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Die Erfindung betrifft einen Optokoppler.
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Optokoppler sind hinlänglich bekannt. Einfache Optokoppler weisen einen Sendebaustein und einen Empfängerbaustein auf, wobei die beiden Bausteine galvanisch getrennt, jedoch optisch gekoppelt sind. Derartige Bauelemente sind aus der
US 4 996 577 bekannt. Auch aus der
US 2006/0048811 A1 , der
US 8 350 208 B1 und der
WO 2013/067969 A1 sind optische Bauelemente bekannt.
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Ferner sind aus der
US 4 127 862 , der
US 6 239 354 B1 , der
DE 10 2010 001 420 A1 , aus
Nader M. Kalkhoran, et al, "Cobalt disilicide intercell ohmic contacts for multijunction photovoltaic energy converters", Appl. Phys. Lett. 64, 1980 (1994) und aus
A. Bett et al, "III-V Solar cells under monochromatic illumination", Photovoltaic Specialists Conference, 2008, PVSC '08. 33rd IEEE, Seite 1–5, ISBN: 978-1-4244-1640-0 sind skalierbare Spannungsquellen oder auch Solarzellen aus III-V Materialien bekannt.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
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Die Aufgabe wird durch einen Optokoppler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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In dem Gegenstand der Erfindung wird ein Optokoppler bereitgestellt, mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, wobei die Sendeeinheit und die Empfangseinheit voneinander galvanisch getrennt und miteinander optisch gekoppelt und in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind und wobei die Empfangseinheit eine Energiequelle mit einem ersten elektrischen Anschlusskontakt und einem zweiten elektrischen Anschlusskontakt aufweist.
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Die Sendeeinheit weist mindestens eine erste Sendediode mit einer ersten Lichtwellenlänge und eine zweite Sendediode mit einer zweiten Lichtwellenlänge auf.
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Die erste Lichtwellenlänge ist von der zweiten Lichtwellenlänge um eine Differenzwellenlänge verschieden. Die Energiequelle der Empfangseinheit weist zwei Teilquellen auf und ist als Stromquelle oder als Spannungsquelle ausgebildet. Die erste Teilquelle weist eine erste Halbleiterdiode und die zweite Teilquelle eine zweite Halbleiterdiode auf.
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Jede Teilquelle weist mehrere Halbleiterschichten auf, wobei die Halbleiterschichten für jede Teilquelle stapelförmig angeordnet sind und jede Teilquelle eine Oberseite und eine Unterseite aufweist.
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Die erste Halbleiterdiode weist eine der ersten Lichtwellenlänge angepasste Absorptionskante und die zweite Halbleiterdiode eine der zweiten Lichtwellenlänge angepasste Absorptionskante auf, so dass die erste Teilquelle bei Bestrahlung mit der ersten Lichtwellenlänge und die zweite Teilquelle bei Bestrahlung mit der zweiten Lichtwellenlänge jeweils Energie erzeugen.
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Es versteht sich, dass sofern die Photonenemission in dem Sendebaustein einer Modulation unterliegt, die Modulation eine modulierte Gleichspannung verursacht, anders ausgedrückt, die Größe der erzeugten Energie verändert sich mit der Zeit. Des Weiteren sei angemerkt, dass vorzugsweise die gesamte Oberseite der beiden Stapel mit Licht der ersten Lichtwellenlänge und/oder mit Licht der zweiten Lichtwellenlänge bestrahlt wird. Auch versteht es sich, dass mit dem Begriff in einem gemeinsamen Gehäuse insbesondere ein einziges Gehäuse verstanden wird, d. h. die Sendeeinheit und die Empfangseinheit weisen für sich genommen keine eigenen Gehäuse auf. Es versteht sich, dass als Gehäuse insbesondere Vergussgehäuse verstanden sind. Derartige Gehäuse werden mittels eines sogenannten Moldprozess hergestellt.
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Es versteht sich auch, dass unter der Bezeichnung Lichtwellenlänge, wobei insbesondere das Licht einer LED gemeint ist, die Zentralwellenlänge eines im Allgemeinen gaussförmigen Spektrums gemeint ist, welches beispielsweise bei einer typischen 850 nm-LED eine Halbwertsbreite von 20–30 nm aufweist. Auch versteht es sich, dass die der Lichtwellenlänge entsprechende Photonenenergie etwas größer oder gleich der Bandlückenenergie der Absorptionsschichten der Halbleiterdioden ist. Des Weiteren sei angemerkt, dass der Unterschied, d. h. die Differenzwellenlänge zwischen der ersten Lichtwellenlänge und der zweiten Lichtwellenlänge wenigstens 40 nm beträgt.
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Es sei angemerkt, dass eingehende Untersuchungen in überraschender Weise zeigten, dass im Unterschied zu dem Stand der Technik sich in vorteilhafter Weise mit dem vorliegenden Stapelansatz Quellenspannungen der einzelnen Teilquellen oberhalb von 1 V erzeugen lassen. Hierbei zeigte sich auch, dass eine Hintereinanderschaltung von mehreren Halbleiterdioden zu einer Teilquelle die Quellenspannungen der Halbleiterdioden sich in erster Näherung addiert. Vorzugsweise liegt die Anzahl N der Halbleiterdioden unterhalb zehn.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass sich, abgesehen von der elektrischen Versorgung der Sendedioden, ohne externe Spannungsversorgung in vielen Fällen eine binäre Logik, wie beispielsweise ein UND Verknüpfung nachbilden lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mittels der stapelförmigen Anordnung der Halbleiterdioden im Vergleich zu der bisherigen lateralen Anordnung mit Siliziumdioden eine große Flächeneinsparung ergibt. Insbesondere muss von der Sendediode oder der Lichtquelle nur die wesentlich kleinere Empfangsfläche, d. h. die Oberseite des Stapels des Empfängerbausteins beleuchtet werden.
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In einer Weiterbildung sind die beiden Teilquellen in Serie verschaltet. Hierdurch ergibt sich auf einfache Weise eine UND-Logik an dem Ausgang des Empfangsbausteins oder anders ausgedrückt, der Empfangsbaustein liefert an dem Ausgang nur dann eine Spannung, wenn beide Sendedioden den Empfangsbaustein beleuchten.
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In einer anderen Weiterbildung sind die erste Teilquelle und die zweite Teilquelle monolithisch integriert. Vorzugsweise sind die Schichten der beiden Teilquellen mittels eines MOVPE Epitaxie Verfahren hergestellt. In einer monolithischen Ausführungsform sind die Schichten stapelförmig aufeinander abschieden. Hierbei liegen die Schichten mit der größeren Bandlücke auf den Schichten mit der geringen Bandlücke auf, d. h. das auf die Empfangseinheit eingestrahlte Licht trifft zuerst auf die Schichten mit der größeren Bandlücke. Alternativ sind die Schichten in einer anderen monolithischen Ausführungsform nebeneinander auf einem gemeinsamen Trägersubstrat, d. h. in zwei getrennten Stapeln angeordnet. Hierbei trifft das Licht mit der längeren Wellenlänge unmittelbar auf den Stapel mit den Schichten mit der geringeren Bandlücke. Anders ausgedrückt, bei einer nebeneinander angeordneten Ausführung trifft die Strahlung bei beiden Teilquellen gleichzeitig auf die jeweilige Oberseite der Teilquelle auf.
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In einer Weiterbildung ist die Unterseite der ersten Teilquelle auf der Oberseite der zweiten Teilquelle angeordnet, so dass die beiden Teilquellen einen gemeinsamen Stapel mit einer Vorderseite und einer Rückseite ausbilden, wobei der erste Anschlusskontakt an der Oberseite der ersten Teilquelle und der zweite Anschlusskontakt an der Unterseite der ersten Teilquelle und ein dritter Anschlusskontakt an der Unterseite der zweiten Teilquelle ausgebildet ist oder der erste Anschlusskontakt an der Oberseite der ersten Teilquelle und der zweite Anschlusskontakt an der Unterseite der zweiten Teilquelle ausgebildet ist. In einer booleschen Darstellung lässt sich hierdurch eine UND Verknüpfung realisieren, d. h. es fließ nur dann ein Strom durch die beiden in Serie verschalteten Teilquellen, wenn beide Teilquellen beleuchtet sind.
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In einer anderen Weiterbildung sind die erste Teilquelle und die zweite Teilquelle nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, wobei der erste Anschlusskontakt an einer Oberseite der ersten Teilquelle und ein zweiter Anschlusskontakt an einer Unterseite der ersten Teilquelle und ein dritter Anschlusskontakt an der Oberseite der zweiten Teilquelle und ein vierter Anschlusskontakt an der Unterseite der zweiten Teilquelle angeordnet ist. In einer booleschen Darstellung lässt sich hierdurch eine ODER Verknüpfung realisieren, d. h. es liegt nur dann keine Spannung an beiden parallel verschalteten Teilquellen an, wenn keine der beiden Teilquellen beleuchtet ist.
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Alternativ ist der erste Anschlusskontakt an einer Oberseite der ersten Teilquelle und der zweite Anschlusskontakt an einer Unterseite der zweiten Teilquelle angeordnet, wobei die Unterseite der ersten Teilquelle mit der Oberseite der zweiten Teilquelle elektrisch verbunden ist.
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In einer Ausführungsform ist bei einer stapelförmigen Anordnung der beiden Teilquellen der zweite Anschlusskontakt an der Rückseite des Stapels durch ein Halbleitersubstrat ausgebildet.
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In einer Weiterbildung weist die Empfangseinheit einen selbstleitenden Transistor auf, wobei das Gate des Transistors mit dem zweiten Anschlusskontakt der in Serie verschalteten Teilquellen verschaltet ist. Hierdurch wird der Transistor nichtleitend geschaltet, wenn eine oder beide Teilquellen eine Spannung erzeugen. In einer booleschen Darstellung lässt sich hierdurch eine NOR Verknüpfung realisieren, d. h. es fließt nur dann ein Strom durch den Transistor, wenn beide Teilquellen nicht beleuchtet sind.
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In einer anderen Weiterbildung weist die Empfangseinheit eine Auswerteeinheit auf, wobei zwischen der Auswerteeinheit und den beiden Teilquellen eine elektrische Wirkverbindung besteht, d. h. die Auswerteeinheit ist mit beiden Teilquellen verschaltet. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Energie zu dem Betrieb der Auswerteeinheit ausschließlich von der Empfangseinheit erzeugt wird.
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In einer Ausführungsform besteht die erste Teilquelle aus einer Vielzahl von ersten Dioden und die zweite Teilquelle aus einer Vielzahl von zweiten Dioden, wobei die beiden Teilquellen bei 300 K jeweils eine Quellenspannung von größer als 2 Volt aufweisen. Es versteht sich, dass die ersten Dioden und die zweiten Dioden jeweils monolithisch integriert und hintereinander geschaltet und zwischen zwei aufeinander angeordneten Dioden jeweils eine Tunneldiode ausgebildet ist.
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In einer anderen Ausführungsform weisen die Teilquellen in der Nähe der Unterseite der Stapel jeweils einen umlaufenden, absatzförmigen Rand auf. Sind die beiden Teilquellen monolithisch aufeinander gestapelt und bilden einen gemeinsamen monolithisch ausgebildeten Stapel, so ist der umlaufende absatzförmige Rand nur an der Unterseite des einzigen Stapels ausgebildet.
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In einer Weiterbildung umfasst oder besteht die erste Halbleiterdiode und/oder die zweite Halbleiterdiode aus InGaP und die zweite Halbleiterdiode aus GaAs oder InGaAs.
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In einer Ausführungsform sind mehrere erste Teilquellen und oder mehrere zweite Teilquellen ausgebildet, wobei die Teilquellen jeweils räumlich getrennt sind. Es versteht sich, dass das Licht der ersten Sendediode auf die Oberseite der mehreren ersten Teilquelle trifft und das Licht der zweiten Sendediode auf die Oberseite der mehreren zweiten Teilquelle trifft. In einer weiteren Ausführungsform trifft das Licht der ersten Sendediode und das Licht der zweiten Sendediode jeweils auf die Oberseiten aller Teilquellen der in einem Stapel jeweils oben angeordneten Teilquellen oder anders ausgedrückt, sofern zwei Teilquellen aufeinander angeordnet sind, dringt das Licht auf der Oberseite der obenliegenden Teilquelle in den Stapel ein.
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In einer Weiterbildung steuert eine Sendediode mehrere erste oder mehrere zweite Teilquellen an. In einer anderen Weiterbildung weist die Empfangseinheit einen selbstsperrenden Transistor auf.
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In einer Weiterbildung weist die Empfangseinheit eine erste Teilquelle benachbart zu einer stapelförmigen Anordnung einer weiteren ersten Teilquelle angeordnet auf einer zweiten Teilquelle. Die Oberseite der ersten Teilquelle ist mit der Oberseite der weiteren ersten Teilquelle und mit der Source des selbstsperrenden Transistors elektrisch verschaltet. Die Unterseite der zweiten Teilquelle ist mit dem Gate des selbstsperrenden Transistors verschaltet. Die Drain des selbstsperrenden Transistors ist mit der Unterseite der ersten Teilquelle verschaltet.
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Außerdem sind die Oberseite der ersten Teilquelle mit dem ersten elektrischen Anschlusskontakt und die Unterseite der ersten Teilquelle mit dem zweiten elektrischen Anschlusskontakt verschaltet. Es sei angemerkt, dass nur die beiden Anschlusskontakte des Optokopplers außerhalb des Gehäuses verfügbar sind. Die interne Verschaltung ist nicht nach außen, d. h. außerhalb des Gehäuses geführt und direkt kontaktierbar. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit der vorliegenden Ausführungsform eine XOR Logik realisiert ist, wobei dem Aussenden von Licht der beiden Sendedioden jeweils eine binäre Eins zugeordnet ist. Ebenfalls ist bei einer zu messenden Spannung zwischen den beiden Anschlusskontakten eine binäre Eins zugeordnet.
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In einer Weiterbildung werden die Optokoppler für die Durchführung von mathematischen Operationen verwendet. Ein Prozessor erübrigt sich somit.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform eines Optokoppler mit einem Senderbaustein und einem Empfängerbaustein,
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2 eine erste Ausführungsform der Energiequelle der 1 mit einer stapelförmigen Anordnung von den zwei Teilquellen auf einem gemeinsamen Substrat SUB,
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3 eine zweite Ausführungsform eines Optokoppler mit einem Senderbaustein und einem Empfängerbaustein mit einem dritten Anschluss,
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4 eine detaillierte Ausführungsform einer Energiequelle mit einer nebeneinander angeordneten Ausführung von zwei seriell verschalteten Teilquellen mit jeweils mehreren seriell verschalteten Dioden,
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5 eine dritte Ausführungsform eines Optokoppler mit einem Senderbaustein und einem Empfängerbaustein mit zwei getrennten Teilquellen,
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6 eine vierte Ausführungsform eines Optokoppler mit einem Senderbaustein und einem Empfängerbaustein mit zwei getrennten Teilenergiequellen,
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7 eine fünfte Ausführungsform eines Optokoppler mit einem selbstleitenden Transistor,
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8 eine sechste Ausführungsform eines Optokoppler mit einem selbstsperrenden Transistor und einer XOR Ausführung,
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9 eine Tabelle als Zusammenfassung der booleschen Schaltungsvarianten,
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10 eine siebente Ausführungsform eines Optokopplers mit einer zweiten Verschaltung von mehreren Einheiten,
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11 eine achte Ausführungsform eines Optokopplers mit einer zweiten Verschaltung von mehreren Einheiten.
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Die Abbildung der 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Optokoppler OPK mit einer Senderbaustein S und einem Empfängerbaustein EM. Es versteht sich, dass der Optokoppler OPK gehäust ist, d. h. die genannten Bauelemente sind in dem gemeinsamen Gehäuse integriert. Sofern Senderbaustein S einen modulierten Photonenstrom aussendet, wird auch in dem Empfängerbaustein EM die Spannung und der Strom moduliert.
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Der Sendebaustein S umfasst eine erste Sendediode SD1 und eine zweite Sendediode SD2. Die erste Sendediode SD1 weist eine erste Lichtwellenlänge L1 und die zweite Sendediode SD2 weist eine zweite Lichtwellenlänge L2. Die Differenzwellenlänge zwischen der ersten Lichtwellenlänge und der zweiten Lichtwellenlänge beträgt wenigstens 40 nm. Die erste Sendediode SD1 weist zwei Anschlusskontakte auf, wobei an den beiden Anschlusskontakten eine erste Versorgungsspannung VDS1 anliegt. Die zweite Sendediode SD2 weist ebenfalls zwei Anschlusskontakte auf, wobei an den beiden Anschlusskontakten eine zweite Versorgungsspannung VDS2 anliegt.
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Der Empfängerbaustein EM weist eine Energiequelle VQ und eine Auswerteeinheit AWE auf. Die Auswerteeinheit AWE ist parallel mit der Energiequelle VQ verschaltet. Die Energiequelle VQ umfasst eine erste Teilquelle VQ1 und eine zweite Teilquelle VQ2, wobei die Energiequelle VQ als Stromquelle oder als Spannungsquelle ausgebildet ist. Die erste Teilquelle VQ1 ist auf der zweiten Teilquelle VQ2 angeordnet. Beide Teilquellen VQ1 und VQ2 bilden einen einzigen Stapel aus und sind monolithisch integriert und miteinander in Serie verschaltet.
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Die Energiequelle VQ weist eine Oberseite und eine Unterseite und einen ersten mit der Oberseite verbundenen Anschluss VSUP1 und einen zweiten mit der Unterseite verbundenen Anschluss VSUP2 auf. Die Auswerteeinheit AWE ist mit dem ersten Anschluss VSUP1 und mit dem zweiten Anschluss VSUP2 verschaltet. Das Licht beider Sendedioden SD1 und SD2 trifft jeweils zuerst auf die Oberseite der Energiequelle VQ, vorliegend also auf die Oberseite der ersten Teilquelle VQ1 auf. Anschließend durchläuft es die erste Teilquelle VQ1 und durchläuft die zweite Teilquelle VQ2. Es versteht sich, dass die erste Teilquelle VQ1 eine größere Bandlücke als die zweite Teilquelle VQ2 aufweist.
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Die erste Teilquelle VQ1 umfasst wenigstens eine erste Halbleiterdiode D1 und die zweite Teilquelle VQ2 umfasst wenigstens eine zweite Halbleiterdiode D2. Jede der beiden Teilquelle VQ1, VQ2 umfasst mehrere Halbleiterschichten, wobei die Halbleiterschichten für jede Teilquelle VQ1, VQ2 stapelförmig angeordnet sind und jede Teilquelle VQ1, VQ2 eine Oberseite und eine Unterseite aufweist.
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Die erste Halbleiterdiode D1 weist eine der ersten Lichtwellenlänge L1 angepasste Absorptionskante und die zweite Halbleiterdiode D2 eine der zweiten Lichtwellenlänge L2 angepasste Absorptionskante auf, so dass die erste Teilquelle VQ1 bei Bestrahlung mit der ersten Lichtwellenlänge L1 und die zweite Teilquelle VQ2 bei Bestrahlung mit der zweiten Lichtwellenlänge L2 Energie erzeugen.
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In einer booleschen Darstellung ausgedrückt, entspricht das Stromverhalten zwischen den beiden Anschlüssen VSUP1 und VSUP2 einer UND (AND) Verknüpfung, d. h. nur wenn beide Sendedioden SD1 und SD2 die Empfangseinheit bestrahlen, lässt sich zwischen den beiden Anschlüssen VSUP1 und VSUP2 ein erster Strom IOUT1, der durch beide Teilquellen VQ1 und VQ2 fließt, messen.
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In der Abbildung der 2 ist eine erste Ausführungsform einer Energiequelle VQ mit einer stapelförmigen Anordnung von den zwei Teilquellen VQ1 und VQ2 und einem Substrat SUB dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
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Unterhalb der zweiten Teilquelle VQ2 ist das Substrat SUB aus einem Halbleitermaterial ausgebildet. Auf der Oberseite der ersten Teilquelle VQ1 ist in der Nähe des Randes R ein erster metallischer Anschlusskontakt K1 ausgebildet. Der erste Anschlusskontakt K1 ist mit dem ersten Anschluss VSUP1 verschaltet – nicht dargestellt. Das Substrat SUB weist eine Oberseite OS auf, wobei die Oberseite OS des Substrats SUB stoffschlüssig mit der Unterseite der zweiten Teilquelle VQ2 monolithisch verbunden ist. Hierbei versteht es sich, dass auf dem Substrat SUB eine dünne Nukleationsschicht und eine Pufferschicht – beide nicht dargestellt – epitaktisch erzeugt ist, bevor auf dem Substrat SUB die Schichten der zweiten Teilquelle VQ2 angeordnet und stoffschlüssig mit der Oberseite OS des Substrats SUB verbunden sind. Die Oberseite OS des Substrats SUB weist eine größere Oberfläche als die Fläche an der Unterseite der Energiequelle VQ auf. Hierdurch bildet sich eine umlaufende Stufe STU aus. An der Unterseite des Substrats SUB ist ein zweiter ganzflächiger metallischer Kontakt K2 ausgebildet. Der zweite Anschlusskontakt K2 ist mit dem zweiten Anschluss VSUP2 verschaltet – nicht dargestellt.
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In der Abbildung der 3 ist zweite Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit einer stapelförmigen Anordnung von den zwei Teilquellen VQ1 und VQ2 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
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Der zweite Anschluss VSUP2 ist zwischen der Unterseite der ersten Teilquelle VQ1 und der Oberseite der zweiten Teilquelle VQ2 angeordnet. Ein dritter Anschluss VSUP3 ist an der Unterseite der zweiten Teilquelle VQ2 angeordnet. Indem die beiden Teilquellen VQ1 und VQ2 in Serie geschaltet sind, lässt sich der zweite Anschluss VSUP2 mit einer Mittelanzapfung einer Serienschaltung vergleichen. Ein Vorteil ist, dass zwischen dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 unmittelbar die Spannung oder den Strom der ersten Teilquelle VQ1 abgreifen lässt. Auch lässt sich zwischen dem zweiten Anschluss VSUP2 und dem dritten Anschluss VSUP3 unmittelbar die Spannung oder den Strom der zweiten Teilquelle VQ2 abgreifen.
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In einer booleschen Darstellung ausgedrückt, entspricht das Spannungsverhalten der drei Anschlüsse VSUP1, VSUP2 und VSUP3 einer Oder (OR) Verknüpfung, d. h. wenn eine der Sendedioden SD1 und SD2 oder beide Sendedioden SD1 und SD2 die Empfangseinheit bestrahlen lässt sich eine erste Spannung VOUT1 an einer von beiden oder an beiden Teilquellen VQ1 und VQ2 messen.
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Es sei angemerkt, dass in den bisherigen Ausführungsformen die erste Teilquelle VQ1 und die zweite Teilquelle VQ2 jeweils wenigstens eine Diode aufweisen.
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In der Abbildung der 4 ist eine detaillierte Ausführungsform einer Energiequelle VQ mit nebeneinander angeordneten Teilquellen VQ1 und VQ2 dargestellt, wobei die erste Teilquelle VQ1 einen ersten Stapel ST1 und die zweite Teilquelle VQ2 einem zweiten Stapel ST2 aufweist. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 und zu der Abbildung der 3 erläutert.
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Der erste Stapel ST1 weist nunmehr eine erste stapelförmige monolithische Anordnung von mit einer Anzahl N gleich drei von miteinander in Serie verschalteten ersten Dioden D1 auf. Zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten Diode D1 ist jeweils eine erste Tunneldiode T1 angeordnet. Die Oberseite der ersten Teilquelle VQ1 ist mit dem ersten Anschluss VSUP1 und die Unterseite ersten Teilquelle VQ1 ist mit dem zweiten Anschluss VSUP2 verschaltet.
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Der zweite Stapel ST2 weist eine erste stapelförmige monolithische Anordnung von mit einer Anzahl N gleich drei von miteinander in Serie verschalteten zweiten Dioden D2 auf. Zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden zweiten Diode D2 ist jeweils eine zweite Tunneldiode T2 angeordnet. Die Oberseite der zweiten Teilquelle VQ2 ist mit dem zweiten Anschluss VSUP2 und die Unterseite zweiten Teilquelle VQ2 ist mit dem dritten Anschluss VSUP3 verschaltet.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform weisen die beiden Stapel ST1 und ST2 zueinander eine unterschiedliche Anzahl von jeweils in einer Serienschaltung verbundenen Dioden auf. In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform weist wenigstens der erste Stapel ST1 und/oder der zweite Stapel ST2 mehr als drei in einer Serienschaltung verbundene Dioden D1 und D2 auf. Hierdurch lässt sich insbesondere die Höhe der Spannung und die Höhe des Stroms der Energiequelle VQ skalieren. Vorzugsweise liegt die Anzahl N in einem Bereich zwischen vier und acht. Es versteht sich, dass mit zunehmender Zahl N die Spannung der jeweiligen Teilquelle VQ1 und VQ2 steigt, während der Strom der entsprechenden Teilquelle VQ1 und VQ2 sinkt.
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In der Abbildung der 5 ist eine dritte Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit nebeneinander angeordneten Teilquellen VQ1 und VQ2 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 und zu der Abbildung der 3 erläutert.
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Die erste Teilquelle VQ1 ist lateral beabstandet neben der zweiten Teilquelle VQ2 auf einem gemeinsamen Substrat SUB angeordnet. Die erste Teilquelle VQ1 ist mit dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 verschaltet. Die zweite Teilquelle VQ2 ist an der Oberseite mit dem dritten Anschluss VSUP3 und an der Unterseite mit einem vierten Anschluss VSUP4 verschaltet. Hierdurch lassen sich der Strom und die Spannung der ersten Teilquelle VQ1 unabhängig von dem Strom und der Spannung der zweiten Teilquelle VQ2 abgreifen. Die beiden Teilquellen VQ1 und VQ2 sind zueinander parallel angeordnet, jedoch vorliegend nicht verbunden.
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In der Abbildung der 6 ist eine vierte Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit zwei nebeneinander angeordneten Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 und 5 erläutert.
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Die erste Teilenergiequelle TEQ1 ist lateral beabstandet neben der zweiten Teilenergiequellen TEQ2 angeordnet. Eine Anordnung der beiden Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 auf einem gemeinsamen Substrat ist optional. Jeder der Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 weist jeweils die erste Teilquelle VQ1 und die zweite Teilquelle VQ2 in einer stapelförmigen Anordnung auf.
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Die erste Teilenergiequellen TEQ1 ist mit dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 verschaltet. Die zweite Teilenergiequelle TEQ1 ist an der Oberseite mit dem dritten Anschluss VSUP3 und an der Unterseite mit einem vierten Anschluss VSUP4 verschaltet. Hierdurch lassen sich der Strom und die Spannung der ersten Teilenergiequelle TEQ1 unabhängig von dem Strom und der Spannung der zweiten Teilenergiequelle TEQ2 abgreifen. Die beiden Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 sind zueinander parallel angeordnet, jedoch vorliegend nicht verbunden. Das Licht der ersten Sendediode SD1 und das Licht der zweiten Sendediode SD2 treffen auf die Oberseiten der beiden Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 auf.
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In der Abbildung der 7 ist eine fünfte Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit einem integrierten selbstleitenden Transistor T1L dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
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Der zweite Anschluss VSUP2 ist mit dem Gate G des Transistors T1L verschaltet. An der Source S des Transistors T1L ist eine externe Stromquelle IQ1 angeschlossen. Die Drain des Transistors T1L ist mit einem Stromanschluss IOUT verschaltet. Untersuchungen zeigten, dass sofern eine der Sendedioden SD1 oder SD2 die Empfangseinheit EM beleuchtet an dem Stromanschluss IOUT kein zweiter Strom IOUT2 messbar ist, d. h. der Kanal des Transistors T1L ist abgeschnürt. Sobald die Empfangseinheit EM nicht beleuchtet ist, lässt sich an dem Stromanschluss IOUT ein zweiter Strom IOUT2 messen. In einer booleschen Darstellung ausgedrückt, entspricht das Verhalten einer Nicht Oder (NOR) Verknüpfung.
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In der Abbildung der 8 ist eine sechste Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit einem integrierten sperrenden Transistor T1S dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 6 und zu der Abbildung der 7 erläutert.
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Die erste Teilenergiequelle TEQ1 ist zwar lateral beabstandet neben der zweiten Teilenergiequellen TEQ2 angeordnet, jedoch weist die erste Teilenergiequelle TEQ1 nur eine erste Teilquelle VQ1 auf, während die zweite Teilenergiequelle TEQ2 die erste Teilquelle VQ1 und die zweite Teilquelle VQ2 in der stapelförmigen Anordnung aufweist.
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Der dritte Anschluss VSUP3 ist mit der Source des Transistors T1S und dem ersten Anschluss VSUP1 verschaltet. Der vierte Anschluss VSUP4 ist mit dem Gate G des Transistors T1S verschaltet. Der zweite Anschluss VSUP2 ist mit der Drain des Transistors T1S verschaltet.
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Untersuchungen zeigten, dass sofern eine der Sendedioden SD1 oder SD2 die Empfangseinheit EM beleuchten zwischen dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 eine zweite Spannung VOUT2 messbar ist. Wenn beide Sendedioden SD1 und SD2 die Empfangseinheit EM, d. h. beide Teilenergiequellen TEQ1 und TEQ2 beleuchten ist der Transistor T1S leitend und schließt die erste Teilenergiequelle TEQ1 kurz, so dass zwischen dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 keine zweite Spannung VOUT2 messbar ist. Auch wenn keine der beiden Sendedioden SD1 und SD2 leuchten liegt zwischen dem ersten Anschluss VSUP1 und dem zweiten Anschluss VSUP2 ebenfalls keine zweite Spannung VOUT2 an. In einer booleschen Darstellung ausgedrückt, entspricht das Verhalten einer Exklusiv Oder (XOR) Verknüpfung.
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In der Abbildung der 9 sind die booleschen auf einfache Weise realisierbare Verknüpfungen in Tabellenform zusammengestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich mit den vier grundlegenden Verknüpfungen höherwertige Rechenoperationen wie Additionen und Multiplikationen ohne Prozessor durchführen lassen.
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In der Abbildung der 10 ist eine siebente Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit einer ersten Verschaltung von mehreren Einheiten dargestellt. Im Folgenden werden die Unterschiede zu der Abbildung der 1 und zu der Abbildung der 6 erläutert.
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In dem Gehäuse des Optokopplers OPK ist eine weitere Sendeeinheit SW mit zwei weiteren ersten Sendedioden SD1 und eine weitere Empfangseinheit EMW angeordnet. Die beiden weiteren Sendedioden SD1 beleuchten ausschließlich die zweite Teilenergiequelle TEQ2. Die beiden weiteren Sendedioden SD1 sind getrennt von extern ansteuerbar. Die zweite Teilenergiequelle TEQ2 liefert die Spannungsversorgung der ersten Sendediode SD1 in der Sendeeinheit S, d. h. die zwei elektrischen Anschlüsse der zweiten Teilenergiequelle TEQ2 sind mit den beiden elektrischen Anschlüssen der ersten Sendediode SD1 verschaltet. An die zweite Sendediode SD2 der Sendeeinheit S lässt sich von extern mittels den beiden Anschlusskontakten die zweite Versorgungsspannung VDS2 anlegen.
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Die Sendedioden SD1 und SD2 der Sendeeinheit S beleuchten ausschließlich die erste Teilenergiequelle TEQ1. Während die erste Teilenergiequelle TEQ1 die stapelförmige Anordnung der ersten Teilquelle VQ1 auf der zweiten Teilquelle VQ2 enthält, umfasst die zweite Teilenergiequelle TEQ2 nur eine einzige erste Teilquelle VQ1. Ferner weist nur die erste Teilenergiequelle TEQ1 externe Anschlüsse VSUP1 und VSUP2 auf.
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In der Abbildung der 11 ist eine achte Ausführungsform des Optokopplers OPK mit einer Energiequelle VQ mit einer zweiten Verschaltung von mehreren Einheiten dargestellt. Im Folgenden werden die Unterschiede zu der Abbildung der 6 und zu der Abbildung der 10 erläutert.
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In dem Gehäuse des Optokopplers OPK sind die weitere Sendeeinheit SW und die weitere Empfangseinheit EMW angeordnet. Die erste Sendediode SD1 der Sendeeinheit S beleuchtet ausschließlich die erste Teilenergiequelle TEQ1 und die zweite Teilenergiequelle TEQ2 der Empfangseinheit EM. Die zweite Sendediode SD2 der Sendeeinheit S beleuchtet sowohl die Empfangseinheit EM als auch die weitere Empfangseinheit EMW.
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Die weitere Empfangseinheit EMW weist eine dritte Teilenergiequelle TEQ3 auf. Die dritte Teilenergiequelle TEQ3 ist extern mit dem dritten Anschluss VSUP3 und dem vierten Anschluss VSUP4 verschaltet. Die dritte Teilenergiequelle TEQ3 weist eine dritte Teilquelle VQ3 und die zweite Teilquelle VQ2 auf. Die dritte Teilquelle VQ3 weist wenigstens eine dritte Diode – nicht dargestellt – auf und ist stapelförmig monolithisch auf der zweiten Teilquelle VQ2 angeordnet. Die dritte Diode der dritten Teilquelle VQ3 weist eine größere Bandlücke als anderen Dioden D1 und D2 auf.
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Die weitere Sendeeinheit SW weist eine dritte Sendediode SD3 auf. Die dritte Sendediode SD3 weist eine zu den beiden anderen Sendedioden SD1 und SD2 eine verschiedene dritte Lichtwellenlänge L3 auf. Vorzugsweise ist die dritte Lichtwellenlänge L3 kürzerwellig als die beiden anderen Lichtwellenlängen L1 und L2. Die dritte Sendediode SD3 beleuchtet ausschließlich die weitere Empfangseinheit EMW.
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Die beiden elektrischen Anschlüsse der zweiten Teilenergiequelle TEQ2 der Empfangseinheit EM sind mit den beiden Anschlüssen der dritten Sendediode SD3 verschaltet, d. h. die dritte Sendediode SD3 beleuchtet nur die weitere Empfangseinheit EMW, wenn die zweite Teilenergiequelle TEQ2 ausreichend Energie liefert. Die Anschlüsse der zweiten Teilenergiequelle TEQ2 und der dritten Sendediode SD3 sind nur innerhalb des Optokopplers OPK verfügbar.
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Die zwei elektrischen Anschlüsse VSUP1 und VSUP2 der ersten Teilenergiequelle TEQ1 sind extern verfügbar. Die externen Anschlüsse der Empfangseinheit EM für die beiden Sendedioden SD1 und SD2 sind nicht dargestellt.
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Die dritte Teilenergiequelle TEQ3 liefert an den Ausgängen VSUP3 und VSUP4 nur dann einen Strom wenn die zweite Teilquelle VQ2 und die dritte Teilquelle VQ3 gleichzeitig beleuchtet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4996577 [0002]
- US 2006/0048811 A1 [0002]
- US 8350208 B1 [0002]
- WO 2013/067969 A1 [0002]
- US 4127862 [0003]
- US 6239354 B1 [0003]
- DE 102010001420 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Nader M. Kalkhoran, et al, ”Cobalt disilicide intercell ohmic contacts for multijunction photovoltaic energy converters”, Appl. Phys. Lett. 64, 1980 (1994) [0003]
- A. Bett et al, ”III-V Solar cells under monochromatic illumination”, Photovoltaic Specialists Conference, 2008, PVSC '08. 33rd IEEE, Seite 1–5, ISBN: 978-1-4244-1640-0 [0003]
