На правах рукописи РАЗРАБОТКА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
реклама
На правах рукописи КОРНЕЕВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано электроника, приборы на квантовых эффектах АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов 2011 Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет». Научный руководитель доктор физико-математических профессор Гурин Нектарий Тимофеевич Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Сивяков Борис Константинович наук, доктор технических наук Кузьмин Николай Геннадьевич Ведущая организация Ульяновский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова Российской академии наук Защита состоится «28» декабря 2011 года в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, Политехническая, 77 , СГТУ, ауд. 2/401. С диссертацией можно ознакомиться в научно–технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « » ноября 2011 г. Автореферат разослан « » ноября 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Димитрюк А.А. 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Создание новых типов полупроводниковых приборов с положительной обратной связью (ПОС), имеющих S- и N-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) и отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), управляемых оптическим излучением является важной научнотехнической задачей. Широкие функциональные возможности этих приборов дают возможность применения их в узлах мощной и маломощной автоматики, в СВЧ- электронике, бортовой электронике, в системах телекоммуникации, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатике, системах мехатроники и микросистемной техники. Вопросам разработки, моделирования и исследования приборов с ПОС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. В настоящее время практически решены основные вопросы теории известных приборов с положительной обратной связью, касающиеся физических процессов, приводящих к появлению участка ОДС и ОДП на ВАХ, принципа действия, свойств, основных типов приборов, моделирования ВАХ статических и динамических характеристик, а также их применения в различных узлах электронной техники. Однако появление новых полупроводниковых приборов с положительной обратной связью, имеющих N-образную вольт-амперную характеристику, содержащую участок отрицательной дифференциальной проводимости, имеющих новые структуры и реализующих методы оптического управления потоками носителей зарядов в структуре, является перспективным направлением в развитии полупроводниковых приборов с ПОС. Влияние на свойства полупроводниковых приборов с ПОС оптического излучения открывает перспективы применения их в качестве оптически управляемых автоматических переключателей для коммутации переменных и постоянных токов, в различного рода фотодатчиках, а также в позиционночувствительных фотодатчиках различного назначения. Одним из перспективных базовых электронных компонентов, способных найти широкое применение, являются полупроводниковые фотоприемники с отрицательной дифференциальной проводимостью, обладающие ключевыми свойствами и позиционной чувствительностью. Фотоприемники такого типа имеют участок ОДП на выходных ВАХ Nобразного вида. Применение такого типа приборов в узлах аппаратуры специального и бытового назначения позволит значительно упростить многие схемные решения, обеспечить снижение массогабаритных показателей, повысить качество, надежность и эффективность электронной аппаратуры. В соответствии с этим разработка новых фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью является актуальной задачей. 3 Цель работы Целью диссертационной работы являются разработка, моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительных полупроводниковых приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью. Для достижения данной цели решались следующие задачи: Разработка, моделирование и экспериментальное исследование нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника с отрицательной дифференциальной проводимостью. Разработка, моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительного полупроводникового прибора с передаточной Nобразной вольт-амперной характеристикой. Разработка, моделирование и экспериментальное исследование комбинированного полупроводникового позиционно-чувствительного прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой. Научная новизна Разработан интегральный позиционно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник с N-образной вольт-амперной характеристикой на основе пятислойной полупроводниковой структуры, у которого, в зависимости от пространственного положения светового зонда на его поверхности, происходит либо увеличение тока пика N-образной ВАХ, либо его уменьшение вплоть до полного исчезновения N-участка на ВАХ, т.е. реализуется позиционная фоточувствительность. Разработан фоточувствительный полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой, на основе комбинации двух элементов с N-образной ВАХ, один из которых включен в управляющую цепь второго, который имеет выходную и передаточную Nобразные ВАХ, что обеспечивает ограничение диапазона рабочих токов прибора в заданных пределах. Разработан комбинированный полупроводниковый позиционночувствительный прибор с N-образной вольт-амперной характеристикой на базе линейного или дугового полупроводникового позиционночувствительного фотоприемника (ПЧФ) и полупроводникового прибора с Nобразной вольт-амперной характеристикой, который имеет линейное изменение тока пика на выходной ВАХ, в зависимости от углового или координатного изменения положения светового зонда на поверхности фоточувствительной области ПЧФ, что позволяет использовать его в качестве координатного или углового управляемого фотопереключателя. Практическая ценность работы Предложенный вариант структуры нового интегрального позиционночувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной вольт-амперной характеристикой можно использовать при создании датчиков положения, давления, перемещения и других типов, а также оптопар на его основе. 4 Предложен полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой с встроенной защитой от токовых перегрузок в управляющей цепи на основе комбинации двух элементов с Nобразной ВАХ, которые позволяют ограничивать диапазон входных и выходных рабочих токов прибора в заданных пределах. Предложен комбинированный полупроводниковый позиционночувствительный фотоприемник с N-образной ВАХ на базе полупроводникового ПЧФ и полупроводникового прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой, который можно использовать в качестве координатно-управляемого фотопереключателя. Предложенные математические модели фотоприемников с N-образной ВАХ на основе многослойных полупроводниковых структур позволяют рассчитывать вольт-амперные характеристики и параметры фотоприемников при проектировании фотопреобразователей на базе таких структур. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании преобразователя угла поворота для датчиков аэродинамических углов Ульяновским конструкторским бюро приборостроения (ОАО «УКБП»). Результаты диссертации используются в образовательном процессе кафедры радиофизики и электроники Ульяновского государственного университета при изучении дисциплин «Микроэлектроника» и «Оптоэлектронные устройства» Положения, выносимые на защиту В разработанном интегральном позиционно-чувствительном полупроводниковом фотоприемнике с N-образной ВАХ на основе пятислойной полупроводниковой структуры, в зависимости от пространственного положения светового зонда на его поверхности, происходит либо увеличение тока пика N-образной ВАХ, либо его уменьшение вплоть до полного исчезновения N-участка на ВАХ, т.е. такой фотоприемник является позиционно-чувствительным. Разработанный фоточувствительный полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой, на основе комбинации двух элементов с N-образной ВАХ, один из которых включен в управляющую цепь второго, имеет выходную и передаточную N-образные ВАХ, что обеспечивает ограничение диапазона рабочих токов прибора в заданных пределах. Разработанный комбинированный полупроводниковый позиционночувствительный прибор с N-образной ВАХ на базе линейного или дугового полупроводникового трехслойного ПЧФ и полупроводникового прибора с Nобразной ВАХ имеет линейное изменение тока пика на выходной ВАХ, в зависимости от углового или координатного изменения положения светового зонда на поверхности фоточувствительной области ПЧФ, что позволяет 5 использовать его в качестве координатного или углового управляемого фотопереключателя. Апробация работы Основные результаты работы доложены на Международных и Российских конференциях: Международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», Курск, 2005, 2008, 2010; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог, 2006; Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2007, 2010, 2011; Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СанктПетербург, 2007, 2009; Всероссийской Молодежной конференции по физике полупроводников «Наноструктуры, опто- и наноэлектроника», СанктПетербург, 2007; Международном форуме-конкурсе «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2007; Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», Зеленоград, 2008; Российском семинаре «Волоконные лазеры», Ульяновск, 2010; Региональной научной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники», Ульяновск, 2009; Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве», Протвино, 2011. Разработка «Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры» защищена патентом № 2309487 и награждена золотой медалью на 35-й Международной выставке изобретений, новой техники и продукции (18-22 апреля 2007 г., Женева, Швейцария), дипломом Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, за высокий уровень разработок, представленных на выставке в Женеве, дипломом 58-й Международной выставки «Идеи-изобретения-инновации» - “IENA 2006” (1-5 ноября 2006 г., Нюрнберг, Германия), а также дипломом Министерства образования и науки РФ за высокий научно-технический уровень разработки. Разработка «Полупроводниковый прибор со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки» (патент на изобретение № 2428765 от 10.09.2011) награждена серебряной медалью на VI Международной ярмарке изобретений SIIF-2010 (2-5 декабря 2010 г., Сеул, Южная Корея). Получено положительное решение о выдаче патента: Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Лычагин Е.В., Родионов В.А., Штанько А.А., Корнеев И.В., Куприянов В.А. «Двухполюсный полупроводниковый позиционночувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью», заявка № 2010141198 от 07.10.2010, решение о выдаче патента от 04.08.2011. Заявка на изобретение: Новиков С.Г., Гурин Н.Т., 6 Корнеев И.В., Родионов В.А., Штанько А.А., Маслов В.Н. Истомин Д.А., Белов В.П. «Фотоэлектрический преобразователь углов на основе позиционно-чувствительного фотоприемника дуговой конфигурации» №2011125431 от 20.06.2011 проходит экспертизу по существу. Результаты работы получены в ходе выполнения грантов: «Теоретические и экспериментальные исследования оптоэлектронных и полупроводниковых структур и приборов для информационнотелекоммуникационных систем», Отчет о НИР, Ульяновск, 2005 г., № гос.рег. 0120.0.600139; Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» (Государственный контракт № П1158); Федеральная целевая программа «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» (Государственный контракт № П2142); АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (Рег. номер № 2.1.2/10783); «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области оптики, лазерной физики и лазерных технологий» (Государственный контракт № 02740.11.0224). Результаты диссертационной работы использованы при проектировании преобразователя угла поворота для датчиков аэродинамических углов Ульяновским конструкторским бюро приборостроения (ОАО «УКБП»). Личное участие автора В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автором разработаны модели фоточувствительных и позиционно-чувствительных полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, изготовлены макетные образцы, проведены моделирование, расчеты и экспериментальные исследования, осуществлены обработка, анализ и обобщение полученных результатов. Достоверность Достоверность результатов обеспечивается проведением исследований по апробированным методикам, на аттестованных исследовательских установках, базирующихся на серийно выпускаемой измерительной аппаратуре. Подтверждением достоверности разработанных моделей является то, что результаты моделирования, полученные на экспериментальных образцах, качественно совпадают с экспериментальными данными в пределах погрешности. 7 Публикации По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента, подана 1 заявка на изобретение. Объем и структура диссертации Диссертационная работа изложена на 139 страницах текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 49 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 172 наименований. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность проведения разработок и исследования принципов функционирования, моделирования и исследования фоточувствительных полупроводниковых структур и приборов с N-образной вольт-амперной характеристикой, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Первая глава посвящена обзору литературы и анализу состояния исследуемого вопроса. Проводится классификация структур и приборов с отрицательным сопротивлением и отрицательной проводимостью, в том числе и фоточувствительных, анализ их принципов действия и основных свойств. Показано, что наиболее перспективными и новыми в настоящее время являются N-приборы с оптическим управлением. На основе выполненного в главе анализа определены цель работы и сформулированы задачи исследования. Во второй главе рассмотрены физико-топологическое и математическое моделирование и результаты экспериментального исследования нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной вольт-амперной характеристикой. Основной особенностью нового интегрального позиционночувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ является позиционная чувствительность при изменении пространственного положения светового потока. На рис. 1,а приведена модель, а на рис. 1,б схема замещения позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника с Nобразной ВАХ с двумя свободными для доступа светового потока участками, расположенными на одной поверхности с контактными площадками. Фотоприемник представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с планарной n1-p2-n3-p2-n2-структурой, имеющий четыре p-n-перехода. Металлический контакт первого базового слоя p1 объединен с металлическим контактом второго коллекторного слоя n2 и образует второй электрод Э2 8 структуры, который в силу симметричности структуры может выступать в роли коллектора или базы фотоприемника, а металлический контакт второго базового слоя p2 объединен с металлическим контактом первого коллекторного слоя n1 и образует первый электрод Э1, который также может выступать в роли базы или коллектора фотоприемника. Электрод Э3 соединен с металлическим контактом к области n3 и образует эмиттерный электрод фотоприемника. а) б) Рис. 1. Структурная схема (а) и схема замещения (б) интегрального позиционночувствительного фотоприемника с N-образной вольт-амперной характеристикой При облучении световым потоком Ф1 база-эмиттерного перехода структуры n1-p1-n3 (основной транзистор) происходит увеличение тока пика на ВАХ фотоприемника. Данный процесс аналогичен процессу увеличения тока насыщения при освещении обычного биполярного фототранзистора. При облучении световым потоком Ф2 база-эмиттерного перехода структуры n2-p2n3 (шунтирующий транзистор) значение тока пика на N-образной ВАХ фотоприемника уменьшается за счет уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора. При облучении световым потоком всей поверхности фотоприемника преобладает эффект уменьшения сопротивления шунтирующего транзистора, в результате чего происходит уменьшение тока и напряжения пика на выходной ВАХ фотоприемника. В зависимости от пространственных параметров и интенсивности светового воздействия возможно как уменьшать ток пика, в том числе и с уменьшением напряжения пика, вплоть до полного спрямления N-участка ВАХ, так и увеличивать ток пика, что принципиально отличает данный фотоприемник от других фоточувствительных приборов, у которых при облучении происходит либо только уменьшение участка отрицательного сопротивления, как, например, у тиристоров и симисторов, либо только увеличение тока насыщения, как у фототранзисторов. При создании и проектировании полупроводниковых приборов важной задачей является задача точного компьютерного моделирования с 9 применением программных средств физического и технологического моделирования. В программе физико-топологического моделирования Genius TCAD используется модификация диффузионно-дрейфовой модели Гуммеля для описания полупроводниковых приборов, основных физических параметров, таких как подвижность, скорость рекомбинации и других. При решении используется набор известных уравнений с частными производными. Уравнение Пуассона: (1) q( p n N D N A ) , где — диэлектрическая проницаемость; q — заряд электрона; n и р — концентрации электронов и дырок; N D и N A — число ионизированных доноров и акцепторов соответственно. Уравнения непрерывности для электронов и дырок: n 1 p 1 J n (U G), J p (U G) , t q t q (2) где U и G — скорость электронно-дырочной рекомбинации и генерации; J n и J p - плотности электронного и дырочного токов соответственно. Плотности электронного и дырочного токов задаются известными уравнениями: J n q n n E n qDn n, J p q p p E p qD p p , (3) где n и p — подвижности электронов и дырок; D n и D p — коэффициенты диффузии для электронов и дырок соответственно. Эти уравнения в совокупности с граничными условиями при разбиении структуры на элементарные ячейки позволяют провести физикотопологическое моделирование структуры (рис. 2,а), у которой в общей полупроводниковой высокоомной подложке n – типа 1 с концентрацией примеси 5·1014 см-3 последовательно сформированы базовые р-области 2, с концентрацией примеси 7.5·1017 см-3 и глубиной залегания p-n-переходов 10 мкм, и коллекторные n+-области 3, а также n+-область 6 для получения омического контакта к эмиттеру металлического проводника 9, служащего электродом Э3 фотоприемника, с концентрацией 2·1019 см-3 и глубиной залегания p-n-переходов 6 мкм, симметрично относительно плоскости симметрии структуры 4 и оси симметрии структуры 5. Базовые 2 и коллекторные 3 области могут быть сформированы симметрично только плоскости симметрии структуры 4 или только оси симметрии структуры 5. Конфигурация проекций базовых 2 и коллекторных 3 областей на поверхность структуры, со стороны которой расположены базовые 2 и коллекторные 3 области, может быть в виде прямоугольника, полукруга или другой формы. Коллекторные области n1 и n2 соединены металлическими проводниками 7 и 8, служащими электродами Э1 и Э2 фотоприемника с базовыми областями p2 и p1 соответственно. Преимуществом данной структуры является то, что она имеет простую технологию изготовления, 10 неотличимую от технологии изготовления биполярных транзисторов. Сетка разбиения структуры составляла 12000 элементов. Результат моделирования выходной ВАХ структуры нового интегрального позиционно-чувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с Nобразной ВАХ приведен на рис. 2,б. Как следует из рис. 2,б, в зависимости от положения и интенсивности светового пучка Ф1 или Ф2 на поверхности структуры, ток пика ВАХ может возрастать или уменьшаться. а) б) Рис. 2. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (б) интегрального позиционночувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ полученная в результате физикотопологического моделирования: 1 - Ф1 = 100 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 2 - Ф1 = 50 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 3 - Ф1 = 0 мВт/мм2, Ф2 = 0 мВт/мм2; 4 - Ф1 = 0 мВт/мм2, Ф2 = 50 мВт/мм2; 5 - Ф1 = 0 мВт/мм2, Ф2 = 100 мВт/мм2 Для математического моделирования, интегрального позиционночувствительного полупроводникового фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной ВАХ и расчета параметров ВАХ использована модель Эберса-Молла биполярного транзистора. Для построения математической модели введены некоторые ограничения: составляющие структуру транзисторы являются бездрейфовыми; рассматривается только одномерная модель; транзисторы симметричны, т.е. площадь эмиттера и коллектора равны Sэ = Sк. Для тока коллектора фотоприемника можно выделить два участка. Первый участок, описывающий N-образную ВАХ, до напряжения Uмин, характеризуется выражением для коллекторного тока выходного транзистора: I ко ( I пкэо (e U кэо Ut 1) I пкко (e U бэо Ut 1) I вх.опт )( I пкэо I пкко e I пээо I пкэо ( I пэко I пкко )e ( I пээо 2 I пэко I пкко )( I пкэо I пкко )e I пээо I пкэо ( I пэко I пкко )e U кэо Ut 11 U кэо Ut U кэо Ut I пкко I пкэо U кэо Ut ) (4) Второй участок, на котором основное влияние вносит прямосмещенный база-эмиттерный переход шунтирующего транзистора, работающего в режиме насыщения, описывающий образование вторичной положительной ветви характеризуется выражением: I бш ( I пээо 2 I пэко I пкко )(e U кэо U мин Ut 1) , (5) где Inээ; Inэк; Inкэ; Inкк - характеристические токи и Uкэ, Uбэ - напряжения на переходах основного и шунтирующего транзисторов (индексы о и ш соответственно). С учетом влияния управления структуры оптическим излучением входной ток приобретает вид: I вх.опт I вх I о I ш , где Iо и Iш - токи фотогенерации в база-эмиттерных переходах основного и шунтирующего транзисторов, соответственно. Токи фотогенерации Iо , Iш определяются выражением: I q Ф , h (6) где - квантовый выход фотоионизации; - коэффициент поглощения; h энергия фотона. При использовании в экспериментальных исследованиях оптопары, величина светового потока, излучаемого диодом оптопары Ф kI Д , где IД – ток, протекающий через излучающий диод; k - постоянная, зависящая от параметров оптопары. Вольт-амперные характеристики интегрального позиционночувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ, полученные в результате математического моделирования и экспериментальных исследований макетных образцов, приведены на рис. 3. Рис. 3. Выходные экспериментальные (пунктирные) и расчетные (сплошные линии) ВАХ интегрального фотоприемника с N-образной ВАХ в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо = 110 мА, IДш = 0 мА; 2 - IДо = 30 мА, IДш = 0 мА; 3 - IДо = 0 мА, IДш = 0 мА; 4 - IДо = 0 мА, IДш = 30 мА; 5 - IДо = 0 мА, IДш = 110 мА 12 Макетные образцы, собранные на основе двух вертикальных транзисторных структур типа КТ8143 с внешней коммутацией, с линейными размерами 8×20 мм, изготовленные на базе ОАО ОКБ «ИСКРА» г. Ульяновск, представляют собой мощные структуры с гребенчатыми эмиттерами. В качестве источников излучения использованы инфракрасные светодиоды АЛ156, с диаметрами светового пучка 1 мм. Токи светодиодов IДо и IДш (освещающего основной и шунтирующий переходы) до 110 мА. Ток управления макетного образца составлял 100 мкА. Экспериментальные исследования показывают, что при освещении основного транзистора происходит увеличение, а при освещении шунтирующего - уменьшение тока пика на N-образной ВАХ, вплоть до полного спрямления в зависимости от пространственного положения светового пучка на поверхности фотоприемника. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований показывает их качественное согласование. В третьей главе рассмотрены моделирование и экспериментальное исследование фоточувствительного полупроводникового прибора с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой. Особенностью приборов с N-образной ВАХ, имеющих участок ОДП, является наличие на выходной ВАХ падающего участка тока при возрастающем напряжении питания. Это обстоятельство предполагает использование приборов с ОДП в качестве элементов защиты узлов электронной техники от скачков тока и напряжения. При изменении выходного тока выше максимального прибор с ОДП переходит в выключенное состояние, в котором при малом токе на приборе падает практически все напряжение источника питания, тем самым отключая нагрузку. Однако скачки напряжения и тока могут происходить и в цепях управления. Для защиты прибора с ОДП по цепи управления предлагается комбинация приборов с ОДП с введением одного из них в цепь управления (см. рис. 4). Такая структура имеет передаточную и выходную N-образные вольт-амперные характеристики. Рис. 4. Комбинация приборов с ОДП, обладающая передаточной ВАХ N-типа: N1 - первый полупроводниковый прибор с ОДП; N2 - второй полупроводниковый прибор с ОДП; К – коллектор Б – база Э - эмиттер комбинированного прибора 13 При проведении физико-топологического моделирования за основу была взята структура интегрального позиционно-чувствительного фотоприемника на основе пятислойной полупроводниковой структуры с Nобразной ВАХ, в управляющую цепь которого введен λ-диод, на основе n- и p- канальных полевых транзисторов. Полученные в результате передаточные ВАХ приведены на рис. 5. Выходные ВАХ аналогичны характеристикам, представленным на рис. 2. Рис. 5. Передаточная ВАХ фоточувствительного прибора с передаточной N-образной ВАХ, полученная в результате физико-топологического моделирования при Uкэ: 1 - 0,2 В; 2 - 0,3 В; 3 - 0,4 В; 4 - 0,6 В Рис. 6. ВАХ структуры с передаточной N-образной ВАХ, полученная в результате математического моделирования Для математического моделирования передаточных и выходных ВАХ прибора использована модель Эберса-Молла. Конечное уравнение, описывающее поверхность ВАХ, имеет вид: U U U кэ кэ бэ I (e Ut 1) I e Ut U бэ S (1 U бэ ) I I I e Ut кэ кк ээ кэ кк 2 2U отс I I , I к U кэ , U бэ кэ кк U кэ (7) I ээ I кэ I эк I кк e Ut где Iээ; Iэк; Iкэ; Iкк - характеристические токи биполярных транзисторов; S – крутизна и Uотс – напряжение отсечки полевого транзистора; Uкэ, Uбэ напряжения на приборе. Семейство передаточных и выходных вольт-амперных характеристик, полученное в результате расчета, приведено на рис. 6. Сечение поверхности плоскостью ( I к ,U кэ ) при фиксированном напряжении Uбэ дает выходную характеристику, а сечение плоскостью ( I к ,U бэ ) – передаточную (при фиксированном напряжении Uкэ). При проведении экспериментальных исследований использован макетный образец на базе комбинации двухэлектродного λ-диода и схемы трехэлектродного прибора с ОДП с шунтированием база-эмиттерного 14 перехода основного транзистора вторым биполярным транзистором того же типа, реализованный на базе полевых транзисторов КП103 (канал p-типа) и КП303 (канал n-типа) и биполярных бескорпусных транзисторов КТ3102. Два инфракрасных светодиода АЛ156А использовались в качестве источника излучения инфракрасного диапазона. На рис. 7 представлена передаточная характеристика экспериментального образца, а на рис. 9 - выходная вольт-амперная характеристика. Рис. 7. Семейство передаточных характеристик экспериментального образца при различных значениях Uкэ: 1 - 0,2 В; 2 - 0,3 В; 3 - 0,4 В; 4 - 0,6 В Рис. 8. Семейство экспериментальных (пунктирные) и расчетных (сплошные) передаточных характеристик прибора при Uкэ = 0,4 В в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо = 100 мА, IДш = 0 мА; 2 - IДо = 0 мА, IДш = 0 мА; 3 - IДо = 0 мА, IДш = 100 мА Передаточная характеристика имеет N-образную форму с максимумом при напряжении 1,5 В. Как следует из рисунка, увеличение входного напряжения Uбэ приводит к увеличению тока пика характеристики, а при напряжении свыше 1,5 В выходной ток Iк уменьшается. Данное обстоятельство можно интерпретировать как обеспечение защиты нагрузки от скачков тока и перенапряжения в управляющей цепи. При увеличении выходного напряжения Uкэ первоначально происходит рост тока коллектора, а затем его уменьшение (рис. 9). Это и обеспечивает режим защиты по выходу. На рис. 8 и 10 представлены зависимости влияния освещения на переходную и выходную ВАХ. Как следует из рис. 8 и 10, в зависимости от величины освещения двух пространственно разделенных фоточувствительных областей, ток пика на выходной и переходной характеристике увеличивается или уменьшается. Таким образом, в приборе проявляется не только защита выходной и входной цепей, но и позиционная фоточувствительность. 15 Рис. 10. Выходные экспериментальные (пунктирные) и расчетные (сплошные) ВАХ при Uбэ = 1,4 В в зависимости от тока, протекающего через светодиоды: 1 - IДо= 100 мА, IДш= 0 мА; 2 - IДо= 50 мА, IДш= 0 мА; 3 - IДо= 0 мА, IДш= 0 мА; 4 - IДо= 0 мА, IДш= 50 мА; 5 - IДо= 0 мА, IДш= 100 мА Рис. 9. Семейство выходных характеристик экспериментального образца (Uкэ = 0,4 В) при различных значениях Uбэ: 1 - 0,5 В; 2 - 0,8 В; 3 - 1 В; 4 – 1,4 В; 5 - 1,7 В; 6 - 2,2 В; 7 - 2,4 В С учетом особенностей выполненных макетных образцов на базе дискретных элементов результаты экспериментальных исследований качественно согласуются с результатами моделирования. Четвертая глава посвящена исследованию комбинированного позиционно-чувствительного прибора с N-образной ВАХ на основе ПЧФ и полупроводникового прибора с N-образной ВАХ. В таком приборе достигается значительное увеличение протяженности области позиционной фоточувствительности по сравнению с ранее описанными позиционночувствительными фотоприемниками с ОДП за счет использования ПЧФ, линейные размеры фоточувствительной области которого могут достигать нескольких сантиметров. ПЧФ представляет собой p-n-p-структуру с тремя омическими контактами, два из которых расположены по краям верхнего фоточувствительного слоя, служащего эмиттером и одновременно делителем напряжения источника. Третий является контактом к эквипотенциальной нижней области полупроводника, служащей коллектором. При проецировании светового пучка на эмиттерную область ПЧФ создается рельеф возбужденных светом и разделенных p-n-переходом носителей тока. ПЧФ может быть реализован в виде линейного или дугового фотоприемника. ПЧФ включен в цепь управления элемента с ОДП (рис. 11) таким образом, что первый контакт (1) к фоточувствительной области полупроводникового ПЧФ соединен с эмиттерным электродом (Э) прибора с ОДП, второй контакт (2) к фоточувствительной области соединен с коллекторным электродом (К), а третий контакт (3) полупроводникового ПЧФ соединен с базовым электродом (Б) прибора с ОДП. Э1 и Э2 — электроды 16 двухполюсного прибора с отрицательной проводимостью, Ф — световой пучок, падающий на поверхность ПЧФ. За счет рассматриваемой схемы соединения реализуется двухполюсный комбинированный позиционночувствительный фотоприемник, обладающий N-образной ВАХ. Рис. 11. Структурная схема комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной вольт-амперной характеристикой Получение участка ОДП на выходной ВАХ такого прибора в двухэлектродном включении обеспечивается за счет использования ПЧФ в режиме фотоуправляемого делителя напряжения - фотопотенциометра. Проведено физико-топологическое моделирование структуры линейного ПЧФ, которая получена одной диффузией с двух сторон полупроводниковой пластины в объеме полупроводника n-типа 15 проводимости. Диффузией примеси p-типа с концентрацией 5·10 см-3 формируются два p-n перехода с глубинами залегания 50 и 200 мкм. Напряжение, прикладываемое к эмиттерным электродам, составляло 10 В. Из результатов моделирования наблюдается линейная зависимость напряжения выходного сигнала U3 от координаты. При проведении математического моделирования было учтено, что напряжения на выходном электроде 3 линейного ПЧФ при нахождении центра светового пучка в координате х можно описать следующим аналитическим выражением: U3=kE0x/L, где Е0 - постоянное напряжение, прикладываемое между Э1 и Э2 электродами ПЧФ; L - длина фоточувствительного слоя; x - координата центра светового пучка на поверхности ПЧФ; k - параметр, зависящий от геометрии ПЧФ и интенсивности излучения. Для дугового ПЧФ напряжение на третьем электроде: U3=kE0/0, где Е0 - постоянное напряжение, прикладываемое между Э1 и Э2 электродами ПЧФ; - угол координаты центра светового пучка в градусах, 0 – угол сектора фоточувствительного слоя в градусах, k - конструктивный параметр, зависящий от геометрии ПЧФ и интенсивности излучения. Как следует из рис. 12, наблюдается линейная зависимость напряжения выходного сигнала U3 от координаты линейного ПЧФ в диапазоне от 3 до 24 мм и угла для дугового ПЧФ в диапазоне от 10 до 80 град. 17 а) в) б) г) Рис. 12. Полупроводниковые структуры ПЧФ: а - линейная; б - дуговая; в - и г математическое моделирование (сплошные) и экспериментальные (пунктирные) зависимости выходного сигнала U3 от координаты и угла Линейный ПЧФ (рис. 12,а) представляет собой полупроводниковую p-np-структуру шириной 1,2 мм и толщиной 280 мкм, с двумя p-n-переходами, реализованными на глубинах 53 и 233 мкм в объеме полупроводника n - типа проводимости с сопротивлением 30 Ом·см. Удельное сопротивление p областей составляет 250 Ом·см. На верхней фоточувствительной поверхности полупроводникового ПЧФ размещены два металлических электрода (по краям линейной структуры) для подключения источника питания, на противоположной стороне кристалла — третий выходной электрод. Дуговой ПЧФ (рис. 12,б) представляет собой аналогичную линейной полупроводниковую p-n-p - структуру шириной 1,5 мм с сечением трапецеидальной формы, радиусом 14 мм и толщиной 250 мкм. В качестве источника излучения используется ИК диод типа АЛ107Б. Диаметр светового зонда составляет 2 мм. Ток ИК диода во всех экспериментах составлял 40 мА. N-прибор реализован на основе комбинации двух транзисторов, соединенных по схеме модуляции тока базы основного транзистора дополнительным полевым транзистором с управляющим p-n - переходом. При этом затвор полевого транзистора соединен с коллектором биполярного транзистора. В качестве биполярного использован бескорпусной транзистор типа КТ 3107, в качестве полевого - бескорпусной транзистор типа КП 302. На рис. 13 представлены выходные ВАХ, полученные в результате математического моделирования и экспериментального исследования в зависимости от координаты светового пучка для линейного (рис. 13,а) и 18 дугового (рис. 13,б) комбинированного фотоприемника с N-образной ВАХ. 1 - 1 мм; 2 - 3 мм; 3 - 7 мм; 4 - 11 мм а) позиционно-чувствительного 1 - 10º; 2 - 20º ; 3 - 30º ; 4 - 40 º б) Рис. 13. Результаты математического моделирования (сплошные) и экспериментальные (пунктирные) выходных ВАХ в зависимости от положения светового пучка для комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ: а – линейного; б - дугового На рис. 14 представлены зависимости тока пика линейного (рис. 14,а) и дугового (рис. 14,б) комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ в зависимости от положения светового пучка, полученные в результате экспериментального исследования и математического моделирования. а) б) Рис. 14. Зависимость тока пика комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с N-образной ВАХ в зависимости от координаты светового пучка: а – линейного; б - дугового (моделирование (сплошные) и экспериментальные (точки)) В отсутствии освещения поверхности ПЧФ на выходной ВАХ комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника с Nобразной ВАХ, участка ОДП не наблюдается. Движение пучка света по 19 поверхности ПЧФ обеспечивает изменение падения напряжения на базовом электроде и, как следствие, появление на выходной вольт-амперной характеристике фотоприемника N-образного участка (рис. 13,а и б). Ток пика N-образной вольт-амперной характеристики комбинированного позиционночувствительного фотоприемника линейно зависит от координаты светового зонда на поверхности фоточувствительной области в диапазоне от 2 до 11 мм (рис. 14,а) и от 10 до 40 град. (рис. 14,б), для линейного и дугового фотоприемника, соответственно. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований показывает их качественное согласование. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Разработан интегральный позиционно-чувствительный полупроводниковый фотоприемник на основе пятислойной полупроводниковой структуры с N-образной вольт-амперной характеристикой. В результате физико-топологического и математического моделирования и экспериментального исследования такого фотоприемника показано, что в зависимости от пространственного положения светового зонда на фотоприемнике происходит увеличение тока пика N-образной вольтамперной характеристики, либо его уменьшение вплоть до полного исчезновения N-участка на вольт-амперной характеристике, то есть такой фотоприемник является позиционно-чувствительным. Разработан фоточувствительный полупроводниковый прибор с передаточной N-образной ВАХ на основе комбинации двух элементов с Nобразной вольт-амперной характеристикой, один из которых включен в управляющую цепь второго. Проведенные математическое, физикотопологическое моделирование и экспериментальное исследование показывают, что такой прибор имеет N-образные статические передаточную и выходную характеристики, что обеспечивает ограничение максимальных рабочих токов во входной и выходной цепях, то есть защиту от перегрузок. Разработан комбинированный полупроводниковый позиционночувствительный прибор с N-образной вольт-амперной характеристикой на базе полупроводникового позиционно-чувствительного фотоприемника и полупроводникового прибора с N-образной вольт-амперной характеристикой, проведено его моделирование и экспериментальное исследование, в результате чего показано, что ток пика N-образной вольт-амперной характеристики комбинированного позиционно-чувствительного фотоприемника линейно зависит от координаты светового зонда на поверхности фоточувствительной области линейного или дугового фотоприемника, что позволяет использовать такой фотоприемник в качестве координатного или углового управляемого фотопереключателя. 20 Публикации по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК: 1. Корнеев И.В. Моделирование фотоприемника с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Известия вузов. Электроника. - 2006. - №4 - C. 88-89. 2. Корнеев И.В. Устройство позиционирования на базе полупроводникового позиционно-чувствительного фотодатчика с отрицательной проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, М.А. Терентьев // Нано- и микросиcтемная техника. – 2007. - №12. - C. 58-60. 3. Корнеев И.В. Моделирование и исследование биполярного транзистора с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Известия вузов. Электроника. – 2010. - № 4(84). – C. 14-19. 4. Корнеев И.В. Моделирование и исследование негатрона с передаточной Nобразной вольт-амперной характеристикой / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Нано- и микросиcтемная техника. – 2010. - №4 - C.17-24. 5. Корнеев И.В. Двухполюсный позиционно-чувствительный фотодатчик с отрицательной дифференциальной проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, В.А. Родионов // Нано- и микросиcтемная техника. – 2010. - №12 - C. 35-37. 6. Корнеев И.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник для фотоэлектрических преобразователей углов поворота / Н.Т. Гурин, С.Г. Новиков, И.В. Корнеев, А.А. Штанько, В.А.Родионов // Письма в Журнал технической физики. – 2011. – Т. 37, вып. 6. - С.57-62. Патенты: 7. Патент № 2309487 Российская Федерация. Фотоприемник с отрицательной проводимостью на основе полупроводниковой структуры / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.А. Каштанкин, И.В. Корнеев; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный университет. - опубл. 27.10.2007. 8. Патент № 2428765 Российская Федерация. Полупроводниковый прибор со встроенной защитой в цепях управления и нагрузки / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный университет. – опубл. 10.09.2011. 9. Патент, заявка № 2010141198 Российская Федерация. Двухполюсный полупроводниковый позиционно-чувствительный фотоприемник с отрицательной дифференциальной проводимостью / Н.Т. Гурин, С.Г. Новиков, Е.В. Лычагин, В.А. Родионов, А.А. Штанько, И.В. Корнеев, В.А. Куприянов; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный университет. – заявка от 07.10.2010, решение о выдаче патента от 04.08.2011. Статьи и материалы конференций: 10. Корнеев И.В. Моделирование и исследование фоточувствительного полупроводникового прибора с отрицательной дифференциальной 21 проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // «Оптикоэлектронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации - Распознавание -2005»: материалы 7-ой Междунар. научн.-техн. конф. – Курск: - Изд-во КГТУ, – 2005 - С. 91-92. 11. Корнеев И.В. Моделирование N – фотоприемника. / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: труды Десятой Междунар. научн.-техн. конф. - Таганрог: Изд-во ТГРУ ,– 2006 - С. 261-263. 12. Корнеев И.В. Полупроводниковый позиционно-чувствительный фотодатчик с отрицательной проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: труды IX Междунар. конф. - Ульяновск, УлГУ ,– 2007 - С.62. 13. Корнеев И.В. Полупроводниковый позиционно-чувствительный фотодатчик с отрицательной проводимостью и устройство позиционирования на его основе / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, М.А. Терентьев // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.11: Сборник трудов Четвертой Междунар. научн.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, -2007– С. 355-357. 14. Корнеев И.В. Позиционный фотодатчик с отрицательной проводимостью. / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Девятая Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, – 2007 - С. 102. 15. Корнеев И.В. Полупроводниковый позиционно-чувствительный фотодатчик с отрицательной проводимостью и устройства позиционирования на его основе / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Актуальные проблемы современной науки: Междунар. форум-конкурс– Самара – 2007 - С. 20-23. 16. Корнеев И.В. Полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, А.Г. Новикова // «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации Распознавание 2008» : материалы 8-й Междунар. научн.-техн. конф.– Курск: Изд-во КГТУ ,– 2008 – С. 123. 17. Корнеев И.В. Полупроводниковый прибор с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, А.Г. Новикова // Микроэлектроника и информатика - 2008: материалы 15-ой Всерос. межвуз. научн.-технич. конф. студентов и аспирантов. - М: Изд-во МИЭТ, – 2008 – С.90. 18. Корнеев И.В. Полупроводниковые приборы с передаточной вольтамперной характеристикой N-типа и защитой от перенапряжения / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Высокие технологии, фундаментальные исследования, образование.: сб. трудов Седьмой Междунар. научн.-практич. 22 конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» – СПб. : Изд-во политехн. ун-та, 2009 – С. 109-110. 19. Корнеев И.В. Моделирование и исследование биполярного транзистора с передаточной N-образной вольт-амперной характеристикой / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. трудов– Ульяновск, , 2009 - С. 14-20. 20. Корнеев И.В. Многослойные фотоприемники с отрицательной проводимостью // Актуальные проблемы физической и функциональной электроники: материалы 12-й регион. научн. школы-семинара - Ульяновск Изд.-во: УлГТУ – 2009 - С. 46-48. 21. Корнеев И.В. Позиционно-чувствительные фотоприемники для фотоэлектрических преобразователей координат и углов / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. трудов– Ульяновск, Изд.-во: УлГТУ, – 2010 – С. 20-26. 22. Корнеев И.В. Позиционный фотодатчик / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, В.А. Родионов // труды Междунар. конф. "Современные проблемы наноэлектроники, нанотехнологий, микро- и наносистем":– Ульяновск УлГУ,-2010 – С.199-201. 23. Корнеев И.В. Позиционно-чувствительный комбинированный прибор с Nобразной вольт-амперной характеристикой / Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, А.Н. Максин, С.Г. Новиков // Материалы IV Рос. семинара по волоконным лазерам – Ульяновск, УлГУ, 2010 - С. 125. 24. Корнеев И.В. Позиционно-чувствительный N-фотоприемник / Н.Т. Гурин, С.Г. Новиков, И.В. Корнеев, А.Н. Максин // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации - Распознавание-2010– Курск, Изд-во КГТУ - 2010 - С. 91-93. 25. Корнеев И.В. Позиционно-чувствительный фотоприемник / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии, микросистемы: труды XII Междун. конф. – Ульяновск, УлГУ, - 2010 - С. 18. 26. Корнеев И.В. Моделирование позиционно-чувствительного фотоприемника с отрицательной дифференциальной проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев // труды V Междунар. научн.-практ. конф. Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве: - Протвино,2011 – С. 48-49. 27. Корнеев И.В. Угловой фотопреобразователь с отрицательной дифференциальной проводимостью / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, А.В. Евстигнеев // Опто- наноэлектроника, нанотехнологии, микросистемы: труды XIII Междун. конф. – Ульяновск, УлГУ, - 2011- С. 416. 28. Корнеев И.В. Фотопреобразователь углов атаки / С.Г. Новиков, Н.Т. Гурин, И.В. Корнеев, и др. // материалы 1-й Всерос. научн.-практ. конф. Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационноуправляющих комплексах: – Ульяновск, УлГТУ, - 2011 - С.108-115. 23