CN1099137C - 单片线性光耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种单片光耦合器，它具有：发光二极管，用于发射光线；第一光电二极管，用于根据它感测的光产生电流；第二光电二极管，用于根据它感测的光产生电流；以及绝缘体，用于使所述发光二极管与所述第一光电二极管电绝缘。所述绝缘体对所述发光二极管发出的光基本透明。所述第二光电二极管围绕所述发光二极管，并且所述第一光电二极管围绕所述第二光电二极管，使得由发光二极管发出的光的各方向不均匀性得到补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光耦合器。本发明尤其涉及提供线性度提高的光耦合器的单片结构。
与本发明同日提交申请的同一发明人的标题为“单片线性光耦合器的制造方法”的相关申请纳入本文以资参考。
背景技术
光耦合器用于使输入信号与对应的输出信号互相电绝缘。例如，光耦合器可用在数据接入装置(“DAA”)中。数据接入装置(DAA)用于把数据终端设备(“DTE”)(例如数据调制解调器，传真机，非蜂窝手持电话机，扬声器电话机和自动留言机)与公共交换电话网络(“PSTN”)接口。网络(PSTN)必须受保护免遭由于数据终端设备(DTE)故障或由于不留心经过数据终端设备(DTE)短接到其电源线而造成的可能的损坏。事实上，美国联邦通信委员会(“FCC”)要求在数据终端设备(DTE)和网络(PSTN)之间有1500V的绝缘。在过去，数据接入设备(DAA)使用变压器来提供这样的电气绝缘。然而由于它们相对昂贵而且尺寸和重量大，变压器是不利的，尤其当用在便携式数据终端设备(DTE)中的时候。必须为这种减小体积/重量的应用采用别的隔离部件，例如光隔离器。
已知的光耦合器包括可与光电二极管耦合但是与之电绝缘的LED(发光二极管)。该光电二极管(“输出信号光电二极管”)根据它检测到的由LED发出的光的强度来产生输出信号。
已知的光耦合器也可包括附加的光电二极管(“反馈控制信号光电二极管”)，用于根据该附加光电二极管检测到的由LED发光的强度来产生伺服反馈信号。反馈控制信号光电二极管使光耦合器能更加线性地工作。在这些已知光耦合器中，输出信号光电二极管和反馈控制信号光电二极管是分立元件。因此，由LED和输出信号光电二极管之间确定的第一方向不同于由LED和反馈控制信号光电二极管之间确定的第二方向。不幸的是，LED可以发出各方向不均匀的光。结果，由输出信号光电二极管检测的光强一般不同于由反馈控制信号光电二极管检测的光强。因此，反馈控制信号光电二极管的输出不能准确地表示由输出信号光电二极管检测的来自LED的光强，从而妨碍对光耦合器工作的非线性进行充分的补偿。
解决光发射在各方向不均匀问题的一种方案是使输出信号光电二极管紧靠反馈控制信号光电二极管安放。不幸的是，这只能部分解决问题，因为各方向不均匀的光依然能产生非线性，虽然会少一些。此外，必须使反馈控制信号光电二极管充分地与输出信号光电二极管隔离以提供足够的电气绝缘。当二个光电二极管的位置彼此靠近时，这种绝缘是难于实现的。
鉴于已知光耦合器电路上述的问题，需要一种不受LED各向不均匀发光影响的光耦合器。此外，这种光耦合器中的任何光电二极管应该互相间有足够的电气绝缘。此外，此种光耦合器的制造应该相对简单和经济。如果可能，这种光耦合器应该集成在单一的芯片上。
发明内容
简言之，本发明提供一种单片线形光耦合器，包括：发光二极管，用于发射光线；与所述发光二极管在同一单片上形成的第一光电二极管，用于根据其感测的光产生电流；与所述发光二极管在同一单片上形成的第二光电二极管，用于根据其感测的光产生电流；以及绝缘体，用于使所述发光二极管与所述第一光电二极管电绝缘，所述绝缘体对于由所述发光二极管发射的光透明；其特征在于所述第二光电二极管围绕所述发光二极管，并且所述第一光电二极管围绕所述第二光电二极管，使得由所述发光二极管发出的光的各方向不均匀性得到补偿。具体说，由各光电二极管检测的发射光代表在所有方向发射的光的方向平均值。
第一和第二光电二极管最好由使这两个光电二极管电绝缘的氧化物，例如二氧化硅隔开。
第一和第二光电二极管最好有相同的形状，从而对由LED发射的光的任何方向不均匀性作进一步补偿。
在该单片结构之上可以设一反射罩，从而形成光学腔。反射罩增加光耦合器的信号噪声比。
附图说明
为了更好地理解本发明，以下结合附图对其示例性实施例作详细说明，其中：
图1是按照本发明构成的光耦合器的从由图2的线I-I确定的剖面看去的侧视图；
图2是图1的光耦合器的从由图1的线II-II确定的剖面看去的平面图；
图3是具有外部耦合的反馈控制环的常规光耦合器芯片的示意图；
图4a至4d表示本发明的光耦合器的单片结构的制造方法。
具体实施方式
图3是具有外部耦合的反馈控制环的常规光耦合器芯片390的示意图。常规光耦合器包括LED 300、输出信号光电二极管310和反馈控制信号光电二极管320。差分(误差)运算放大器330从控制信号输出端394耦合到LED输入信号端391。
LED 300发射光线，其强度取决于从差分放大器330输出的信号的电压。差分放大器330可以源出(source)或吸入(sink)LED电流。输出信号光电二极管310与LED 300电绝缘，但是与它光耦合。从LED 300至输出信号光电二极管310确定为第一方向D1。输出信号光电二极管310的正极经由端子395与第一电压源VS1耦合，输出信号光电二极管310的负极经由端子396与输出负载耦合。或者，如果使用耗尽层光电二极管，则输出信号光电二极管310的负极可以与电压源耦合，而输出信号光电二极管310的正极可以与输出负载耦合，使得反向偏置的耗尽层光电二极管在低于其击穿电压下工作。不论哪种情况，输出信号光电二极管310都根据由它检测的光强来把输出信号供给输出负载(或供给输出驱动器)。
反馈控制信号光电二极管320还可与LED 300进行光耦合。虽然反馈控制信号光电二极管320也可以与LED 300电绝缘，但是并不需要这种电绝缘。从LED 300至反馈控制信号光电二极管320确定为第二方向D2。反馈控制信号光电二极管320的正极经过端子393与第二电源电压VS2耦合，反馈控制信号光电二极管320的负极与差分放大器330的第一(倒相)输入端耦合。或者，如果使用耗尽层光电二极管，则反馈控制信号光电二极管320的负极可与电压源耦合而反馈控制信号光电二极管320的正极可与差分放大器330的第一输入端耦合，使得反向偏置的耗尽层光电二极管在低于其击穿电压下工作。给差分放大器330的第二(非倒相)输入端提供输入信号VDRIVE。
不幸的是，LED 300并不各向均匀地发射光线。因此，沿方向D1发射的光的强度可以与沿方向D2发射的光的强度不同。这种检测光强上的差别使得难于适当地控制加到LED 300上的电压。如上所讨论的，如果输出信号光电二极管310紧靠反馈控制信号光电二极管320安放以使方向D1紧密地接近方向D2，则二个光电二极管的电绝缘可能变得困难。
图1是本发明的光耦合器的单片结构100的侧剖视图。剖面是如图2的线段I-I所示通过横切单片结构的中部而取得的。
单片结构100包括硅基底110、氧化物层120(例如二氧化硅)、内硅区160、内硅槽(tub)150、外硅槽140、厚氧化物(例如二氧化硅)覆盖层130以及发光二极管(LED)190。
氧化物层120位于硅基底110之上，使得确定了硅基底110的上表面和氧化物层120下表面之间的界面。内硅区160位于氧化物层120的上表面，最好在氧化物层120上表面的中心区域。内硅槽150位于氧化物层120的上表面，并环绕内硅区160。内硅槽150的内沿159与内硅区160的外沿168隔开，从而确定氧化物层120上表面不与硅结构接触的第一区域56。外硅槽140位于氧化物层120的上表面，并环绕内硅槽150。外硅槽140的内沿149与内硅槽150的外沿158隔开，从而确定氧化物层120上表面不与硅结构接触的第二区域45。
内硅槽150包括p掺杂的矩形“槽”区151。作为另一种选择，硅槽150可以有八边形的p掺杂“槽”区151。然而，设立八边形p掺杂的“槽”区151要求在制造时有蚀刻转角部分的附加步骤。事实上，p掺杂“槽”区151的形状可以是环绕LED 190的任何形状，并且可以根据晶体结构制成。然而，最好是对称的形状，尤其是相对于在形状中心相交的二条垂直线呈对称的形状。
掺杂n的区域152位于p掺杂的槽151之内，从而形成p-n结151-152。该p-n结151-152确定第一二极管；其中p掺杂槽151形成第一二极管的正极，n掺杂区152形成第一二极管的负极。同样，外硅槽140包括矩形的p掺杂槽”区141，当然如上所述也可采取其他形状(例如八边形)。n掺杂区142位于p掺杂槽141之内，从而形成p-n结141-142。该p-n结141-142确定第二二极管；其中p掺杂槽141形成第二二极管的正极，n掺杂区142形成第二二极管的负极。
厚氧化物覆盖层130覆盖内硅区160、内硅槽150、外硅槽140、和未覆盖硅的氧化物层120的上表面的第一和第二区56和45。然而，在厚氧化物层上形成通往负极(144、154)和正极(145、155)焊接区的空隙以允许形成到达第一和第二二极管的正极和负极连接。具体说，如图1和2所示，空隙143提供到达外硅槽140的n掺杂区142上的负极焊接区的通路。类似的空隙144提供到达外硅槽140的p掺杂槽141上的正极焊接区的通路。同样，如图1和2所示，空隙155提供到达内硅槽150的n掺杂区152上的负极焊接区的通路。类似的空隙154提供到达内硅槽150的p掺杂槽151上的正极焊接区的通路。
LED 190设置在厚氧化物覆盖层130的暴露的上表面上。如图2所示，LED 190包括负极焊接区194和正极焊接区195。厚氧化物覆盖层130应当允许具有由LED 190发射的光(一般是红外光)的波长的光线通过。即，厚氧化物覆盖层130应当基本上对LED 190发出的光透明。
也可以设置覆盖单片结构100的反射罩200选件。例如，反射罩200可由具有反射层的光学透明物质制成。
由内硅槽150形成的第一二极管151、152是光电二极管，可以用来产生输出信号或产生反馈控制信号。然而，鉴于它紧靠LED 190，第一光电二极管151、152最好用来为LED 190产生反馈控制信号。这是因为反馈控制信号光电二极管不必与LED 190电绝缘。由外硅槽140形成的第二二极管141、142是光电二极管，可以用来产生反馈控制信号或产生输出信号。第二光电二极管141、142应当执行不是由第一光电二极管151、152执行的功能。因此，第二光电二极管最好用于产生输出信号。这样提供了输出信号光电二极管和LED 190之间甚至更好的电绝缘。
在操作中，当LED 190发光时，有些发出的光通过光学透明的氧化物厚层130传送到第一和第二光电二极管。第一和第二光电二极管根据它们接收的光的强度产生电输出信号。由于第一和第二光电二极管结构二者都环绕LED，所以在在所有方向发射的光强度被环绕的光电二极管所平均，因此补偿了LED发射光强度的任何各向不均匀性。
如果设有反射罩200选件，就确定了单片结构100上表面和反射罩200内表面之间的光学腔。因此，一些由LED 190发出的光被反射罩200反射到第一和第二光电二极管。于是，通过增加第一和第二光电二极管接收的光的争强度，反射罩200改善了光耦合器的信号噪声比。
内硅槽150和外硅槽140(即，第一和第二光电二极管)分别被氧化物包围；具体说，内硅槽150和外硅槽140的底表面分别安放在氧化层120上，内硅槽150和外硅槽140的侧表面和顶表面(用于通往正极和负极焊接区的空隙区除外)分别用厚氧化物130包围住。结果，第一和第二光电二极管互相之间电绝缘，也与LED 190电绝缘。
图4a至4d表示制造图1和图2的单片结构100的示例性方法。如图4a和4b所示，在n型硅晶片400中用已知方法(如蚀刻、冲压等)形成多个沟道410。其次，如图4c所示，例如通过扩散把n型材料引入晶片400，从而形成N+区域420。然后使硅氧化以形成SiO2层430。然后，也在图4c中示出，把多晶硅(或“非晶硅”)400沉积在所得结构的上方。这些多晶硅充填了诸沟道410并提供机械稳定性。其次，如图4c的虚线500所示，从底部磨光(back-lapped)n型硅层400暴露N+层420的各部分。如图4d所示，然后把所得的结构翻转并对其用以电介质绝缘的多个槽进行处理，从而形成各P+区域450。然后加上二氧化硅层120和硅基底110(见图1)。然后把所得的结构翻转。然后用例如蚀刻的方法赋予多晶硅440(130)适当的形状以形成空隙144、145、155(见图1和2)，这些空隙使各焊接区和引线能加到两个光电二极管的负极和正极。
本文所述的实施例只是说明本发明的原理。本领域的普通技术人员能够在不脱离本发明的范围和精神的情况下对这些实施例作出种种的改型。
Claims (20)
1.一种单片线形光耦合器，包括：
(a)发光二极管，用于发射光线；
(b)与所述发光二极管在同一单片上形成的第一光电二极管，用于根据其感测的光产生电流；
(c)与所述发光二极管在同一单片上形成的第二光电二极管，用于根据其感测的光产生电流；以及
(d)绝缘体，用于使所述发光二极管与所述第一光电二极管电绝缘，所述绝缘体对于由所述发光二极管发射的光透明，
其特征在于所述第二光电二极管围绕所述发光二极管，并且所述第一光电二极管围绕所述第二光电二极管，使得由所述发光二极管发出的光的各方向不均匀性得到补偿。
2.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管是根据其检测的光来产生输出信号的输出信号光电二极管，所述第二光电二极管是根据其检测的光来产生反馈控制信号的反馈控制信号光电二极管。
3.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管确定一平面，在该平面中所述第二光电二极管围绕所述发光二极管的垂直投射于该平面的投影。
4.如权利要求3所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管在由所述第二光电二极管所确定的所述平面中围绕所述第二光电二极管。
5.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，其中所述绝缘体是厚的氧化物层。
6.如权利要求5所述的单片线形光耦合器，其中所述绝缘体是厚的二氧化硅层。
7.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管通过在p掺杂半导体的槽中充填n掺杂半导体而形成。
8.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管通过在p掺杂半导体的槽中充填n掺杂半导体而形成。
9.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，还包括：
(e)具有上表面的基底；以及
(f)在所述基底的上表面上形成的具有上表面的电绝缘层，
其中所述第一光电二极管形成在所述电绝缘层的上表面上，
其中所述第二光电二极管形成在所述电绝缘层的上表面上，与所述第一光电二极管隔开，从而确定所述电绝缘层上表面中未被所述第一或第二光电二极管覆盖的区域，
其中所述绝缘体形成在所述电绝缘层的上层之上并基本上覆盖了所述第一和第二光电二极管的每一个，从而使所述第一光电二极管与所述第二光电二极管电绝缘，并且
其中所述发光二极和位于所述绝缘体的暴露的上表面上，从而所述发光二极管与所述第一光电二极管电绝缘。
10.如权利要求9所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管确定一平面，在该平面中所述第二光电二极管围绕所述发光二极管的垂直投射到该平面的投影。
11.如权利要求10所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈矩形。
12.如权利要求10所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈正方形。
13.如权利要求10所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈八边形。
14.如权利要求9所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管做成围绕所述第二光电二极管的形状。
15.如权利要求14所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈矩形。
16.如权利要求14所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈正方形。
17.如权利要求14所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管在电绝缘层的俯视图中呈八边形。
18.如权利要求9所述的单片线形光耦合器，其中所述第一光电二极管通过在p掺杂半导体的槽中充填n掺杂半导体而形成。
19.如权利要求9所述的单片线形光耦合器，其中所述第二光电二极管通过在p掺杂半导体的槽中充填n掺杂半导体而形成。
20.如权利要求1所述的单片线形光耦合器，还包括一反射罩，用于反射由所述发光二极管发出的光，所述反射罩设置在所述发光二极管和所述绝缘体之上，从而确定了一光学腔。
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