DE3635137C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine intergrierte Halbleiter-Lichtdetektorschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, aus der US-PS 37 70 967 bekannten Halbleiter-Lichtdetektorschaltung ist das Lichtdetektorelement über einen aus einem FET gebildeten Pufferverstärker und eine ebenfalls aus einem FET gebildete Last mit der Speisequelle in Reihe geschaltet. Zwischen dem Pufferverstärker und der Last liegt der Verbindungspunkt, der mit der Gate-Elektrode des zweiten FET der Signalverarbeitungsschaltung verbunden ist. Die den ersten FET aufweisende erste Konstantstromquelle speist hier die Signalverarbeitungsschaltung, die aus dem zweiten FET und einem weiteren FET gebildet ist, über die Ströme fließen, deren Summe gleich dem von der Konstantstromquelle abgegebenen konstanten Strom ist. Führt das Lichtdetektorelement bei einer nur geringen Helligkeit einen nur sehr kleinen Strom, so ist die Gate-Spannung an dem Verbindungspunkt hoch, wodurch der zweite FET der Signalverarbeitungsschaltung einen relativ großen Anteil des von der Konstantstromquelle gelieferten Stromes führt. Scheint dagegen Licht auf das Lichtdetektorelement, so führt dieses einen mit steigender Lichtintensität wachsenden Strom, wodurch der weitere FET der Signalverarbeitungsschaltung einen immer größer werdenden Anteil des von der Konstantstromquelle gelieferten Stromes führt. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung entspricht daher quantitativ der auf das Lichtdetektorelement auftreffenden Lichtintensität. Bei einer anderen Ausführungsform dieser bekannten Lichtdetektorschaltung weist die Signalverarbeitungs­ schaltung anstelle des beschriebenen Differenzverstärkers und der Konstantstromquelle eine Vielzahl von Inverterschaltungen auf, um anstelle des analogen Ausgangssignals ein digitales Ausgangssignal abzugeben.

Aus der DE-OS 23 54 212 ist eine Lichtdetektorschaltung bekannt, bei der ein Lichtdetektorelement mit einer Kon­ stantstromquelle unmittelbar in Reihe geschaltet ist. Mit dem Verbindungspunkt zwischen Lichtdetektorelement und Konstantstromquelle ist ein logarithmischer Kompressor, ein Vervielfacher und ein logarithmischer Expander ver­ bunden, um zuerst eine Logarithmierung, danach eine Ver­ stärkung und dann eine Delogarithmierung durchzuführen, um die Ungenauigkeit im umgekehrten Proportionalitätsverhältnis zwischen Widerstand des Lichtdetektorelements und auftreffender Lichtstärke zu kompensieren. Eine solche bekannte Schaltung hat jedoch den Nachteil eines geringen Signal-Rauschabstandes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Lichtde­ tektorschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß sie bei einfachem Aufbau eine binäre Diskriminierung mit Hysterese- Charakteristik zwischen Hell und Dunkel vornehmen kann

Bei einer Lichtdetektorschaltung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lichtdetektorschaltung zeichnet sich dadurch aus, daß durch die Reihenschaltung der ersten Konstantstromquelle mit dem Lichtdetektorelement sehr einfach ein bestimmter Konstantstrombereich der Konstant­ stromquelle eingestellt werden kann, in dem der durch das Lichtdetektorelement fließende Strom dann liegt, wenn das Lichtdetektorelement eine ausreichende Lichtintensität erhält, während im anderen Falle der durch das Lichtde­ tektorelement fließende Strom so klein ist, daß er weit genug außerhalb dieses Konstantstrombereiches liegt. Mit Hilfe der sehr einfach auszubildenden Signalverarbeitungsschaltung können diese beiden unter­ schiedlichen Zustände erfaßt und in Form eines binären Ausgangssignals abgegeben werden. Durch die Parallel­ schaltung einer zweiten Konstantstromquelle zu der ersten Konstantstromquelle ist die Hysterese-Charakteristik zu erreichen, indem beim einen und z. B. "dunkel" angebenden binären Zustand ein dann durch das Lichtdetektorelement fließender kleiner Strom, der außerhalb des Konstant­ strombereiches liegt, von beiden Konstantstromquellen ge­ liefert wird. Wenn bei dem anderen und z. B. "hell" ange­ benden binären Zustand ein innerhalb des Konstantstrombe­ reiches liegender großer Strom durch das Lichtdetektor­ element fließt, so kann dieser Strom allein von der er­ sten Konstantstromquelle aufgebracht werden, während von der zweiten Konstantstromquelle ein ebenfalls großer Strom z. B. über einen dann leitend geschalteten Umleitungspfad fließen kann. Wird bei diesem binären Zustand die Lichtintensi­ tät dann wieder geringer, also auch der durch das Licht­ detektorelement fließende Strom, ist dann als Schwell­ wertbereich nur noch der Konstantstrombereich der ersten Konstantstromquelle wirksam, während beim Umschalten in den anderen binären Zustand der Schwellwertbereich durch die Konstantstrombereiche beider Konstantstromquellen ge­ geben ist. Auf diese Weise ergibt sich die Hysterese-Charakteristik, d. h., die Umschaltung von dem einen in den jeweils anderen binären Zustand findet bei einem ersten Wert der Gate-Spannung statt, während die Zurückschaltung von dem anderen in den einen binären Zu­ stand bei einem zweiten und vom ersten Wert unterschied­ lichen Wert der Gate-Spannung stattfindet.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzel­ nen zeigt

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild (Äquivalenz­ schaltung) des Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch einen Hauptabschnitt der in Fig. 1 gezeigten Schaltung.

Eine Äquivalenzschaltung einer integrierten Halbleiter-Lichtdetektorschaltung enthält eine Photodiode 1, p-Kanal-Junction-Feldeffekttransistoren (nachfol­ gend JFET genannt) 6 a-6 f, npn-Transistoren 7 a bis 7 d und Dioden 8 a, 8 b, 8 c. Die JFETs 6 a, 6 b und 6 c sind an ihren Source-Elektroden mit den zugehörigen Gate-Elektroden kurzgeschlossen und mit einer elektri­ schen Stromquelle verbunden und arbeiten jeweils als Kon­ stantstromquellen.

Der JFET (Konstantstromquelle) 6 a und die Photo­ diode 1 sind miteinander in Serie zwischen die Stromquel­ le und Masse geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt A mit dem Gate von JFET 6 d verbunden ist. Die JFETs 6 d und 6 e bilden ein Differenzeingangspaar. Die Source-Elektro­ den 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 Dioden­ paar 8 a und 8 b sind andererseits in Serie zwischen die Stromquelle und Masse geschaltet, wobei ihr Verbindungs­ punkt 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 er­ zeugt, die der Gateelektrode des JFET 6 e zugeführt ist. Die Basis des npn-Transistors 7 c ist mit der Drain-Elek­ trode des JFET 6 e verbunden, um ein Ausgangssignal am offenen Kollektor des Transistors 7 c 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 Konstantstrom­ charakteristik, wenn die Source-Drain-Spannung V _DS größer als die Pinch-Off-Spannung ist, weil dann der Drain­ strom 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 pro­ portional 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 Photo­ diode 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 Span­ nung 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 zu­ geführt, 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 zwei verschie­ dene Werte in Bezug auf den maximalen Sättigungsstrom I _DSS des JFET 6 a annehmen. Der Strom I _DSS kann genau be­ einflußt 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 nicht von der Temperatur der Schaltung ab, da die Temperaturkoeffizienten der Sperrschichtbreite und die Beweglichkeit im Kanalbereich negativ sind.

Weiterhin beeinflußt die Empfindlichkeit der Photo­ diode 1 die Unterscheidungsgenauigkeit des Stromes I _DSS, kann jedoch leicht groß gemacht werden, indem die Dicke und die Dotierung der n- Epitaxialschicht beeinflußt wer­ den. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden Aufbau und Herstellungsverfahren einer integrierten Schaltung erläutert.

Fig. 2 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 werden zunächst die ver­ tieften n+ Schichten 10 auf dem p-leitenden Silicium­ substrat 9 ausgebildet und dann werden auf den n+ Schich­ ten 10 die n- Epitaxialschichten 11 durch epitaxiales Aufwachsen ausgebildet. Sodann werden die diffundierten p+ Isolierschichten 12 durch Diffusion in der Epitaxial­ schicht 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 im­ plantiert. Die Ionenimplantation wird unter Umgebungs­ bedingungen ausgeführt, bei welchen die Beschleunigungs­ energie 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 10¹⁷ Atome/cm³ bis zu einer Tiefe von 1000 Å oder mehr von der Trenn­ fläche 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 Aluminium­ anschlußflecken 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 Borionenimplanta­ tion bei 100 keV und 1,1 × 10¹² Atomen/cm² durchgeführt wird und daß das Verhältnis der Kanalbreite W zur Kanal­ länge 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 Leucht­ diode verwendet.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind zum Bewirken einer Hysterese-Charakteristik eine JFET-Konstantstromquelle 6 f, ein npn-Transistor 7 d und eine Diode 8 c vorgesehen.

Wenn ein Lichtdetektorstrom Ip durch die Photodiode 1 fließt, der kleiner als der Strom I _DSS ist, 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 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 ein­ geschaltet.

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,b und 7 d werden gesperrt.

Claims (3)

1. Integrierte Halbleiter-Lichtdetektorschaltung mit einem Lichtdetektorelement, das mit einer Speisequelle verbunden ist, einer ersten Konstantstromquelle mit einem ersten FET und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem zweiten FET, dessen Gate-Elektrode mit einem Ver­ bindungspunkt zwischen dem Lichtdetektorelement und der Speisequelle verbunden ist, wobei die Signalverarbeitungsschaltung ein Ausgangssignal in Abhän­ gigkeit von der Gate-Spannung an dem Verbindungspunkt ab­ gibt, das sich danach richtet, ob der Ausgangsstrom des Lichtdetektorelements einen vorbestimmten Strom erreicht oder nicht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kon­ stantstromquelle (6 a) mit der Speisequelle und dem Licht­ detektorelement (1) derart in Serie geschaltet ist, daß der Verbindungspunkt (A) zwischen der ersten Konstant­ stromquelle (6 a) und dem Lichtdetektorelement (1) liegt, daß eine zweite Konstantstromquelle mit einem dritten FET (6 f), der dem ersten FET (6 a) parallel geschaltet ist, mit dem Verbindungspunkt (A) und der Speisequelle verbun­ den ist und daß die Signalverarbeitungsschaltung in Ab­ hängigkeit von der Gate-Spannung des zweiten FET (6 d) ein binäres Ausgangssignal abgibt, das in seinen einen Zu­ stand bei einem ersten Wert der Gate-Spannung umgeschal­ tet und in seinen anderen Zustand bei einem zweiten, sich vom ersten unterscheidenden Wert der Gatespannung zurück­ geschaltet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung weiterhin enthält: einen vierten FET (6 e), der mit einem fünften FET (6 b) verbun­ den 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 fünften 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, und die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des vierten FET (6 e) mit einer mit Masse verbundenen Diode (8 a, 8 b) und einem Transistor (7 c) als Ausgang der integrierten Schal­ tung verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Transistor (7 d) mit dem dritten FET (6 f) und der Stromspiegelschaltung (7 a, 7 b) verbunden ist und eine weitere Diode (8 c) einen Verbindungspunkt zwischen dem dritten FET (6 f) und dem vierten Transistor (7 d) mit dem Verbindungspunkt (A) zwischen dem ersten FET (6 a) und dem Lichtdetektorelement (1) verbindet.