Устройство для преобразования пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов

 

P»p1а, »i »Ор 1 а с

О П И С А- Й "И тЕ xiii 558250

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союе С446тсхих

Соииалистических

Республик

;» P g QPggQ j(ДИДЕ !1-+P gggg (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.01.76 (21) 2321557 25 (51) М. Кл. G 02F ?/00 с прпсоед:11ением заявки ¹

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (23, Приоритет

Опубликовано 15.05.77. В1оллстепь г "е 18

Дата оп блпкова11ия 01111с::и.: я (53) УДК 53.083.722 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. И. Архипов, С, P. Кельнер и А. И. Руденко (71) Заявитель

Московский ордена Трудового Красного Знамени инженернофизический институт (54) YCTPOAСТВО ДЛЯ ПPЕОБРАЗОВАН ИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ

ВО ВРЕМЕННУЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИГНАЛОВ д д1

= (х, t) = p (х, t) — и (х, 1) 1Π— R(x, t) д д Г 1 — р(л.,1)+ — р(х, /) =-(л, /)

6t дх 6

= †.! (л.) — P (х, t) (2) 15 (3) с начальными x ñëîâèÿìè х л =—

1. гot EL

» » »

»

>о

Изобретение относится к преобразователям света и мо кет быть использовано в оптико электронных устройствах, где требуется преобразование одномерного ра пределения интенсивности освещения во врс:пенную последовательность электрических сигналов, в частности в вычислительной технике, автоматике, телевидении.

Известно устройство для преобр азова ш1я одномерного распределения интенсивности освещения в последовательность электрических сигналов, работающее в режиме эксклюзии генерируемых светом носителей (1).

Недостатком известных устройств являстся искажение преобразуемого спп1ала н ограниченные частотные характеристики.

Известно устройство для прсобразова1шя пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов, состоящие из последователь11о соединенных источника импульспого напряжспия, полупроводникового фотоприемника и дифференципрующей цепочки. Это устройство работает в режиме постоянного освещен!я фотоприемника и псриодического включен;я

llp5IM0)Ã0ëüíblõ импульсов папряжсlп1я Ilа фотоприемнике. При отключенном напряжении процессы фотоинжекции и рекомбинации устанавливают стационарную концентрацию носителей в каждой точке. Прямоугольный импульс напряжения вызывает импульс переходного тока в фотоприемнике. Считывание сигнала происходит на выходе дифференциирующей цепочки (2).

Работа этого устройства может быть описана следующеи математической моделью.

Эксклюзия носителей описывается уравнеНИЯ.;Iн: — и (х, 8) — (e (х, t) =- (х, t) = g (х)— д д

dt дх и (x, О) =-;, (х), р(х, О) =,. (л), . (х, О) = 1, где выражение (1) — ураьнение Пуассона, выражения (2) и (3) — уравнения непрерывности для электронов и дырок соответственно. В уравнениях используются безразмерные величины

558250

4 q NL 4«АР). й=, p:

/Uo . Uo, -е

И,/

4-,.qA 1. 4 qPo!2

Sg |р //

/.Uo о

4 qQL4 й=

Ф

/.1/.е Uo где Х вЂ” координата (0

1 — длина фотоприемника;

1 — время;

Up — амплитуда прямоугольного импульса напряжения;

N, P — плотности электронов и дырок соответственно;

Š— напряженность электрического поля;

På> 1п е, Ри ПОДВИ>КНОСТИ ЭЛЕКтроНОВ И ДЫроК соответственно;

G — скорость генерации пар;

R — скорость комбинации носителей;

q — заряд носителя, y„— диэлектрическая проницаемость.

Функции ри (х), рр (х) (начальные концентрации носителей) определяются интенсивностью освещения в каждой точке и рекомбинацией носителей, Они являются стационарным

P ешением системы выражений (1) — (3) при отключенном напряжении е(х, t) =О. В случае бимолекулярной рекомбинации R(x, t) =

=rp(x, t)n(x, t), где r — безразмерная константа бимолекулярной рекомбинации и р (х), рр (х) имеют вид

В случае рекомбинации через центр функции р(х), рр(х) различны и также не пропорциональны д (х).

Однако, если концентрация центров рекомбинации достаточно велика и справедливо приближение постоянного времени жизни носителей, то р„(х) и рр(х) равны и пропорциональны g(x) р„(х) =- p/ (х) = g (х), где т — время жизни носителей. В реальных фотоприемниках имеет место и бимолекулярная рекомбинация и рекомбинация через центр, так что р„(х) и рр(х) являются нелинейными функциями g(x).

Таким образом рекомбинация играет определяющую роль в установлении равновесной концентрации носителей и ее скорость дол>кна быть достаточно велика. Но интенсивная рекомбинация продолжается и в процессе эксклюзии носителей, что вызывает искажение преобразуемого сигнала. С одной стороны, время установления равновесной концентр рации носителей т. е. время их жизни, дол>к)

1 но удовлетворять неравенству т(„ — рабочая частота устройства, но, с другой стороны, для того, чтобы сигнал не искажался рекомбинацией в процессе эксклюзии, время жизни носителей должно быть много больше времени пролета носителей через фотоприеми и к т )) t pp.

Следовательно, время жизни носителей должно удовлетворять противоречивым неравен5 ствам, что приводит к снижению рабочей частоты устройства или к искажениям сигнала.

Кроме того, сигнал искажается собственным полем зарядов носителей и продолжающейся в процессе эксклюзии генерацией носителей.

10 Отличие реального импульса напряжения от прямоугольного также вносит искажения в преобразуемый сигнал.

За время установления равновесной концентрации носителей диффузия успевает исказить

15 фУ нкции Ри(х) и P„(x).

С целью уменьшения искажений преобразуемого сигнала и улучшения частотных характеристик устройства перед фотоприемником установлен прерыватель (затвор) для

20 преобразования непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемника затемнена.

Напряжение на стадии считывания основ25 ного сигнала поддер>кивается постоянным.

Эксклюзия носителей осуществляется из неосвещенного фотоприемника.

Таким образом, отличительной чертой данного изобретения является использование реЗ0 жима импульсного освещения и постоянного напряжения. Длительность светового импульса, генерирующего носители, должна быть достаточно мала для применения приближения «малого сигнала» «малого сигнала»

55 (Ри(х) «1, Рр(х) «1, е(х, t) =1), а Рекомбинация при этих концентрациях носителей не должна иска>кать преобразуемый сигнал (ри(х) =рр(х) =g(x)At, где ЛŠ— длительность импульса) .

40 В этом случае эксклюзия носителей описывается уравнениями д,г д 1 0 д1 дх

dp+1 dp 0

45 д b дх с начальными условиями и (х, 0);= 1>(х, О) = †;,(х) -= / (х) hi.

Решение этой задачи имеет вид и(х, t) —.;. (х+ t) х 0

P(х 1)

Ток, протекающий через фотопрпемник, вы55 ражается как

/(t) = — =(х, t)+n.(х, t)+ —.р(х, t), (4) д 1 д1

Здесь следует учесть производную от поля по

60 времени, так как оиа порядка и, р. Далее

1 1 ( (/) =- ) () х = j jr.(x+ t) +

0 о

+ — 1> х — — t dx, 65

558250

OO

Первое слагаемое в выражении (4) после интегрирования по х выпадает, -,àê «ai„.

j я (х, t) dx = U, = — const.

И, наконец, д 1 1 — /(t) = — p(г) — — r, 1 — — tj, (о) дг b 1, b

Таким образом, производная от тока по времени состоит из двух слагаемых. Первое обязано своим происхождением току проводимости электронов, второе — току проводимости дырок. Одно из них, например электронное, можно считать основным сигналом, второе (в b раз меньше и в b раз более долгоживущее) — искажением сигнала. Такое же искажение преобразуемого сигнала имеет место и в прототипе. Использование полупроводников с малоподвижными дыркамп (b))1) не позволяет устранить искажение, так как дырки, накапливаясь в процессе работы фотоприемника, искажают поле, а, следовательно, и преобразуемый сигнал. Искажающее влияние дырок можно исключить, если некоторую область фотоприемника около катода оставить неосвещенной (размер этой области

t. должен быт1 Н0 меньше ) . .Тогда

1+b и из равенства (5) следует, что производная от тока во время считывания основного сигнала равна плотности электронов, т. е. устройство позволяет получить неискаженный основной сигнал. Фотоприемник затем очищается от оставшихся в нем дырок импульсом напряжения. Если амплитуда прямоугольного импульса такова, что B=b (в безразмерных единицах), то можно получить зеркально отображенный сигнал в том же масштабе времени.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для преобразования световых сигналов в электрические; на фиг. 2— режим работы генератора импульсного напряжения.

Устройство содержит генератор 1 импульсов напряжения, прерыватель 2 светового потока, работающий в режиме импульсного освещения, фотоприемник 3 с затемненной (например, закрытой непрозрачным экраном 4) прикатодной областью 5, дифференциирующую цепочку 6, с которой снимается выходной сигнал.

Импульсный световой сигнал, сформированный прерывателем 2, генерирует в фотоприемнике 3 электронно-дырочные пары, которые под действием поля начинают дрейфо5

2J

23

35 вать к противоположным концам фотоприемника. Уход электронов из фотоприемника приводит к уменьшению тока, что, в свою очередь, вызывает появление преобразованного сигнала на выходе дифференциирующей цепочки 6.

Во время считывания основного сигнала дырочная составляющая тока остается постоянной (дырки дрейфуют через затемненную область 6) и не искажает сигнал. Затем импульс напряжения генератора 1 очищает фотопрпемник от оставшихся в нем дырок. На фиг. 2 показан режим работы генератора импульсного напряжения, где Vp — рабочее напряжение считывания основного сигнала;

V » — амплитуда импульса напряжения, удаляющего из фотоприемника дырки; г о — период работы устройства, заштрихованные прямоугольники — импульсы освещения фотоприемника.

Использование прерывателя для преобразования непрерывного освещения в последовательность световых импульсов и фотоприемника с затемненной прикатодной областью выгодно отличает предлагаемое устройство для преобразования световых сигналов в электрические от указанного прототипа, так как нет необходимости получать стационарную концентрацию инжектированных носителей, что позволяет уменьшить искажение сигнала из-за рекомбинации и диффузии носителей, устранить искажающее влияние дырок, помехи, вносимые отличием реальных импульсов напряжения от пря.:оугольных, удается улучшить частотные характеристики устройства и сравнительно просго получить повторение сигнала.

Формула изобретения

Устройство для преобразования пространственных световых сигналов во временную последовательность электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные источник импульсного напряжения, полупроводниковый фотоприемник и дифференциирующую цепочку, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений преобразумого сигнала н улучшения частотных характеристик устройства, перед фотоприемником установлен прерыватель для преобразования непрерывного светового сигнала в последовательность световых импульсов, а прикатодная область фотоприемника затемнена.

Источники ннформации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент CLLIA № 3111566 кл. 178 — 7.1, 1963.

2. Авторское свидетельство СССР № 366446, М. Кл.- G 02F 7/00, 1970.

55825

Составитель Н. Решетников

Техред М. Семенов

Корректор Л. Котова

Редактор Т. Морозова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1376/5 Изд. № 497 Тираж 630 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5