CN1853276A - 光电传感器和用于三维距离测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对已经过调制的光通量(50)进行解调的光电传感器，以及一种特别适用于三维距离测量的测量装置，此装置包含至少一个上述类型的光电传感器。本发明的光电传感器包括引入到半导体区域(10)内的至少两个收集区(20，22)，所述收集区例如扩散到半导体区域中，并且其掺杂类型与半导体区域(10)相反。所述收集区(20，22)用于收集和引出当调制光通量(50)渗透时所产生的少数载流子。此外，至少两个控制区(32，34)被引入到该半导体区域(10)内，所述控制区根据作用在控制区(32，34)上的控制电压生成一个漂移电场。所述控制区(32，34)的掺杂类型和半导体区域(10)相同。
Description
本发明涉及一种用于对已经过调制的光通量进行解调的光电传感器，以及一种测量装置，该测量装置包含至少一个电子传感器，并通过确定一个调制光通量的传播时间来进行三维距离测量。
三维对象的测量方法和装置是总所周知的。DE 197 04 496 C2及其它文献描述了一种可用于测量无源对象的光子混频装置(PMD)。该光子混频装置包含一个p型掺杂的硅基片，在该基片上设置了至少两个光敏调制光门(photogate)。类似设置在p型掺杂的硅基片上的累积门被分配给所述调制光门。该调制光门用一个调制推挽电压来操作。
入射到p型掺杂的硅基片上的亮度经过调制的光产生少数电荷载流子，这些电荷载流子在调制推挽电压的影响下漂移至累积门，并在那里结合在一起。对象测量的一个先决条件是推挽电压的相位和发射器发出的亮度经过调制的光的相位之间存在一个预先限定的相位关系。这种光子混频装置的一个缺点在于：调制光门和累积门都设置在硅基片上，从而限制了光子混频装置的光传感器的作用范围。此外，不可能通过设置在硅基片上的调制光门在该基片中产生一个恒定的漂移电场。
DE 100 47 170 C2公开了一种PMD系统，利用该系统不但能进行亮度测量，还可以测量由发射器发射、并由一个光子混频装置接收的亮度调制光波的传播时间。但是，该专利说明书并不涉及光子混频装置的实现。
DE 198 21 974 A1公开了一种利用光子混频检测器来检测电磁波的相位和振幅的装置和方法。和DE 197 04 496 C2所述的光子混频检测器类似，调制光门和累积门位于半导体基片上。与DE 197 04 496 C2所述的调制光门和累积门不同的是，DE 198 21 974 A1所述的调制光门和累积门为狭长而平行的窄带状。
因此，本发明基于以下目标：即提供一种光电传感器，其中传感器作用范围不会被门所屏蔽，并能产生基本上均匀的漂移电场。
本发明的核心概念可以从以下事实中得出：对一个亮度调制光通量进行解调所必需的漂移电场在该传感器的半导体区域内直接产生。通过这种方法可以产生一个均匀的漂移电场。同时，在该半导体区域上方的光电传感器作用范围是没有电极的，从而可以对其光学特性进行优化。
首先，通过一个用于对已调制的，尤其是经过亮度调制的光通量进行解调的光电传感器来解决所述技术问题。
为了实现这一目的，该光电传感器具有一个半导体区域，最好是p型掺杂的半导体区域。在该半导体区域内引入至少两个收集区，所述收集区例如扩散到半导体区域中，并用和半导体区域相反的方式进行掺杂。这些收集区用于收集和引出当经过调制的光通量渗透到半导体区域中时产生的少数载流子。此外，还在半导体区域内引入至少两个控制区，所述控制区能够以一种与作用在控制区上的控制电压相关的方式生成一个漂移电场，所述控制区的掺杂类型和半导体区域相同。
作为替代，收集区也可以通过将本地电荷迁移到半导体区域中来生成。
从属权利要求涉及具有优点的改进。
可以方便地提供一个半导体基片，它用于承载或容纳半导体区域，并且比半导体区域的掺杂程度更高。
作为掺杂程度更高的基片的替代，半导体区域可以同时用作一个介电体上的半导体层。
为了能够在收集区附近产生一个足够强的漂移电场，控制区至传感器中点的距离要大于收集区。这样，漂移电场跨越了收集区。
类似地，所述技术问题通过一种特别适用于进行三维距离测量的测量装置来解决。
该测量装置具有至少一个如权利要求1到12中任一项所述的光电传感器。此外，还提供了一个光发射器，用来产生和发出具有预先确定的相位的已经过调制的、尤其是经过亮度调制的光通量。此外，还提供了一个用于产生控制电压的装置，该控制电压的相位与发射器生成的光通量的相位具有固定的关系。为收集区分配了一个评估装置，该装置评估被设计为可以相对于控制电压的相位来确定经过调制的光通量的振幅和相位。应当注意的是，所述光电传感器在原理上是一个光子混频检测器，该光子混频检测器例如可以对应于照相机芯片的一个像素。如果在半导体区域内，超过一个的收集区对被嵌入到两个控制区之间，则该光电传感器还可以用作一个多像素传感器。这样，还能够通过设置多对收集区来形成一个二维像素阵列。
作为替代，可提供如一个用于对已调制的光通量进行解调的光电传感器，其具有一个半导体区域，在该半导体区域的表面上有至少两个收集区，用于收集和引出当已经过调制的光通量渗透到半导体区域中时产生的少数载流子，还具有至少两个电容性元件，用于电容性耦合到产生漂移电场的交流电压中。所述收集区设置在所述电容性元件之间。
所述电容性元件可以是电容器或反向偏置的肖特基二极管。
作为替代，电容性元件可包括一些与半导体区域的掺杂类型相反的区，并和半导体区域相结合形成一个pn结，所述pn结在工作期间是反向偏置的。
收集区可以像在工作期间反向偏置的肖特基二极管一样很方便地形成。
下面结合附图基于一个范例性实施例详细解释本发明：
图1示出一个光电传感器的横截面，其具有一个与之相连的示意性的评估装置，一个施加到控制区上的具有预先确定的极性的控制电压，
图2示出一个图1所示的光电传感器，一个施加到控制区上的控制电压，其极性已经被反相，
图3a-e示出了发射器所发出的亮度调制光通量的特性、撞击到图1所示光电传感器上的光通量的特性、漂移或控制电压的特性、收集区20处引出的累积电流的特性、收集区22处引出的累积电流的特性，
图4示出了一个光电传感器的横截面，其具有一个与之相连的示意性的评估装置，以及两个用于把控制电压电容性耦合到半导体区域中的电容器，以及
图5示出了一个光电传感器的横截面，其具有一个与之相连的示意性的评估装置，以及两个用于把控制电压电容性耦合到半导体区域中的反向偏置的二极管。
图1示出了一个光电传感器，它也可称为光电检测器。该光电传感器具有一个半导体区域——本例中是一个半导体层10，本例中它是p型掺杂的。两个p型掺杂区32、34扩散到半导体层10中，所述p型掺杂区在下文中称为控制区。此外，两个n型掺杂区20、22也扩散到半导体层10中，所述n型掺杂区在下文中称为收集区。收集区20和22以及控制区32和34从半导体层的表面开始向半导体层10中延伸。相对于假想的传感器中点，控制区32和34位于比收集区20和22更向外的地方。一个可控电压源60与控制区32和34相连，该电压源——如下面将要更详细地说明的那样——可产生一个控制电压(如图3c所示)，也称作漂移电压，从而在半导体层10中生成一个均匀的漂移电场。另外，还为收集区20和22分配了一个评估装置，出于简化描述的考虑，仅仅用两个电荷计40和42来象征性地表示该装置。电荷计40与收集区20相连，测量可从收集区20处引出的累积电流，该电流的时间特性如图3d所示。电荷计42与收集区22相连，测量可从收集区22处引出的累积电流，该电流的时间特性如图3e所示。
图2示出了图1所示的光电传感器，其中仅仅是作用在控制区32和34上的电压源60的极性互换。
如图1和2所示，半导体层10例如敷设在一个介电体12上。
下文将描述与用于对一个(未示出的)对象进行三维距离测量的测量装置相关的光电传感器的功能。
假设有一个光发射器(没有示出)，也称为光子源，它产生并发出一个亮度调制的光通量，其特性如图3a所示。该亮度调制的光通量例如在一个待测对象处发生反射，而且在一段特定的光子飞行时间之后，如图3a所示，作为光通量50撞击在该光电传感器的正在工作的传感器区域上，如图1和图2所示。时间上发生延迟的光通量50如图3b所示。渗透到半导体层10中的光通量50在半导体层10内产生一些电荷载流子对，对这些电荷载流子对来说，在图中仅示出了用作少数载流子的电子11。为了能够相对于控制电压的相位来测量光通量50的振幅和相位，将一个控制电压施加到p型掺杂的控制区32和34上，所述控制电压的特性如图3c所示。如图1和图2所示，所述控制电压可以通过电压源60上的电子变化来产生。对象测量的一个重要先决条件是光发射器发出的光通量的相位和控制电压的相位具有固定的关系，如图3a和3c中示出的曲线特性。作用在p型掺杂的控制区32和34上的控制电压在半导体层10中产生一个漂移电场，它基本上在半导体层10中均匀地分布在收集区20和22之间。漂移电场的方向按照与作用在控制区32和34上的控制电压有关的方式变化。这样，在半导体层10中产生的少数载流子11就可以在朝向收集区20的第一个位置和朝向收集区22的第二个位置中累积。当电子11在n型掺杂的收集区20和22下方飞行时，电子11可以被随之产生的空间电荷带所捕获，并在收集区20和22中被收集，然后作为一个可测量的电流由评估装置40、42所引出。如图3c所示的控制电压的特性确保了当控制电压为正时，会产生一个漂移电场，如果调制光通量50撞击到传感器表面上，该漂移电场会驱使所产生的电子11向收集区20移动。当控制电压为正时，电子11相应地在收集区20中被收集，从而可以在收集区20引出一个电流。如图3c所示的控制电压的特性还可以确保了当控制电压为负时，会产生一个漂移电场，如果亮度调制光通量50撞击到传感器表面上，该漂移电场会驱使所产生的电子11向收集区22移动。当控制电压为负时，电子11相应地在收集区22中被收集，从而可以在收集区22引出一个电流。图3d中示出了与撞击的光通量50和控制电压有关的、在收集区20得到的累积电流的特性，而图3e中示出了与撞击的光通量50和控制电压有关的、在收集区22得到的累积电流的特性。
这样来构成所述评估装置40、42，使其能够确定可从收集区20和22引出的累积电流的总和，它是光通量50的振幅的一个量度。类似地，评估装置40、42能够确定可从收集区20引出的累积电流与可从收集区22引出的累积电流的比值，它是撞击到传感器上的光通量50的相位相对于如图3c所示的控制电压特性的相位的一个量度。如图3a和3c所示，如果发射器产生的光通量的相位等于电压源60产生的控制电压的相位，那么可从收集区20和22分别引出的累积电流之比就是光子从待测对象飞出直到撞击到传感器上的飞行时间的一个量度，也是这些光子经过的距离的一个量度。
图4示出了一个光电传感器，它和图1所示的光电传感器的不同之处在于：敷设在半导体区域10表面上的不是控制区32和34，而是电容器35和36，而且通过一个交流电压源65将一个交流电压施加到电容器上，从而可以在该半导体区域内产生一个漂移电场。电容器35、36和收集区20、22在空间上是分离的，收集区20和22位于电容器35和36之间。也可以使用反向偏置的肖特基二极管来代替电容器。
图5示出一个光电传感器，它和图1所示的光电传感器的不同之处在于：用n型掺杂区37和38来代替p型掺杂的控制区32和34，从而在半导体区域10中形成了一个pn结，并且以反向偏置的方式来工作。通过一个交流电压源65将一个交流电压施加到n型掺杂区37和38上，用于在收集区20和22之间产生一个漂移电场。收集区20和22按照与n型掺杂区37和38空间分离的方式设置，并位于n型掺杂区37和38之间。
至于其它，图4和图5所示的光电传感器的构造与结合图1和图2所描述的传感器的构造一致。因此相同的附图标记也用来表示相同的特性。
此外还需注意的是，光电传感器的收集区20和22可以作为肖特基二极管来形成。
Claims (13)
1.一种用于对已经过调制的光通量(50)进行解调的光电传感器，其具有：
一个半导体区域(10)，
位于所述半导体区域(10)内的至少两个收集区(20，22)，用于收集和引出当调制光通量(50)渗透到半导体区域(10)中时所产生的少数载流子(11)，以及
引入到半导体区域(10)中的至少两个控制区(32，34)，用于以和作用在控制区(32，34)上的控制电压相关的方式产生一个漂移电场，所述控制区(32，34)的掺杂类型和半导体区域(10)相同。
2.权利要求1所述的光电传感器，其中半导体区域(10)位于一个掺杂程度比半导体区域(10)更高的半导体基片(12)的上方或内部。
3.权利要求1所述的光电传感器，其中半导体区域(10)敷设在一个介电体(12)上。
4.权利要求1至3之一所述的光电传感器，其中控制区(32，34)到传感器中点的距离大于收集区(20，22)。
5.权利要求1至4之一所述的光电传感器，其中半导体区域(10)是p型掺杂的。
6.权利要求1至5之一所述的光电传感器，其中收集区(20，22)是扩散的，并与半导体区域(10)的掺杂类型相反。
7.权利要求1至5之一所述的光电传感器，其中收集区(20，22)是通过本地电荷迁移到半导体区域(10)内而产生的。
8.一种用于对已经过调制的光通量(50)进行解调的光电传感器，其具有：
一个半导体区域(10)，
位于所述半导体区域(10)内的至少两个收集区(20，22)，用于收集和引出当调制光通量(50)渗透到半导体区域(10)中时所产生的少数载流子(11)，以及
至少两个电容性元件(35，36；37，38)，用于电容性耦合到一个交流电压中，用于以和耦入的交流电压相关的方式产生一个漂移电场，所述收集区(20，22)设置在所述电容性元件(35，36；37，38)之间。
9.权利要求8所述的光电传感器，其中电容性元件(35，36)是电容器或肖特基二极管。
10.权利要求8所述的光电传感器，其中电容性元件(37，38)包含与半导体区域(10)的搀杂类型相反的搀杂区。
11.权利要求1至10之一所述的光电传感器，其中收集区(20，22)作为肖特基二极管来形成。
12.权利要求1至11之一所述的光电传感器，其中在半导体区域(10)中，超过一个的收集区对被嵌入到两个控制区(32，34)或两个电容性元件(35，36；37，38)之间。
13.一种特别适用于三维距离测量的测量装置，其具有：
至少一个如权利要求1至12之一所述的光电传感器，
用于产生具有预定相位的调制光通量的光发射器，
用于产生控制电压的装置(60)，其中所述控制电压的相位和发射器所产生的光通量的相位具有固定的关系，以及
分配给收集区(20，22)的评估装置(40，42)，其用于相对于控制电压的相位来确定调制光通量的振幅和相位。
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