Строительные исследования
страница - 0
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ НА БИСПИН-СТРУКТУРАХ Кнаб О. Д., Щука А. А. (: schuka@eot-gw.eot.mirea.ac.ru)
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)
Описывается многофункциональный прибор БИСПИН, позволяющий преобразовывать входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов тока и напряжения. Изменение величины входного сигнала приводит к пропорциональному изменению частоты следования импульсов при их постоянной амплитуде. Рассматриваются физические основы работы прибора, его свойства, примеры использования в качестве датчиков физических величин с частотным выходом.
БИСПИН-приборы представляют собой полупроводниковые структуры с бисмещенным переходом и инжекционной неустойчивостью. Эти приборы преобразуют входной аналоговый сигнал в регулярную последовательность импульсов тока или напряжения [1,2].
В качестве континуальной среды используется полупроводниковая структура с распределенным р+-п-или п+-р-переходом (рис.1.а).
На поверхности слабо легированной п- или р-области формируют нелинейный (:) и омический (<) контакты. В качестве нелинейного контакта может выступать встроенный локальный n+-p-n- или р+-п-р±транзистор.
Рис.1. БИСПИН-структура (а), форма генерируемых импульсов (б) и условное обозначение (в)
На поверхности сильно легированной р+- или п+-подложки формируется омический контакт (С). Если к контактам : и В приложить определенную разность потенциалов Uab таким образом, чтобы п+-область была включена в прямом направлении, а затем структуру осветить со стороны слабо легированной области, то во внешней цепи появляются импульсы тока определенной частоты следования. При большой скважности импульсы тока имеют релаксационную форму (рис.1.б). В промежутках между импульсами тока на контакте С имеют место пилообразные импульсы напряжения. Аналогичная генерация проявляется и без подсветки, но при пропускании тока через распределенный р+-«-переход. Увеличение интенсивности подсветки или уровня тока в подложку приводит к пропорциональному росту частоты следования импульсов без изменения их амплитуды, величина которой определяется разностью потенциалов Uab на структуре. Таким образом, БИСПИН может рассматриваться как релаксационный генератор, имеющий три независимых канала управления: потенциальный, токовый и гальванически развязанный - световой. Каждый из каналов характеризуется порогом генерации, величина которого зависит от состояния двух других каналов и с их помощью легко изменяется в большую или меньшую сторону.
В зависимости от напряжения питания, уровня освещенности или тока в подложку БИСПИН может находиться в трех состояниях:
•закрытое, с низкой проводимостью, когда внутреннее сопротивление структуры между контактами : и В определяется сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода локального транзистора и составляет ~108 Ом;
•открытое, с высокой проводимостью, когда сопротивление структуры не превышает единиц кОм. В это состояние структура переходит при больших уровнях токов в подложку или подсветке;
•автоколебательное.
Из сказанного выше следует, что БИСПИН может работать как ключ, если время нарастания подаваемого на его вход сигнала не превышает периода следования импульсов при максимальной частоте повторения.
Физический механизм работы БИСПИНа в автоколебательном режиме состоит в следующем. После включения источника напряжения благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора существенно превышает сопротивление Rn «-слоя, коллекторный потенциал фк и потенциал под омическим контактом фв совпадают с точностью до 1О В, т. е. фк @ фв. Такого же уровня достигает потенциал подложки ф. Следовательно, распределенный р+-п-переход находится под нулевым смещением. При включении света за счет внутреннего
фотоэффекта происходит зарядка распределенного -перехода и возникает инжекция дырок из подложки в n-слой. При этом часть дырок попадает в коллекторную область встроенной локальной np-n-структуры. Для дырок в n-слое коллекторный переход является экстрактором, благодаря чему они поступают в р-базу локального транзистора и скапливаются в ней. Последнее обстоятельство приводит к понижению потенциального барьера эмиттерного п+-/?-перехода и инжекции электронов из n-эмиттера в узкую p-базу, после пролета которой они оказываются в n-слое структуры. Возникает электронный ток In, протекающий по n-слою вдоль распределенного р+-п-перехода к омическому контакту. Следует иметь в виду, что этот электронный ток во много раз больше тока дырок, поступающих в р-базу локального транзистора.
Падение напряжения In-Rn на распределенном сопротивлении n-слоя (Rn @ 3-5 кОм) приводит к снижению потенциала фк вблизи коллекторного перехода (jK=UAB-In-Rn). Поскольку потенциал подложки ф вследствие ее высокого уровня легирования можно считать независимым от координаты, то смещение на распределенном -переходе вдоль него изменяется. Прямое смещение этого перехода под коллектором локального транзистора увеличивается, ав остальной, большей его части, сначала уменьшается, а затем становится отрицательным. Инжекция дырок из р-области в р-базу транзистора при этом растет, что в свою очередь вызывает еще больший перекос в смещении p+-n-перехода и т.д. Процесс развивается лавинообразно и приводит транзистор в режим насыщения.
Вольт-амперная характеристика структуры имеет -образный вид, ив этом случае следует ожидать токовую неустойчивость [2,3,4].
При небольших уровнях фототока основной поток дырок в р-область локального транзистора поступает из р+-подложки за счет двух процессов: перераспределения фототока и перезарядов барьерной емкости р-перехода. В начале процесса дырки, образующиеся вследствие внутреннего фотоэффекта, захватываются полем объемного заряда -перехода и перебрасываются в р+-подложку, благодаря чему он весь равномерно переходит в состояние прямого смещения (до О,3 В). Вследствие этого дырки также равномерно инжектируются в n-слой по всей площади распределенного перехода, ивбазу транзисторной структуры поступает лишь небольшая их часть, определяемая величиной площади этого перехода, расположенной под коллектором локальной структуры. Вследствие развивающейся описанной выше петли положительной обратной связи (включающей ток вдоль n-слоя, падение потенциала фк и рост прямого смещения на р+-переходе) распределенный переход оказывается бисмещенным, происходит перераспределение инжекционного тока дырок, в результате чего все фотодырки, собранные
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]