DE2640832B2

DE2640832B2 - Elektroakustische vorrichtung zum lesen eines eindimensionalen optischen bildes

Info

Publication number: DE2640832B2
Application number: DE19762640832
Authority: DE
Inventors: Philippe Paris Munier Bernard Grenoble Defranould, (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-09-15
Also published as: FR2324061B1; US4084192A; FR2324061A1; GB1538516A; JPS5935545B2; JPS5236043A; DE2640832C3; DE2640832A1

Description

F₁+ F₂

ist und wobei ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Oberflächenschallwellen auf dem piezoelektri schen Substrat ist, und daß das Ausgangssigna! (S₅) die Frequenz Fi — F₂ hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Wandler (4, 5) angelegten elektrischen Signale (Si, S2) unterschiedliche Frequenzen Fi bzw. F₂ haben, daß die Übergänge in regelmäßigem Abstand längs einer zu der Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen auf dem piezoelektrischen Substrat (1) parallelen Richtung angeordnet sind, wobei die Teilung ρ dieses Abstandes gleich

ist und wobei ν die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwellen auf dem piezoelektrischen Substrat ist, und daß das Ausgangssignal (S₅) die Frequenz Fi +F₂ hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge PN-Übergänge sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge Schottky-Übergänge sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge Metall-Isolator-Halbleiter-Übergänge (16,15,2) sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur zusätzlichen äußeren Vorspannung der diskreten Übergänge, die sie in Sperrichtung vorspannen, so daß die Abmessungen ihrer Raumladungszonen (12; 14; 17) vergrößert werden.

F₁-F₂

Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Bei ihr werden zum Umwandeln der Lichtintensitätsdifferenzen eines abzutastenden Bildes in ein elektrisches Signal ein photoleitendes Halbleitersubstrat, das das optische Bild in ein elektrisches Bild umwandelt, und ein piezoelektrisches Substrat benutzt, das eine akustische Abtastung des auf dem Halbleiter vorhandenen elektrischen Bildes gestattet.

Die Vorrichtungen, bei welchen auf diese Weise Schallwellen, die sich an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ausbreiten, zum Lesen eines optischen Bildes ausgenutzt werden, das auf ein Halbleitersubstrat projiziert wird und dieses in Abhängigkeit von seiner Intensität mehr oder weniger leitend macht, sind bereits bekannt.

Zu den Parametern dieser Vorrichtungen, die man gegenwärtig zu verbessern trachtet, gehört ihre Empfindlichkeit. Je größer nämlich die Empfindlichkeit einer solchen Vorrichtung ist, um so passender werden die schwach leuchtenden Zonen eines optischen Bildes und die geringen Helligkeitsunterschiede in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Das ist für eine fehlerfreie Abtastung eines optischen Bildes selbstverständlich erforderlich.

Ziel der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Vorrichtung zu schaffen, mittels welcher sich diese Empfindlichkeit beträchtlich erhöhen läßt und gleichzeitig ein einfacher Aufbau und eine einfache Ausführbarkeit bewahrt werden.
Gemäß der Erfindung ist eine elektroakustische Vorrichtung zum Lesen eines eindimensionalen opti schen Bildes, mit einem lichtempfindlichen Halbleiter substrat, auf das das Bild projiziert wird; mit einem von dem Halbleitersubstrat durch eine dünne Luftschicht getrennten piezoelektrischen Substrat, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Substrate Wechselwirkungsflächen sind und eine Wechselwirkungszone begrenzen; mit zwei Wandlern, die in der Lage sind, an sie angelegte elektrische Hochfrequenzsignale in Oberflächenschallwellen umzu wandeln, und an dem einen bzw. dem anderen Ende der Wechselwirkungsfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet sind; mit Einrichtungen zum Anlegen eines Hochfrequenzsignals an jeden der beiden Wandler, so

daß die sich daraus ergebenden und sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden beiden Oberflächenwellen in einer Elementarzone des piezoelektrischen Substrats, die sich von einem Ende zu dem anderen seiner Wechselwirkungsfläche verschiebt, in nichtlineare Wechselwirkung treten, so daß eine akustische Abtastung der Wechselwirkungsione erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats diskrete Übergänge aufweist, die jeweils in der Nähe dieser Fläche des Halbieitersubstrats eine von Majoritätsträgern freie Raumladungszone erzeugen, und daß das elektrische Ausgangssignal an einer Elektrode, die auf der zu der Wechselwirkungsfläche entgegengesetzten Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, entsprechend der akustischen Abtastung gewonnen wird.

Weiterbildungen, Vorteile und Ergebnisse der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigt

Fi g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer bekannten elektroakustischen Lesevorrichtung,

Fig.2 eine schematische Schnittdarstellung einer verbesserten elektroakustischen Lesevorrichtung nach der Erfindung und die

F i g. 3 und 4 Schnittansichten eines Teils einer Lesevorrichtung, die eine Variante der Erfindung darstellt.

Die wesentlichen Elemente einer bekannten Lesevorrichtung sind in F i g. 1 schematisch dargestellt.

Ein piezoelektrisches Substrat 1, auf welchem sich Oberflächenwellen ausbreiten können, ist gegenüber einem lichtempfindlichen Halbleitersubstrat 2 angeordnet und von diesem durch eine dünne Luftschicht 3 getrennt. Die beiden Substrate haben die Form von in der Richtung xx' langgestreckten Plättchen. Die Richtung xx' ist die Richtung, in der ein auf das Halbleitersubstrat projiziertes optisches Bild (Pfeil L) abgetastet wird, von welchem auf diese Weise die verschiedenen Elementarzonen abgetastet werden, die sich längs der Achse xx'befinden.

In dem hier dargestellten Beispiel wird das optische Bild durch das Substrat 1 hindurch auf das Halbleitersubstrat 2 projiziert.

Eine solche Anordnung ist häufig, da im allgemeinen die zur Verfugung stehenden piezoelektrischen Materialien lichtdurchlässiger sind als die Halbleitermaterialien, Silicium beispielsweise. Somit ist die Nutzfläche des Halbleitersubstrats 2 diejenige seiner Flächen, die dem piezoelektrischen Substrat 1 gegenüberliegt. Die beiden einander gegenüberliegenden Flächen sind Wechselwirkungsflächen und begrenzen zwischen sich eine Wechselwirkungszone. Vorzugsweise wird somit das optische Bild durch das lichtdurchlässigste Material hindurch zu der Wechselwirkungsfläche des Halbleiters übertragen.

Das auf das Halbleitersubstrat 2 projizierte optische Bild beeinflußt dessen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Lichtstärke seiner Elementarzonen oder Bildpunkte, die längs der Achse xx'ausgenchtet sind.

Die Wechselwirkungsfläche des piezoelektrischen Substrats 1 trägt zwei Wandler 4 und 5, die an dem einen bzw. dem anderen Ende derart angeordet sind, daß, wenn an sie ein elektrisches Hochfrequenzsignal Si bzw. S₂ angelegt wird, Oberflächenschallwellen ausgesandt werden, die sich in entgegengesetzter Richtung längs der Achse xx' ausbreiten. Diese Wandler sind beispielsweise interdigital angeordnete metallische Kämme.

Während das Signal Si ein Signal mit einer Frequenz F, einer Amplitude Ai und einer langen Dauer ist, ist das Signal S\ ein kurzer Impuls mit der Frequenz Fund einer Amplitude Ai>A2. Die Dauer des Signals Si ist im wesentlichen gleich dem Doppelten der Ausbreitungszeit der Oberflächenwellen zwischen den beiden Wandlern.

Der Impuls Si, der als Abtastsignal bezeichnet wird,

ίο wird an den Wandler 4 in eiuem solchen Zeitpunkt angelegt, daß die dem Signal Si entsprechenden Oberflächenwellen an dem Wandler 4 angekommen sind. Wenn sich der kurze Wellenzug, der von dem Wandler 4 ausgesandt wird, zu dem Wandler 5 fortpflanzt, tritt er mit den dem Signal Si entsprechenden Wellen auf der gesamten Länge des piezoelektrischen Substrats sequentiell in Wechselwirkung.

Diese nichtlineare Wechselwirkung, die sich mit der durch das Signal Si erzeugten Welle entlang der Achse xx' verschiebt, drückt sich durch ein Wechselwirkungssignal aus, dem ein Potential entspricht, das an der Wechselwirkungszone 3 gebildet wird.

Dieses Wechselwirkungssignal ist, wenn die beiden Signale S\ und Si dieselbe Kreisfrequenz ω haben, herkömmlicherweise ein Signal mit der Frequenz 2 F und der Wellenzahl k, die Null ist. Das von der Wechselwirkung herrührende elektrische Signal kann dann an einer durchgehenden Elektrode 6 abgenommen werden, die auf der Fläche des Halbleitersubstrats 2 angeordnet ist, welche zu seiner Wechselwirkungsfläche entgegengesetzt ist. Es wird beispielsweise zwischen dieser Elektrode 6 und einer Masseelektrode, d. h. einer lichtdurchlässigen Elektrode 7 abgenommen, die die zu der Wechselwirkungsfläche entgegengesetzte Fläche des piezoelektrischen Substrats bedeckt.

Das so gewonnene Wechselwirkungssignal ist nun zu dem Produkt der Amplituden Ai, Ai proportional. Der Proportionalitätsfaktor K bemißt den Wechselwirkungsgrad und hängt von der Leitfähigkeit der von der Wechselwirkung betroffenen Elementarzone des Halbleitersubstrats ab.

Die Amplitude des an den Elektroden 6 und 7 abgenommenen Ausgangssignals ändert sich deshalb mit der Lichtintensität des abgetasteten Bildes. Die Amplitude dieses Signals wird somit entsprechend der Bewegung der Welle, die dem Abtastimpuls Si entspricht, entlang der Achse ^'amplitudenmoduliert.

Fig.2 zeigt schematisch im Schnitt eine Ausführungsform einer Lesevorrichtung nach der Erfindung.

Hier sind ebenfalls ein piezoelektrisches Substrat 1 und ein lichtempfindliches Halbleitersubstrat 2, beispielsweise Silicium, durch eine Wechselwirkungszone 3 getrennt.
Das piezoelektrische Substrat 1 trägt auf seiner Wechselwirkungsfläche einen Wandler 4 für den Empfang eines Abtastsignals Si und einen Wandler 5 für den Empfang eines längeren Signals S₂.

Das Ausgangssignal Ss wird an der Elektrode 6 und der Masseelektrode 7 abgenommen.

Hier weist aber gemäß der Erfindung die Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats 2 mehrere Über gänge auf, beispielsweise PN-Übergänge. Wenn das Substrat 2 beispielsweise aus N-leitendem Silicium besteht, können die Übergänge durch P-leitende Verunreinigungsdiffusion 10 durch eine Oxidmaske 11 hindurch hergestellt werden. Die Oxidschicht U, die in Fig.2 gezeigt ist, wird nur für die Herstellung der Dioden benötigt. Sie kann erhalten bleiben, da sie den

Betrieb der Anordnung nicht stört, oder beseitigt werden, beispielsweise durch ein chemisches Verfahren. Die übergänge können außerdem durch Ionenimplantation hergestellt werden.

Das Vorhandensein dieser Übergänge drückt sich dadurch aus, daß in der Nähe der Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats 2 Raumladungszonen 12 vorhanden sind, d. h. von Majoritätsträgern freie Zonen. Diese Majoritätsträger, hier sind es Elektronen, da das Substrat N-leitend ist, werden nämlich entsprechend den bekannten Wirkungen der Übergänge zu der entgegengesetzten Seite des Substrats zurückgedrängt.

Dank dieser diskreten Raumladungszonen, die von Elektronen frei sind, sind die Wikungen des auf die entsprechenden Übergänge fallenden Lichtes, d. h. ist die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren unter der Einwirkung der Photonenergie empfindlicher. Der obengenannte Wechselwirkungsgrad, der von der Ladungsträgerdichte des lichtempfindlichen Halbleitersubstrats abhängig ist und der um so größer ist, je geringer diese Dichte ist, wird also um die Übergänge herum in den Raumladungszonen 12, wo ein Sperrschicht-Photoeffekt auftritt, örtlich erhöht. Daraus folgt eine Zunahme der Empfindlichkeit der Vorrichtung mit der Beleuchtung.

Es sei noch angemerkt, daß, da diese Empfindlichkeitszunahme örtlich begrenzt ist, eine örtliche Begrenzung der Wechselwirkung auf die Stellen erfolgt, wo sich die Übergänge befinden. Die Bildelementarzonen werden auf diese Weise materiell festgelegt. Das gestattet eine einwandfreie Wiedergabe der Bilder, da nicht die Gefahr besteht, daß die in einer Zone enthaltene Information die einer längs der Achse xx' benachbarten Zone stört.

Es ist klar, daß man entsprechend den Abmessungen der Übergänge entweder einen Übergang pro Bildpunkt, d.h. pro Elementarleuchtzone oder mehrere Übergänge pro Bildpunkt bereitstellen kann.

Die F i g. 3 und 4 zeigen schematisch im Schnitt einen Teil eines lichtempfindlichen Halbleitersubstrats 2, beispielsweise N-leitendes Silicium, das in einer Vorrichtung der in F i g. 2 dargestellten Art verwendbar ist.

Die PN-Übergänge von F i g. 2 sind in F i g. 3 durch Schottky-Übergänge ersetzt Eine metallische Elektrode 13, die auf die Wechselwirkungsfläche des Substrats 2 aufgebracht ist, bildet mit diesem Substrat einen Schottky-Übergang. Die von Majoritätsträgern freie Raumladung 14 wird hier durch den Übergang von Majoritätsträgern aus dem Substrat 2 in die metallische Elektrode 13 erzeugt. Die Betriebsweise ist mit der von F i g. 2 identisch.

Schließlich sind in Fig.4 die Übergänge durch auf dem Substrat 2 gebildete diskrete Metall-Isolator-Halbleiter (MIS)- oder durch Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Systeme gebildet Kleine Oxidinseln 15 werden beispielsweise auf dem Substrat 2 geschaffen und anschließend mit einer Metallschicht 16 überzogen. Raumladungen 17 treten in dem Halbleiter 2 dank der elektrischen Ladungen, die der Isolator mit sich bringt, entsprechend den in der Halbleitertechnik bekannten Prozessen auf. Beispielsweise werden durch das Vorhandensein von positiven Ladungen an der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche die Elektronen eines N-leitenden Substrats 2 zurückgedrängt.

In den bis hierher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Wellenzahl der durch die nichtlineare Wechselwirkung erzeugten Wellen Null, da die an die beiden Wandler 4 und 5 der Lesevorrichtung angelegten Signale Si und 52 dieselbe Frequenz haben. Die Wechselwirkungsfläclie des Halbleitersubstrats 2 bildet eine Phasenebene, und das Wechselwirkungssignal kann an einem beliebigen Punkt dieser Ebene entnommen werden. Die empfindlichgemachten Übergänge nach der Erfindung, die tatsächlich die Lesepunkte des Wechselwirkungssignals darsteilen, können somit auf beliebige Art und Weise auf dieser Fläche angeordnet

ι ο sein. Sie können aus zu der Ausbreitungsrichtung xx'der Wellen auf dem piezoelektrischen Substrat 1 senkrechten Streifen gebildet sein, die einen beliebigen, konstanten oder nichtkonstanten Abstand haben. Sie können aus kleinen Inseln gebildet sein, die auf der Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats 2 willkürlich verteilt sind.

Dagegen dürfen bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, bei der die an die Wandler 4 bzw. 5 angelegten Signale S\ und S₂ unterschiedliche Frequenzen Fi und F₂ haben, die empfindlichgemachten Übergänge nach der Erfindung nicht willkürlich angeordnet werden.

In diesem Fall wird die nichtlineare Wechselwirkung nämlich Wellen mit der Frequenz Fi + F₂ und mit der Wellenzahl k\ — k₂ sowie Wellen mit der Frequenz F\ — F₂ und mit der Wellenzahl k\ + k₂ verursachen, wobei gilt

und

/C₁ =

Ic₂ =

2jrF,

InF,

wenn ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen auf dem piezoelektrischen Substrat ist

Zur geeigneten Gewinnung eines Wechselwirkungssignals an der Elektrode 6 müssen die Übergänge in regelmäßigen Abständen längs der Achse χχ'νκΑ einer konstanten Teilung ρ angeordnet sein. Wenn man das Wechselwirkungssignal mit der Frequenz Fi- F₂ gewinnen möchte, gilt für die Teilung p:

— - /c, + Ii₂

oder

P =

F₁+F₂

Wenn man dagegen das Wechselwirkungssignal mit der Frequenz Fi+ F₂ gewinnen möchte, gilt für die Teilung p:

oder

P = -Ε'

Die Wahl des einen oder des anderen dieser beiden Lesesignale wird durch die mehr oder weniger große Einfachheit der technischen Realisierung von Übergängen bestimmt, die um die eine oder die andere der

beiden Teilungen ρ voneinander entfernt sind, welche vorstehend berechnet worden sind.

In dem einen und in dem anderen Fall kann es vorteilhaft sein, das gewählte Lesesignal zu filtern, um es von Störungen aufgrund des nicht gewählten Signals freizumachen.

Es sei außerdem angemerkt, daß, egal welche Ausführungsform für die Übergänge gewählt wird, ihr Effekt noch erhöht werden kann. Wenn diese Übergänge durch eine äußere Vorspannungsquelle in Sperrichtung vorgespannt werden, nimmt nämlich die Größe der Raumladungszonen zu.

Eine solche Vorspannung kann während der Abta-

stung direkt an das Halbleitersubstrat über geeignete Elektroden angelegt werden, wobei ein passendei Vorspannungsimpuls beispielsweise an die Elektrode ( angelegt wird, so daß diese während der gesamter Dauer der akustischen Abtastung gegenüber der ah Bezugspotential dienenden Elektrode 7 positiv gemach wird (da der Halbleiter hier NMeitend ist). Diese Vorspannung kann außerdem durch das Abtastsigna selbst erhalten werden. Es genügt, das Signal mit einei ausreichenden Amplitude zu wählen, damit es an dei Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats elek troakustische Ströme erzeugt, die die Übergänge ir Sperrichtung vorspannen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 537/05

Claims

Patentansprüche:

1. Elektroakustische Vorrichtung zum Lesen eines eindimensionalen optischen Bildes, mit einem lichtempfindlichen Halbleitersubstrat, auf das das Bild projiziert wird; mit einem von dem Halbleitersubstrat durch eine dünne Luftschicht gelrennten piezoelektrischen Substrat, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Substrate Wechselwirkungsflächen sind und eine Wechselwirkungszone begrenzen; mit zwei Wandlern, die in der Lage sind, an sie angelegte elektrische Hochfrequenzsignale in Oberflächenschallwellen umzuwandeln, und an dem einen bzw. dem anderen Ende der Wechselwirkungsfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet sind; mit Einrichtungen zum Anlegen eines Hochfrequenzsignals an jeden der beiden Wandler, so daß die sich daraus ergebenden und sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden beiden Oberflächenwellen in einer Elementarzone des piezoelektrischen Substrats, die sich von einem Ende zu dem anderen seiner Wechselwirkungsfläche verschiebt, in nichtlineare Wechselwirkung treten, so daß eine akustische Abtastung der Wechselwirkungszone erfolgt; dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsfläche des Halbleitersubstrats (2) diskrete Übergänge aufweist, die jeweils in der Nähe dieser Fläche des Halbleitersubstrats eine von Majoritätsträgern freie Raumladungszone (12; 14; 17) erzeugen, und daß das elektrische Ausgangssignal (S₅) an einer Elektrode (6), die auf der zu der Wechselwirkungsfläche entgegengesetzten Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, entsprechend der akustischen Abtastung gewonnen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die beiden Wandler (4, 5) angelegten elektrischen Signale (Si, S2) dieselbe Frequenz F haben, daß das Ausgangssignal die Frequenz 2F hat und daß die Verteilung und der Abstand der Übergänge beliebig sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die beiden Wandler (4, 5) angelegten elektrischen Signale (Si, S2) unterschiedliche Frequenzen Fi bzw. F2 haben, daß die Übergänge in regelmäßigem Abstand längs einer zu der Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen auf dem piezoelektrischen Substrat (1) parallelen Richtung angeordnet sind, wobei die Teilung ρ dieses Abstandes gleich