CN114136441B - 一种大动态范围多波长环境光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种大动态范围多波长环境光探测器，由第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)、第四光电二极管(4)、开关阵列(5)和可调增益跨阻放大器(6)组成，每个光电二极管对由P型注入层(7)、N阱层和P型外延层构成。本发明可用于提高探测器对环境光探测的动态范围及多波长的探测，可广泛应用于智能手机、智能平板、智能电视、投影仪及智能家居系统等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种大动态范围多波长环境光探测器，本发明可应用于智能手机、平板电脑、智能电视、投影仪及智能家居系统等领域。属于光电技术领域。
背景技术
环境光探测器可以检测周围环境中的可见光强度信息，环境光探测器广泛应用在智能手机及平板、智能电视、投影仪及智能家居系统等领域，是新的电子消费热点。例如，智能手机及平板设备可利用环境光探测器检测环境光强弱，根据探测器获取的信息自动调节屏幕亮度，防止因光线强度剧烈变化导致使用者无法看清屏幕，同时该功能能够有效减低电子设备的功耗，增加电子设备的续航能力；在智能家居系统的场景中，环境光探测器作为传感器用于探测室内的光照信息，为智能家居系统提供环境光光强信息来判断是否开灯或者打开窗帘。
动态范围是环境光探测器能够探测到光强最大值和最小值的比值，它决定了探测器所能探测的环境光的光强范围。如果环境光探测器的动态范围不足，会很大程度的限制其反馈到载体设备的调节能力；传统的环境光探测器多采用单一器件，严重限制了其探测动态范围。
为了解决该问题，本发明公开了一种大动态范围多波长环境光探测器，可应用于智能手机、平板电脑、智能电视、投影仪及智能家居系统等领域。该探测器中集成了多个不同感光面积的光电二极管对，每个光电二极管对包含一个光谱响应范围偏蓝的光电二极管和一个光谱响应范围偏红的光电二极管；光电二极管的增益大小跟其自身的感光面积呈正相关，为了增大探测器的动态范围，较小感光面积的光电二极管对用来测量较强的环境管，较大感光面积的光电二极管对用来测较弱的环境光，通过这种方式实现对环境光探测动态范围的拓宽；两种不同光谱响应的光电二极管能够更好的覆盖可见光的探测范围，更好的还原环境光强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大动态范围多波长环境光探测器，可以用于智能手机、平板电脑、智能电视、投影仪及智能家居系统等领域。
一种大动态范围多波长环境光探测器，由第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)、第四光电二极管(4)、开关阵列(5)和可调增益跨阻放大器(6)组成。
本发明是这样实现的：所述探测器中每个光电二极管对由P型注入层(7)、N阱和P型外延层构成，探测器由4个不同感光面积的光电二极管对构成，每个光电二极管对都由一个光谱响应范围偏蓝的光电二极管和一个光谱响应范围偏红的光电二极管构成，4个光电二极管对通过开关阵列(5)连接到可调增益跨组放大器(6)。
所述探测器中第一光电二极管对(1)呈圆形，位于探测器的中间位置，第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)和第四光电二极管对(4)呈环形，第二光电二极管对(2)至第四光电二极管对(4)的直径依次增加，对称式结构设计有利于环境光均匀的入射到探测器表面；光电二极管的增益与其感光面积呈正相关，探测器中小感光面积的光电二极管的增益小用于强光的探测，探测器中大感光面积的光电二极管的增益大用于弱光的探测，通过组合多个不同增益的光电二极管，大大的增加了探测器的光强探测范围。
所述第一光电二极管对(1)由P型注入层、N阱和P型外延层，位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成第一偏蓝光电二极管(11)，N阱和位于最底层的P型外延层构成第一偏红光电二极管(12)，N阱和P型外延层中分别设置N型注入层和P型注入层用于金属连接；同理，第二光电二极管对(2)由第二偏蓝光电二极管(21)和第二偏红光电二极管(22)构成，第三光电二极管对(3)由第三偏蓝光电二极管(31)和第三偏红光电二极管(32)构成，第四光电二极管对(4)由第三偏蓝光电二极管(41)和第四偏红光电二极管(42)构成；偏蓝光电二极管配合偏红光电二极管能够更好将探测器的光谱响应范围覆盖于可见光探测范围，更好的还原环境光的强度；光电二极管对的结构层不受限制，也可以采用P+、P-well、N+、N-well、NBL、P-epi、HV N-well、HV P-well、MV N-well和MV P-well等任意组合搭配。
所述硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小，红光在硅片中的吸收位置最深，蓝光最浅，因此位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成的偏蓝光电二极管的光谱响应范围偏蓝，位于中间层的N阱构成的第一偏红光电二极管的光谱响应范围偏红，探测器中同一个光电二极管对中的两个不同光谱响应的探测器输出的光电流结合本身的光谱响应可以得到环境光的强度。
所述开关阵列(5)中有8个开关，每个开关的输入连接对应的光电二极管的输出，每个开关的输出都连接到可调增益跨组放大器(6)，开关阵列(5)的作用是控制光电二极管接入到可调增益跨组放大器(6)，当环境光较强时，开关阵列(5)将感光面积较小的光电二极管接入到可调增益跨组放大器(6)的输入，当环境光较弱时，开关阵列(5)将感光面积较大的光电二极管接入可调增益跨组放大器(6)的输入。
所述可调增益放大器(6)的作用是将光电二极管输出的电流转换为电压，其跨组增益是可以调节的。
附图说明
图1是大动态范围多波长环境光探测器的示意图。它第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)、第四光电二极管(4)、开关阵列(5)和可调增益跨阻放大器(6)组成。
图2是大动态范围多波长环境光探测器实施例示意图。它由第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)、第四光电二极管(4)、开关阵列(5)和可调增益跨阻放大器(6)组成。
图3是实施例中光电二极管对中偏蓝光电二极管和偏红光电二极管的光谱响应示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了高性能环境光接近光传感器芯片实施例，由第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)、第四光电二极管(4)、开关阵列(5)和可调增益跨阻放大器(6)组成，探测器中每个光电二极管对由P型注入层(7)、N阱和P型外延层构成，探测器由4个不同感光面积的光电二极管对构成，每个光电二极管对都由一个光谱响应范围偏蓝的光电二极管和一个光谱响应范围偏红的光电二极管构成，4个光电二极管对通过开关阵列(5)连接到可调增益跨组放大器(6)。
实施例中探测器的第一光电二极管对(1)呈圆形，位于探测器的中间位置感光面积最小，第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)和第四光电二极管对(4)呈环形，第二光电二极管对(2)至第四光电二极管对(4)的直径依次增加，感光面积依次增大，对称式结构设计有利于环境光均匀的入射到探测器表面；探测器动态范围被分成四个范围，分别由第一光电二极管对(1)、第二光电二极管对(2)、第三光电二极管对(3)和第四光电二极管(4)所覆盖。光电二极管的增益与其感光面积呈正相关，探测器中小感光面积的光电二极管的增益小用于强光的探测，探测器中大感光面积的光电二极管的增益大用于弱光的探测，通过组合多个不同增益的光电二极管，大大的增加了探测器的光强探测范围。
硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小，红光在硅片中的吸收位置最深，蓝光最浅，因此位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成的偏蓝光电二极管的光谱响应范围偏蓝，位于中间层的N阱构成的第一偏红光电二极管的光谱响应范围偏红，探测器中同一个光电二极管对中的两个不同光谱响应的探测器输出的光电流结合本身的光谱相应可以得到环境光的强度。第一光电二极管对(1)由P型注入层、N阱和P型外延层，位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成第一偏蓝光电二极管(11)，N阱和位于最底层的P型外延层构成第一偏红光电二极管(12)，N阱和P型外延层中分别设置N型注入层和P型注入层用于金属连接；同理，第二光电二极管对(2)由第二偏蓝光电二极管(21)和第二偏红光电二极管(22)构成，第三光电二极管对(3)由第三偏蓝光电二极管(31)和第三偏红光电二极管(32)构成，第四光电二极管对(4)由第三偏蓝光电二极管(41)和第四偏红光电二极管(42)构成；偏蓝光电二极管配合偏红光电二极管能够更好将探测器的光谱响应范围覆盖于可见光探测范围如图3所示，更好的还原环境光的强度。
实施例中开关阵列(5)中的开关数量为8个，第一偏蓝光电二极管(11)、第一偏红光电二极管(12)、第二偏蓝光电二极管(21)、第二偏红光电二极管(22)、第三偏蓝光电二极管(31)、第三偏红光电二极管(32)、第四偏蓝光电二极管(41)和第四偏红光电二极管(42)分别连接对应的开关的输入，912个开关的输入共同连接可调增益跨阻放大器(6)的输入端。当环境光较强时，感光面积大的光电二极管发生饱和，开关阵列(5)将感光面积小的光电二极管连接到可调增益跨阻放大器(6)；当环境光较弱时，感光面积小的光电二极管输出的光电流被暗电流淹没，开关阵列(5)将感光面积大的光电二极管连接到可调增益跨护照放大器(6)，这样实现了环境光探测器动态范围的拓宽。
Claims (3)
1.一种大动态范围多波长环境光探测器，由第一光电二极管对（1）、第二光电二极管对（2）、第三光电二极管对（3）、第四光电二极管（4）、开关阵列（5）和可调增益跨阻放大器（6）组成，探测器中每个光电二极管对由P型注入层（7）、N阱和P型外延层构成，探测器由4个不同感光面积的光电二极管对构成，每个光电二极管对都由一个光谱响应范围偏蓝的光电二极管和一个光谱响应范围偏红的光电二极管构成，4个光电二极管对通过开关阵列（5）连接到可调增益跨组放大器（6）；探测器中第一光电二极管对（1）呈圆形，位于探测器的中间位置，第二光电二极管对（2）、第三光电二极管对（3）和第四光电二极管对（4）呈环形，第二光电二极管对（2）至第四光电二极管对（4）的直径依次增加；光电二极管的增益与其感光面积呈正相关，探测器中小感光面积的光电二极管的增益小用于强光的探测，探测器中大感光面积的光电二极管的增益大用于弱光的探测；第一光电二极管对（1）由P型注入层、N阱和P型外延层，位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成第一偏蓝光电二极管（11），N阱和位于最底层的P型外延层构成第一偏红光电二极管（12），N阱和P型外延层中分别设置N型注入层和P型注入层用于金属连接；第二光电二极管对（2）由第二偏蓝光电二极管（21）和第二偏红光电二极管（22）构成，第三光电二极管对（3）由第三偏蓝光电二极管（31）和第三偏红光电二极管（32）构成，第四光电二极管对（4）由第三偏蓝光电二极管（41）和第四偏红光电二极管（42）构成；开关阵列（5）中有8个开关，每个开关的输入连接对应的光电二极管的输出，每个开关的输出都连接到可调增益跨阻放大器（6），开关阵列（5）的作用是控制光电二极管接入到可调增益跨阻放大器（6），当环境光较强时，开关阵列（5）将感光面积较小的光电二极管接入到可调增益跨阻放大器（6）的输入，当环境光较弱时，开关阵列（5）将感光面积较大的光电二极管接入可调增益跨阻放大器（6）的输入。
2.根据权利要求1所述的一种大动态范围多波长环境光探测器，其特征是：硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小，红光在硅片中的吸收位置最深，蓝光最浅，因此位于最上层的P型注入层和位于中间层的N阱构成的偏蓝光电二极管的光谱响应范围偏蓝，位于中间层的N阱构成的第一偏红光电二极管的光谱响应范围偏红，探测器中同一个光电二极管对中的两个不同光谱响应的探测器输出的光电流结合本身的光谱响应可以得到环境光的强度。
3.根据权利要求1所述的一种大动态范围光电探测器，其特征是：可调增益跨阻放大器（6）的作用是将光电二极管输出的电流转换为电压，其跨阻增益是可以调节的。
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