DE3728691A1 - Lichtempfindlicher positionssensor - Google Patents
Lichtempfindlicher positionssensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen lichtempfindlichen Positionssensor,
welcher ein lichtempfindliches, eine photosensitive
Oberfläche aufweisendes Halbleiterbauelement, das von einem
in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang zwischen einem
Elektrodenpaar gebildet ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung
aufweist.
Wenn ein schmaler Lichtstrahl auf die lichtempfindliche
Oberfläche zwischen den Elektroden gerichtet wird, erzeugt
das Halbleiterbauelement Photoströme, welche von den Elektroden
abgegriffen werden können, und welche in Abhängigkeit
von der Position der Bestrahlung zwischen den Elektroden sich
in der Weise ändern, daß der gesamte Photostrom in die beiden
Photoströme der Elektroden unterteilt ist in einem Verhältnis,
welches durch die Position der Bestrahlung bestimmt ist.
Die Signalverarbietungsschaltung verarbeitet die von den
Elektroden kommenden Photoströme zur Bestimmung der Lage
der Strahlung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen lichtempfindlichen
Positionssensor zu schaffen, welcher kompakt, betriebssicher,
billig und genau ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Durch die Erfindung wird ein lichtempfindlicher Positionssensor
geschaffen mit einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement,
einer Signalverarbeitungsschaltung, welche eine
Stromumformereinrichtung, eine logarithmische Umformereinrichtung,
erste und zweite Differenzpaarschaltungen besitzt,
und einer Betriebseinrichtung.
Das lichtempfindliche Bauelement besitzt eine erste Halbleiterschicht
eines ersten Leitfähigkeitstyps, welcher
einen lichtempfindlichen pn-Übergang mit einer zweiten Halbleiterschicht,
beispielsweise einer epitaxialen Schicht,
eines zweiten Leitfähigkeitstyps bildet, erste und zweite
Elektroden, die an erste und zweite voneinander getrennte
Stellen der ersten Halbleiterschicht angeschlossen sind,
zum Abgreifen erster und zweiter Photoströme, welche in
Abhängigkeit der Lage eines Flecks, der zwischen der ersten
und zweiten Elektrode durch einen Lichtstrahl beleuchtet
ist, sich ändern.
Die Stromumformereinrichtung ist mit dem lichtempfindlichen
Bauelement zum Empfang des ersten und zweiten Photostroms
und zur Erzeugung eines ersten Detektorstroms, in Abhängigkeit
vom ersten Photostrom, und eines zweiten Detektorstroms,
in Abhängigkeit vom zweiten Photostrom, verbunden,
wobei ein erster Summenstrom, welcher eine Summe aus dem
erster Detektorstrom und dem doppelten Betrag des zweiten
Detektorstroms ist, sowie ein zweiter Summenstrom, welcher
aus einer Summe des zweiten Detektorstroms und dem doppelten
Betrag des ersten Detektorstroms besteht, gebildet werden.
Die logarithmische Umformereinrichtung ist mit der Stromumformereinrichtung
verbunden zur Erzeugung einer ersten
logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen
Beziehung zum ersten Detektorstrom steht, einer zweiten
logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen
Beziehung zum ersten Summenstrom steht, einer dritten logarithmischen
Spannung, welche in einer logarithmischen Beziehung
zum zweiten Summenstrom steht, und einer vierten
logarithmischen Spannung, welche in einem logarithmischen
Verhältnis zum zweiten Detektorstrom steht.
Die erste Differenzpaarschaltung ist mit der logarithmischen
Umformereinrichtung verbunden zur Verstärkung einer Differenz
zwischen den ersten und zweiten logarithmischen Spannungen
und zur Erzeugung erster und zweiter Differenzausgangströme,
und die zweite Differenzpaarschaltung ist mit der
logarithmischen Umformereinrichtung verbunden zur Verstärkung
einer Differenz zwischen den dritten und vierten logarithmischen
Spannungen und zur Erzeugung dritter und vierter
Differenzausgangsströme.
Die Betriebseinrichtung ist mit den ersten und zweiten
Differenzpaarschaltungen zur Erzeugung eines Positionssignals
verbunden, das die Position des beleuchteten Flecks
aus den ersten, zweiten, dritten und vierten Differenzausgangsströmen
wiedergibt.
Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel
eines lichtempfindlichen Positionssensors nach
der Erfindung;
Fig. 2 einen vertikalen Schnitt zur Darstellung eines
Teils eines IC-Bausteins, der Komponenten
des Positionssensors der Fig. 1 enthält;
Fig. 3 ein Schaltbild für einen Hauptbestandteil eines
zweiten Ausführungsbeispiels eines Positionssensors
nach der Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltbild eines herkömmlichen Positionssensors;
Fig. 5 einen vertikalen Schnitt zur Darstellung eines
lichtempfindlichen Halbleiterbauelements eines
dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
Fig. 6 eine Draufsicht auf die in der Fig. 5 dargestellte
Anordnung.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird zunächst
Bezug genommen auf den in der Fig. 4 dargestellten
Positionssensor ("Semiconductor position sensor and its
application", Denshi Zairyo, Februar 1980, Seiten 119 ff.)
Der herkömmliche Positionssensor, welcher in der Fig. 4 dargestellt
ist, besitzt einen lichtempfindlichen Halbleiterbaustein
1 mit einem n-leitenden Si-Substrat 2 mit hohem
spezifischen Widerstand und eine p-leitende Schicht 3, welche
auf der Oberfläche des Substrats 2 gebildet ist. Eine
lichtempfindliche Oberfläche wird gebildet durch den
pn-Übergang zwischen dem n-leitenden Substrat 2 und der
p-leitenden Schicht 3. In der Draufsicht ist die lichtempfindliche
Oberfläche rechtwinklig ausgebildet.
Der Halbleiterbaustein 1 besitzt ferner erste und zweite
Elektroden 4 und 5, welche an der p-leitenden Schicht 3
gebildet sind. Die erste und zweite Elektrode 4 und 5 haben
einen Abstand von l voneinander und erstrecken sich im wesentlichen
parallel zueinander. Erste und zweite Photoströme
I₁ und I₂ werden von der ersten und zweiten Elektrode 4 und
5 abgegriffen.
Der Halbleiterbaustein 1 besitzt ferner eine dritte Elektrode,
nämlich eine Bodenelektrode 6. Eine n⁺-leitende Kontaktschicht
(nicht dargestellt) ist an der gesamten Bodenfläche
des Si-Substrats 2 gebildet. Die Bodenlelektrode 6 ist an
einem Teil oder an der gesamten n⁺-leitenden Kontaktschicht
gebildet. Eine positive Spannung +Vcc ist an die Bodenelektrode
6 angelegt. Der pn-Übergang der lichtempfindlichen
Oberfläche ist durch die positive Spannung +Vcc in Sperrichtung
betrieben.
Der Positionssensor der Fig. 4 besitzt ferner eine Signalverarbeitungsschaltung,
welche zwei Strom/Spannungsumformerschaltungen
71 und 72, eine Addierschaltung 73, eine Subtrahierschaltung
74, eine Inverterschaltung 75 und einen Mehrzweckdividierer
76 aufweist. Jede der Schaltungen 71 bis 75
enthält einen Operationsverstärker als Hauptkomponente. Ferner
ist ein Gleichspannungswandler 77 zur Lieferung der Spannung
+Vcc für den Betrieb der Dividierschaltung 76 usw. und
zur Erzeugung einer Spannung -Vee vorgesehen.
Wenn ein beleuchteter Fleck durch einen Lichtstrahl an einer
Position x (0 x l) zwischen der ersten und zweiten Elektrode
4 und 5 des lichtempfindlichen Halbleiterbausteins 1
gebildet wird, werden an der ersten und zweiten Elektrode
4 und 5 erste und zweite Photoströme I₁ und I₂ vorgesehen.
Diese Photoströme lassen sich durch die folgenden Formeln
wiedergeben.
I₁=I₀×(l-x)/l (1)
I₂=I₀×x/l (2)
I₂=I₀×x/l (2)
In diesen Gleichungen bedeutet I₀ einen Gesamtphotostrom,
welcher bei der Bestrahlung erzeugt wird, und welcher gleich
(I₁+I₂) ist. Der erste und der zweite Photostrom I₁ und
I₂ ändern sich in Abhängigkeit von der Position x des projektierten
Punktes, wobei der gesamte Photostrom konstant
bleibt.
Der erste und der zweite Photostrom I₁ und I₂ werden in
Spannungen Rf×I₁ und Rf×I₂ durch Strom/Spannungswandlerschaltungen
71 und 72 umgewandelt. Die Addierschaltung 73
addiert die beiden Spannungen Rf×I₁ und Rf×I₂, und die
Inverterschaltung 75 liefert eine Summenspannung
RF×(I₁+I₂) durch Umkehrung des Ausgangs der Addierschaltung
73. Andererseits führt die Subtrahierschaltung 74
eine Subtraktion zwischen Rf×I₁ und Rf×I₂ durch und
bildet eine Differenzspannung RF×(I₂-I₁).
Die Dividierschaltung 76 dividiert die Differenzspannung
RF×(I₁-I₂) durch die Summenspannung RF×(I₁+I₂) und
erzeugt folgenden Ausgang.
(Vref /2)×(I₂-I₁)/(I₁+I₂)
=[(x/l)-1/2]×Vref (3)
=[(x/l)-1/2]×Vref (3)
In dieser Gleichung bedeutet Vref eine konstante Referenzspannung.
Auf diese Weise liefert der Positionssensor das Ausgangssignal
der Dividierschaltung 76 als ein Positionssignal, welches
die Position x einer Projektion anzeigt und unabhängig
von der Lichtmenge ist.
Der herkömmliche Positionssender der Fig. 4 ist jedoch noch
dahingehend mit Nachteilen behaftet, daß er ungeeignet ist
für eine Verringerung der Abmessung, daß er teuer ist und
eine niedrige Betriebssicherheit aufweist aufgrund der erforderlichen
hohen Anzahl an Einzelbausteinen wie Operationsverstärker
71 bis 75, Dividierer 76 und Gleichspannungswandler
77.
In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt.
Der Positionssensor der Fig. 1 besitzt ein lichtempfindliches
Halbleiterbauelement 1 zur Erzeugung erster und zweiter
Photoströme I₁ und I₂ sowie eine Signalverarbeitungsschaltung.
Das Halbleiterbauelement 1 besitzt eine n-leitende Si-Schicht
2 mit hohem spezifischen Widerstand, eine p-leitende Schicht
3, welche auf der n-leitenden Schicht 2 gebildet ist, so
daß ein pn-Übergang entsteht, welcher als lichtempfindliche
Oberfläche dient. Eine erste und eine zweite Elektrode 4 und
5 sind durch einen Abstand l getrennt voneinander angeordnet.
Ferner ist eine dritte Elektrode 6 vorgesehen.
Die Signalverarbeitungsschaltung der Fig. 1 besitzt eine
erste Stromumformerschaltung (Stromspiegelschaltung), welche
von vier npn-Transistoren 7, 8, 9 und 11 gebildet ist.
Basis und Kollektor des Transistors 7 sind miteinander verbunden.
Der Kollektor des Transistors 7 ist mit der Elektrode
4 des Halbleiterbauelements 1 verbunden. Der Transistor
7 dient als Eingangstransistor, und die Transistoren 8, 9
und 11 dienen als Ausgangstransistoren. Der Transistor 11
ist ein Mehremittertransistor mit zwei Emittern.
Am Kollektor eines jeden der Ausgangstransistoren 8 und 9
wird ein erster Detektorstrom I₁′, welcher etwa gleich dem
ersten, von der ersten Elektrode 4 des Halbleiterelements 1
gelieferten Photostroms I₁ ist, erzeugt.
Am Kollektor des Ausgangstransistors 11 wird ein erster
Doppelstrom 2 I₁′ erzeugt, dessen Größe doppelt so groß ist
wie die Stromgröße des ersten Detektorstroms I₁′.
Der erste Detektorstrom I₁′ besitzt gegenüber dem ersten
Photostrom I₁ folgende Beziehung:
I₁′ = I₁×Hfe/(Hfe+5) (4)
Hierbei bedeutet Hfe einen Stromverstärkungsfaktor der geerdeten
Basis der npn-Transistoren 7, 8, 9 und 11.
Die zweite Elektrode 5 des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements
1 ist an eine zweite Stromumformerschaltung
(Stromspiegelschaltung) angeschlossen, welche von vier
npn-Transistoren 12, 13, 14 und 15 im wesentlichen in der
gleichen Weise gebildet wird wie die erste Stromumformerschaltung.
In der zweiten Stromumformerschaltung dient der Transistor
12 als Eingangstransistor und die Transistoren 13, 14 und 15
dienen als Ausgangstransistoren. Der Ausgangstransistor 13
ist als Mehrfachemittertransistor ausgebildet.
An dem Kollektor eines jeden der Ausgangstransistoren
14 und 15 wird ein zweiter Detektorstrom I₂′ erzeugt, welcher
etwa gleich dem zweiten Photostrom I₂ ist. Am Kollektor
des Ausgangstransistors 13 wird ein zweiter Doppelstrom
2I₂′ erzeugt, dessen Stromstärke doppelt so groß ist wie
die Stromstärke des zweiten Detektorstroms I₂′.
Der zweite Detektorstrom I₂′ steht mit dem zweiten Photostrom
I₂ durch folgende Formel in Beziehung
I₂′ und I₂×Hfe/(Hfe+5) (5)
In der Gleichung (5) bedeutet Hfe einen Stromverstärkungsfaktor
der npn-Transistoren 12, 13, 14 und 15 bei geerdeter
Basiskonfiguration.
Der Kollektor des Transistors 9 der ersten Stromumformerschaltung
und der Kollektor des Transistors 13 der zweiten
Stromumformerschaltung sind miteinander verbunden und ein
erster Summenstrom (I₁′+2I₂′), welcher gleich der Summe
aus dem ersten Detektorstrom I₁′ und dem zweiten Doppelstrom
2I₂′ ist, fließt durch eine Leitung, welche den Kollektoren
der beiden Transistoren 9 und 13 gemeinsam ist.
Der Kollektor des Transistors 11 der ersten Stromumformerschaltung
und der Kollektor des Transistors 14 der zweiten
Stromumformerschaltung sind miteinander verbunden, und ein
zweiter Summenstrom (I₂′+2I₁′), welcher gleich ist der
Summe aus dem zweiten Detektorstrom I₂′ und dem ersten
Doppelstrom 2I₁′ fließt durch eine Leitung, die den Kollektoren
der beiden Transistoren 11 und 14 gemeinsam ist.
Die erste und die zweite Stromumformerschaltung dienen als
Stromumformermittel.
Vier npn-Transistoren 16, 17, 18 und 19 bilden eine logarithmische
Umformereinrichtung. Die Transistoren 16 bis 19
sindmit den entsprechenden Kollektoren der Ausgangstransistoren
der ersten und zweiten Stromumformerschaltung verbunden.
Der Transistor 16 ist mit dem Kollektor des Transistors
8 verbunden. Der Transistor 17 ist mit den Kollektoren
der Transistoren 9 und 13 verbunden. Der Transistor 18 ist
mit den Kollektoren der Transistoren 11 und 14 verbunden.
Der Transistor 19 ist mit dem Kollektor des Transistors 15
verbunden.
Bei jedem der Transistoren 16 bis 19 sind die Basis und der
Kollektor miteinander an einem Knotenpunkt verbunden, an
welchem eine positive Spannung Vt angelegt ist. Jeder der
Transistoren 16 bis 19 bildet eine logarithmische Umformung
unter Verwendung einer Diodencharakteristik des Übergangs
zwischen Basis und Emitter. Die Transistoren 16 und 19 bilden
die logarithmischen Umformungen des ersten und zweiten
Detektorstroms I₁′ und I₂′. Die Transistoren 17 und 18 bilden
die logarithmischen Umformungen des ersten Summenstroms
(I₁′+2I₂′) und des zweiten Summenstroms (I₂′+2I₁′).
Jeder der Transistoren 16 bis 19 bildet an seinem Emitter
eine Spannung Va, Vb, Vc bzw. Vd, welche in logarithmischer
Beziehung mit dem Eingangsstrom steht.
Die Emitter der Transistoren 16 und 17 sind jeweils an Eingangsklemmen
einer ersten Differenzpaarschaltung, bestehend
aus zwei npn-Transistoren 29 und 31 über eine erste, aus
einem p-Kanal-JFET 21 und einer Konstantstromquelle 22 bestehenden
Sourcefolgerschaltung und eine zweite, aus einem
p-Kanal-JFET 23 und einer Konstantstromquelle 24 bestehenden
Sourcefolgerschaltung angeschlossen.
Die erste Sourcefolgerschaltung 21, 22 und die zweite
Sourcefolgerschaltung 23, 24 sind vorgesehen, um zu verhindern,
daß die Basisströme der Transistoren 29 und 31 der
ersten Differenzpaarschaltung beim Fließen durch die Transistoren
16 und 17 Fehler hervorrufen. Deshalb sind die Ströme
der Konstantstromquellen 22 und 24 hoch genug bemessen
im Vergleich mit den Basisströmen der Transistoren 29 und
31, so daß Spannungsverschiebungen zwischen Ein- und Ausgang
ausgeglichen sind. Das gleiche gilt für die dritte und vierte
Sourcefolgerschaltung, wie noch erläutert wird.
Die erste Differenzpaarschaltung 29, 31 verstärkt die Differenz
zwischen der Spannung Va, welche vom ersten Detektorstrom
I₁′ erhalten wird, sowie die Spannung Vb, welche vom
ersten Summenstrom (I₁′+2I₂′) erhalten wird, und bildet
einen ersten Differenzausgangsstrom Ia und einen zweiten
Differenzausgangsstrom Ib.
Die Emitter der Transistoren 18 und 19 sind jeweils an Eingangsklemmen
einer zweiten, aus zwei npn-Transistoren 32 und
33 bestehenden Differenzpaarschaltung über eine dritte, aus
einem p-Kanal-JFET 25 und einer Konstantstromquelle 26 bestehenden
dritte Sourcefolgerschaltung und eine vierte, aus
einem p-Kanal-JFET 27 und einer Konstantstromquelle 28 bestehenden
Sourcefolgerschaltung angeschlossen.
Die zweite Differenzpaarschaltung 32, 33 verstärkt die
Differenz zwischen der Spannung Vc, welche aus dem zweiten
Summenstrom (I₂′+2I₁′) gewonnen wird und der Spannung
Vd, welche aus dem zweiten Detektorstrom I₂′ gewonnen wird,
und erzeugt einen dritten Differenzausgangsstrom Ic und
einen vierten Differenzausgangsstrom Id.
Drei npn-Transistoren 34, 35 und 36 bilden eine dritte
Stromumformerschaltung (Stromspiegelschaltung). Die Basis
und der Kollektor des Transistors 36 sind miteinander verbunden,
und der Transistor 36 dient als Eingangstransistor.
Die Transistoren 34 und 35 dienen als Ausgangstransistoren.
Eine positive Spannung (Vst+Vbe) ist über einen Widerstand
Rb an den Kollektor des Eingangstransistors 36 gelegt.
Der Kollektor des Ausgangstransistors 34 mit dem Knotenpunkt
verbunden, der den Transistoren 29 und 31 der
ersten Differenzpaarschaltung gemeinsam ist. Der Kollektor
des Ausgangstransistors 35 ist mit dem gemeinsamen Emitterpunkt
verbunden, der den Transistoren 32 und 33 der zweiten
Differenzpaarschaltung gemeinsam ist.
Ein Strom, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt
werden kann, fließt durch den Kollektor eines jeden der
Ausgangstransistoren 34 und 35.
Iref=Vst/Rb (6)
Der Strom Iref wird als konstanter Strom jeweils für die
erste Differenzpaarschaltung 29, 31 und die zweite Differenzpaarschaltung
32, 33 verwendet.
Vier pnp-Transistoren 37, 38, 39 und 41 und zwei Widerstände
42 und 43 bilden eine vierte Stromumformerschaltung
40 (Stromspiegelschaltung) mit hoher Präzision. Eine Eingangsklemme
44 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist
sowohl mit dem Kollektor des Transistors 29 der ersten Differenzpaarschaltung
als auch mit dem Kollektor des Transistors
32 der zweiten Differenzpaarschaltung verbunden. Eine
Ausgangsklemme 45 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist
sowohl mit dem Kollektor des Transistors 31 der ersten Differenzpaarschaltung
als auch mit dem Kollektor des Transistors
33 der zweiten Differenzpaarschaltung verbunden. Die
Ausgangsklemme 45 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist
mit einer invertierenden Eingangsklemme (-) einer Strom-
Spannungsumformerschaltung 46, die aus einem Operationsverstärker
besteht, verbunden.
Ein Strom (Ia+Ic), welcher der Summe aus dem ersten
Differenzausgangsstrom Ia und dem dritten Differenzausgangsstrom
Ic gleich ist, fließt in die Eingangsseite der vierten
Stromumformerschaltung 40, und ein Strom mit der gleichen
Stromstärke fließt auch an der Ausgangsseite.
Demgemäß liefert die vierte Stromumformerschaltung 40 von
der Ausgangsklemme 45 zur Strom-Spannungsumformerschaltung
46 einen Strom, welcher gleich ist einer Differenz, die sich
aus der Subtraktion des Stroms (Ib+Id), welcher gleich der
Summe aus dem zweiten und vierten Differenzausgangsstrom
Ib und Id ist, vom Strom (Ia+Ic), welcher gleich der Summe
aus dem ersten und dritten Differenzausgangsstrom Ia und Ic
ist, ergibt. Die Position des beleuchteten Flecks ist durch
dieses Ausgangssignal bestimmt.
Demgemäß dient die vierte Stromumformerschaltung 40 als
Betriebseinrichtung zur Erzeugung des Stromausgangs, welcher
die Position des beleuchteten Flecks aus den vier Differenzausgangsströmen
Ia, Ib, Ic und Id angibt.
Eine positive Spannung Vst/2 ist an einen nichtinvertierenden
Eingang (+) der Strom-Spannungsumformerschaltung 46 gelegt.
Die Strom-Spannungsumformerschaltung 46 wandelt den
Strom, welcher die Position des beleuchteten Flecks angibt,
in ein Positionsspannungssignal Vout um.
Es ist möglich, das lichtempfindliche Halbleiterbauelement
1, die Stromumformerschaltungen, die logarithmische Umformereinrichtung
und die Differenzpaarschaltungen in einem
einzelnen Halbleiterbaustein unter Verwendung der bipolaren
IC-Technik unterzubringen. Ein Ausführungsbeispiel eines
derartigen monolytischen bipolaren IC ist in Fig. 2 dargestellt.
Diese Fig. 2 zeigt lediglich einen Teil, welcher das
lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1, den npn-Transistor
7 und den p-Kanal-JFET 21 enthält.
Die Halbleitereinrichtung der Fig. 2 besitzt ein p-leitenden
Si-Substrat 51 und eine n--leitende epitaxiale Schicht
52, welche auf das Substrat 51 aufgewachsen ist.
Die epitaxiale Schicht 52 ist in Inseln 52 a, 52 b
und 52 c aufgeteilt, welche elektrisch voneinander durch
p⁺-leitende Diffusionstrennwände 53 isoliert sind, die
selektiv in die epitaxiale Schicht 52 geformt sind. Zwischen
der epitaxialen Schicht 52 und dem Substrat 51 sind
n⁺-leitende eingebettete Schichten 54 selektiv gebildet zur
Reduzierung des Kollektorwiderstands des Transistors oder
für ander Zwecke.
Das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1 wird in der
ersten epitaxialen Insel 52 a gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
dient die epitaxiale Schicht 52 als die
n-leitende Substratregion 2, welche in der Fig. 1 dargestellt
ist.
Zwei p-leitende Bereiche 55 und 56 werden in der epitaxialen
Insel durch Diffundieren gebildet. Die p-leitenden Bereiche
55 und 56 haben einen bestimmten Abstand voneinander. Eine
p-leitende Schicht 3, welche der p-leitenden Schicht 3 der
Fig. 1 entspricht, ist in der epitaxialen Schicht 52 zwischen
den p-leitenden Bereichen 55 und 56 durch Ionenimplantation
von Bor (B) gebildet. Die lichtempfindliche Oberfläche wird
durch den pn-Übergang zwischen der n--epitaxialen Schicht 52
und der p-leitenden Schicht 3 gebildet. Ferner werden in der
ersten epitaxialen Insel 52 a n⁺-leitende Kontaktbereiche
57 gebildet.
In der zweiten epitaxialen Insel 52 b wird der npn-Transistor
7 gebildet, welcher einen p-leitenden Basis-Diffusionsbereich
58 und einen n⁺-leitenden Emitterdiffusionsbereich
59 aufweist.
Der p-Kanal-JFET 21 wird in der dritten epitaxialen Insel
52 c gebildet. Ein p-leitendes Paar aus Source- und Drainzonen
61 und 62 wird in einem bestimmten Abstand voneinander
in der Insel 52 c gebildet. Eine p-leitende Kanalzone 63
wird in der epitaxialen Schicht 52 zwischen der Source- und
Drainzone 61 und 62 durch Ionenimplantation von Bor (B)
gebildet. Ferner wird eine n⁺-leitende Gatezone 64 an der
Kanalzone 63 gebildet.
Die p-leitenden Bereiche 55, 56, 58, 61 und 62 werden
gleichzeitig durch einen einheitlichen Diffundiervorgang
mit p-leitender Verunreinigung durchgeführt. Die
n⁺-leitenden Bereiche 57 und 59 werden gleichzeitig durch
einheitlichen Diffundiervorgang mit n-leitender Verunreinigung
durchgeführt.
Die anderen bipolaren Transistoren und die anderen JFETs
werden in der gleichen Weise wie der in der Fig. 2 dargestellte
npn-Transistor 7 und der p-Kanal-JFET 21 in der
epitaxialen Schicht 52 gebildet und elektrisch isoliert.
Der Positionssensor des ersten Ausführungsbeispiels arbeitet
wie folgt.
Wenn ein Lichtstrahl auf die lichtempfindliche Oberfläche
des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 an einer
Position x zwischen der ersten und zweiten Elektrode 4 und
5 auftrifft, liefert das lichtempfindliche Halbleiterbauelement
1 den ersten und zweiten Photostrom I₁ und I₂ an
den Elektroden 4 und 5. Die Größen des ersten Photostroms
und des zweiten Photostroms ändern sich in Abhängigkeit von
der Position x der projektierten Strahlung, wie es in den
Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt ist.
Der erste Photostrom I₁ fließt in den Eingangstransistor 7
der ersten Stromumformerschaltung, welche den ersten, durch
die Gleichung (4) wiedergegebene Detektorstrom I₁′ am
Kollektor eines jeden Ausgangstransistoren 8 und 9 und den
ersten Doppelstrom 2I₁′ am Kollektor des Ausgangstransistors
11 erzeugt.
Der zweite Photostrom I₂ fließt in den Eingangstransistor
12 der zweiten Stromumformerschaltung, welche den zweiten,
durch die Gleichung (5) wiedergegebenen Detektorstrom
I₂′ am Kollektor eines jeden Ausgangstransistoren 14 und 15
und den zweiten Doppelstrom 2I₂′ am Kollektor des Ausgangstransistors
13 erzeugt.
Der erste Summenstrom (I₁′+2I₂′) wird aus dem ersten, vom
Ausgangstransistor 9 erzeugten Detektorstrom I₁′ und dem
zweiten, vom Transistor 13 erzeugten Doppelstrom 2I₂′ gebildet.
Der zweite Summenstrom (I₂′+2I₁′) wird aus dem
zweiten, vom Ausgangstransistor 14 erzeugten Detektorstrom
I₂′ und dem ersten, vom Ausgangstransistor 11 erzeugten
Doppelstrom 2I₁′ gebildet.
Der erste Detektorstrom I₁′, der erste Summenstrom (I₁′+2I₂′)
der zweite Summenstrom (I₂′+2I₁′) und der zweite Detektorstrom
I₂′ fließen durch die entsprechenden Transistoren
16, 17. 18 und 19 der logarithmischen Umformereinrichtung,
und die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd werden an den Emittern
der entsprechenden Transistoren 16 bis 19 erhalten.
Die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd sind durch die folgenden
Gleichungen (7) bestimmt.
Va= Vt - (kT/q)×ln(A₁I₁′/Is) Vb= Vt - (kT/q)×ln[A₁(I₁′+2I₂′)/Is]Vc= Vt - (kT/q)×ln[A₁(2I₁′+I₂′)/Is]Vd= Vt - (kT/q)×ln(A₁I₂′/Is)
(7)
In den Gleichungen (7) bedeuten k=Boltzmannkonstante,
T=absolute Temperatur, q=Elektronenladung, Is=Sperrsättigungsstrom
des Basis-Emitterübergangs, und A₁=
Hfe/(Hfe+1).
Die Spannung Va, welche durch logarithmische Umformung des
ersten Detektorstroms I₁′ und die Spannung Vb, welche durch
logarithmische Umformung des ersten Summenstroms
(I₁+2I₂) erhalten werden, werden über die Sourcefolgerschaltungen
in die erste Differenzpaarschaltung 29, 31 eingegeben.
Die erste Differenzpaarschaltung 29, 31 verstärkt
die Differenz zwischen den Spannungen Va und Vb, welche an
ihre beiden Eingangsklemmen gelegt ist und erzeugt den
ersten und zweiten Differenzausgangsstrom Ia und Ib.
Die Spannung Vc, welche durch die logarithmische Umformung
des zweiten Summenstroms (I₂′+2I₁′) erhalten wird, und
die Spannung Vd, welche durch die logarithmische Umformung
des zweiten Detektorstroms I₂′ erhalten wird, werden über
die Sourcefolgerschaltungen der zweiten Differenzpaarschaltung
32, 33 zugeleitet. Die zweite Differenzpaarschaltung
32, 33 verstärkt die Differenz zwischen den Spannungen
Vc und Vd, die an ihre Eingangsklemmen angelegt ist, und erzeugt
den dritten und vierten Differenzausgangsstrom Ic
Die Differenzausgangsströme Ia, Ib, Ic und Id werden durch
die folgenden Gleichungen (8) ausgedrückt
Ia
= Iref/[l+exp [q/kT)×(Vb-Va)]]
Ib
= Iref/[l+exp [q/kT)×(Va-Vb)]]
Ic
= Iref/[l+exp [q/kT)×(Vd-Vc)]]
Id
= Iref/[l+exp [q/kT)×(Vc-Vd)]]
Durch Substitution der Gleichungen (7) für die Spannungen
Va bis Vd in den Gleichungen (8) und durch Substitution
der Gleichungen (4) und (5) für den ersten und zweiten
Detektorstrom I₁′ und I₂′ in den Gleichungen (7) erhält man
die folgenden Gleichungen (9).
Ia= Iref×(I₁+2I₂)/2(I₁+I₂)Ib= Iref×I₁/2(I₁+I₂)Ic= Iref×I₂/2(I₁+I₂)Id= Iref×(2I₁+I₂)/2(I₁+I₂)
(9)
Aus den Strömen Ia, Ib, Ic und Id, welche durch die Gleichungen
(9) angegeben sind, erzeugt die Betriebseinrichtung,
welche durch die als Stromspiegelschaltung ausgebildete
Stromumformerschaltung 40 dargestellt wird, das Positionsstromsignal
If, welches durch die folgende Gleichung
(10) wiedergegeben ist.
If=Ia+Ic-(Ib+Id)
=Iref×(I₂-I₁)/(I₁+I₂) (10)
=Iref×(I₂-I₁)/(I₁+I₂) (10)
Die Strom-Spannungsumformerschaltung 46 empfängt
das Stromsignal
If über ihre invertierende Eingangsklemme und liefert
die Ausgangsspannung Vout, welche durch die folgende
Gleichung (11) wiedergegeben ist.
Vout=Vst/2+Rf×Iref×(I₂-I₁)/(I₁+I₂) (11)
Die Substitution der Gleichungen (1) und (2) für den ersten
und zweiten Photostrom I₁ und I₂ in der Gleichung (11) und
die Substitution der Gleichung (6) für den konstanten
Strom Iref führt zu folgender Beziehung.
Vout=[1/2+(x/l-1/2)2×Rf/Rb]×Vst (12)
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Widerstände
Rb und Rf so bestimmt, daß Rb=2Rf. Hieraus ergibt sich
Vout=Vst×x/l (13)
Auf diese Weise bildet der Positionssensor des dargestellten
Ausführungsbeispiels die Ausgangsspannung Vout, d. h.
das Positionssignal, welches die Position des beleuchteten
Flecks angibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können das lichtempfindliche
Halbleiterbauelement 1 und die Signalverarbeitungsschaltung
in einem Signalbaustein gebildet werden. Bei der Einrichtung
dieses Ausführungsbeispiels kann daher der Störabstand verbessert
werden. Ferner wird die Genauigkeit der Erfassung
durch Kompensation von Kriechströmen des lichtempfindlichen
Halbleiterbauelements 1 im gleichen Baustein erhöht und
die Betriebssicherheit des Sensors gesteuert.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Fig. 3 dargestellt. Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind
die erste und zweite Elektrode 4 und 5 des lichtempfindlichen
Halbleiterbauelements 1 über einen Konstantspannungspuffer
an den Eingangstransistor 7 bzw. 12 der ersten bzw.
zweiten Stromumformerschaltung angeschlossen.
Zusätzlich zu den in der Fig. 1 gezeigten Komponenten besitzt
die Vorrichtung der Fig. 3 p-Kanal-JFETs 65 und 66,
Operationsverstärker 67 und 68, sowie Konstantspannungsquellen
69 und 70 mit einer positiven Spannung Vp.
Die Elektrode 4 des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements
1 ist in an den JFET 65 angeschlossen, dessen Drainzone mit dem
Eingangstransistor 7 der ersten Stromumwandlerschaltung verbunden
ist. Die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers
67 ist mit der Sourcezone des JFET 65 verbunden.
Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 67 ist
mit dem Gate des JFET 65 verbunden. Das Gate des JFET 65
wird durch den Operationsverstärker 67 betrieben, und das
Sourcepotential des JFET 65 wird auf der konstanten Spannung
Vp gehalten.
Die Elektrode des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements
1 ist mit dem JFET 66 verbunden, und der Operationsverstärker
68 ist in der gleichen Weise, wie in der Fig. 3 dargestellt
ist, verschaltet.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
ändert sich die Emitter-Basisspannung eines jeden
der Eingangstransistoren 7, 12 mit einer Änderung des
ersten und zweiten Photostroms I₁ bzw. I₂, so daß die Vorspannung
des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 geändert
wird.
Wenn daher der beleuchtete Fleck sich einem jeweiligen Ende
der lichtempfindlichen Oberfläche nähert und die Differenz
zwischen dem ersten und zweiten Photostrom I₁ und I₂ sich
erhöht, tendiert die Einrichtung nach der Fig. 1 dazu, daß
in der Positionserfassung Fehler eingeführt werden können.
Beim Positionssensor der Fig. 3 ist das lichtempfindliche
Halbleiterbauelement 1 immer mehr durch die konstante Spannung
(Vst-Vp) vorgespannt - unabhängig von Änderungen der
Photoströme I₁ und I₂, so daß die Meßgenauigkeit noch verbessert
wird.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Fig. 5 und 6 dargestellt.
Der Aufbau des in der Figur dargestellten lichtempfindlichen
Halbleiterbauelements 1 ist bekannt. Bei diesem Aufbau
fließt der Photostrom, welcher sich aus bei der Beleuchtung
der photoempfindlichen Oberfläche erzeugten Defektelektronen
ergibt, von der Elektrode 6 durch die n--epitaxiale
Schicht 52, welche zwischen dem n⁺-Kontaktbereich und der
n⁺-leitenden eingebetteten Schicht 54 liegt, und fließt dann
in die eingebettete Schicht 54. Der Widerstand des Photostrompfades
ist daher unregelmäßig in der lichtempfindlichen
Oberfläche verteilt. Der Spannungsabfall aufgrund des ungleichmäßig
verteilten Widerstands beeinflußt die Vorspannung,
welche an den lichtempfindlichen pn-Übergang gelegt
ist, und bewirkt eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspannung
über die lichtempfindliche Oberfläche. Insbesondere
dann, wenn der beleuchtete Fleck sich einem Ende der lichtempfindlichen
Oberfläche nähert, werden nichtlineare Fehler
in die Photoströme I₁ und I₂ eingebracht, und die Genauigkeit
der Positionserfassung ist beeinträchtigt.
Der Aufbau des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements nach
dem dritten Ausführungsbeispiel, welches in den Fig.
5 und 6 dargestellt ist, ist so beschaffen, daß nichtlineare
Fehler in den Photoströmen verringert sind, wodurch die
Genauigkeit der Positionserfassung verbessert wird.
Ein epitaxiales Si-Substrat 101, welches in der Fig. 5 dargestellt
ist, umfaßt ein p-leitendes Substrat 102 und eine
n--leitende epitaxiale Schicht 103 mit hohem spezifischen
Widerstand, welche auf dem Substrat 102 gebildet ist. Eine
n--leitende epitaxiale Insel 103 a ist durch p⁺-leitende
Diffusionstrennwände 104, welche in der epitaxialen Schicht
103 gebildet sind, isoliert. Zwischen der epitaxialen Insel
103 a und dem p-leitenden Substrat 102 ist eine n⁺-leitende
eingebettete Schicht 105 gebildet, welche mit n-leitender
Verunreinigung, beispielsweise Antimon (Sb) oder Arsen (As)
hochdotiert ist. Die n⁺-leitende eingebettete Schicht 105
dient zur Reduzierung der Widerstände der Strompfade der
Photoströme.
Ein p-leitendes Bereichspaar 106 und 107 sind durch Diffundierung
in der epitaxialen Insel 103 a gebildet. Die p-leitenden
Bereiche 106 und 107 sind in einem bestimmten Abstand
voneinander getrennt und erstrecken sich im wesentlichen
parallel zueinander. Eine p-leitende Schicht 108 mit hohem
spezifischen Widerstand ist in der epitaxialen Schicht 103 a
zwischen den p-leitenden Bereichen 106 und 107 durch Ionenimplantation
mit Bor (B) gebildet. Wie aus der Fig. 6 hervorgeht,
ist die p-leitende Schicht 108 im wesentlichen
rechteckförmig ausgebildet und erstreckt sich von dem
p-leitenden Bereich 106 zu dem p-leitenden Bereich 107.
Eine lichtempfindliche Oberfläche wird durch den pn-Übergang
zwischen der p-leitenden Schicht 108 und der n--leitenden
epitaxialen Schicht 103 gebildet.
Die Einrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 enthält ferner
einen n⁺-leitenden Kontaktdiffusionsbereich 109 für die
Insel 103 a sowie eine Siliziumdioxidschicht 111. Im Bereich
der Schicht 108 ist die Dicke der Siliziumdioxidschicht 111
auf etwa 1000 Å (100 nm) verringert.
Die p-leitenden Bereiche 106 und 107 sind jeweils mit
Al-Anoden 112 und 113 über in die Siliziumdioxidschicht 111
eingeformte Kontaktlöcher verbunden. Der n⁺-leitende
Kontaktbereich 109 ist über in die Siliziumdioxidschicht 111
eingeformte Kontaktlöcher mit einer Kathode 114 verbunden.
Die Einrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel enthält
ferner einen hochdotierten n⁺-leitenden Bereich 115,
der in die epitaxiale Insel 103 a eingeformt ist. Der
n⁺-leitende Bereich 115 erstreckt sich um die rechtwinklige
lichtempfindliche Oberfläche und ist als Rechteck ausgebildet,
wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Der n⁺-leitende
Bereich 115 ist tief ausgebildet und reicht bis zur
n⁺-leitenden eingebetteten Schicht 105, wie es in Fig. 5 gezeigt
ist. Der n⁺-leitende Bereich 115 ist mit der Kathode
114 verbunden.
Auf diese Weise ist der durch die epitaxiale Schicht 103
bedingte Widerstand aus den Strompfaden der Photoströme beseitigt.
In den Fig. 5 und 6 ist lediglich das lichtempfindliche
Halbleiterbauelement dargestellt. Die übrigen Komponenten
der Schaltung zur Verarbeitung der Photoströme sind in das
gleiche Substrat in der gleichen Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel
integriert.
Die Einrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel arbeitet
wie folgt.
Der lichtempfindliche pn-Übergang ist durch eine an die
Kathode 114 angelegte positive Spannung in Sperrichtung
betrieben. Wenn ein Lichtstrahl auf die lichtempfindliche
Oberfläche projektiert wird, werden am beleuchteten Fleck
Defektelektronenpaare erzeugt. Aufgrund dieser Defektelektronenpaare
fließt ein Photostrom von der Kathode 114 durch
den n⁺-leitenden Bereich 115 und erreicht die n⁺-leitende
eingebettete Schicht 105 von der seitlichen Flächer her. Der
erste und der zweite Photostrom I₁ und I₂ werden entsprechend
von den Anoden 112 und 113 entnommen. Im Teil der
n⁺-leitenden eingebetteten Schicht 105 folgt der Photostrom
dem kürzesten Weg von der Seitenfläche. Daher wird in dem
Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels der aus dem hohen
spezifischen Widerstand der n--leitenden epitaxialen Schicht
103 resultierende Widerstand aus dem Photostrompfad innerhalb
des Halbleitersubstrats 101 beseitigt. Dabei wird eine
unregelmäßige Widerstandsverteilung über die lichtempfindliche
Oberfläche dadurch vermieden, daß der Photostrom
durch die n⁺-leitende eingebettete Schicht 105 von der Seitenfläche
entlang dem kürzesten Strompfad fließt. Folglich
kann aufgrund des Aufbaus des dritten Ausführungsbeispiels
die Vorspannung, welche an den lichtempfindlichen Übergang
gelegt ist, gleichförmig über die gesamte lichtempfindliche
Oberfläche angelegt werden. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit
aufgrund der Verringerung der nichtlinearen Fehler
in den Ausgangsphotoströmen erhöht.
Claims (18)
1. Lichtempfindlicher Positionssensor, gekennzeichnet durch
- - ein photosensitives Halbleiterbauelement (1) mit einer ersten Halbleiterschicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps, welche einen lichtempfindlichen pn-Übergang mit einer zweiten Halbleiterschicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps bildet, und ersten und zweiten Elektroden (4, 5), die mit ersten und zweiten getrennten Positionen der ersten Halbleiterschicht (3) entsprechend verbunden sind zur Lieferung erster und zweiter Photoströme, welche in Abhängigkeit einer Position eines Flecks, der durch einen Lichtstrahl zwischen der ersten und zweiten Position beleuchtet wird, sich ändern;
- - eine Stromumformereinrichtung (7 bis 9, 11, 12 bis 15) für den Empfang der ersten und zweiten Photoströme vom lichtempfindlichen Halbleiterbauelement (1) und zur Erzeugung eines ersten Detektorstroms in Abhängigkeit vom ersten Photostrom, eines zweiten Detektorstroms in Abhängigkeit vom zweiten Photostrom eines ersten Summenstroms, welcher eine Summe aus dem ersten Detektorstrom und dem doppelten zweiten Detektorstrom ist, und eines zweiten Summenstroms, welcher eine Summe aus dem zweiten Detektorstrom und dem doppelten ersten Detektorstrom ist;
- - eine logarithmische Umformeinrichtung (16 bis 19) zur Erzeugung einer ersten logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen Beziehung steht mit dem ersten Detektorstrom, einer zweiten logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen Beziehung mit dem ersten Summenstrom steht, einer dritten logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen Beziehung mit dem zweiten Summenstrom steht, und einer vierten logarithmischen Spannung, welche in einer logarithmischen Beziehung mit dem zweiten Detektorstrom steht;
- - einer ersten Differenzpaarschaltung (19, 31) zur Verstärkung einer Differenz zwischen der ersten und zweiten logarithmischen Spannung und zur Erzeugung eines ersten und zweiten Differenzausgangsstroms;
- - eine zweite Differenzpaarschaltung (32, 33) zur Verstärkung einer Differenz zwischen der dritten und vierten logarithmischen Spannung und zur Erzeugung eines dritten und vierten Differenzausgangsstroms, und
- - eine Betriebseinrichtung (40, 46) zur Erzeugung eines Positionssignals, das die Position des beleuchteten Flecks wiedergibt, aus den ersten, zweiten, dritten und vierten Differenzausgangsströmen.
2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die logarithmische Umformereinrichtung erste, zweite,
dritte und vierte Halbleitereinrichtungen (16, 17, 18, 19)
aufweist, von denen jede einen pn-Übergang zur Durchführung
einer logarithmischen Umformung aufweist.
3. Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste, zweite, dritte und vierte logarithmische Halbleitereinrichtung
(16, 17, 18, 19) so angeordnet sind, daß
die erste logarithmische Spannung (Va) im wesentlichen eine
lineare Funktion eines natürlichen Logarithmus des ersten
Detektorstroms ist, die zweite logarithmische Spannung (Vb)
im wesentlichen eine lineare Funktion eines natürlichen
Logarithmus des ersten Summenstroms ist, die dritte logarithmische
Spannung (Vc) im wesentlichen eine lineare Funktion
eines natürlichen Logarithmus des zweiten Summenstroms
ist und die vierte logarithmische Spannung (Vd) im wesentlichen
eine lineare Funktion eines natürlichen Logarithmus
des zweiten Detektorstroms ist.
4. Positionssensor nach einer der Ansprüche1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Betriebseinrichtung (40, 46) zur Erzeugung
eines Positionssignals eine Einrichtung (40) aufweist
zur Erzeugung eines Positionsstromsignals (If), welches
proportional der Differenz ist, die aus einer Subtraktion
einer Summe des zweiten und vierten Differenzausgangsstroms
von einer Summe des ersten und dritten Differenzausgangsstroms
sich ergibt.
5. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromumformereinrichtung
(7 bis 9, 11, 12 bis 15) folgende Bestandteile aufweist:
- - eine erste Stromumformerschaltung (7 bis 9, 11), enthaltend einen Eingangs-npn-Transistor (7) mit einem Kollektor und einer Basis, welche beide mit der ersten Elektrode (4) des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements (1) verbunden sind, und mit einem Emitter, der geerdet ist, erste und zweite Ausgangs-npn-Transistoren (8, 9), von denen jeder eine mit der Basis des Eingangstransistors (7) verbundene Basis sowie einen geerdeten Emitter und einen Kollektor aufweist zur Erzeugung des ersten Detektorstroms, der im wesentlichen proportional dem ersten Photostrom ist, einen dritten Ausgangs-npn-Transistor (11) mit einer mit der Basis des Eingangstransistors (7) verbundenen Basis, zwei geerdeten Emittern und einem Kollektor, zur Erzeugung eines Stroms, der gleich dem doppelten ersten Detektorstrom ist, und
- - eine zweite Stromumformerschaltung (12 bis 15), enthaltend einen Eingangs-npn-Transistor (12) mit einem Kollektor und einer Basis, die beide mit der zweiten Elektrode (5) des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements (1) verbunden sind, um einem geerdeten Emitter, einen ersten Ausgangs- npn-Transistor (13) mit einem mit der Basis des Eingangstransistors (12) der zweiten Stromumformerschaltung (12 bis 15) verbundenen Basis, zweit geerdeten Emittern und einem Kollektor, zur Erzeugung eines Stroms, der gleich dem doppelten Detektorstrom ist, und einen zweiten und dritten Ausgangs-npn-Transistoren (14, 15), von denen jeder eine mit der Basis des Eingangstransistors (12) der zweiten Stromumformerschaltung (12 bis 15) verbundene Basis sowie einen geerdeten Emitter und einen Kollektor zur Erzeugung des zweiten Detektorstroms, der im wesentlichen proportional dem zweiten Photostrom ist, aufweist.
6. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten, dritten und vierten
logarithmischen Halbleitereinrichtungen (16, 17, 18, 19) der
logarithmischen Umformereinrichtung entsprechend als erster,
zweiter, dritter und vierter npn-Transistor ausgebildet
sind, von denen jeder eine Basis und einen Kollektor aufweist,
die miteinander verbunden sind, und an die eine vorbestimmte
erste positive Spannung angelegt ist, daß die
erste logarithmische Halbleitereinrichtung (16) einen Emitter
aufweist, der mit dem Kollektor des ersten Ausgangstransistors
(8) der ersten Stromumformerschaltung (7 bis 9, 11)
verbunden ist und die erste logarithmische Spannung vorsieht,
daß die zweite logarithmische Halbleitereinrichtung
(7) einen Emitter aufweist, der mit einem Knotenpunkt verbunden
ist, welcher den Kollektor des zweiten Ausgangstransistors
(9) der ersten Stromumformerschaltung (7 bis 9, 11)
und den Kollektor des ersten Ausgangstransistors (13) der
zweiten Stromumformerschaltung (12 bis 15) verbindet, zur Erzeugung
der zweiten logarithmischen Spannung, daß die dritte
logarithmische Halbleitereinrichtung (8) einen Emitter aufweist,
der mit einem Knotenpunkt verbunden ist, welcher den
Kollektor des dritten Ausgangstransistors (11) der ersten
Stromumformerschaltung (7 bis 9, 11) und den Kollektor des
zweiten Ausgangstransistors (14) der zweiten Stromumformerschaltung
(12 bis 15) verbindet, zur Erzeugung der dritten
logarithmischen Spannung, und daß die vierte logarithmische
Halbleitereinrichtung (9) einen Emitter aufweist, der mit
dem Kollektor des dritten Ausgangstransistors (15) der zweiten
Stromumformerschaltung (12 bis 15) verbunden ist, zur Erzeugung
der vierten logarithmischen Spannung.
7. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste und zweite Differenzpaarschaltung
(19, 31 und 32, 33) erste und zweite npn-Transistoren
(29, 32 und 31, 33), deren Emitter miteinander verbunden
sind, aufweisen.
8. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Betriebseinrichtung (40, 46) folgende
Bestandteile aufweist:
- - einen ersten pnp-Transistor (37) mit einem Kollektor und einer Basis, welche beide mit einem Eingangsknotenpunkt verbunden sind, an welchem die Kollektoren der ersten Transistoren (29, 32) der ersten und zweiten Differenzpaarschaltungen (29, 31 und 32, 33) angeschlossen sind;
- - einen zweiten pnp-Transistor (38), dessen Basis mit der Basis des ersten pnp-Transistors (37) verbunden ist, und dessen Kollektor mit einem Ausgangsknotenpunkt verbunden ist, an welchem die Kollektoren der zweiten Transistoren (31, 33) der ersten und zweiten Differenzpaarschaltungen (29, 31 und 32, 33) angeschlossen sind;
- - einen dritten pnp-Transistor (39), dessen Kollektor mit einem Emitter des ersten pnp-Transistors (37) verbunden ist, und
- - einem vierten pnp-Transistor (41), dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind und an eine Basis des dritten pnp-Transistors (39) und an einen Emitter des zweiten pnp-Transistors (38) angeschlossen sind,
- - wobei der jeweilige Emitter des dritten und vierten pnp- Transistors (39, 41) über einen jeweiligen Widerstand (42, 43) mit einem Knotenpunkt verbunden ist, an welchem eine bestimmte zweite positive Spannung (Vst) angelegt ist.
9. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Emitter der ersten und zweiten logarithmischen
Halbleitereinrichtungen (16, 17) über erste und
zweite, jeweils einen p-Kanal-JFET (21, 23) enthaltende
Sourcefolgeverstärkerschaltungen an die erste Differenzpaarschaltung
(29,31) angeschlossen sind, und daß die Emitter
der dritten und vierten logarithmischen Halbleitereinrichtungen
(18, 19) über dritte und vierte, jeweils
p-Kanal-JFET (25, 27) aufweisende Sourcefolgeverstärkerschaltungen
(25, 26 und 27, 28) an die zweite Differenzpaarschaltung
(32, 33) angeschlossen sind.
10. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Betriebseinrichtung (40, 46) ferner
einen Operationsverstärker (46) aufweist, dessen invertierender
Eingang das positive Stromsignal empfängt und dessen
Ausgang ein Positionierungsspannungssignal vorsieht, das die
Position des beleuchteten Flecks wiedergibt, und daß ein
Rückkopplungswiderstand (RF) zwischen den invertierenden Eingang
und den Ausgang des Operationsverstärkers (46) geschaltet
ist.
11. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (4) des lichtempfindlichen
Halbleiterbauelements (1) über eine erste
Pufferschaltung (65, 67, 69) an die erste Stromumformerschaltung
(7 bis 9, 11) und daß die zweite Elektrode (5) des
lichtempfindlichen Halbleiterbauelements (1) über eine zweite
Pufferschaltung (66, 68, 70) an die zweite Stromumformerschaltung
(12 bis 15) angeschlossen ist.
12. Positionssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und zweite Pufferschaltung (65, 67, 69 und
66, 68, 70) jeweils einen p-Kanal-JFET (65, 66), dessen Sourcezone
mit der ersten bzw. zweiten Elektrode (4 bzw. 5) des
lichtempfindlichen Halbleiterbauelements (1) verbunden ist
und dessen Drainzone mit dem Eingangstransistor (7 bzw. 12)
der ersten bzw. zweiten Stromumformerschaltung (7 bis 9, 11
bzw. 12 bis 15) verbunden ist, und einen Operationsverstärker
(67, 68), dessen Ausgang mit einer Gatezone des p-Kanal-
JFET (65 bzw. 66) verbunden ist, an dessen nichtinvertierenden
Eingang eine positive konstante Spannung angelegt ist
und dessen invertierender Eingang mit der Sourcezone des
p-Kanal-JFET (65 bzw. 66) verbunden ist, aufweist.
13. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (108)
des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements (1) auf einer
Oberfläche einer auf einem Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp
geformten zweiten Schicht (103) gebildet ist, daß
das lichtempfindliche Halbleiterbauelement (1) ferner eine
hochdotierte eingebettete Halbleiterschicht (105) vom zweiten
Leitungstyp aufweist, die zwischen dem Halbleitersubstrat
102 und der zweiten Schicht (103) gebildet ist, daß das
lichtempfindliche Halbleiterbauelement (1) ferner einen
hochdotierten Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp
aufweist, der in der zweiten Schicht (103) gebildet
ist, und daß das Halbleiterbauelement (1) eine dritte Elektrode
(114) aufweist, welche mit dem hochdotierten Halbleiterbereich
(115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbunden
ist.
14. Positionssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der hochdotierte Halbleiterbereich (115) vom zweiten
Leitfähigkeitstyp die erste Halbleiterschicht (108) umgibt.
15. Positionssensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der hochdotierte Halbleiterbereich (115)
vom zweiten Leitfähigkeitstyp tief ausgebildet ist und die
eingebettete Halbleiterschicht (105) erreicht.
16. Positionssensor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (108)
p-leitend ist und daß die zweite Schicht (103) eine n-leitende
epitaxiale Schicht ist, die auf das Halbleitersubstrat
(102), welches p-leitend ist, aufgewachsen ist.
17. Positionssensor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Halbleiterbauelement
(1) ferner ein Paar von p-leitenden Halbleiterbereichen
(106, 107) aufweist, welche sich parallel zueinander
erstrecken und mit der ersten und zweiten Elektrode
(112, 113) verbunden sind, und daß die erste Halbleiterschicht
(108) zwischen den beiden p-leitenden Halbleiterbereichen
(106, 107) angeordnet ist.
18. Lichtempfindlicher Positionssensor mit einer Halbleitereinrichtung,
gekennzeichnet durch
- - ein Substrat (102) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;
- - eine darüberliegende Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, welche auf dem Substrat (102) gebildet ist;
- - eine hochdotierte eingebettete Schicht (105) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die selektiv zwischen dem Substrat (102) und der darüber befindlichen Schicht (103) gebildet ist,
- - eine Deckschicht (108) vom ersten Leitfähigkeitstyp, welcher auf der Oberfläche der Schicht (103) gebildet ist und mit dieser Schicht einen lichtempfindlichen pn-Übergang bildet;
- - erste und zweite Elektroden (112, 113), welche an ersten und zweiten voneinander getrennten Positionen der Deckschicht (108) angeordnet sind, zur Entnahme von Photoströmen;
- - ein hochdotierter Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, welche die Deckschicht (108) umgibt, und
- - eine dritte Elektrode (114), welche mit dem hochdotierten Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbunden ist.
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DE3744992A DE3744992C2 (de) | 1986-08-28 | 1987-08-27 | Lichtempfindlicher Positionssensor |
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