Фотосимистор на основе полупроводниковой структуры

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и, в частности, к полупроводниковым фотоприемникам с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) и симметричной относительно начала координат вольтамперной характеристикой (ВАХ) и может быть использовано в качестве фотодатчика переменного тока или фотоприемного элемента оптопары в системах автоматики, переключающей и преобразовательной техники для бесконтактной коммутации и управления в цепях переменного тока. Сущность изобретения: в фотосимисторе на основе полупроводниковой структуры, содержащем выполненные в слое исходного материала базовые области с размещенными в них внешними эммитерными областями, снабженными металлическими контактами, и по крайней мере один свободный для доступа светового потока участок, расположенный симметрично относительно оси или плоскости симметрии структуры, базовые области расположены с одной стороны структуры симметрично относительно оси или плоскости ее симметрии. 7 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к полупроводниковым фотоприемникам с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) и симметричной относительно начала координат вольт-амперной характеристикой (ВАХ), и может быть использовано в качестве фотодатчика переменного тока или фотоприемного элемента оптопары в системах автоматики, переключающей и преобразовательной техники для бесконтактной коммутации и управления в цепях переменного тока.

Известен фотосимистор на основе пятислойной n-p-n-p-n-структуры с зашунтированными внешними эмиттерными слоями, с конической канавкой на границе раздела составляющих структур прямого и обращенного тиристоров, в которую помещается один или два источника излучения таким образом, что освещению подвергаются наиболее фоточувствительные области составных структур - области объемного заряда коллекторного перехода [1].

Недостатками такого фотосимистора являются трудоемкость изготовления, использование двух источников излучения для выравнивания фоточувствительности прямого и обращенного тиристоров, малые механическая прочность и напряжение пробоя.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является фотосимистор на основе пятислойной структуры, например, n-p-n-p-n-типа с зашунтированными внешними эмиттерными слоями n-типа проводимости и со свободным по крайней мере с одной стороны структуры для доступа светового потока участком, причем внешние слои n-типа проводимости выполнены так, что их проекции на основные поверхности структуры перекрываются в области освещаемого участка [2].

Недостатками этого фотосимистора являются его невысокая фоточувствительность, обусловленная невозможностью подачи излучения непосредственно в наиболее фоточувствительную среднюю n-область, и сложность управления прибором с помощью светового потока, обусловленная невозможностью получения симметричных токов управления и необходимостью их выравнивания изменением интенсивности светового потока при разных полярностях коммутируемого напряжения.

Цель изобретения - повышение фоточувствительности прибора и упрощение управления им с помощью светового потока.

Это достигается тем, что в фотосимисторе на основе полупроводниковой структуры, содержащем выполненные в слое исходного материала базовые области с размещенными в них внешними эмиттерными областями, снабженными металлическими контактами, и по крайней мере один свободный для доступа светового потока участок, расположенный симметрично относительно оси или плоскости симметрии структуры, базовые области расположены с одной стороны структуры симметрично относительно оси или плоскости ее симметрии.

В частности, свободный для доступа светового потока участок может быть расположен либо на поверхности структуры, со стороны которой размещены базовые и эмиттерные области, либо на противоположной ей поверхности, либо на одной из поверхностей структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры и поверхности структуры, со стороны которой размещены базовые и эмиттерные области. Также свободные для доступа светового потока участки могут быть расположены либо поверхностях структуры, параллельных плоскости симметрии структуры, либо на поверхности структуры, противоположной поверхности, со стороны которой размещены базовые и эмиттерные области, либо на поверхностях структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры и поверхности структуры, со стороны которой размещены базовые и эмиттерные области, либо на поверхности структуры, со стороны которой размещены базовые и эмиттерные области.

В известных технических решениях расположение с одной стороны структуры выполненных в слое исходного материала базовых областей с размещенными в них внешними эмиттерными областями симметрично относительно оси или плоскости симметрии структуры при реализации фотосимистора не обнаружено, в связи с чем предложенное решение обладает существенными отличиями.

При этом повышение фоточувствительности прибора достигается за счет обеспечения доступа излучения в наиболее фоточувствительную высокоомную среднюю базовую область, а упрощение управления прибором с помощью светового потока - за счет использования постоянной интенсивности излучения, обеспечивающей симметрию токов управления без необходимости их выравнивания при включении прибора в обоих направлениях.

На фиг. 1-3 показаны варианты структур фотосимистора с одним свободным для доступа светового потока участком; на фиг. 1, 2 - продольный разрез структуры, на фиг. 3 - вид сверху на поверхность, со стороны которой расположены базовые и эмиттерные области; на фиг. 4-7 - варианты структур фотосимистора с двумя свободными для доступа светового потока участками; на фиг. 4, 5, 7 - продольный разрез структуры, на фиг. 6 - вид сверху на поверхность, со стороны которой расположены базовые и эмиттерные области (а) и вид сбоку на структуру (б). На фиг. 2 показан также вариант структуры фотосимистора с эмиттерными n-областями, выполненными в виде нескольких распределенных областей и зашунтированными металлическими контактами с разделяющими участками базовых р-областей.

Каждый из вариантов фотосимистора (см. фиг. 1-7) представляет собой двухэлектродный полупроводниковый прибор с планарной n-p-n-p-n-структурой, имеющий четыре p-n-перехода, причем внешние эмиттерные переходы n₁-p₁ и n₃-р₃ - низковольтные, а коллекторные р₁-n₂ и n₂-р₃ - высоковольтные. В общей высокоомной полупроводниковой подложке (исходном материале) n-типа проводимости 1 последовательно сформированы базовые р-области 2 и эмиттерные n-области 3 симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5. Базовые 2 и эмиттерные 3 области могут быть сформированы симметрично только плоскости симметрии структуры 4 или только оси симметрии структуры 5. Конфигурация проекций базовых 2 и эмиттерных 3 областей на поверхность структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области, может быть в виде прямоугольника, полукруга или другой формы. Концентрации легирующих примесей и электрофизические параметры в одноименных областях (базовых 2 или эмиттерных 3) одинаковы. Эмиттерные переходы n₁-p₁ и n₃-р₃ зашунтированы металлическими контактами 6, служащими электродами 7 и 8 фотосимистора, и тем самым обуславливают интегральное соединение двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Указанные эмиттерные р-n-переходы могут быть также и не зашунтированы металлическими контактами 6, которыми снабжены только эмиттерные области 3 (на фиг. 1-7 не показано). В данном случае при работе в каждой из двух полярностей приложенного напряжения фотосимистор представляет собой последовательно соединенные тиристор и обратносмещенный диод на основе одного из эмиттерных р-n-переходов.

Фотосимистор по фиг. 1 имеет один свободный для доступа светового потока участок 9, расположенный симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5 на поверхности структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимистор по фиг. 2 имеет один свободный для доступа светового потока участок 9, расположенный симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5 на поверхности структуры, противоположной поверхности, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимистор по фиг. 3 имеет один свободный для доступа светового потока участок 9, расположенный симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 на одной из поверхностей структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры 4 и поверхности структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимистор по фиг. 4 имеет два свободных для доступа светового потока участка 9, расположенных симметрично друг другу относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5 на поверхностях структуры, параллельных плоскости симметрии структуры 4.

Фотосимистор по фиг. 5 имеет два свободных для доступа светового потока участка 9, расположенных симметрично друг другу относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5 на поверхности структуры, противоположной поверхности, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимистор по фиг. 6 имеет два свободных для доступа светового потока участка 9, расположенных симметрично друг другу относительно оси симметрии структуры 5 на поверхностях структуры, перпендикулярных плоскости симметрии структуры 4 и поверхности структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимистор по фиг. 7 имеет два свободных доступа светового потока участка 9, расположенных симметрично друг другу относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5 на поверхности структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области.

Фотосимисторы по фиг. 1, 2 могут иметь свободный для доступа светового потока участок 9, расположенный симметрично только плоскости симметрии структуры 4.

Фотосимисторы по фиг. 4, 5, 7 могут иметь свободные для доступа светового потока участки 9, расположенные симметрично только плоскости симметрии структуры 4 или только оси симметрии структуры 5, а фотосимистор по фиг. 6 - симметрично только плоскости симметрии структуры 4 на одной из поверхностей.

Переключение каждого варианта фотосимистора с зашунтированными переходами (см. фиг. 1-7) в состояние с высокой проводимостью осуществляется путем приложения напряжения внешней цепи к электродам 7 и 8 и подачи излучения на один свободный для доступа светового потока участок 9 (у фотосимисторов по фиг. 1-3) или на два (либо один из двух) свободных для доступа светового потока участка 9 (у фотосимисторов по фиг. 4-7). При облучении в n₂-области генерируются пары носителей заряда (электрон-дырка), образуя объемный заряд и обуславливая управляющий фототок, что приводит к уменьшению напряжения переключения составляющих тиристоров. Если на электроде 7 полярность приложенного напряжения соответствует знаку "-", то при протекании тока по пути наименьшего сопротивления произойдет включение тиристорной структуры, образованной областями n₁, p₁, n₂, p₃. Аналогично будет включаться встречнопараллельная тиристорная р₁-n₂-p₃-n₃-структура при изменении полярности напряжения на обратную.

Переключение фотосимисторов с незашунтированными эмиттерными переходами осуществляется аналогично и характеризуется повышенным остаточным напряжением, представляющим собой сумму остаточного напряжения включенного тиристора и пробивного напряжения обратносмещенного диода. Однако такие фотосимисторы имеют максимально высокую фоточувствительность из-за отсутствия влияния шунтов.

За счет обеспечения доступа излучения в наиболее фоточувствительную n₂-область, а именно в область объемного заряда коллекторных переходов составляющих тиристоров, фотосимисторы (см. фиг. 1-7) имеют высокую фоточувствительность.

За счет симметричного расположения базовых 2 и эмиттерных 3 областей и свободного для доступа светового потока участка 9, а также одинаковых концентраций легирующих примесей и электрофизических параметров в одноименных областях, в фотосимисторах по фиг. 1-3 при постоянной интенсивности излучения обеспечивается генерация объемных зарядов с одинаковой концентрацией носителей в области коллекторных переходов составляющих тиристоров, что обуславливает симметрию токов управления без необходимости их выравнивания и приводит к упрощению управления приборами с помощью светового потока.

Фотосимисторы по фиг. 4-7 позволяют раздельно управлять переменным током в одном из направлений путем подачи излучения на один из двух свободных для доступа светового потока участков 9, вызывая генерацию объемного заряда в области коллекторного перехода соответствующей структуры составляющих тиристоров и перевод ее в состояние с высокой проводимостью. При одновременной подаче излучения одинаковой интенсивности на оба свободных для доступа светового потока участка 9 за счет их симметричного расположения работа фотосимисторов по фиг. 4-7 аналогична работе фотосимисторов по фиг. 1-3.

Кроме этого, для повышения стойкости прибора к высоким скоростям нарастания тока (di/dt) в каждом варианте фотосимистора (см., например, фиг. 2) металлические контакты 6 можно использовать в качестве распределенных шунтов, соединяющих эмиттерные области 3 с участками смежных базовых областей 2.

В случае расположения свободного (свободных) для доступа светового потока участка (участков) 9 со стороны поверхности структуры, противоположной поверхности, со стороны которой расположены базовые 2 и эмиттерные 3 области (см. фиг. 2, 5), для эффективной генерации объемных зарядов толщина общей полупроводниковой подложки 1 может быть уменьшена до оптимальной величины.

Таким образом, благодаря расположению с одной стороны структуры выполненных в слое исходного материала базовых областей 2 с размещенными в них внешними эмиттерными областями 3 симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 или оси симметрии структуры 5 обеспечивается доступ излучения в наиболее фоточувствительную высокоомную среднюю n₂-область, что ведет к повышению фоточувствительности прибора, а за счет симметричного расположения базовых 2 и эмиттерных 3 областей и свободных для доступа светового потока участков 9, а также одинаковых концентраций легирующих примесей и электрофизических параметров в одноименных областях, обеспечивается симметрия токов управления при использовании постоянной интенсивности излучения и не требуется их выравнивание, что упрощает управление прибором с помощью светового потока.

Экспериментально исследованы фотосимисторы, выполненные на основе двух симметричных планарно-диффузионных тиристорных структур, использующихся в гибридных пороговых переключателях 2У106, содержащих по два р-n-перехода и интегрально объединенных в одном монокристалле. В качестве источника излучения использовали GaAlAs-диоды от транзисторных оптопар АОТ123, размещенные симметрично относительно плоскости симметрии структуры и оси симметрии структуры фотосимистора над наиболее фоточувствительной средней n-областью. Источник излучения размещался над поверхностью, со стороны которой расположены базовые и эмиттерные области При использовании одного излучающего диода фотосимистор имел высокую чувствительность к световому потоку, обуславливая легкий переход во включенное состояние, и коммутировал ток до 200 мА и более при остаточном падении напряжения в открытом состоянии 1,5 В и действующем значении знакопеременного напряжения в закрытом состоянии 150-450 В. Излучающий диод возбуждался от источника постоянного тока до 20 мА при напряжении 2 В, его излучение обеспечивало симметрию токов управления без их выравнивания, что позволило упростить управление прибором и осуществлять его сигналом одной полярности и постоянной амплитуды, совместимой с уровнями серийно выпускаемых микросхем. Также исследовались конструкции фотосимисторов с раздельным управлением, в которых использовали два излучающих диода, диаграммы направленности излучения которых ориентировались на торцевые поверхности структуры фотосимистора, параллельные плоскости симметрии структуры. Возбуждением соответствующего излучающего диода обеспечивалось раздельное управление переменным током в одном из направлений. При одновременном возбуждении обоих излучающих диодов сигналами одинаковой амплитуды фотосимистор работал аналогично фотосимистору с одним излучающим диодом. При этом исследованные фотосимисторы с одним и двумя излучающими диодами работали как с зашунтированными, так и с незашунтированными эмиттерными переходами. В последнем случае значение остаточного напряжения включенного фотосимистора составляло 9 В. При этом фотосимисторы имели в 4-10 раз более высокую фоточувствительность, обеспечивая возможность их использования в качестве более эффективных фотодатчиков переменного тока.

Формула изобретения

ФОТОСИМИСТОР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ, содержащий выполненные в исходном материале базовые области с размещенными в них эмиттерными областями, металлические контакты и по крайней мере один свободный для доступа светового потока участок, расположенный симметрично относительно оси или плоскости симметрии структуры, отличающийся тем, что базовые области расположенные с одной стороны структуры симметрично относительно оси или плоскости ее симметрии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7