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 UАВ 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 Rn 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 In, 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 InRn на распределенном сопротивлении n-слоя (Rn = 3 - 5 кОм) приводит к снижению потенциала к вблизи коллекторного перехода
к = UАВ - InRn. (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).