×
25.08.2017
217.015.c284

Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение может быть использовано в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности и т.д. Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений содержит электрическую схему, состоящую из принимающего излучение фототранзистора и усиливающего транзистора, при этом коллекторы транзисторов подключены к шине питания, база фототранзистора через сопротивление фототранзистора в базовой цепи подключена к общей шине, эмиттер фототранзистора подсоединен к базе усиливающего транзистора, которая через сопротивление в базовой цепи усиливающего транзистора подсоединена к общей шине, его эмиттер подключен к выходной шине, которая через сопротивление нагрузки соединена с общей шиной, при этом конструкция содержит множество фототранзисторов, образующих 2-мерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов подключены к соответствующим разрядным шинам, которые соединены с базовыми областями строки усиливающих транзисторов соответствующими данными столбцами, при этом эмиттеры усиливающих транзисторов подсоединены к выходной шине. При этом конструкция интегральной схемы быстродействующего матричного приемника оптических излучений состоит из кремниевой полупроводниковой подложки n(p)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n (p)-слой, на поверхности которого расположен электрод шины питания, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, контактные окна, выходная шина, фототранзистор и усиливающий транзистор, области p(n)-типа проводимости сопротивлений, а на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы 2-мерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области p(n)-типа проводимости, при этом их площадь равна площади светового луча, в них соответственно расположены n (p)-области эмиттеров, на которых размещены их электроды, подсоединенные к соответствующим разрядным шинам столбцов, соединенных с электродами соответствующих баз строки усиливающих транзисторов, на эмиттерах которых расположены эмиттерные электроды, подсоединенные к выходной шине. Технический результат изобретений заключается в повышении быстродействия и чувствительности фотоприемников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических приемников (ФЭП) излучений оптического диапазона для применений в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности, оптических линий связи и т.д.

Известны традиционные ФЭП реализованные на основе PIN-диодов, лавинопролетных диодов [1. D. Patti ot ab «Semiconductor particle detector and method for IIS Manufacture; 2. Скрылев П.С. и др., КМДП-ФОТОПРИЕМНИК. Патент РФ 2251760 от 05.08.2002], МОП-структур [3. К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1978 г., с. 12-14], биполярных фототранзисторов [4. Патент РФ №2133524 от 20.07.1999 г.].

Такие приборы имеют недостатки: PIN-диод не усиливает мощность излучения, лавинопролетный диод не обеспечивает линейной зависимости выходного сигнала от мощности излучения, МОП-структуры приборов с зарядовой связью имеют низкое быстродействие при выборке сигнала, в биполярном фототранзисторе имеется значительная паразитная емкость эмиттерного перехода, которая значительно снижает его быстродействие, при этом прибор имеет невысокий коэффициент усиления при низкой мощности оптического излучения, приходящейся на единицу светопоглощающей поверхности.

Общим недостатком вышеприведенных известных приборов является отсутствие максимального локального усиления сигнала при засветке малой части светопоглощающей поверхности, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФЭП и уменьшению его быстродействия. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в схеме и конструкции составного биполярного фотодектора [5. US Patent 2011/0079708], который и выбран за прототип.

Электрическая схема (фиг. 1а) содержит принимающий излучение фотодиод, паразитный вертикальный биполярный n-p-n-транзистор, которые формируются в едином КМОП-процессе, при этом n-область фотодиода подключена к коллектору транзистора, а p-область - к области p-базы транзистора. Эмиттер фототранзистора подсоединен к общей шине.

Конструкция (фиг. 1б) его содержит кремниевую полупроводниковую подложку p-типа проводимости. На лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, p-область фотодиода, n-область фотодиода, глубокий n-карман, который является областью коллектора паразитного транзистора. В нем сформирован n-карман, являющийся базой транзистора. В p-кармане сформирована область n-эмиттера.

Недостатком прототипа также является отсутствие локального усиления сигнала при попадании оптического излучения в малую часть фоточувствительной области прибора, что приводит к уменьшению коэффициента усиления фотоэлектрического приемника оптических излучений и уменьшению его быстродействия.

Целями изобретения является повышение быстродействия, коэффициента усиления мощности излучения и чувствительности фотоэлектрического приемника.

Цели достигаются за счет оригинальной электрической схемы и конструкции фотоприемника матричной интегральной схемы, содержащей функционально-интегрированные пиксельные биполярные структуры, имеющие общую коллекторную область.

Электрическая схема ФЭП (фиг. 2а) содержит множество фототранзисторов, образующих двумерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов одного столбца подключены через разрядные шины к базе усиливающего транзистора.

На фиг. 2б показана конструкция интегральной схемы, в которой на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы двумерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, и имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области, при этом их площадь равна площади падающего оптического пучка. Эмиттеры фототранзисторов соединены с базами усиливающих транзисторов, а эмиттеры усиливающих транзисторов подключены к общей шине.

Электрическая схема предлагаемого ФЭП показана на фиг. 2а, она содержит двумерную матрицу биполярных фототранзисторов ТФ, коллекторы которых подсоединены к шине питания VDD, базы через сопротивления базовой цепи Rбф - к общей шине, эмиттеры ТФ подсоединены к базам усилительных транзисторов ТУ. Эмиттеры транзисторов ТУ подключены к выходной шине ВЫХ и через нагрузочное сопротивление RH к общей шине.

Конструкция и топология (вид сверху) интегральной схемы ФЭП показаны соответственно на фиг. 2б, в и содержат полупроводниковую подложку - 1 p (n)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n+(p+) слой - 2, на поверхности которого расположен электрод шины питания - 3, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик - 4, контактные окна - 5, общая шина - 6, выходная шина - 7, разрядные шины - 8, области баз p (n)-типа фототранзистора - 9 и усиливающего транзистора - 10 соответственно, области n (p)-типа проводимости их эмиттеров - 11 и 12 соответственно, базовые электроды - 13 и 14, эмиттерные электроды - 15 и 16, поликремниевые резисторы в цепи фототранзистора - 17, усиливающего транзистора - 18 и нагрузочного транзистора - 19.

Технология изготовления

Согласно изобретению он может быть изготовлен по относительно простой технологии биполярных СБИС, показанной на фиг. 3, которая состоит в последовательности следующих операций.

1. На поверхности кремниевых пластин КЭФ-5000 ориентацией (100) выращивают оксид толщиной 0,6-0,8 мкм, удаляют оксид с обратной стороны и проводят диффузию фосфора при температуре Т=900°C в течение 1 часа, затем удаляют образовавшийся оксид и фосфорно-силикатное стекло и выращивают при температуре Т=900°C оксид толщиной 0,8 мкм на лицевой стороне пластины.

2. Осаждают поликремний на лицевую поверхность пластины и легируют его бором дозой D=10 мкКл с энергией Е=30 кэВ.

3. Путем проведения первой фотолитографии и ионного легирования фосфора дозой D=500 мкКл формируют поликремниевые резисторы.

4. В оксиде вскрывают окна для p-областей баз транзисторов и проводят ионное легирование бора дозой D=3 мкКл, затем окисляют поверхность кремния до толщины 0,3 мкм;

5. Вскрывают контактные окна к базам и эмиттерам транзисторов.

6. Подлегируют контакты к резисторам и базе ионным легированием бора дозой D=300 мкКл с энергией E=30 кэВ.

7. Формируют эмиттер ионным легированием мышьяка дозой D=1000 мкКл с энергией E=30 кэВ.

8. Проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=850°C в течение 30 минут.

9. Осаждают алюминий и проводят фотолитографию разводки - соединений элементов интегральной схемы.

10. Проводят вжигание алюминия при температуре Т=475°C в течение 15 минут.

Принцип действия

Как видно из фиг. 2б, в, при примерно равном размере транзистора в пикселе матрицы происходит локальная засветка малой площади рабочей поверхности. При этом малая часть первичного тока поступает через сопротивление в базовой цепи фототранзистора Rбф в общую шину питания, вторая, большая часть, поступает в эмиттерный p-n-переход, где усиливается примерно в 50-100 раз и поступает в разрядную шину соответствующего столбца матрицы, создавая падение напряжения Uбу на сопротивлении базовой цепи Rбу усилительного транзистора, который, работая в режиме эмиттерного повторителя, усиливает сигнал по мощности и практически повторяет по напряжению на выходную шину ВЫХ, уменьшая на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер усиливающего транзистора. Важно отметить, что строка усилительных транзисторов матрицы работает в режиме логического "ИЛИ", при этом на выходной шине ВЫХ может быть сигнал, поступающий только с одного столбца.

Технические преимущества изобретения

Поскольку луч лазера поступает в маленький по площади транзистор матрицы, обеспечивается более высокий уровень инжекции, чем в одном большом фототранзисторе, равном по площади матричному массиву, за счет чего повышается коэффициент усиления.

Очевидно, что и темновой ток, поступающий на выход только с одного столбца (определяет порог чувствительности прибора) для матрицы будет в число столбцов N раз меньше, чем для «большого» транзистора. При этом достигается прирост быстродействия за счет уменьшения времен перезарядки суммарных емкостей база-эмиттер и база-коллектор.

Следует отметить, что с целью упрощения имеется возможность исключения из конструкции матрицы общей шины (фиг. 3), в этом случае ФЭП содержит всего два вывода и является двухполюсником.


Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 31-40 of 333 items.
10.06.2016
№216.015.45a4

Электропривод

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу переменного тока с режимом динамического торможения асинхронного двигателя. При отказе механического тормоза при аварийной остановке применяется электрический тормоз - электропривод переходит в режим регулируемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586630
Дата охранного документа: 10.06.2016
10.06.2016
№216.015.481e

Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам и биполярным интегральным схемам. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, уменьшение энергетических потерь при переключении, упрощение технологии изготовления. Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002585880
Дата охранного документа: 10.06.2016
20.08.2016
№216.015.4aa1

Способ дефосфорации марганцевых руд и концентратов

Изобретение относится к дефосфорации расплавов марганцевых руд и концентратов. Селективное восстановление фосфора из расплава ведут газообразным монооксидом углерода (СО), который продувают через расплав. Может быть использован газообразный монооксид углерода, полученный в газогенераторе и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002594997
Дата охранного документа: 20.08.2016
20.08.2016
№216.015.4e67

Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления режущего инструмента. Композиция содержит сверхтвердый материал, включающий смесь порошков кубического нитрида бора и алмаза, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кубический нитрид бора 20-60,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595000
Дата охранного документа: 20.08.2016
10.08.2016
№216.015.54e5

Способ определения термостойкости углей

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения термостойкости углей. Способ предполагает воздействие на образец угля двух последовательных термоударов, второй из которых имеет большую по сравнению с первым интенсивность, и регистрацию параметров акустической эмиссии....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593441
Дата охранного документа: 10.08.2016
10.08.2016
№216.015.55b2

Способ определения пористости металлоизделий

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к определению пористости металлоизделия, полученного обработкой давлением литого изделия, и может быть использовано для определения влияния обработки давлением на пористость получаемого металлоизделия. Способ заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593525
Дата охранного документа: 10.08.2016
10.07.2016
№216.015.56a6

Способ сорбционного извлечения селена, теллура и мышьяка из водных растворов.

Изобретение относится к области гидрометаллургии, а именно к способу сорбционного извлечения селена, теллура и мышьяка из растворов. Сущность способа заключается во введении растворимых соединений индия в раствор извлекаемых элементов перед сорбцией. Количество соединений индия должно превышать...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590806
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.5d1e

Способ измерения величины и пространственного распределения локальных магнитных полей, возникающих вследствие протекания коррозионных процессов на металлической поверхности в проводящем растворе

Использование: для проведения коррозионных in-situ исследований материалов в различных проводящих средах. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый образец помещают в кювету с проводящим раствором, в котором требуется исследовать коррозионное поведение материала образца, после...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002591027
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.5dcc

Способ получения порошка титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора

Изобретение относится к способу получения высокодисперсных порошков титаната диспрозия для поглощения нейтронов и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов. Способ включает получение порошка титаната диспрозия путем механической активации смеси компонентов - диоксида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590887
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.62ef

Способ переработки сульфидных никелевых концентратов

Изобретение относится к металлургии цветных металлов. Способ переработки сульфидного никелевого сырья включает обжиг шихты, содержащей сульфидное никелевое сырье и хлорид натрия, при температуре 350-400°С с доступом кислорода в течение 1,5-2 ч и выщелачивание полученного огарка водой при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002588904
Дата охранного документа: 10.07.2016
Showing 31-40 of 193 items.
10.06.2016
№216.015.45a4

Электропривод

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу переменного тока с режимом динамического торможения асинхронного двигателя. При отказе механического тормоза при аварийной остановке применяется электрический тормоз - электропривод переходит в режим регулируемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586630
Дата охранного документа: 10.06.2016
10.06.2016
№216.015.481e

Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам и биполярным интегральным схемам. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, уменьшение энергетических потерь при переключении, упрощение технологии изготовления. Интегральная схема силового биполярно-полевого транзистора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002585880
Дата охранного документа: 10.06.2016
20.08.2016
№216.015.4aa1

Способ дефосфорации марганцевых руд и концентратов

Изобретение относится к дефосфорации расплавов марганцевых руд и концентратов. Селективное восстановление фосфора из расплава ведут газообразным монооксидом углерода (СО), который продувают через расплав. Может быть использован газообразный монооксид углерода, полученный в газогенераторе и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002594997
Дата охранного документа: 20.08.2016
20.08.2016
№216.015.4e67

Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления режущего инструмента. Композиция содержит сверхтвердый материал, включающий смесь порошков кубического нитрида бора и алмаза, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кубический нитрид бора 20-60,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595000
Дата охранного документа: 20.08.2016
10.08.2016
№216.015.54e5

Способ определения термостойкости углей

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения термостойкости углей. Способ предполагает воздействие на образец угля двух последовательных термоударов, второй из которых имеет большую по сравнению с первым интенсивность, и регистрацию параметров акустической эмиссии....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593441
Дата охранного документа: 10.08.2016
10.08.2016
№216.015.55b2

Способ определения пористости металлоизделий

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к определению пористости металлоизделия, полученного обработкой давлением литого изделия, и может быть использовано для определения влияния обработки давлением на пористость получаемого металлоизделия. Способ заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593525
Дата охранного документа: 10.08.2016
10.07.2016
№216.015.56a6

Способ сорбционного извлечения селена, теллура и мышьяка из водных растворов.

Изобретение относится к области гидрометаллургии, а именно к способу сорбционного извлечения селена, теллура и мышьяка из растворов. Сущность способа заключается во введении растворимых соединений индия в раствор извлекаемых элементов перед сорбцией. Количество соединений индия должно превышать...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590806
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.5d1e

Способ измерения величины и пространственного распределения локальных магнитных полей, возникающих вследствие протекания коррозионных процессов на металлической поверхности в проводящем растворе

Использование: для проведения коррозионных in-situ исследований материалов в различных проводящих средах. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый образец помещают в кювету с проводящим раствором, в котором требуется исследовать коррозионное поведение материала образца, после...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002591027
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.5dcc

Способ получения порошка титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора

Изобретение относится к способу получения высокодисперсных порошков титаната диспрозия для поглощения нейтронов и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов. Способ включает получение порошка титаната диспрозия путем механической активации смеси компонентов - диоксида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002590887
Дата охранного документа: 10.07.2016
12.01.2017
№217.015.62ef

Способ переработки сульфидных никелевых концентратов

Изобретение относится к металлургии цветных металлов. Способ переработки сульфидного никелевого сырья включает обжиг шихты, содержащей сульфидное никелевое сырье и хлорид натрия, при температуре 350-400°С с доступом кислорода в течение 1,5-2 ч и выщелачивание полученного огарка водой при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002588904
Дата охранного документа: 10.07.2016
+ добавить свой РИД