Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

4.2.4. Биспин-приборы

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.

В качестве континуальной среды используется полупроводниковая структура с распределенным р⁺-п- или п⁺-р-переходом (рис. 4.22, а).

Рис. 4.22. БИСПИН-структура (а), форма генерируемых импульсов (б) и условное обозначение (в)

На поверхности слаболегированной п- или р-области формируют нелинейный А и омический В контакты. В качестве нелинейного контакта может выступать встроенный локальный п⁺-р-п- или р⁺-п-р-транзистор.

На поверхности сильно легированной р⁺- или п⁺-подложки формируется омический контакт С. Если к контактам А и В приложить определенную разность потенциалов таким образом, чтобы п⁺-область была включена в прямом направлении, а затем структуру осветить со стороны слаболегированной области, то во внешней цепи появляются импульсы тока определенной частоты следования. При большой скважности импульсы тока имеют релаксационную форму (рис. 4.22, 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⁺-п-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 U_АВ 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 А и В определяется сопротивлением обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора и составляет около 10⁸ Ом;

- открытое, с высокой проводимостью, когда сопротивление структуры не превышает единиц килоом. В это состояние структура переходит при больших уровнях токов в подложке 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 R_n п-слоя, коллекторный потенциал _к и потенциал под омическим контактом _В совпадают с точностью до 10^-3 В, т. е. _к  _В. Такого же уровня достигает потенциал подложки . Следовательно, распределенный р⁺-п-переход находится под нулевым смещением. При включении света за счет внутреннего фотоэффекта происходит зарядка распределенного р⁺-п -перехода и возникает инжекция дырок из подложки в п-слой. При этом часть дырок попадает в коллекторную область встроенной локальной п-р-п-структуры. Для дырок в п-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 n⁺-р-перехода и инжекции электронов из п-эмитгера в узкую р-базу, после пролета которой они оказываются в n-слое структуры. Возникает электронный ток I_n, протекающий по п-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 I_nR_n на распределенном сопротивлении n-слоя (R_n = 3 - 5 кОм) приводит к снижению потенциала _к вблизи коллекторного перехода

_к = U_АВ - I_nR_n. (4.22)

Поскольку потенциал подложки  вследствие ее высокого уровня легирования можно считать независимым от координаты, то смещение на распределенном р⁺-п-переходе вдоль него изменяется. Прямое смещение этого перехода под коллектором локального транзистора увеличивается, а в 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 р⁺-п-перехода и т. д. Процесс развивается лавинообразно и приводит транзистор в режим насыщения.

Вольтамперная характеристика структуры имеет S-образный вид, и в этом случае следует ожидать токовую неустойчивость.

При небольших уровнях фототока основной поток дырок в р-область локального транзистора поступает из p⁺-подложки за счет двух процессов: перераспределения фототока и перезарядов барьерной емкости р⁺-n-перехода. В начале процесса дырки, образующиеся вследствие внутреннего фотоэффекта, захватываются полем объемного заряда р-п-перехода и перебрасываются в р-подложку, благодаря чему он весь равномерно переходит в состояние прямого смешения (до 0,3 В). Вследствие этого дырки также равномерно инжектируются в n-слой по всей площади распределенного перехода, и в базу 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 п-слоя, падение потенциала _к и рост прямого смещения на р⁺-п-переходе) распределенный переход оказывается бисмещенным, происходит перераспределение инжекционного тока дырок, в результате чего все фотодырки, собранные основной обратносмещенной частью p⁺-n-перехода, поступают через прямосмещенную часть в базу локальной транзисторной структуры. К этому току добавляется ток перезарядки емкости р⁺-n-перехода через открытую вертикальную n⁺-р-п-р⁺-структуру. Оценки показывают, что начальный всплеск тока в импульсе носит емкостный характер, и его амплитуда линейно зависит от разности потенциалов на структуре.

После прекращения перезарядки р⁺-n-перехода количество дырок, поступающих в базу локальной транзисторной структуры, резко сокращается и остается только поток «фотодырок». Концентрация их в базе из-за рекомбинации резко сокращается и все большая часть коллекторного перехода выходит из насыщения, сопротивление растекания коллектора увеличивается, коллекторный ток снижается и площадь прямосмещенной части p⁺- n-перехода уменьшается.

Если фототок настолько велик, что ток вдоль р⁺-n-перехода обеспечивает сохранение на нем прямосмещенного участка, то структура остается открытой. В противном случае она переходит в закрытое состояние, и весь процесс повторяется (автоколебательный режим). Таким образом, в процессе развития импульса р⁺-n-переход проходит четыре состояния: с нулевым смещением, прямосмещенное, обратносмещенное и бисмещенное. Последнее обстоятельство послужило основанием для названия структуры и прибора.

Возможности практического применения БИСПИНов определяются их многофункциональностью, высокой чувствительностью по входу; большой амплитудой выходного сигнала; малыми темповыми токами; широким диапазоном перестройки; большой крутизной преобразования «аналоговый сигнал - частота следования импульсов»; наличием на выходе сигналов двух типов - релаксационного токового и пилообразного (напряжения); широким диапазоном напряжений питания; большим интервалом сопротивления нагрузки.

Особого внимания заслуживает вопрос о применении БИСПИНов в устройствах контроля. Здесь возможны два направления:

- использование БИСПИНа как датчика, например, светового потока, температуры, тока, напряжения и т. д.

- использование БИСПИНа в качестве преобразователя «аналоговый сигнал - частота» для любых стандартных и выпускаемых промышленностью датчиков.

На основе БИСПИН-приборов созданы различные типы датчиков с частотным выходом: оптоэлектронные преобразователи, преобразователь типа «аналоговый сигнал -количество импульсов», измеритель световых, магнитных потоков. Значительный интерес представляют датчики различных физических параметров, реализованные на БИСПИН-приборах. В этом случае резко повышается точность измерений, появляется возможность передачи данных по радиоканалу. На основе БИСПИН-приборов разработаны датчики для дистанционного контроля в системах экологического мониторинга.

Частотный выход датчиков на основе БИСПИН-приборов позволил создать на их основе комплект интеллектуальных датчиков для экологического мониторинга. Частотный выход БИСПИН-структур позволяет на их основе реализовать передачу телеинформации по радиоканалу. На этом принципе реализованы датчик магнитного поля, измеритель мощности световых потоков, датчик температуры с использованием термистора и др.

Следует заметить, что вся эта схема может быть реализована в виде одной интегральной схемы. Одновременно можно разместить несколько датчиков для контроля нескольких физических величин. Реально встроить схемы автоматического переключения каналов, адаптации к изменению эксплуатационных условий, схем промежуточной обработки информации. Такие конструкции получили название интеллектуальные датчики (сенсоры).

4.2.5. Приборы на волнах пространственного заряда

В континуальных средах, представляющих собой тонкие слои полупроводников и обладающих отрицательной объемной дифференциальной проводимостью (ОДП), при определенных условиях возбуждаются волны пространственного заряда (ВПЗ).

Такие волны по существу являются динамическими неоднородностями, обладающими уникальными свойствами:

- скорость волн близка к скорости дрейфа электронов (порядка 10⁵ м/с);

- величина и направление скорости ВПЗ легко управляемы за счет изменения величины и направления статического электрического поля, приложенного в плоскости полу­проводникового слоя;

- ВПЗ могут эффективно усиливаться, слабая дисперсия скорости позволяет организовать когерентное многоволновое взаимодействие со средой.

Это явление положено в основу нового класса приборов. Следует особо подчеркнуть, что технология создания континуальной среды, а также приборов на основе ВПЗ вполне совместима с технологией микроэлектроники.

Конструкция одного из процессоров, выполняющего функции усилителя и фильтра, приведена на рис. 4.23. Континуальной средой такого устройства является тонкий слой GaAs n-типа проводимости.

Возбуждение ВПЗ осуществляется многоэлементным преобразователем, выполненным в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП). Динамические неоднородности в виде ВПЗ, генерируемые каждым из электродов ВШП, распространяются к детектирующему ВШП и наводят в нем электрический сигнал. Этот сигнал пропорционален суммарному значению переменных составляющих концентрации электронов. Другими словами, электрический сигнал с детектора равен сумме всех парциальных ВПЗ, возбужденных каждым из электродов.

Рис. 4.23. Схема процессора на ВПЗ для усиления

и фильтрации сигналов (а) и его частотная характеристика (б)

Максимальный выходной сигнал будет наблюдаться в том случае, если все парциальные ВПЗ придут на выходной электрод синфазно. Геометрия ВШП такова, что расстояние между соседними штырями должно быть равно половине длины ВПЗ ; тогда частота определяется соотношением

₀ =  v₀ / d, (4.23)

где v₀ - скорость волны.

Такой процессор одновременно выполняет функцию фильтра с амплитудно-частотной характеристикой вида sinх / х (рис. 4.23, б), причем

(4.24)

где N - число штырей ВШП. Подавление побочных максимумов можно осуществить путем аподизации ВШП подобно тому, как это рассматривалось в акустоэлектронных устройствах.

Другим примером процессора на ВПЗ является конвольвер сигналов СВЧ-диапазона. В этом процессоре используется нелинейное взаимодействие ВПЗ. Конвольвер представляет собой многослойную сэндвич-структуру (рис. 4.24). Две континуальные среды, отличающиеся степенью легирования и скоростью дрейфа волн пространственного заряда, расположены одна над другой и разделены тонким слоем диэлектрика.

На входные электроды прибора подаются сигналы в СВЧ-диапазоне. Генерируемые электродами динамические неоднородности в виде ВПЗ распространяются в смежных континуальных средах. Суммарная толщина полупроводниковых слоев и разделяющих их пленок диэлектрика меньше характерной длины ВПЗ и поэтому волны, распространяющиеся в континуальных средах, эффективно взаимодействуют. Результатом их взаимодействия является результирующий сигнал, описываемый соотношением

, (4.25)

Рис. 4.24. Монолитный конвольвер на ВПЗ

где А - размерный коэффициент; m - множитель, определяемый относительной разностью скоростей дрейфа в двух континуальных средах. Если две ВПЗ движутся в проти­воположных направлениях, то можно получить классическое преобразование - операцию свертки сигналов:

(4.26)

Интервалы интегрирования определяются временем прохождения волны в приборе.

Помимо процессоров на ВПЗ можно реализовать устройства памяти аналоговых сигналов. На рис. 4.25 представлено устройство хранения аналоговых сигналов в СВЧ-диапазоне. Область хранения сигналов представляет собой эквидистантную систему хранящих электродов, связанных с шиной хранения через емкости. В режиме записи напряжение на шину хранения не подается. Хранящие затворы находятся под плавающим потенциалом и мало влияют на условия распространения ВПЗ в пролетной области. В этом случае реализуется режим широкополосного усилителя бегущей волны.

Рис. 4.25. Запоминающее устройство аналоговых сигналов

В режиме хранения на шину подается импульс хранения отрицательной полярности такой амплитуды, чтобы обедненные области под «хранящими» электродами полностью сомкнулись. В этом случае в пленке образуются изолированные области - карманы, содержащие динамические неоднородности в виде зарядовых пакетов. Наличие или отсутствие зарядовых пакетов свидетельствует о наличии битов хранимой информации; ВПЗ в этом случае как бы замораживаются в среде. Положительный потенциал с выхода устройства может быть снят.

В режиме воспроизведения сигнала на сток подается положительное тянущее напряжение, снимается отрицательный потенциал с шины хранения. Происходит размораживание зарядовых пакетов, а затем их детектирование на электроде. Помимо одномерного рассмотрения процесса распространения ВПЗ исследованы двумерные явления. Управляя ВПЗ в заданной плоскости, созданы различные конструкции процессоров сигналов. Например, фазированные антенные решетки, линии задержки с дискретным или непрерывным управлением, селекторы СВЧ-импульсов с линейной частотой модуляции и т.п.