DE1514830B2 - Optoelektronische, integrierte halbleiterschaltung - Google Patents

Description

mit der Erde 39 verbunden, während der Kollektor 67 dieses Transistors über einen Widerstand 70 mit der Versorgungsspannung B+ verbunden ist, mit der der Kollektor 63 des Transistors 60 direkt verbunden ist. Die Transistoren 60 und 64 sind als npn-Transistoren dargestellt. Es könnten aber auch pnp-Transistoren verwendet werden. Zwischen dem Kollektor 67 des Transistors 64 und der Basis 62 des Transistors 60 ist ein Rückkopplungszweig mit einem Widerstand 68 vorgesehen. Der Rückkopplungszweig sorgt für eine Gegenkopplung zwischen dem einen Ausgang 37 der Halbleiterschaltung (der andere Ausgang 38 liegt auf Bezugspotential) und dem Eingang der Verstärkerschaltung, d. h. der Basis 62 des Transistors 60. Die lichtempfindliche Diode 4 liegt zwischen der Basis 62 und Erde 39 und ist so gepolt, daß sie bei ausgeschalteter Lichtquelle in Sperrichtung vorgespannt ist. Mit Hilfe der beiden Transistoren 60, 64 wird eine gute Verstärkung des Eingangssignals an der Basis 62 des Transistors 60 erreicht, während gleichzeitig der sogenannte Millereffekt bei der Ladung eines Kondensators mit dem Photostrom unterdrückt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Transistoren als Emitterfolger arbeiten. Zusätzlich wird durch die Gegenkopplung erreicht, daß auf einen hohen Widerstandswert des als Vorspannungs- oder Lastwiderstand dienenden Widerstandes 70 verzichtet werden kann. Schließlich ist die Schaltung aber auch so ausgelegt, daß die Transistoren 60, 64 nicht ein- und ausgeschaltet werden, sondern lediglich in einen stärker oder schwächer leitenden Zustand gesteuert werden, so daß eine wesentlich verbesserte Ansprechzeit erreicht wird.

Im einzelnen ist der Widerstandswert des Widerstandes 68 vergleichsweise gering und beträgt beispielsweise 20 kOhm, während der Widerstandswert des Widerstandes 70 beispielsweise bei 4 bis 5 kOhm liegt. Dies bedeutet, daß lediglich wenige μΑ oder sogar weniger als 1 μΑ durch den Widerstand 68 zu der Basis des Transistors 60 fließen, um diesen leitend zu halten, während am Kollektor des Transistors 64 ein Strom von einigen mA fließt. Dies wird durch die als Gegenkopplung ausgebildete Rückkopplung erreicht. Bei abgeschalteter Lichtquelle wird die lichtempfindliche Diode 4 mit einer Spannung in Sperrichtung vorgespannt, die gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 60 und 64 ist. Die Rückkopplungsspannung über den Widerstand 68 ist bei eingeschalteter Lichtquelle dem von der lichtempfindlichen Diode 4 erzeugten Photostrom proportional und entgegengesetzt, so daß der Photostrom die Betriebsbedingungen, d. h. die Leitfähigkeit der beiden Transistoren 60,64 nur schwach verändert. Hierdurch wird eine lineare Verstärkung des Photostromes erreicht, ohne daß die Transistoren 60, 64 ein- und ausgeschaltet würden. Außerdem verhindert die über den Widerstand 68 gegengekoppelte Spannung, daß an die Diode 4 eine überhöhte Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, welche eine entsprechende Aufladung der Diodenkapazität zur Folge hätte. In der Praxis wird die Halbleiterschaltung tatsächlich so ausgelegt, daß die lichtempfindliche Diode 4 auch bei eingeschalteter Lichtquelle noch in Sperrichtung vorgespannt ist, jedoch schwächer als bei abgeschalteter Lichtquelle. Auf diese Weise wird erreicht, daß beim Abschalten der Lichtquelle die Halbleiterschaltung sehr schnell ihre ursprünglichen Betriebsbedingungen erreicht, da in der Diodenkapazität lediglich eine geringe Ladung gespeichert ist, welche schnell abgeleitet wird. Andererseits kann an den Ausgängen 37 und 38 der Halbleiterschaltung aufgrund der linearen Verstärkung des Photostroms ein verhältnismäßig hoher Ausgangsimpuls abgegriffen werden, wenn den Eingängen 8,9 ein Impuls 14 zugeführt wird.

F i g. 2 zeigt eine ausgehend von der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 1 ergänzte Halbleiterschaltung, bei der zwischen dem Widerstand 70 und dem Kollektor 67 des Transistors 64 eine Diode 72 liegt, deren Kathode mit dem Kollektor 67 verbunden ist. Außerdem kann zwischen der Diode 72 und dem Widerstand 70 ein kleiner Widerstand 74 zur feinen Spannungsjustierung vorgesehen sein. Die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 72 verringert das Potential zwischen den Ausgängen 37 und 38. Der Widerstandswert des Widerstandes 74, welcher normalerweise unter 100 Ohm liegt, wird so gewählt, daß das Potential zwischen den Ausgängen bzw. zwischen dem Ausgang 37 und Erde 39 auf den gewünschten Wert korrigiert wird. Das Potential am Ausgang 37 kann somit ausreichend klein gehalten werden, um der Basis 82 eines Transistors 80 einen Basisstrom von wenigen μΑ oder weniger zuzuführen. Der Kollektor 83 des Transistors 80 ist über einen Widerstand 84 mit der Versorgungsspannung B + verbunden. Wenn optische Strahlung aus der Lichtquelle die Diode 4 erreicht, steigt die Spannung am Kollektor des Transistors 64 an und erhöht den Basisstrom des Transistors 80, welcher zuvor ausgeschaltet war, derart, daß dieser kräftig leitet und gegebenenfalls sogar in die Sättigung getrieben wird. Die Spannung am Kollektor 83 des Transistors 80 ändert sich folglich zwischen nahezu der Versorgungsspannung B+ und einer sehr niedrigen Spannung (wenn der Transistor 80 leitet). Die Potentialdifferenz am Kollektor 83 kann so eingestellt werden, daß über diesen Kollektor weitere Verstärkerstufen mit geeigneten Vorspannungen betrieben werden können. Beispielsweise kann der Kollektor 83 des Transistors 80 mit der Basis 88 eines weiteren als Emitterfolger geschalteten Transistors 86 verbunden sein, dessen Kollektor an der Versorgungsspannung ß-f und dessen Emitter 87 über einen Vorwiderstand 90 mit Erde verbunden ist.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 wird dann das Ausgangssignal an den Anschlüssen 91, 92 abgegriffen, welche mit den beiden Enden des Vorwiderstandes 90 verbunden sind. Insgesamt wird bei der Schaltung gemäß Fig.2 durch die Diode 72 und gegebenenfalls den Widerstand 74 erreicht, daß für nachgeschaltete Verstärkerstufen am Kollektor 67 des Transistors 64 eine geeignete Spannung zur Verfügung steht. Dabei kann, wie dies in Fig.9 gezeigt ist, die Diode 72 ein Transistor mit einem Emitter 76, einem Kollektor 77 und einer Basis 78 sein, die unmittelbar mit dem Kollektor 77 verbunden ist, so daß die Diode 72 durch die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors gebildet ist.

Obwohl bei den Schaltungen gemäß F i g. 1 und 2 die Widerstandswerte relativ gering sind, ergibt sich für den größten Widerstand 68 beim Aufbau dieser Schaltung als integrierte Halbleiterschaltungen doch noch eine beträchtliche Länge des Widerstandes 68, die dazu zwingt, diesen Widerstand mäanderförmig in das Halbleitermaterial einzudiffundieren. wie dies Fig.4 zeigt, wo das Halbleitermaterial mit dem Bezugszweichen 100 bezeichnet ist und wo der Widerstand 68 mit Zuleitungen 101 und 102 versehen ist. Da der Widerstand 68 auf einem anderen Potential liegt als das Halbleitermaterial 100, welches mit Erde 39 verbunden ist, ergibt sich aufgrund der Abmessungen des

Widerstandes 69 eine erhebliche Kapazität, wie dies in dem Ersatzschaltbild des Widerstandes 68, welches F i g. 5 zeigt, dargestellt ist. In diesem Ersatzschaltbild ist die Kapazität als Kondensator 104 eingezeichnet, dessen eine Elektrode über das Halbleitermaterial 100 mit Erde 39 verbunden ist. Bei höheren Frequenzen führt das Vorhandensein der Kapazität 104 dazu, daß die hochfrequenten Ströme, beispielsweise im Bereich von einigen MHz, welche durch den Widerstand 68 rückgekoppelt werden sollen, durch den Kondensator 104 gegen Erde 39 kurzgeschlossen werden. Außerdem hat der Kondensator 104 zur Folge, daß die Ausgangsimpulse 95 der Schaltung gemäß F i g. 2 im Bereich der Vorder- und der Rückflanke überlagerte Schwingungen 106, 108 aufweisen, wie dies Fig. 6 zeigt, was dann störend ist, wenn die volle Höhe des Ausgangsimpulses 95 ausgenutzt werden soll.

Bei der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 7 wird dieses Problem bei höheren Frequenzen mittels eines Kondensators 114 vermieden. Dieser Kondensator 114 liegt zwischen dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 112, 113, welche zusammen den Kollektorwiderstand des Transistors 64 bilden, einerseits und dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 110 und 111, welche zusammen den Widerstand 68 im Rückkopplungszweig bilden, andererseits. Die Widerstände 110, 111 sowie 112, 113 können jeweils als ein durchgehender Halbleiterwiderstand ausgebildet sein und an einer geeigneten Stelle einen Anschluß für den Kondensator besitzen. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 112 und 113 gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 111 und 110. Wenn beispielsweise der Widerstand 112 einen Widerstandswert von 1000 0hm und der Widerstand 113 einen Widerstandswert von 4000 Ohm aufweist, was einem Verhältnis von 1 :4 entspricht, und einem Gesamtwiderstandswert des Widerstands 70 von 5000 Ohm, dann würde der Widerstandswert des Widerstandes 111 bei 4000 0hm und derjenige des Widerstandes 110 bei 16000 0hm liegen, wenn der Gesamtwiderstandswert des Widerstandes 68 im Rückkopplungszweig 20 kOhm beträgt. Die Kapazität des Kondensators 114 liegt normalerweise bei etwa 25 pF. Für den Betrieb bei Bleichspannung oder Niederfrequenz ist der Kondensator 114 im wesentlichen unwirksam. Die Halbleiterschaltung gemäß F i g. 7 arbeitet somit ebenso wie die Halbleiterschaltung gemäß Fig. 2 in diesem Frequenzbereich. Bei höheren Frequenzen werden Betrieb die Widerstände 110 und 113 infolge der geringer werdenden Impedanz des Kondensators 114 zunehmend kurzgeschlossen, so daß bei hohen Freuqnzen nur doch die Widerstände 112 und 111 wirksam sind. Dies hat zur Folge, daß die wirksame Länge des Widerstandes 68 bei hohen Frequenzen bei den angegebenen Widerstandsverhältnissen auf V₅ reduziert ist, wodurch auch die Kapazität 104 auf V5 verringert wird. Andererseits wird das Widerstandsverhältnis des Rückkopplungswiderstandes und des Kollektorwiderstandes bei Betrieb mit höheren Frequenzen aufrechterhalten und damit die gleiche Wirkungsweise wie bei der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 2, mit dem Unterschied, daß ein Überschwingen an den Flanken der Ausgangsimpulse nicht mehr auftritt.

Bei sehr hohen Frequenzen tritt bei der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 2 ein weiteres Problem auf. Das Schwanken der an der Basis des Transistors 80 wirksamen Potentialdifferenz zwischen den Ausgängen 37 und 38 kann ausreichen, um den Transitor 80 beim Auftreffen von Strahlungsenergie auf die lichtempfindliche Diode 4 in die Sättigung zu treiben. Daraus ergibt sich, daß dann, wenn Jie Lichtquelle abgeschaltet wird, für das Abschalten des Transistors 80 eine beträchtliche Nachlaufzeit erforderlich ist, um den Ladungsträgerüberschuß aus dem Transistor 80 abfließen zu lassen und diesen endgültig zu sperren.

F i g. 8 zeigt die erwünschte Zuordnung eines Ausgangsimpulses 95 zu einem Eingangsimpuls 14, wobei zu beachten ist, daß das verzögerte Auftreten der Vorderflanke des Ausgangsimpulses 95 etwa gleich dem verzögerten Auftreten der Rückflanke desselben ist, so daß sich insgesamt für den Ausgangsimpuls 95 im wesentlichen die gleiche Länge ergibt, wie für den Eingangsimpuls 14. Wird jedoch der Transistor 80 in die Sättigung getreiben, dann ergeben sich die in F i g. 9 gezeigten Verhältnisse, wo die Rückflanke des Ausgangsimpulses 95 gegenüber der Rückflanke des Eingangsimpulses 14 wesentlich stärker verzögert ist als die Vorderflanke des Ausgangsimpulses 95, so daß dieser insgesamt eine gegenüber dem Eingangsimpuls 14 stark vergrößerte Länge aufweist. Um eine solche unerwünschte Verlängerung der Ausgangsimpulse 95 zu vermeiden, ist es zunächst einmal erforderlich, daß der Transistor 80 nicht in die Sättigung gesteuert wird. Zusätzlich sind aber, wie weiter unten ausgeführt, noch weitere Maßnahmen wünschenswert.

In Fig. 10 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer Halbleiterschaltung gemäß der Erfindung gezeigt, bei welcher eine Sättigung des Transistors 80 verhindert und zusätzlich eine sehr schnelle Ansprechzeit bei sehr hohen Frequenzen erreicht wird. Zu diesem Zweck ist bei der Schaltung gemäß Fig. 10, welche im übrigen der Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht, zwischen den Kollektoren der Transistoren 80 und 64 eine Diode 130 in Form eines Transistors vorgesehen, dessen Basis 131 unmittelbar mit seinem Kollektor 132 verbunden ist, so daß seine Basis-Emitter-Strecke als Diode wirkt, wobei der Emitter 133 unmittelbar mit der Basis des Transistors 86 verbunden ist. Außerdem ist in der Schaltung gemäß Fig. 10 die Diode 72 durch einen Transistor 72 mit einem Widerstand 136 zwischen Kollektor 77 und Basis 78 ersetzt. Der Transistor 72 arbeitet nun im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Fig.3 wegen des Widerstandes 136 tatsächlich als Transistor, bewirkt aber andererseits ebenso wie die Diode 72 der Schaltung gemäß Fig. 2, den erforderlichen Spannungsabfall, weshalb das Bezugszeichen beibehalten wurde. Die Halbleiterschaltung gemäß Fig. 10 arbeitet wie folgt: die Diode 130 ist nichtleitend, wenn der Transistor 80 gesperrt ist, da in diesem Fall zwischen dem Emitter 133 und der Basis 131 eine Sperrspannung anliegt. Wenn der Transistor 80 jedoch eingeschaltet wird und damit sein Kollektorpotential unter das Potential an der Basis 131 der Diode 130 abfällt, wird diese leitend und bildet einen Rückkopplungspfad vom Kollektor 83 des Transistors 80 zu dem Kollektor des Transistors 64, und zwar über den Transistor 72, der eine Doppelfunktion besitzt. Erstens wirkt der Transistor 72 mit seiner Basis-Emitter-Strecke als Emitterfolger und ist ständig leitend. Wenn Strahlungsenergie auf die lichtempfindliche Diode 4 auftrifft und folglich das Kollektorpotential des Transistors 64 ansteigt, wodurch der Transistor 80 leitend wird, dann wird gegebenenfalls auch der Transistor 130 leitende, wenn die Kollektorspannung des Transistors 80 abfällt. Dieser Spannungsabfall wird an der Basis 78 des Transistors 72 wirksam, dessen

Emitter 76 dieser Spannung folgt, wie dies auch bezüglich der Kollektorspannung des Transistors 64 der Fall ist. Durch die betrachtete Gegenkopplung werden somit die Kollektorspannung des Transistors 64 und damit die Basisspannung des Transistors 80 auf Werten gehalten, die klein genug sind, um eine Sättigung des Transistors 80 zu verhindern. Wie oben erläutert, bewirkt bei der Schaltung gemäß Fig.2 ein Ansteigen des Kollektorpotentials des Transistors 64 eine entsprechende Gegenkopplungsspannung an der Basis des Transistors 60. Bei der Schaltung gemäß Fig. 10 wird nunmehr die Spannung am Kollektor des Transistors 64 auf einem vorgegebenen Wert gehalten. Die zweite Funktion des Transistors 72 besteht somit darin, daß der Spannungsanstieg an seinem Kollektor 77 an die Stelle des Spannungsanstiegs am Kollektor des Transistors 64 tritt. Dies wird durch die Verstärkung über die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 72 erreicht, dessen Kollektor und Basis über den Widerstand 136 verbunden sind. Somit wird einerseits die erwünschte Gegenkopplung auf die Basis des Transistors 60 aufrechterhalten, während gleichzeitig verhindert wird, daß der Transistor 80 in die Sättigung gesteuert wird.

Die Schaltung gemäß Fig. 10 kann noch weiter verbessert werden, wie dies F i g. 11 zeigt, indem ein Widerstand 140 zwischen die Basis 131 des Transistors 130 und den Verbindungspunkt der Widerstände 113 und 74 eingefügt wird. Hierdurch wird erreicht, daß nunmehr auch der in der Schaltung gemäß Fig. 10 als Diode geschaltete Transistor 130 als Transistor arbeitet, wodurch unerwünschte Kapazitäten unterdrückt werden, welche die Ansprechzeit aufgrund des Millereffektes des Transistors 72 und insbesondere des Transistors 80 verringern könnten. Wenn der Transistor 130 als Diode geschaltet ist, rgibt sich eine unerwünschte Emitter-Basis-Kapazität, welche an dem Kollektor des Transistors 64 als eine äquivalente Kapazität wirksam ist, deren Wert gleich dem Produkt der Emitter-Basis-Kapazität, der Spannungsverstärkung des Transistors 80 und der Stromverstärkung des Transistors 72 ist. Durch Einfügen des Widerstandes 140 zwischen die Basis des Transistors 130 und den Kollektor des Transistors 72 wirkt nunmehr jedoch die Basis 131 als Abschirmung, welche eine Aufladung der Kapazität des Transistors 130 verhindert. Der Widerstandswert des Widerstandes 140 liegt beispielsweise bei etwa 2000 Ohm, was ausreichend hoch ist, um einen wesentlichen Stromfluß zu verhindern, jedoch niedrig genug, um die Abschirmwirkung zu erzielen.

Die Halbleiterschaltung, deren Schaltbild in F i g. 11 gezeigt ist und die als Breitband-Gleichstrom-Impulsverstärker ausgebildet ist, kann in der Praxis als eine Halbleiterschaltung aufgebaut sein, wie sie in der F i g. 12 in Draufsicht und in der Fig. 13 im Längsschnitt dargestellt ist. Dabei ist zu beachten, daß in der Draufsicht gemäß Fig. 12 die Lichtquelle 2 der Deutlichkeit wegen nicht dargestellt ist, so daß die lichtempfindliche Diode 4 sichtbar ist, während die Lichtquelle 2 in Fig. 13 im Schnitt gezeigt ist. Im einzelnen zeigt Fig. 13 eine Lichtquelle2 in Form einer Halbleiterdiode, welche aus Galliumarsenid oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, wobei beim Ausführungsbeispiel davon ausgegangen werden soll, daß die Lichtquelle 2 aus einem η-leitenden Blättchen 152 aus Galliumarsenid besteht, welches die Kathode bildet, in welche eine p-leitende Verunreinigung eindiffundiert ist, um einen p-leitenden Anodenbereich 154 zu bilden. An dem Anodenbereich 154 ist eine Elektrode 155 und an dem Kathodenbereich 152 eine Elektrode 156 angebracht, wobei die beiden Elektroden mit den Eingängen 8 bzw. 9 verbunden sind.

Wenn an die Eingänge 8, 9 ein Spannungsimpuls in Durchlaßrichtung angelegt wird, erzeugt die Lichtquelle 2 eine Strahlung, welche eine normalerweise im Infrarotbereich liegende Wellenlänge λ aufweist und im übrigen vom Material der Lichtquelle 2 abhängig ist. Die Strahlung durchdringt den η-leitenden Kathodenbereich 152. Die Lichtquelle 2 ist über der lichtempfindlichen Diode 4 angeordnet, welche ihrerseits in einem Halbleiterplättchen 40 ausgebildet ist, welches normalerweise aus p-leitendem Silizium besteht. Die Lichtquelle 2 ist von dem Halbleiterplättchen 40 durch eine Schicht aus optisch transparentem Material 158 bzw. aus einer geeigneten Glasverbindung getrennt. Das Material des Halbleiterplättchens 40 bildet die Anode 34 der lichtempfindlichen Diode 4, deren Kathode 33 durch Eindiffundieren einer n-leitenden Verunreinigung in das Halbleiterplättchen gebildet wird. Vorzugsweise ist zur Vermeidung einer unerwünschten Kapazität zwischen einem Erdanschluß 9 der Lichtquelle 2 und der Kathode 33 der Diode 4 eine Abschirmung in Form eines p-leitenden Bereichs 160 vorgesehen, der die Kathode 33 überdeckt und eine Fortsetzung der Anode 34 bildet. Der p-leitende Bereich 160 wird durch Eindiffundieren einer p-leitenden Verunreinigung in die Oberfläche der Kathode 33 und der angrenzenden Teile des Halbleiterplättchens 40 erzeugt. Bei dieser Diffusion wird lediglich ein schmaler Kanal 162 ausgespart, in welchen anschließend eine η-leitende Verunreinigung eindiffundiert wird, um einen schmaleren n+-leitenden Bereich 164 zu schaffen, welcher bis zu der η-leitenden Kathode 33 reicht und eine elektrische Verbindung mit dieser herstellt. Am äußeren Ende des n + -leitenden Bereichs 164 ist eine Elektrode 170 für die Kathode 33 der lichtempfindlichen Diode 4 vorgesehen. Auf der Oberseite des Halbleiterplättchens 40 wird eine Siliziumoxidschicht 166 gebildet, welche den Kanal 162 überdeckt, im übrigen jedoch eine kreisförmige Aussparung aufweist, deren Rand im Abstand von der Abschirmung 160 verläuft. Anschließend wird über der Oxidschicht 166 eine Elektrode 168 erzeugt, welche die Kathode 33 umgibt und den Kanal 162 überdeckt. Die Elektrode 168 besteht vorzugsweise aus Aluminium, ebenso wie die Elektrode 170 für die Kathode 33.

Die η-leitende Kathode 33 liegt nahezu vollständig innerhalb der p-leitenden Bereiche 34 und 160. Da das Halbleiterplättchen 40, welches Anode Anode 34 bildet, normalerweise an das niedrigste Potential innerhalb der Schaltung angeschlossen ist, beispielsweise an Erde 39, wird die Kathode 33 gegenüber jeglichen Signalen elektrostatisch abgeschirmt, welche infolge der Kapazität zwischen der Lichtquelle 2 und der Diode 4 eingekoppelt werden könnten.

Wie Fig. 12 zeigt, ist die Kathode 33 der Diode 4 mit einem kleinen Widerstand 180 von etwa 1000 Ohm verbunden, welcher einstückig mit dem Widerstand 111 ausgeführt ist. Die Anode 34 der Diode 4, welche durch den Grundkörper des Halbleiterplättchens 40 gebildet wird, ist an Erde 39 angeschlossen. Der Widerstand 111 bildet einen Teil des Rückkopplungswiderstandes 68 und ist einstückig mit dem Widerstand 110 ausgeführt, welcher den anderen Teil des Rückkopplungswiderstandes 68 bildet. Der Widerstand 110 ist über eine Metallelektrode 184 außerdem mit dem kleinen

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Widerstand 74 verbunden. Zwischen den Widerständen 110, 111 liegt eine Elektrode 186, welche mit ihrem anderen Ende an eine Elektrode 120 des Kondensators 114 angeschlossen ist. Die andere Elektrode 121 des Kondensators 114 ist über eine Elektrode 188 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 112 und 113 verbunden, wobei das andere Ende des Widerstandes 112 mit der Versorgungsspannung B+ über Elektroden 190, 120 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 113 ist mit dem Widerstand 110 und dem Widerstand 74 über eine Elektrode 192 verbunden. Die Kathode 33 der Diode 4 ist außerdem mit der Basis 62 des Transistors 60 über eine Elektrode 164 und den Widerstand 180 verbunden. Eine Elektrode 196 verbindet den Kollektor 63 des Transistors 60 mit der Elektrode 200 und mit der Versorgungsspannung B+, während eine Elektrode 198 den Emitter 61 des Transistors 60 mit der Basis 66 des Transistors 64 verbindet. Eine Elektrode 204 verbindet den Emitter 65 des Transistors 64 über eine Elektrode 202 mit Erde 39, während eine Elektrode 206 den Kollektor 67 des Transistors 64 mit dem Emitter 76 des Transistors 72 verbindet. Das untere Ende des Widerstandes 74 ist mit dem Kollektor 77 des Transistors 72 über eine Elektrode 208 verbunden, welche auch den Widerstand 74 mit einem Ende des Widerstandes 116 verbindet. Das andere Ende des Widerstandes 116 ist über eine Elektrode 210 mit dem Kollektor 114 des Transistors 112 und der Basis 78 des Transistors 72 verbunden. Die Elektrode 206 verbindet auch den Kollektor 67 des Transistors 64 mit dem Emitter 76 des Transistors 72 und mit der Basis 82 des Transistors 80. Eine weitere Elektrode 212 verbindet den Emitter 81 des Transistors 80 mit Erde 39. Der Kollektor 83 des Transistors 80 ist mit dem Emitter 133 des Transistors 130, einem Ende des Widerstandes 84 und der Basis 88 des Transistors 86 über eine Elektrode 214 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 84 ist über eine Elektrode 216 mit der Versorgungsspannung B+ verbunden. Der Emitter 87 des Transistors 86 ist mit Hilfe einer Elektrode 218 an ein Ende des Widerstandes 90 und an den Ausgangsanschluß 91 angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 90 ist mit Erde 39 über eine Elektrode 220 verbunden. Schließlich verbindet die Elektrode 222 den Kollektor 89 des Transistors 86 mit der Versorgungsspannung B+.

Obwohl in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 13 nicht alle integrierten Bauteile sichtbar sind, erkennt man dennoch die wesentlichen Bauteile. Beispielsweise sind die Widerstände 110 und 111 erkennbar, welche den Rückkopplungswiderstand 68 bilden und welche innerhalb des Halbleiterplättchens 40 durch selektives Eindiffundieren einer η-leitenden Verunreinigung gebildet sind, wobei gemäß Fig.4 ein mäanderförmiges Muster eindiffundiert wird. Der Widerstandswert des eindiffundierten Bereiches ist so gewählt, daß er verhältnismäßig hoch ist, so daß insgesamt ein hoher Widerstand erhalten wird. In Fig. 13 ist auch der Kondensator 114 sichtbar, welcher durch drei Diffusionsvorgänge in folgender Weise hergestellt wird: eine ^fo η-leitende Verunreinigung wird selektiv im Bereich einer Öffnung der Oxidschicht 166 eindiffundiert und bildet einen Bereich 121. Darauf wird eine p-leitende Verunreinigung in den Bereich 121 eindiffundiert, so daß sich ein p-leitender Bereich 120 ergibt. Schließlich wird eine η-leitende Verunreinigung in einen Teil des p-leitenden Bereiche 120 eindiffundiert, wobei ein Bereich 122 erhalten wird, welcher mit dem Bereich 121 zusammenhängt, sich aber nicht völlig über den Bereich 120 erstreckt. Somit wirken die Bereiche 121 und 122 als eine Elektrode des Kondensators, während der Bereich 120 als die andere Elektrode dieses Kondensators wirkt. Der Bereich 120 ist mit einer Elektrode 186 kontaktiert, welcher eine Öffnung in der Oxidschicht 166 durchgreift. In ähnlicher Weise ist der η-leitende Bereich 122 mittels einer Elektrode 188 kontaktiert, die ebenfalls eine Öffnung in der Oxidschicht 166 durchgreift. Ein pn-Übergang 230 zwischen dem Bereich 121 und dem Halbleiterplättchen 40 isoliert den Kondensator 114 elektrisch gegenüber dem Halbleiterplättchen 40.

Im Gegensatz zu den Widerständen 110, 111, welche durch einfache Diffusion hergestellt werden, wird der Widerstand 116 durch eine Doppeldiffusion erzeugt. Im einzelnen wird zunächst eine η-leitende Verunreinigung in das Halbleiterplättchen 40 eindiffundiert und bildet einen Bereich 232, welcher von dem Halbleiterplättchen 40 elektrisch durch einen pn-Übergang 233 isoliert ist. In den Bereich 232 wird dann eine p-leitende Verunreinigung eindiffuniert, so daß sich ein kleinerer p-leitender Bereich 234 ergibt, welcher gegenüber dem Bereich 232 elektrisch durch einen pn-Übergang 235 isoliert ist. In , der Oxidschicht 166 sind Aussparungen vorgesehen, so daß die Enden des den Widerstand bildenden Bereichs 234 mittels Elektroden 208 bzw. 210 kontaktiert werden können. An die Elektroden 208, 210 kann nunmehr eine beliebige, vom Bezugspotential abweichende Spannung angelegt werden, da der pn-Übergang 233 als Isolation wirkt und den Widerstand 116 elektrisch gegenüber dem Halbleiterplättchen 40 isoliert. Andererseits dürfen an die Widerstände 110, 111 nur Spannungen angelegt werden, welche gegenüber Erde 39 positiv sind, damit der pn-Übergang zwischen diesen Widerständen und dem Halbleiterplättchen 40 in Sperrichtung vorgespannt wird. Fig. 13 zeigt auch eine Stirnansicht des Widerstandes 90, welcher ähnlich wie der Widerstand 116 ausgelegt ist. Man erkennt einen n-leitenden Bereich 214, welcher von dem Halbleiterplättchen 40 durch einen pn-Übergang 241 getrennt ist. Ein schmalerer p-leitender Bereich 242 ist von dem η-leitenden Bereich 240 durch einen pn-Übergang 242 getrennt. Der Bereich 242 wirkt als Widerstand, wie dies oben beschrieben wurde. Schließlich ist auch der Transistor 130 im Schnitt dargestellt, dessen Kollektor durch einen η-leitenden Bereich 132, dessen Basis durch einen p-leitenden Bereich 131 und dessen Emitter durch einen η-leitenden Bereich 133 gebildet wird, in drei aufeinanderfolgenden Diffusionsschritten hergestellt werden. Die einzelnen Bereiche des Transistors 130 sind mit Elektroden verbunden, welche öffnungen in der Oxidschicht 166 durchgreifen, wie dies für die Elektrode 214 des Emitters 133 dargestellt ist.

Fig. 14 zeigt eine weitere abgewandelte Halbleiterschaltung. Auch bei dieser Halbleiterschaltung, die als Differenzverstärker aufgebaut ist, ist wieder eine Rückkopplung vorgesehen, wodurch die gleiche schnelle Ansprechzeit erreicht wird, die in Verbindung mit den vorstehend erläuterten Schaltungen erreicht wird. Im einzelnen ist bei der Schaltung gemäß F i g. 14 die obere Hälfte identisch mit der Schaltung gemäß F i g. 2, und es ist eine mit der oberen Hälfte identische untere Hälfte vorgesehen, welche einen Transistor 264 enthält, dessen Emitter an die Basis eines zweiten Transistors 266 angeschlossen ist. Eine weitere lichtempfindliche Diode 260 liegt zwischen der Basis des Transistors 264 und dem negativen Pol B- der Versorgungsspannung, während ein Rückkopplungswiderstand 262 zwischen

dieser Diode 260 und dem Kollektor des Transistors 266 liegt. Der Kollektor des Transistors 266 ist über einen Widerstand 268 mit Erde 39 verbunden.

Die Emitter der beiden Transistoren 64 und 266 sind gemeinsam über einen Widerstand 270 mit dem negativen Pol B- der Versorgungsspannung verbunden, während die Kollektoren dieser Transistoren über zugeordnete Widerstände an ein positiveres Potential, d. h. an den positiven Pol B- der Versorgungsspannung bzw. an Erde 39, angeschlossen sind. Das Licht für die Dioden 4 und 260 wird von getrennten Lichtquellen 2 bzw. 2' erzeugt und die Ausgangsspannungen der beiden Dioden 4, 260 werden an den Kollektoren der Transistoren 64 bzw. 266 wirksam. Von diesen Kollektoren werden die Ausgangssignale abgegriffen, um in weiteren Transistoren 272 bzw. 280 weiter verstärkt zu werden, die dem Transistor 80 der Schaltung gemäß F i g. 11 entsprechen. Die Emitter der Transistoren 272, 280 sind mit dem negativen Pol B — der Versorgungsspannung über einen gemeinsamen Widerstand 282 verbunden. Die beiden Transistoren 272, 280 können somit im Gegentakt auf ein Differenzsignal ansprechen, ohne daß es auf die absolute Größe der Spannungen ankäme. Wie bei den vorstehend betrachteten Schaltungen wird als Endstufe wieder mit einem Emitterfolger gearbeitet, der durch einen Transistor 278 gebildet wird, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 272 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 278 liegt am positiven Pol B + der Versorgungsspannung, während sein Emitter über einen Widerstand 284 mit Erde 39 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 272 ist ebenfalls über einen Widerstand 274 mit dem positiven Pol B+ der Versorgungsspannung und außerdem über eine Diode 276 mit Erde 39 verbunden, wobei die Anode der Diode 276 an Erde 39 liegt. Die Ausgangsanschlüsse 285 und 286 des Verstärkers liegen an den Enden des Widerstands 284.

Der Kollektor des Transistors 272 ist nicht mit Erde verbunden, wie dies bei dem Kollektor des Transistors 280 der Fall ist, da das Ausgangssignal von diesem Punkt abgenommen wird. Wenn keine optische Strahlung vorhanden ist, dann ist die Summe der Ströme durch die Transistoren 272 und 280 verhältnismäßig konstant, was durch den Widerstand 282 erreicht wird, der mit dem negativen Pol B- der Versorgungsspannung verbunden ist. In diesem Fall wird der Strom annähernd gleichmäßig auf die beiden Transistoren aufgeteilt. Ferner ist die Diode 276 unter den genannten Bedingungen bei richtiger Wahl des Widerstandes 274 in Sperrichtung vorgespannt. Ein Eingangssignal bzw. ein Impuls an den Anschlüssen 8, 9 der Lichtquelle 2 bewirkt, daß der Transistor 272 einen größeren Anteil des über den Widerstand 282 fließenden Stroms übernimmt, während der Anteil des über den Transistor 280 fließenden Stroms verringert wird. Die Kollektorspannung des Transistors 272 sinkt damit auf einen solchen Wert ab, daß die Diode 276 leitend wird. Somit kann der Kollektor des Transistors 272 über Erde 39 einen solchen Strom ziehen, daß seine Sättigung verhindert wird. Der Transistor 280 wird offensichtlich nicht gesättigt, da sein Kollektor mit Erde 39 verbunden ist. Die umgekehrten Verhältnisse treten dann auf, wenn ein Eingangssignal an die Anschlüsse 8', 9' der Lichtquelle 2' angelegt wird. Bei der Schaltung gemäß Fig. 14 ist eine Gegenkopplung, wie sie bei der Schaltung gemäß F i g. 11 zwischen dem Transistor 80 und dem Kollektor des Transistors 64 vorgesehen ist, nicht erforderlich, da bei der Schaltung gemäß Fig. 14 die Rückkopplungszweige in den Eingangsstufen voll wirksam bleiben. Dies beruht darauf, daß Differenzsignale ausgewertet werden und daß in den Emitterkreisen der Transistoren 272 und 280 der Widerstand 282 liegt. Wenn folglich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal einer der Transistoren 272 bzw. 280 stärker leitet, begrenzt der Widerstand 282 den Emitterstrom und damit den Basisstrom. Dies ist bei der Schaltung gemäß F i g. 2, wo der Emitter des Transistors 80 an Erde 39 liegt, nicht der Fall. Eine Überlastung der vorangehenden Stufen ist bei der Schaltung gemäß Fig. 14 nicht möglich. Wenn nur ein einziger Eingang benötigt wird, kann die Lichtquelle 2' weggelassen und die Diode 260 durch einen Kondensator ersetzt werden, der etwa die gleiche Kapazität hat, wie der pn-Übergang der Diode 4. Hierdurch ergibt sich für die untere Hälfte der Schaltung die gleiche Frequenzcharakteristik wie für die obere Hälfte.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optoelektronische, integrierte Halbleiterschaltung mit einer Lichtquelle und einem damit optisch gekoppelten lichtempfindlichen Strahlungsempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Transistor (60) mit einem relativ geringen Verstärkungsfaktor vorgesehen ist, dessen Eingang (62) mit dem Ausgang des Strahlungsempfängers (4) verbunden ist, daß ein zweiter Transistor (64) mit einem relativ hohen Verstärkungsfaktor vorgesehen ist, der mit dem ersten Transistor (60) verbunden ist und durch diesen gesteuert wird und daß zwischen dem Ausgang des zweiten Transistors (64) und dem Eingang (62) des ersten Transistors (60) ein Gegenkopplungszweig (Widerstand 68) vorgesehen ist (F ig. 1).

2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger eine lichtempfindliche Diode (4) ist, welche in Sperrichtung vorgespannt ist.

3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (62) des ersten Transistors (60) mit dem einen Anschluß (Kathode 33) der lichtempfindlichen Diode (4) verbunden ist, daß der Emitter (61) des ersten Transistors (60) mit der Bais (66) des zweiten Transistors (64) verbunden ist, daß der Kollektor (63) des ersten Transistors (60) direkt und der Kollektor (67) des zweiten Transistors (64) über einen Widerstand (70) mit einem Pol (P+) der Versorgungsspannung verbunden ist, daß der andere Anschluß (Anode 34) der lichtempfindlichen Diode (4) und der Emitter (65) des zweiten Transistors (64) mit dem anderen Pol (Erde 39) der Versorgungsspannung verbunden sind und daß der Gegenkopplungszweig (Widerstand 68) zwischen der Basis (62) des ersten Transistors (60) und dem Kollektor (67) des zweiten Transistors (64) angeordnet ist.

4. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem ersten Gegenkopplungszweig (Widerstand 68) ein zweiter Gegenkopplungszweig vorgesehen ist, der zwischen einem Abgriff eines Lastwiderstandes (Widerstand 70) am Ausgang der Verstärkeranordnung (60, 64) und einem Abgriff im ersten Gegenkopplungszweig (Widerstand 68) liegt und dessen Impedanz sich umgekehrt proportional zur Frequenz des von der Halbleiterschaltung verarbeiteten Signals ändert (F i g. 7).

5. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer zweiten gleichartigen Halbleiterschaltung mit einem zweiten Strahlungsempfänger (Diode 260) zu einem Differenzverstärker (Fi g. 14) verbunden ist.

6. Halbleiterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektor (67) des zweiten Transistors (64) ein dritter Transistor (80) verbunden ist und daß zwischen dem Ausgang (Kollektor) des dritten Transistors (80) und dem Ausgang (Kollektor 67) des zweiten Transistors (64) ein zweiter Gegenkopplungszweig (72, 130) vorgesehen ist.

65 Die Erfindung betrifft eine optoelektronische, integrierte Halbleiterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optoelektronische Halbleiterschaltungen dieser Art sind beispielsweise aus der Zeitschrift »electronics«, Vol. 36,28.6.63, Seite 32 bis 34 bekannt.

Nachteilig an den bekannten Halbleiterschaltungen ist es, daß diese aufgrund der Kapazität des lichtempfindlichen Strahlungsempfängers eine relativ große Abschaltzeit besitzen, was bedeutet, daß der Strom durch den Strahlungsempfänger nur langsam abklingt, wenn der Lichtaustritt aus der Lichtquelle beendet wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische, integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, welche Änderungen der auf den Strahlungsempfänger auftreffenden Lichtmenge schnell und genau folgt und welche ein von der auf den Strahlungsempfänger auftreffenden Strahlungsenergie bzw. Lichtmenge, linear abhängiges verstärktes Ausgangssignal liefert.

Diese Aufgabe ist durch eine optoelektronische integrierte Halbleiterschaltung der eingangs beschriebenen Art gelöst, durch die Vereinigung der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. *

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

F i g. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform;

F i g. 2 eine ausgehend von der Halbleiterschaltung gemäß Fig. 1 erweiterte Halbleiterschaltung;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform einer Halbleiterschaltung gemäß F i g. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Widerstandes in einer integrierten Halbleiterschaltung;

F i g. 5 ein Ersatzschaltbild des Widerstandes gemäß F ig.4;

Fig. 6 ein Ausgangssignal der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 1;

F i g. 7 eine gegenüber der Halbleiterschaltung gemäß Fig. 1 abgewandelte Halbleiterschaltung;

Fig. 8 und 9 Impulsdiagramme zur Erläuterung des Verlaufs der Ein- und Ausgangssignale der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 2;

Fig. 10 und 11 weitere abgewandelte Ausführungsformen einer Halbleiterschaltung;

Fig. 12 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausge- * staltung der Halbleiterschaltung gemäß F i g. 11;

F i g. 13 einen Schnitt längs der Linie 13-13 in F i g. 12;

Fig. 14 ein Schaltbild eines Differenzverstärkers mit zwei Halbleiterschaltungen gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung.

Die in Fig. 1 gezeigte Halbleiterschaltung besitzt zwei Eingänge 8, 9, die mit den Anschlüssen einer als Lichtquelle dienenden Diode 2, insbesondere einer Galliumarsenid-Diode, verbunden sind, welcher über die Eingänge 8,9 Impulse 14 zugeführt werden. Die Diode 2 ist optisch mit einer als lichtempfindlicher Strahlungsempfänger dienden, lichtempfindlichen Diode 4 gekoppelt, wie dies durch einen Pfeil und das Zeichen λ angedeutet ist. Die Kathode 33 der Diode 4 ist mit der Basis 62 eines Transistors 60 verbunden, während die Anode 34 der Diode 4 mit Bezugspotential bzw. mit Erde 39 verbunden ist. Der Transistor 60 bildet einen ersten Halbleiterverstärker. Ein zweiter Halbleiterverstärker wird durch einen zweiten Transistor 64 gebildet, der nach Art einer Darlington-Schaltung mit dem Transistor 60 verbunden ist, wobei der Emitter 61 des Transistors 60 an die Basis 66 des Transistors 64 angeschlossen ist. Der Emitter 65 des Transistors 64 ist