 и -типа проводимости (т — слой) с высоким удельным сопротивлением низкоомный

+ ++ и — слой 5, p — участо, 6 с низким удельным сопротивлением, а также пассивирующий clloA 7 pBfovtrlc!4 кремния N металлизиру1ощие покрытия 8 подложки и полупроводниковых слоев, выполняющие как защитную функци о. так и роль омических контактов.

Датчик работает следующим образом, р-и-переходы 1-3 смегцаются в обрат-ном направлении путем приложения соответственно напряжений Чз =- 30 В, /2 = 10 В и У1 = 2 Б. При этом области обьемного заряда занима от соответствующие низкоомные Области р-и-переходов. На датчик подается анализируемое видимое излучение, Центральные длины волн синего, зеленого и красного цветов;4 ==0,45 мкм, А-.=- 0,56 мкм и it;l = 0,72 мкм, а их обратнь е коэффициенты поглощения (глубины погло цения) 1/а == 0,40 мкм, 1/й = 1,61.лкм и I /а„я ==4,33 мкм, а соответствующие величины; 3/а = 1,20 мкм, 3/с з =- 4,83 мкм и 3/G =- 1:,0 мкм. Б этих условиях глубины р-и переходов составят

h1=0,3мкм, hz=1,4мкм и ha=4,5мкм, а

+ толщина 1области (глубина 1"-и -перехода

1ц = 15 мкм.

В зависимости or спектрального состава видимого излучения будут изменяться фототоки TpBx p-п-переходов, ПО соот loLUB нию между этими фототоками можно судить о цветовом составе аналлзируемого излучения.

Принцип действия датчика основан на дисперсии коэффициента поглощения света от длины волны излучения, т.е. его цвета.

Верхние слои (слой) являются поглощающими фильтрами по отношению к нижним слоям (слою). р-и-переходы сме-цаются каждый в своей цепи в обратном направлении так, что области пространственного заряда занимают для каждого из них(верхнего, среднего и нижнего) почтл полностью соответственно слои 2-4. С этой цел 1ло уровни легирования соседних слоев р-г-переходов отличаются более чем на порядок величины.

Падающее видимое излучение поглощается в датчике следующим образом, в основном синий цвет — в области 2, зеленый — в области 3, красный — в области 4. Образовавшиеся в них избыточные фотоносители заряда преобразуются в фототоки трех р-и-переходов, По соотношении между этими фототоками можно судить о цветовом составе падающего на колориметрический датчик видимого излучения, 10 Пример. В качестве исходной структуры взята пластина обращенного кремния V/и, где удельное сопротивление v-слоя составляет 2 10 Ом . См (йо = 1 10 см з}, его толщина 15 мкм, Полная толщина пла15 стины 350 — 400 мкм. Удельное сопротивление низкоомной подложки 0,001 Ом см (Np = 1 10 см ). Далее на глубину hз =, =4,5 мкм проводится диффузия бора для создания р-слоя с I s = 1,4 10 Ом/г1 {N,. =

14 А

= 2,,0 10 см "), Для создания и -слоя с/>=

20 = 2,1 10 Ом/а (ND = 2 10 c« ) провоЗ ., 1В -З дится диффузия фосфора 1lñ3 глубину h2 =

- = 1,4 мкм. р -область с Р-„= 1 "0 Ом/о (NA =

= 5 10 см ) получается путем легирования ионами бора на глубину h1 =

= 0,3 мкм с последующим импульсным фотонным отжигом. Для создания омических контактов к высокоомному р-слою применяется соответствующее подлегирование кон тактного участка этого слоя, проводимое одновременна с созданием р -области, Маскирующей пленкой служит слой двуокиси кремния толщиной 0,28 мкм, Последней операцией является металлизация пластины с обеих сторон алюминиевой пленкой

35 толщиной 1,0 мкм.

Синий цвет не только в основном поглощается в области 2, но и проходит через нее и частично поглощается в областях 3 и 4. То же самое можно сказать о зеленом и красном свете, т.е. спектральные характеристики трех р-и-переходов (фотодиодов) перекрываются. Однако их геометрия подобрана так, что это ггерекоытие незначительно и существенного влияния на распознавание цветового образа исследуемого объекта не оказывает, О цветовом составе падающего на колориметрический датчик светового потока судят по соотношению выходных фототоков каждого из p-li-nepexo50 дов. Предварительно необходимо прокалибровать датчик с помощью эталонного объекта, например белой бумаги, Три выходных фототока могут быть усилены, причем коэффициенты усиления подбираются так, чтобы в случае белой бумаги выходные фототоки (напряжение) были одинаковы. При изменении цветового состава падающего излучения вне зависимо1689768

Составитель B.Âàðíàâñêèé

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Т.Малец

Редактор А,Козориз

Заказ 3805 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 сти от его интенсивности соотношение между выходными фототоками колориметрического датчика изменится в соответствии с его назначением. Если анализируемый пучок имеет только один спектральный диапазон, лежащий, например, в синей области 5 спектра, то датчик показывает наличие и других спектральных компонентов. Однако эти компоненты, т.е. фототоки среднего и нижнего р-п-переходов, незначительны, а соотношение между всеми тремя фотото-.10 ками трех р-п-переходов строго адекватно спектральному составу (синему цвету).

Вещество, которым проводится легирование слоев, является существенным с той точки зрения, что это должен быть мелкий 15 донор или акцептор, а выбор самой мелкой примеси не является существенным. Например, для создания р -(1) и р-(3) слоев применяется мелкая акцепторная примесь— бор, алюминий; для создания и+-(2) и и.(4) 20 слоев — мелкая донорная примесь — фосфор, сурьма, мышьяк. С другой стороны, область р -типа (1) с высоким уровнем легирования может быть без ущерба заменена либо прозрачным металлическим барьером Шоттки 25 (например, золотой электрод толщиной 50200 A), либо гетеропереходом (например, ЯпО -Si). При этом верхний р-и-переход сохраняется и сущность работы от этого не изменяется, а лишь изменяется способ со- 30 здания фронтальной области (эмиттера) верхнего р-п-перехода.

Формула изобретения

Колориметрический датчик, выполненный в виде полупроводниковой подложки, включающей три полупроводниковые области с р-п-переходами,и металлических электродов, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и технологии изготовления, р-и-переходы расположены один гюд другим в полупроводниковой подложке, причем глубины h1,hz и пз залегания первого, второго и третьего р-и-переходов относительно поверхности подложки удовлетворяют условиям

Ь1 < ас, агап (3 а,, а, )< hz < пах (3 а а, ); min (3 аз, аЛ < з < max (3 а,, p, — 1 а толщина подложки h4 >За,, где а,, а, и ак — соответственно коэффициенты поглощения излучения синего, зеленого и красного цветов в подложке, при этом р-и-переходы выполнены с концентрациями легирующих примесей соседних областей, отличающимися друг от друга более чем на прядок величины и убывающими от поверхности подложки, металлические электроды расположены на областях, образующих первый р-п-переход, а в областях, образующих третий р-п-переход, созданы низкоомные участки тех же типов проводимости, на которых расположены металлические электроды.