DE3635137A1 - Halbleiter-lichtdetektorschaltung - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung
mit einem Lichtdetektorelement und einer
peripheren Schaltung zur Unterscheidung eines Ausgangspegels
des Lichtdetektorelements, wobei das Element und
die Schaltung integral als eine einzige Halbleiterschicht
ausgebildet sind.
Aus der JP-OS 58-1 70 077 ist beispielsweise eine
Lichtdetektorschaltung bekannt, die auf einem Halbleitersubstrat
ausgebildet ist.
Fig. 1 zeigt eine solche bekannte Schaltung, gemäß
welcher eine integrierte Halbleiterlichtdetektorschaltung
eine Photodiode als lichtempfangendes Element, einen
Lastwiderstand 2 zum Umwandeln des Ausgangsstroms der
Photodiode 1 in ein Spannungssignal, einen Gleichspannungsverstärker
3 zum Verstärken des von dem Widerstand
2 in die Spannung umgesetzten Detektorsignals von der
Photodiode 1, einen Vorspannungskreis 4 zum Einstellen
des Vorspannungspegels für den Gleichspannungsverstärker
3 und eine Schmitt-Triggerschaltung 5 zum Umwandeln
des Ausgangspegels des Gleichspannungsverstärkers 3 in
ein Binärsignal unter Verwendung eines Bezugssignals von
der Vorspannungsquelle.
Die Photodiode 1 kann unter Verwendung eines bipolaren
Aufbaus hergestellt sein, gemäß welchem ein pn-
Übergang zwischen einem p-leitenden Siliciumsubstrat
und einer n-leitenden Epitaxialschicht ausgebildet ist.
Der Widerstand 2 hat eine Größe von mehreren 100 Ω bis
1 MΩ und ist durch Implantation von Borionen in die n-
Epitaxialschicht als ein Schichtwiderstand ausgebildet,
die einen Widerstand von etwa 5 kΩ/cm2 hat.
Bei einer solchen konventionellen Schaltung wird
jedoch der Ausgangsstrom der Photodiode in ein Spannungssignal
durch den hohen Widerstand umgesetzt und
weiterhin durch den Gleichspannungsverstärker verstärkt,
so daß ein Ausgang erzeugt wird, der zwei Größen annehmen
kann. Die konventionelle Schaltung erfordert eine große
Anzahl von Zellen, beispielsweise von 40 bis 50 Elementen
und besetzt daher einen großen Flächenbereich auf
dem Halbleitersubstrat. Speziell das Problem des großen
Flächenbedarfs des hohen Widerstandes auf dem Halbleiterchip
ist von besonderer Bedeutung. Ein Widerstand von
500 KΩ benötigt beispielsweise eine relativ große Fläche
von etwa 150 µm × 300 µm.
Da der Ausgangsstrom der Photodiode in ein Gleichspannungssignal
unter Verwendung des hohen Widerstandes
umgesetzt wird und durch den Gleichspannungsverstärker
verstärkt wird, um ein binäres Ausgangssignal zu erzeugen,
wird weiterhin zugleich auch der Vorspannungspegel
während der Verstärkung verstärkt, was Schwankungen in
der Empfindlichkeit der Schaltung hervorruft und die Eigenschaften
der Schaltung in hohem Maße von ihrer Temperatur
abhängig macht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine integrierte Lichtdetektorhalbleiterschaltung
anzugeben, bei der die integrierte Schaltung einfach
ist und einen kleinen Flächenbedarf aufweist und wobei
der Lichtdetektorpegel nicht schwankt und nicht von
der Temperatur der Schaltung abhängt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1
angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer konventionellen
Halbleiter-Lichtdetektorschaltung,
Fig. 2 ein Äquivalenzschaltbild einer integrierten
Halbleiter-Lichtdetektorschaltung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 3 einen Teilquerschnitt durch einen Hauptabschnitt
der Schaltung nach Fig. 2 und
Fig. 4 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
Eine Äquivalenzschaltung einer integrierten Halbleiter-
Lichtdetektorschaltung nach Fig. 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält eine Photodiode 1, fünf p-
Kanal-Junction-Feldeffekttransistoren (nachfolgend JFET
genannt) 6 a-6 e, drei nnp-Transistoren 7 a bis 7 c und
zwei Dioden 8 a und 8 b. Die JFETs 6 a, 6 b und 6 c sind an
ihren Source-Elektroden mit den zugehörigen Gate-Elektroden
kurzgeschlossen und mit einer elektrischen Stromquelle
verbunden und arbeiten jeweils als Konstantstromquellen.
Der JFET (Konstantstromquelle) 6 a und die Photodiode
1 sind miteinander in Serie zwischen die Stromquelle
und Masse geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt A
mit dem Gate von JFET 6 b verbunden ist. Die JFETs 6 d und
6 e bilden ein Differenzeingangspaar. Die Source-Elektroden
der JFETs 6 d und 6 e sind mit der Drain-Elektrode
von JFET 6 b verbunden, und beide Drain-Elektroden der
JFETs 6 d und 6 e sind über eine Stromspiegelschaltung mit
Masse verbunden, die aus den npn-Transistoren 7 a und 7 b
besteht.
Der JFET (Konstantstromquelle) 6 c und das Diodenpaar
8 a und 8 b sind andererseits in Serie zwischen die
Stromquelle und Masse geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt
B mit der Gate-Elektrode des JFET 6 e verbunden ist.
Durch den Vorwärts-Spannungsabfall über das Diodenpaar
8 a und 8 b wird am Punkt B eine vorbestimmte Spannung erzeugt,
die der Gateelektrode des JFET 6 e zugeführt ist.
Die Basis des npn-Transistors 7 c ist mit der Drain-Elektrode
des JFET 6 e verbunden, um ein Ausgangssignal am
offenen Kollektor des Transistors 7 e zu erzeugen.
Der JFET 6 a, bei dem die Source-Elektrode und die
Gate-Elektrode miteinander kurzgeschlossen sind, um eine
Konstantstromquelle zu bilden, zeigt eine Konstantstromcharakteristik,
wenn die Source-Drain-Spannung V DS größer
als die Pinch-Off-Spannung ist, weil dann der Drainstrom
auf dem maximalen Sättigungsstrom I DSS gehalten
wird. Wenn die Source-Drain-Spannung V DS kleiner als
die Pinch-Off-Spannung ist, dann arbeitet der JFET 6 a
als Widerstand, und sein Drainstrom ist ungefähr proportional
der Spannung V DS .
Wenn Licht auf die Photodiode 1 fällt, die in
Serie mit dem JFET 6 a geschaltet ist, dann fließt ein
elektrischer Strom Ip durch die Photodiode 1 und den
JFET 6 a entsprechend dem Lichtmengenpegel an der Photodiode
1. Wenn der Strom Ip kleiner als der maximale
Sättigungsstrom I DSS des JFET 6 a ist und daher unter dem
Konstantstrombereich des JFET 6 a ist, dann bleibt die
Spannung am Punkt A relativ hoch, obgleich diese Spannung
ungefähr proportional zum Strom Ip vermindert ist.
Wenn der Strom Ip auf einen Pegel steigt, der etwa
gleich dem maximalen Sättigungsstrom I DSS ist und daher
den Konstantstrombereich des JFET 6 a erreicht hat, dann
fällt die Spannung am Verbindungspunkt A schnell auf
ungefähr Massepotential ab.
Wie oben beschrieben, ändert sich die Spannung am
Punkt A schnell, je nachdem, ob der Strom Ip den Pegel
des maximalen Sättigungsstroms I DSS erreicht oder nicht.
Diese Spannung wird der Gate-Elektrode des JFET 6 d zugeführt,
die eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweist.
Wenn der Strom Ip den maximalen Sättigungsstrom
I DSS erreicht, dann fällt die Spannung am Punkt A steil
ab und wird niedriger als die Spannung am Punkt B. Der
JFET 6 d und die npn-Transistoren 7 a und 7 b werden daher
in den Leitzustand versetzt und der npn-Transistor 7 c
wird gesperrt. Wenn andererseits der
Strom Ip kleiner als der maximale Sättigungsstrom I DSS
ist, dann werden der JFET 6 d und die npn-Transistoren
7 a und 7 b gesperrt und der npn-Transistor 7 c wird in
den Leitfähigkeitszustand versetzt.
Wie man aus der obigen Beschreibung entnehmen kann,
kann der Licht-Detektorpegel der Photodiode 1 in der
Schaltung nach der vorliegenden Erfindung zwei verschiedene
Werte in Bezug auf den maximalen Sättigungsstrom
I DSS des JFET 6 a annehmen. Der Strom I DSS kann genau beeinflußt
werden, indem man in geeigneter Weise die Größe
und den Widerstand des Kanalbereichs des JFET 6 a wählt.
Außerdem hängt der maximale Sättigungsstrom I DSS fast
gar nicht von der Temperatur der Schaltung ab, da die
Temperaturkoeffizienten der Sperrschichtbreite und die
Beweglichkeit im Kanalbereich negativ sind.
Weiterhin beeinflußt die Empfindlichkeit der Photodiode
1 die Unterscheidungsgenauigkeit des Stromes I DSS ,
kann jedoch leicht groß gemacht werden, indem die Dicke
und die Dotierung der n-Epitaxialschicht beeinflußt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 werden der Aufbau und
das Herstellungsverfahren einer integrierten Schaltung
gemäß der Erfindung nachfolgend erläutert.
Fig. 3 zeigt ein p-leitendes Siliciumsubstrat 9,
n+ versenkte Schichten 10, eine n- Epitaxialschicht 11,
diffundierte p+ Isolierbereiche 12, diffundierte p-
Sourcebereiche 13, diffundierte n+ Emitterbereiche 14,
Borionenimplantationsbereiche 15, einen Siliciumoxidfilm
16 und Aluminiumanschlußflecken 17.
Bei der Herstellung der integrierten Schaltung
nach der vorliegenden Erfindung werden zunächst die vertieften
n+ Schichten 10 auf dem p-leitenden Siliciumsubstrat
9 ausgebildet und dann werden auf den n+ Schichten
10 die n- Epitaxialschichten 11 durch epitaxiales
Aufwachsen ausgebildet. Sodann werden die diffundierten
p+ Isolierschichten 12 durch Diffusion in der Epitaxialschicht
11 ausgebildet, um diese in eine Mehrzahl von
Abschnitte aufzuteilen, und in jedem Abschnitt werden
diffundierte p-Basisbereiche 13 und diffundierte n+
Emitterbereiche 14 ausgebildet. Einige Abschnitte des
Silicium-Oxidfilms 16 entsprechend den Kanälen der JFETs
werden dann durch Ätzen entfernt und Borionen werden in
die entfernten Abschnitte des Silicium-Oxidfilms 16 implantiert.
Die Ionenimplantation wird unter Umgebungsbedingungen
ausgeführt, bei welchen die Beschleunigungsenergie
100 keV beträgt und die implantierte Menge
0,6 bis 2 × 1012 Atome/cm2 ist. Ein p-Kanalbereich hat
eine effektive Dotierungsmenge von 1016 bis 1017Atome/cm3
bis zu einer Tiefe von 1000 Å oder mehr von der Trennfläche
zwischen der Epitaxialschicht 11 und dem Silicium-
Oxidfilm 16. Sodann wird der Silicium-Oxidfilm 16 mit
einer Dicke von etwa 1000 Å auf dem Kanalbereich durch
einen Naßoxidationsprozeß ausgebildet. Sodann werden
Kontaktlöcher durch Ätzen ausgebildet, wodurch Aluminiumanschlußflecken
17 erzeugt werden. Schließlich wird ein
Phosphor-Silicium-Glasfilm auf den Silicium-Oxidfilm 16
und den Aluminiumflecken niedergeschlagen.
In jedem JFET bildet der diffundierte p-Bereich 13
Source und Drain und der ionen-implantierte p--Bereich 15,
der in der n- Epitaxialschicht 11 ausgebildet ist, bildet
den Kanal. Jeder Aluminiumanschlußfleck 17 bildet eine
Gateelektrode und ist auf der Kanalfläche durch den dünnen
Silicium-Oxidfilm 16 ausgebildet.
Wenn der JFET 6 a und die anderen JFETs unter der
Bedingung hergestellt werden, daß die Borionenimplantation
bei 100 keV und 1,1 × 1012 Atomen/cm2 durchgeführt
wird und daß das Verhältnis der Kanalbreite W zur Kanallänge
L mit 0,1 gewählt ist und der Widerstand der n-
Epitaxialschicht 1Ω cm beträgt, dann ist der maximale
Sättigungsstrom I DSS des JFET 6 a etwa 0,3 µA und sein
Temperaturkoeffizient beträgt + 1000 ppm/°C, was für
einen Photodetektor wünschenswert ist, der eine Leuchtdiode
verwendet.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der eine Hysterese-Charakteristik
zu der binären Diskriminatorschaltung der vorangehenden
Ausführungsform hinzugefügt ist. Bei dieser
Ausführungsform sind eine JFET-Konstantstromquelle 6 f,
ein npn-Transistor 7 d und eine Diode 8 c der Schaltung
nach Fig. 2 hinzugefügt. Die hinzugefügten Elemente
sowie der JFET 6 a bilden eine weitere Konstantstromquelle,
die mit der Photodiode 1 verbunden ist.
Wenn ein Lichtdetektorstrom Ip durch die Photodiode
1 fließt, der kleiner als der Strom I DSS ist, dann
werden der JFET 6 d und der npn-Transistor 7 a gesperrt,
so daß der npn-Transistor 7 d gesperrt wird. In diesem
Falle fließt der Strom durch beide JFETs 6 a und 6 f.
Wenn jeder der maximalen Sättigungsströme der
JFETS 6 a und 6 f gleich I DSS ist und der Strom Ip die
Größe 2 I DSS erreicht und daher die Konstantstrombereiche
der JFET 6 a und 6 f erreicht, dann wird die
Spannung am Punkt A schnell klein. Als Folge davon
werden die npn-Transistoren 7 a und 7 b in den Leitfähigkeitszustand
versetzt und der npn-Transistor 7 d
wird gleichzeitig eingeschaltet.
Wenn der npn-Transistor 7 d leitet, dann fließt
der Strom, der durch den JFET 6 f fließt, fast vollständig
durch den Transistor 7 d, und der Strom Ip fließt
fast vollständig durch den JFET 6 a. Wenn der Strom Ip
kleiner als der maximale Sättigungsstrom I DSS des JFET
6 a ist, dann nimmt die Spannung am Punkt A zu und die
npn-Transistoren 7 a, 7 b und 7 d werden gesperrt. Auf diese
Weise läßt sich eine Hysterese-Charakteristik bei der
Ausführungsform nach Fig. 4 erzielen.
Claims (4)
1. Integrierte Halbleiter-Lichtdetektorschaltung,
enthaltend: ein Lichtdetektorelement (1), eine Konstantstromquelle
mit einem ersten FET (6 a), der in Serie mit
dem Lichtdetektorelement (1) und einer Stromquelle (Vcc)
geschaltet ist, wobei die Konstantstromquelle einen Bereich
hat, in welchem ein konstanter Strom durch den
ersten FET (6 a) fließt, und eine elektrische Einrichtung
mit einem zweiten FET (6 d), dessen Gate-Elektrode
mit einem Verbindungspunkt (A) zwischen dem Lichtdetektorelement
(1) und der Konstantstromquelle (6 a) verbunden
ist, wobei die elektrische Einrichtung einen Ausgang
in zwei möglichen Zuständen für die Gatespannung an dem
Verbindungspunkt (A) bietet, der sich danach richtet,
ob der Ausgangsstrom des Lichtdetektorelements (1) einen
vorbestimmten Strom erreicht oder nicht, der in dem Konstantstrombereich
der Konstantstromquelle (6 a) eingestellt
ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gate-Spannung an dem
Verbindungspunkt (A) rasch abnimmt, wenn der Ausgangsstrom
des Lichtdetektorelements (1) größer als der vorbestimmte
Strom ist, der in dem Konstantstrombereich
der Konstantstromquelle (6 a) eingestellt ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Einrichtung
weiterhin enthält: einen vierten FET (6 e), der
mit einem dritten FET (6 b) verbunden ist und ein Differenzeingangspaar
zusammen mit dem zweiten FET (6 d) bildet,
wobei die Source-Elektroden des zweiten FET (6 d) und
des vierten FET (6 e) zusammen mit der Drain-Elektrode
des dritten FET (6 b) verbunden sind, die Drain-Elektroden
von zweitem FET (6 d) und viertem FET (6 e) mit einem
Paar Transistoren (7 a, 7 b) verbunden sind, die eine
Stromspiegelschaltung bilden, die Gate-Elektrode und
die Drain-Elektrode des vierten FET (6 e) jeweils mit
einer mit Masse verbundenen Diode (8 a, 8 b) und einem
Transistor (7 c) als Ausgang der integrierten Schaltung
verbunden sind.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Konstantstromquelle
weiterhin einen fünften FET (6 f) enthält, der parallel
zum ersten FET (6 a) geschaltet ist, wobei ein vierter
Transistor (7 d) mit dem fünften FET (6 f) und der Stromspiegelschaltung
(7 a, 7 b) verbunden ist und eine Diode
mit einem Ende zwischen dem fünften FET (6 c) und dem
vierten Transistor (7 d) geschaltet ist, wobei die Diode
(8 c) am anderen Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen
dem ersten FET (6 a) und dem Lichtdetektorelement (1)
verbunden ist.
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- 1986-10-15 DE DE19863635137 patent/DE3635137A1/de active Granted
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