DE10101457A1 - Optoelektronisches System zur Detektion elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches System zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in einem vorgebbaren spektralen Bereich mit mindestens zwei Photosensoren, die aufgrund elektromagnetischer Strahlung jeweils ein elektrisches Ausgangssignal, insbesondere in Form eines Photostromes, erzeugen und die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Ausgangssignale (I¶B¶, I¶S¶) der beiden Photosensoren zur Schaffung eines resultierenden Signals (I) miteinander verknüpft werden und daß das resultierende Signal (I) zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches System zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in einem vorgebbaren spektralen Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei optoelektronischen Systemen, insbesondere optoelektroni­ schen Halbleiterbauelementen, die zur Detektion elektromagne­ tischer Strahlung eingesetzt werden, sind in der Regel Vorga­ ben hinsichtlich der spektralen Empfindlichkeit zu beachten. Das heißt, das optoelektronische System soll für Strahlung in einem bestimmten, vorgebbaren Wellenlängenbereich empfindlich sein.

Die gewünschte Empfindlichkeit läßt sich grundsätzlich durch eine geeignete Ausbildung des optoelektronischen Systems, also etwa eines entsprechenden optoelektronischen Halbleiter­ bauelementes, einstellen. Hierbei besteht jedoch - insbeson­ dere bei der Integration der Photosensoren des optoelektroni­ schen Systems in einem integrierten Schaltkreis - das Pro­ blem, dass die Parameter des optoelektronischen Systems nicht frei im Hinblick auf die gewünschte spektrale Empfindlichkeit optimiert werden können. Vielmehr liegen in der Regel Randbedingungen vor, die die Wahl der einzelnen Parameter (z. B. der physikalischen Eigenschaften der halbleitenden Schichten eines optoelektronischen Halbleiterbauelementes) beschränken. Es stehen also üblicherweise bestimmte Bereiche der Parameter des optoelektronischen Systems nicht für eine Optimierung hinsichtlich der spektralen Empfindlichkeit zur Verfügung, da das optoelektronische System in diesen Parame­ terbereichen bestimmte technologische Anforderungen nicht erfüllen würde.

Aus den genannten Gründen wird zur Einstellung der spektralen Empfindlichkeit eines optoelektronischen Systems üblicherwei­ se ein optisches Filter verwendet, das vor den Photosensoren des optoelektronischen Systems angeordnet wird und das nur für Licht des gewünschten spektralen Bereiches (das heißt, der gewünschten Wellenlänge) durchlässig ist. Bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement kann dieses optische Filter etwa durch eine zusätzliche optische Vergütungsschicht auf der der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung zugewandten Oberfläche des Halbleiterbauelementes gebildet werden. Als optische Filter eignen sich dabei vor allem Farblackschichten oder Interferenzschichten.

Bei optischen Filtern in Form von Farblackschichten besteht das Problem, daß die zur Verfügung stehenden Farblacke in den meisten Fällen nicht die im jeweiligen Einzelfall gewünschte spektrale Charakteristik aufweisen und daher eine entsprechende Lackzusammensetzung für jeden Einzelfall entwickelt werden müsste. Optische Filter in Form von Interferenzschichten sind im Herstellungsprozess aufwendig und erfordern eine sehr hohe Genauigkeit bezüglich der Schichtdicke. Ferner sind bei interferometrischen Filtern, die für sichtbares Licht durchlässig und für Infrarotlicht undurchlässig sein sollen, sehr viele Schichten zur Gewähr­ leistung der gewünschten Charakteristik erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein optoelektroni­ sches System der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einfachen Mittel eine gezielte Einstellung der spektralen Empfindlichkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung eines optoelektronischen Systems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Danach ist bei einem optoelektronischen System mit mindestens zwei Photosensoren, die aufgrund elektromagnetischer Strahlung jeweils ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen und die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, vorgesehen, daß die Ausgangssignale der Photosensoren zur Schaffung eines resultierenden Ausgangssignals miteinander verknüpft werden und daß das aus dieser Verknüpfung resultierende Signal zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung ausgewertet wird.

Unter einem Photosensor wird dabei vorliegend ein beliebiges Bauelement bzw. ein beliebiger Bestandteil eines Bauelementes verstanden, der zur Umwandlung einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung in ein elektrisches Signal, insbesondere einen Photostrom, geeignet ist. Die Photosenso­ ren können beispielsweise durch Phototransistoren, Photodi­ oden oder Photoelemente gebildet werden. Hierbei kann es sich jeweils um pn-Übergänge zwischen halbleitenden Schichten handeln, die aufgrund einfallender elektromagnetischer Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich ein elek­ trisches Signal erzeugen.

Dadurch daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausgangssi­ gnale von zwei oder ggf. mehr Photosensoren miteinander verknüpft werden, um ein auswertbares resultierendes Signal zu erzeugen, besteht eine große Anzahl an Freiheitsgraden bei der Einstellung der spektralen Empfindlichkeit des resultierenden Signales. So können zum einen die einzelnen Ausgangssignale selbst modifiziert (also etwa mit bestimmten, vorgegebenen Faktoren gewichtet) werden; zum anderen wird das resultierende Signal auch durch die gewählte Verknüpfung (etwa Addition oder Subtraktion) beeinflußt. Variationen hinsichtlich der Gewichtung sowie bezüglich der Verknüpfung der einzelnen Ausgangssignale können durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen, nämlich durch Modifikation der hierfür herangezogenen elektrischen Bauelemente, bewirkt werden.

Die zur Verknüpfung der Ausgangssignale verwendete elektri­ sche Schaltung kann dabei ein Bestandteil der ohnehin zur Auswertung der im optoelektronischen System erzeugten Ausgangssignale erforderlichen elektrischen Schaltung sein, so dass der insgesamt erforderliche, zusätzliche Schaltungs­ aufwand nur sehr gering ist.

Bei Umsetzung der ordnungsgemäßen Lösung ist es selbstverständlich erforderlich, dass zumindest einer der verwendeten Photosensoren (auch) in dem spektralen Bereich empfindlich ist, in dem elektromagnetische Strahlung detek­ tiert werden soll.

In der Regel kann jedoch, wie oben ausgeführt, die spektrale Empfindlichkeit nicht exakt auf den gewünschten spektralen Bereich begrenzt werden. Dies läßt sich aber durch die Verknüpfung der Ausgangssignale von zwei oder mehr Photosen­ soren erreichen, bei der die spektrale Empfindlichkeit in den nicht gewünschten Bereichen unterdrückt wird.

Im Hinblick auf die IC-Technologie als ein wesentliches Anwendungsgebiet nutzt die erfindungsgemäße Lösung die Erkenntnis, dass bei der Ausbildung von Photosensoren im Rahmen einer IC-Technologie in der Regel mehrere übereinander liegende Sperrschichten vorhanden sind, die jeweils zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Reaktion auf einfallende elektromagnetische Strahlung geeignet sind. Die Eigenschaften der einzelnen Sperrschichten (z. B. Dicke, Dotierung) bestimmen dabei, in welcher der Schichten bei Einfall elek­ tromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines bestimmten spektralen Bereiches bevorzugt ein Ausgangs­ signal in Form eines Photostromes generiert wird. Durch geeignete Verknüpfung der in den unterschiedlichen (minde­ stens zwei) Sperrschichten gebildeten Ausgangssignale (Photosignale bzw. -ströme) ist es möglich, das Absorptions­ spektrum und damit die spektrale Empfindlichkeit des opto­ elektronischen Systems (d. h. der Gesamtheit der Photosenso­ ren) an die jeweilige Anwendung und damit die jeweils gewünschte spektrale Empfindlichkeit anzupassen. Es dabei unerheblich, ob die Sperrschichten in Form von pn-Übergängen als Photodioden oder Photoelemente betrieben werden.

Falls gewünscht, kann zur Einstellung der spektralen Empfindlichkeit des optoelektronischen Systems zusätzlich ein optisches Filter verwendet werden. Dies wird jedoch in vielen Fällen nicht erforderlich sein. Zumindest aber wird der Aufwand bei der Schaffung des einzusetzenden optischen Filters erheblich geringer sein als im Stand der Technik, da das optische Filter nur noch als Vorfilter zum Einsatz kommt, die Feineinstellung der spektralen Empfindlichkeit jedoch durch Verknüpfung der Ausgangssignale der einzelnen Photosensoren erfolgt.

Unter der Bezeichnung "Ausgangssignal" bzw. "Photostrom" werden vorliegend stets das spektral aufgelöste Ausgangssi­ gnal bzw. der spektral aufgelöste Photostrom (spektrale Stromdichte) verstanden. Sofern auf das gesamte (über den entsprechenden Spektralbereich integrierte) Ausgangssignal bzw. den gesamten (über den Spektralbereich entsprechenden integrierten) Photostrom Bezug genommen werden soll, wird jeweils von dem integrierten Ausgangssignal bzw. dem inte­ grierten Photostrom gesprochen werden.

Die Verknüpfung der Ausgangssignale verschiedener Photosenso­ ren zu einem resultierenden Signal kann in der Weise erfolgen, dass das resultierende Signal in Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung in dem vor­ gegebenen, zu detektierenden Spektralbereich der elektroma­ gnetischen Strahlung einen endlichen Wert mit einem definier­ ten, einheitlichen Vorzeichen annimmt und im Übrigen einen endlichen Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen oder den Wert null annimmt. Vorzugsweise werden hierbei die Signale mit entgegengesetztem Vorzeichen mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung unterdrückt, so dass das resultierende Signal in Abhängigkeit von der Wellenlänge der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung in dem vorgege­ benen Spektralbereich einen endlichen Wert mit einem defi­ nierten, einheitlichen Vorzeichen annimmt und im Übrigen gleich null ist. In diesem Fall ist das integrierte Ausgangs­ signal ein Maß für die Intensität der zu detektierenden elek­ tromagnetischen Strahlung in dem entsprechenden, vorgegebenen Spektralbereich.

Als ein Beispiel für die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung können Ausgangssignale in Form von Photoströmen der Photosensoren in der Weise miteinander verknüpft werden, dass der Photostrom in einem vorgegebenen Spektralbereich positiv ist, während er außerhalb dieses Spektralbereiches negativ oder gleich null ist. Negative Ströme werden dann mit geeigneten schaltungstechnischen Mitteln unterdrückt, so dass der resultierende Photostrom letztlich in dem vorgegebenen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung einen endlichen Wert annimmt und außerhalb dieses Bereiches gleich null ist. Die Unterdrückung negativer resultierender Ströme kann z. B. in einem Operationsverstärker erfolgen, der zur Verknüpfung der Photoströme verwendet wird. Der über den vorgegebenen Spektralbereich integrierte Photostrom ist dann ein Maß für die Intensität der elektromagnetischen Strahlung in diesem Spektralbereich.

Das resultierende Signal kann in einfacher Weise durch additive Verknüpfung (d. h. je nach Vorzeichen durch Addition oder Subtraktion) der einzelnen Ausgangssignale erzeugt werden, wobei die einzelnen Ausgangssignale zusätzlich durch Faktoren gewichtet werden können. Die entsprechenden Faktoren lassen sich in einfacher Weise durch Bauelemente der elektri­ schen Schaltung, z. B. durch Transistoren oder elektrische Widerstände, festlegen und sind durch eine Variation charakteristischer elektrischer Werte der entsprechenden Bauelemen­ te, z. B. durch Variation des Widerstandswertes eines Wider­ standes, einfach veränderbar.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verknüp­ fung der Ausgangssignale beispielsweise dadurch, dass die Spannungen miteinander verknüpft werden, die die einzelnen Ausgangssignale an jeweils zugeordneten Widerständen erzeu­ gen, wobei durch Variation des Widerstandswertes der Wider­ stände die Faktoren festgelegt werden, mit denen die einzel­ nen Ausgangssignale (Photoströme) bei der Verknüpfung gewich­ tet werden.

Von Bedeutung für die Erfindung ist, dass die einzelnen Photosensoren eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Denn nur dann läßt sich durch Verknüpfung der entsprechenden Ausgangssignale ein resultierendes Signal mit einer neuen, vorgebbaren spektralen Empfindlichkeit erzeugen. Beispielsweise können die Ausgangssignale zweier Photosensoren miteinander kombiniert werden, von denen der eine vor allem im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und der andere vor allem im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich ist.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Regel derjenige Photo­ sensor, bei dem der Schwerpunkt der Empfindlichkeit im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt, auch außerhalb dieses Bereiches noch eine gewisse Empfindlichkeit aufweist, und daß umgekehrt derjenige Photosensor, bei dem der Schwerpunkt der Empfindlichkeit im Infrarotbereich liegt, zugleich auch eine Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich zeigt. Dadurch würden beispielsweise beim Einsatz eines Photosensors zur Detektion elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich zugleich auch in gewissem Umfang die sichtbaren Anteile der elektromagnetischen Strahlung (unbeabsichtigt) detektiert. Durch Verknüpfung der Ausgangssignale von zwei oder mehr Photosensoren läßt sich nun erreichen, dass die Empfindlichkeit in den unerwünschten Spektralbereichen eliminiert wird und nur noch die elektromagnetische Strahlung in einem vorgegebenen Spektralbereich berücksichtigt wird. So kann bei Verknüpfung der Ausgangssignale eines Photosensors mit einer Empfindlichkeit vorwiegend im infraroten Bereich und eines Photosensors mit einer Empfindlichkeit vorwiegend im sichtbaren Bereich ein resultierendes Signal geschaffen werden, das ausschließlich für die Strahlung im Infrarotbereich empfindlich ist. In diesem Fall wird der Photosensor mit einer überwiegenden Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich des Spektrums also dazu genutzt, um die Anteile des Ausgangssignals des Infrarot-Photosensors im sichtbaren Bereich zu eliminieren.

Die einzelnen Photosensoren können jeweils durch Sperrschich­ ten (pn-Übergänge) einer Halbleiteranordnung gebildet werden, wobei diese Halbleiteranordnung vorzugsweise als ein einzelnes Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl übereinander angeordneter halbleitender Schichten ausgebildet ist.

Hierbei kann beispielsweise ein Photosensor durch eine Sperrschicht gebildet werden, die unmittelbar hinter der Oberfläche angeordnet ist, durch die hindurch die zu detek­ tierende elektromagnetische Strahlung in das Halbleiterbau­ element eindringt, und ein anderer Photosensor durch eine weiter von dieser Oberfläche entfernte Sperrschicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optoelektroni­ schen Halbleiterbauelementes mit einer Mehrzahl übereinander angeordneter halbleitender Schichten, das zwei Photosensoren in Form von Sperrschichten (pn-Übergängen) aufweist;

Fig. 2a eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des von dem oberflächennahen Photosensors aus Fig. 1 erzeugten Photostromes von der Wellenlänge einfal­ lender elektromagnetischer Strahlung;

Fig. 2b eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des von dem oberflächenfernen Photosensors aus Fig. 1 erzeugten Photostromes von der Wellenlänge einfallender elektromagnetischer Strahlung;

Fig. 3a eine mögliche Verknüpfung der beiden Photoströme aus den Fig. 2a und 2b zur Erzeugung eines re­ sultierenden Photostromes im spektralen Bereich der sichtbaren elektromagnetischen Strahlung;

Fig. 3b eine mögliche Verknüpfung der beiden Photoströme aus den Fig. 2a und 2b zur Erzeugung eines resultierenden Photostromes im spektralen Bereich des Infrarotlichtes;

Fig. 4 eine elektrische Schaltung zur Verknüpfung der Photoströme aus den Fig. 3a und 3b.

In Fig. 1 ist ein photoempfindliches optoelektronisches Halbleiterbauelement 1 dargestellt, das zur Detektion elektromagnetischer Strahlung geeignet ist, die durch eine hierfür vorgesehene Oberfläche 15 (strahlungsseitige Oberflä­ che) in das Halbleiterbauelement einfällt.

Das Halbleiterbauelement 1 umfasst ein p-leitendes Subs­ trat 10, eine hierauf mittels Epitaxie aufgebrachte n-leiten­ de Schicht 11, wobei zwischen dem Substrat 10 und der darauf mittels Epitaxie aufgebrachten Schicht 11 eine weitere ("verborgene") n-leitende Schicht 12 angeordnet ist. An die n-leitende Schicht 11 schließt sich nach oben eine p-leitende Schicht ("p-Basiszone") an, die unmittelbar hinter der strahlungsseitigen Oberfläche 15 des Halbleiterbauelementes 1 verläuft.

Zwischen dem p-leitenden Substrat 10 und der n-leitenden verborgenen Schicht 12 sowie zwischen der n-leitenden Epitaxieschicht 11 und der darauf angeordneten p-leitenden Schicht 13 bildet sich jeweils ein photoempfindlicher pn- Übergang 17, 18 der als Photodiode oder als Photoelement verwendet werden kann. Im Folgenden wird jeweils von einer Verwendung als Photodiode ausgegangen.

Es handelt sich hierbei also um ein in integrierter Bauweise hergestelltes photoempfindliches optoelektronisches System, bei dem zwei Photosensoren in Form photoempfindlicher pn- Übergänge in ein optoelektronisches Halbleiterbauelement integriert sind.

Vor der strahlungsseitigen Oberfläche 15 des Halbleiterbau­ elementes 1 kann gegebenenfalls ein optisches Filter 4 in Form einer optischen Vergütungsschicht vorgesehen sein, so dass nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge durch die strahlungsseitige Oberfläche 15 in das Halbleiterbauelement 1 einfallen kann. Mit einem derartigen optischen Filter 4 können beispielsweise von vorn herein bestimmte Teile des elektromagnetischen Spektrums, wie z. B. das ferne Infrarot und längerwellige Strahlung sowie Ultraviolettstrahlung und kürzerwellige Strahlung ausgenommen werden, d. h. Strahlung der genannten Spektralbereiche wird durch das optische Filter 4 am Eindringen in das Halbleiterbauelement 1 durch die strahlungsseitige Oberfläche 15 hindurch gehindert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel seien die oberflächennahe Photodiode 3 (Basisphotodiode) insbesondere sensitiv für sichtbares Licht und die darunterliegende, oberflächenferne Photodiode 2 (Substratphotodiode) insbesondere sensitiv für Infrarotlicht. Die spektrale Empfindlichkeit der beiden Photodioden 2, 3 ist anhand der Fig. 2a und 2b im Einzel­ nen erkennbar, wobei Fig. 2a den Photostrom I_B der Basispho­ todiode 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge A der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zeigt und Fig. 2b den Photostrom I_S der Substratphotodiode 2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Es ist deutlich erkennbar, dass das Maximum M der Empfindlichkeit der Basisdiode 3 (vergleiche Fig. 2a) bei deutlich kürzeren Wellenlängen (nämlich im Bereich des blauen Lichtes) liegt als das der Substratphotodiode 2 (vergleiche Fig. 2b), bei der ein Maximum M der Empfindlichkeit im Bereich des infraroten Lichtes auftritt.

Somit könnte grundsätzlich die Basisdiode 3 des Halbleiter­ bauelementes 1 zur Schaffung eines Photosensors für sichtba­ res Licht und die Substratdiode 2 des Halbleiterbauelementes 1 zur Schaffung eines Photosensors für Infrarotlicht herangezogen werden. Anhand der Fig. 2a und 2b wird jedoch deutlich, dass die Basisdiode 3 auch eine gewisse Empfindlichkeit im Infrarotbereich und umgekehrt die Substratdiode 2 eine gewisse Empfindlichkeit im Bereich des sichtbaren Lichtes aufweist. Zur Behebung dieses Problems werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Photoströme I_B der Basisphotodiode 3 und I_S der Substratphotodiode 2 derart miteinander verknüpft, dass der resultierende Photostrom gerade die gewünschte Empfindlichkeit wahlweise im Infrarotbereich oder im Bereich des sichtbaren Lichtes aufweist.

Fig. 3a zeigt eine Verknüpfung Photoströme I_B und I_S zu einem resultierenden Photostrom T = k_B.I_B - k_S.I_S, der nur im sichtbaren Bereich des Spektrums größer als null ist. Außerhalb dieses Bereiches, insbesondere im Bereich des In­ frarotlichtes, ist der resultierende Strom I stets gleich null, d. h. der Einfall von Infrarotlicht in das Halbleiter­ bauelement 1 führt bei einer derartigen Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S nicht zu einem meßbaren Photostrom.

Zu Fig. 3a sei bemerkt, dass bei einer Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S nach der oben dargestellten Formel der resultierende Photostrom I im Bereich des Infrarotlichtes negativ wäre. Es wird hier jedoch davon ausgegangen, dass die zur Verknüpfung der Photoströme I_B, I_S verwendete elektrische Schaltung negative Ströme unterdrückt, also keinen negativen resultierenden Photostrom I fließen lässt. In diesem Fall ist der resultierende Photostrom I im Infrarotbereich stets gleich null.

Die Faktoren k_B und k_S, mit denen die Photoströme I_B und I_S bei der Verknüpfung (hier Verknüpfung durch Differenzbildung) gewichtet werden, lassen sich schaltungstechnisch in einfacher Weise festlegen, wie weiter unten anhand Fig. 4 erläutert werden wird.

In Fig. 3b ist eine Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S des Halbleiterbauelementes 1 zu einem resultierenden Photo­ strom I = k_S.I_S - k_B.I_B dargestellt, der beim Einfall elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich größer als null ist, während beim Einfall sichtbaren Lichtes ein negativer resultierender Photostrom erzeugt wird, der wiederum durch geeignete schaltungstechnische Maßnahmen gleich null gesetzt wird. In diesem Fall besteht also spektrale Empfindlichkeit ausschließlich für elektromagneti­ sche Strahlung im Infrarotbereich.

Anhand der Fig. 3a und 3b wird deutlich, dass durch geeignete additive Verknüpfung der Photoströme I_B, I_S der Basisphotodiode 3 und der Substratphotodiode 2 des Halblei­ terbauelementes 1 ein resultierender Photostrom I erzeugt werden kann, der nur dann fließt, wenn die in das Halbleiter­ bauelement 1 einfallende elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten, vorgebbaren Spektralbereich (z. B. Bereich des sichtbaren Lichtes oder Infrarotbereich) liegt.

Durch Bestimmung des resultierenden Photostroms mit einer geeigneten, üblichen Auswerteschaltung kann dann in bekannter Weise auf die Intensität der elektromagnetischen Strahlung in dem entsprechenden vorgegebenen Spektralbereich geschlossen werden.

Wie oben bereits ausgeführt, kann hierbei ergänzend auch noch auf ein optisches Filter 4 (vergleiche Fig. 1) zurückgegrif­ fen werden, um elektromagnetische Strahlung bestimmter Teile des Spektrums (z. B. Strahlung jenseits des Infrarotlichtes sowie Strahlung jenseits des violetten Lichtes) von vorn herein auszuschließen, d. h. nicht in das Halbleiterbauelement 1 einfallen zu lassen. Für den Fall, dass die entsprechenden Photodioden 2, 3 für derartige Strahlung aber ohnehin nicht empfindlich sind, kann auf ein optisches Filter vollständig verzichtet werden. Selbst wenn aber ein optisches Filter erforderlich sein sollte, würde dies hier im Wesentlichen nur die Aufgabe einer Vorfilterung übernehmen. Die exakte Einstellung der spektralen Empfindlichkeit des optoelektronischen Systems erfolgt durch schaltungstechnische Maßnahmen, nämlich die geeignete Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S der Photodioden 2, 3.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung, die zur Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S der beiden Photodioden 2, 3 (vergleiche Fig. 1) verwendet werden kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Substrat 10 des Halbleiterbauelementes 1 (vergleiche Fig. 1) in der Regel hinsichtlich des Potentials den Bezugspunkt im System darstellt. Ferner ist zu berücksichtigen, dass die Substratphotodiode 2 und die Basisphotodiode 3 durch die verborgene, n-leitende Schicht 12 des Halbleiterbauelementes 1 untrennbar miteinander gekoppelt sind.

Die zur Verknüpfung der Photoströme I_B und I_S verwendete elektrische Schaltung wird mittels einer stabilisierten äußeren Betriebsspannung U_STAB betrieben und weist zwei Widerstände R_B und R_S auf, die je einem der Photoströme I_B, I_S der Photodioden 2, 3 zugeordnet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist dem in der Basisphotodiode 3 erzeugten Pho­ tostrom I_B ein Widerstand R_B zugeordnet, durch den dieser Photostrom I_B fließt, und dem in der Substratphotodiode 2 erzeugten Photostrom I_S ein weiterer Widerstand R_S, durch den dieser Photostrom I_S fließt. Die über den Widerständen R_B, R_S anfallenden Spannungen I_B.R_B und I_S.R_S werden mittels einer üblichen Operationsverstärkerschaltung 5 additiv (d. h. durch Addition oder Subtraktion) miteinander verknüpft. Durch die Dimensionierung der Widerstände R_B, R_S (d. h. durch die Festlegung des Widerstandswertes) wird dabei die Gewichtung der beiden Photoströme I_B, I_S bei der Verknüpfung festgelegt. Es handelt sich hierbei also um eine Möglichkeit der Reali­ sierung der weiter oben allgemein angegebenen Faktoren k_B, k_S, die die Gewichte der Photoströme bei der Addition festle­ gen.

Weiterhin kann die Gewichtung der Photoströme I_B, I_S auch durch die Stromspiegelverhältnisse in der elektrischen Schaltung gemäß Fig. 4 beeinflußt werden, die durch MOSFET- Transistoren T₁ - T₅ bestimmt werden. Dabei bilden zwei Transistoren T₁ und T₂ einen Stromspiegel im Hinblick auf den Gesamtstrom I_B + I_S und drei weitere Transistoren T₃ - T₅ Stromspiegel im Hinblick auf den durch die Basisphotodiode fließenden Strom I_B. Die MOSFET-Transistoren können auch durch andere Transistoren, z. B. durch bipolare Transistoren, ersetzt werden.

Anstatt der in Fig. 4 dargestellten elektrischen Schaltung können auch andere elektrische Schaltungen zur schaltung­ stechnischen Realisierung der Erfindung verwendet werden, sofern diese zur Verknüpfung von Photoströmen geeignet sind.

Die Erfindung wurde in den Fig. 1 bis 4 durchgängig anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt, bei dem ein resultierender Photostrom durch die Verknüpfung der Photo­ ströme zweier Photosensoren erzeugt wird. Selbstverständlich ist aber in gleicher Weise auch eine Verknüpfung der Photoströme von drei oder mehr Photosensoren möglich, wobei mit einer wachsenden Zahl an Photosensoren eine entsprechend größeren Zahl an Freiheitsgraden für die Einstellung des resultierenden Photostromes zur Verfügung steht. Somit ist mit einer größeren Anzahl an Photosensoren auch eine präzisere Einstellung des Bereiches spektraler Empfindlich­ keit möglich.

Claims (15)

1. Optoelektronisches System zur Detektion elektromagneti­ scher Strahlung in einem vorgebbaren spektralen Bereich mit mindestens zwei Photosensoren, die aufgrund elektromagneti­ scher Strahlung jeweils ein elektrisches Ausgangssignal, insbesondere in Form eines Photostromes, erzeugen und die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (I_B, I_S) der beiden Photosensoren (2, 3) zur Schaffung eines resultierenden Signales (I) miteinan­ der verknüpft werden und daß das resultierende Signal (I) zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung ausgewertet wird.

2. Optoelektronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Schaltung zur Verknüpfung der Ausgangssignale (I_B, I_S) vorgesehen ist.

3. Optoelektronisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal (I) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ) der elek­ tromagnetischen Strahlung in dem vorgegebenen Spektralbereich einen endlichen Wert mit einem definierten, einheitlichen Vorzeichen annimmt und im übrigen einen endlichen Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen annimmt oder gleich Null ist.

4. Optoelektronisches System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal (I) mit entgegengesetztem Vorzeichen mittels der elektrischen Schaltung unterdrückt wird.

5. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal (I) durch additive oder subtraktive Verknüpfung der einzelnen Ausgangssignale (I_B, I_S) erzeugt wird.

6. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ausgangssignale (I_B, I_S) bei der Verknüpfung jeweils durch Faktoren (k_B, k_S) gewichtet werden.

7. Optoelektronisches System nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Faktoren (k_B, k_S) durch Bauelemente (R_B, R_S, T₁ - T₅) der elektrischen Schaltung, z. B. durch elektrische Widerstände und/oder Tran­ sistoren, definiert werden.

8. Optoelektronisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen miteinander ver­ knüpft werden, die die einzelnen Ausgangssignale (I_B, I_S) an jeweils zugeordneten elektrischen Widerständen (R_B, R_S) erzeugen.

9. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photo­ sensor (3) das Maximum (M) seiner spektralen Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich und ein anderer Photosensor (2) das Maximum (M) seiner spektralen Empfindlichkeit im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist.

10. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photo­ sensoren (2, 3) jeweils durch pn-Übergänge (17, 18) einer Halbleiteranordnung (1) gebildet werden.

11. Optoelektronisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung (1) durch ein Halbleiterbauelement gebildet wird.

12. Optoelektronisches System nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photosensor (3) durch einen oberflächennahen und ein anderer Photosensor (2) durch einen weiter von der strahlungsseitigen Oberfläche des Halbleiterbauelementes (1) entfernten pn-Übergang (18, 17) gebildet wird.

13. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photo­ sensoren (2, 3) durch Phototransistoren, Photodioden und/ oder Photoelemente gebildet werden.

14. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photo­ sensoren (2, 3) Bestandteile eines integrierten Schaltkreises sind.

15. Optoelektronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Photosensoren (2, 3) ein optisches Filter (4) angeordnet ist.