DE2920773C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Sensor mit einer in Sperrichtung liegenden Photodiode, deren elektrische Ausgänge mit einem die weitere Verarbeitung des von der Photodiode gelieferten Signals übernehmenden Schaltungsteil verbunden sind.

Optoelektronische Sensoren dieser Art sind allgemein bekannt und zum Beispiel in der Zeitschrift "Elektronik" (1976), Heft 1, Seiten 53 bis 56 dargestellt. Allgemein stellt sich bei auf Halbleiterbasis arbeitenden Photo­ sensoren folgendes Problem, da ihre spektrale Empfind­ lichkeitskurve den anwendungsspezifischen Anforderungen möglichst gut angepaßt werden soll.

In vielen Anwendungen wie zum Beispiel beim Einsatz der Photosensoren zur Belichtungssteuerung beziehungsweise Regelung in photographischen Kameras sind spektrale Empfindlichkeitskurven erwünscht, die der spektralen Empfindlichkeit panchromatischer Filme beziehungsweise des menschlichen Auges möglichst angepaßt ist. Andererseits gibt es auch eine Reihe von Fällen, zum Beispiel bei der Herstellung von vom Tageslicht unabhängigen Lichtschranken, bei denen eine reine Infrarotempfindlichkeit bei möglichst geringer Blauempfindlichkeit erforderlich ist.

Photowiderstände mit Cadmiumsulfid als Halbleitermaterial zeigen zwar einen sehr günstigen spektralen Verlauf für die Anwendung in photographischen Kameras; störend ist jedoch ihr Speicherverhalten, ihre große absolute Empfindlichkeitsstreuung, sowie in vielen Fällen die erforderliche große aktive Fläche des optoelektronischen Elements.

Photosensoren auf Siliciumbasis zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Sie sind vor allem schnell und können zusammen mit der Auswerteelektronik monolithisch integriert werden. Störend für die Anwendung bei Kameras ist, daß sie im Vergleich zu CD-Sensoren eine relativ geringe Blauempfindlichkeit haben. Das Maximum der Empfindlichkeit von Silicium-Photodioden liegt bei einer Wellenlänge von etwa 900 nm, während es bei Anordnungen auf Basis von Cadmiumsulfid bei merklich kürzeren Wellen­ längen liegt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optoelektronischen Sensor anzugeben, der elektrisch auf verschiedene spektrale Empfindlichkeiten einstellbar ist und außerdem infolge monolithischer Integration mit der Auswerteelektronik einen möglichst geringen Raum beansprucht.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß eine zweite Photodiode vorgesehen und mit der ersten Photodiode mono­ lithisch vereinigt sowie in gleicher Weise wie die erste Photodiode durch die zu testende Strahlung beaufschlagt ist, daß außerdem der pn-Übergang der beiden Photodioden auf unterschiedlichem Abstand von dem durch die zu testende Strahlung beaufschlagten Teil ihrer Oberfläche eingestellt ist und daß schließlich die beiden Photo­ dioden gemeinsam zur Steuerung des die weitere Verarbeitung der von ihnen gelieferten Signale übernehmenden Schaltungsteils vorgesehen und dieser Schaltungsteil derart ausgebildet ist, daß die Gewichte, mit denen die beiden Photodioden auf das von diesem Schaltungsteil gelieferte Signal Einfluß nehmen, unterschiedlich zuein­ ander einstellbar sind.

Die Erfindung wird nun an Hand der Fig. 1 bis 5 näher beschrieben. Dabei dienen die in Fig. 1 bis Fig. 5 dar­ gestellten Diagramme und Analogrechnerschaltungen der Erklärung der Wirkungsweise eines optoelektronischen Sensors gemäß der Erfindung.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Eindringtiefe für optische Strahlung in Silicium um so kleiner ist, je kleiner die Wellenlänge ist. Tiefere Schichten in einem Siliciumkristall zeigen daher eine größere relative Empfindlichkeit für Infrarot bezogen auf den Gesamteinfall der Strahlung als unmittelbar an der Oberfläche angrenzende Schichten. Bei Photosensoren, die zusammen mit der Auswerteelektronik integriert werden, bedeutet dies eine zusätzliche Erschwerung, weil die pn-Übergänge für integrierte Transistoren relativ tief liegen. Ohne zusätzliche Sonderprozesse, wie zum Beispiel die Anwendung einer flachen Ionen-Implantation, weisen integrierte Silicium­ photosensoren daher weiter ins Infrarot verschobene Photoempfindlichkeit als diskrete Silicium-Photodioden auf.

In photographischen Kameras werden zur Zeit zumeist CD-Photowiderstände als Sensorelemente eingesetzt. In Fällen, bei denen diskrete Silicium-Photodioden einge­ setzt werden, wird die spektrale Empfindlichkeit mittels vorgeschalteter Filter verschoben. Diese Möglichkeiten sind jedoch ziemlich aufwendig, weil man auch noch die Signalauswerteschaltung braucht, die sich wirtschaftlich nur in Form einer monolithisch integrierten Halbleiter­ schaltung, also in erster Linie Siliciumschaltungen, derzeit realisieren läßt.

Bekanntlich liefern in Sperrichtung betriebene Photo­ dioden einen zur Beleuchtungsstärke einer auftreffenden monochromatischen Strahlung proportionalen eingeprägten Strom, wobei der Wert des Proportionalfaktors einerseits von der auftreffenden Wellenlänge, andererseits vom Ausmaß der Strahlungsabsorption von der Oberfläche der Diode bis zum pn-Übergang, also von der Tiefe des pn- Übergangs der Diode abhängig ist. Verwendet man nun Photodioden mit unterschiedlicher Tiefe ihrer pn-Übergänge, so zeigen deren Photoströme unterschiedliche Rot- beziehungsweise Infrarotempfindlichkeit. Durch entsprechende Subtraktion beziehungsweise Addition dieser Ströme kann man nun die spektralen Empfindlichkeitskurven mehrerer in dieser Weise unterschiedlich ausgestalteter und zusammen im Sensor vorgesehener Silicium- Photodioden kombinieren und auf diese Weise verschiedene unterschiedliche Empfindlichkeitskurven der Gesamtan­ ordnung realisieren. Dabei besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Möglichkeit, das Empfindlichkeitsmaximum sowohl in Richtung höherer Blauempfindlichkeit als auch in Richtung höherer Rotempfindlichkeit gegenüber der Charakteristik einer Einzeldiode verschieben.

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung hat man somit auf einem Siliciumchip mindestens zwei Photodioden in unmittelbarer Nachbarschaft, die gleichzeitig von der zu registrierenden Strahlung beaufschlagt werden und deren sich infolge der Belichtung einstellenden Ströme zur gemeinsamen Steuerung der Auswerteelektronik verwendet werden, wobei durch analoge Rechnung unterschiedliche Filterfunktionen - gegebenenfalls auch während des Betriebs umschaltbar - realisiert werden können.

Die Ausgestaltung kann zum Beispiel entsprechend Fig. 3 geschehen, bei der drei Photodioden mit unterschiedlich tief im Siliciumkristall gelagerten pn-Übergängen gelieferten Ströme in einem durch einen Operationsverstärker OP gebildeten Analog-Addierer zusammengefaßt werden und ein der Summe dieser Ströme entsprechendes analoges Aus­ gangssignal entsteht. Einzelheiten über eine solche Schaltung sind zum Beispiel dem Buch "Halbleiter- Schaltungstechnik" von Tietze und Schenk, Ausgabe 1971, Seite 196 zu entnehmen. Weitere für die Anwendung gemäß der Erfindung geeignete analoge Rechenschaltungen sind zum Beispiel auf Seiten 197 bis 202 des genannten Buches zu erkennen. Sie werden gemeinsam von den vorgesehenen Photodioden mit unterschiedlichem Gewicht beaufschlagt, was zu einer resultierenden optischen Kennlinie des Sensors führt, die zwar in der Gestalt den normalen Wellenlänge- Strom-Charakteristiken der einzelnen Photodioden entspricht, deren Empfindlichkeitsmaximum aber gegenüber dem Maximum jeder der Dioden deutlich in Richtung wachsender oder in Richtung abnehmender Wellenlängen verschoben ist, wie dies auch aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der in Fig. 3 dargestellte Analog-Addierer läßt sich auch zur Subtraktion der Diodenströme verwenden, indem man dafür sorgt, daß deren Richtung (Vorzeichen) in einer Invertierschaltung vorher umgekehrt wird, beziehungs­ weise dadurch, daß die Signalströme in zueinander entgegengesetzter Richtung zum Ausgangssignal beitragen.

Die so mit elektrischen Mitteln im optischen Bereich erreichte Filterwirkung läßt sich anschaulich mit der Funktionsweise von üblichen RC-aktiven Filtern, die mit Operationsverstärkern (zum Beispiel entsprechend Fig. 4) realisiert sind, vergleichen. Bei diesen Filtern werden vom Eingangssignal mehrere Teilsignale (im Beispiel gemäß Fig. 4 Dreiteilsignale) unterschiedlichen Frequenzgangs (im Beispiel jeweils durch einen oder mehrere Integratoren) abgeleitet, entsprechend der Einstellung der Potentiometer k₁R, k₂R, k₃R bewertet und dann addiert beziehungsweise unter Zwischenschaltung eines Inverters subtrahiert. Vor den Bewertungspotentiometern haben die Teilsignale folgenden Frequenzgang:

U₂″ = -U _E /p · T₃
U₂′ = -U _E /p² · T₁ · T₂
U₂″′ = -U _E .

Damit wird

U _A = k₁ · (-U₂′) + k₂ (-U₂″) + k₃ (-U₂′′′)

Wie man aus der Transferfunktion der in Fig. 4 dargestellten Schaltung entnimmt, ist allein durch die Bewertungs- oder Gewichtsfaktoren k₁, k₂, k₃ die Filterfunktion einstellbar, wenn - vergleichbar Fig. 3, die zu addierenden Photoströme eine bestimmte spektrale Abhängigkeit zeigen, die zum Beispiel in Fig. 4 durch den Frequenz­ operator "p" gekennzeichnet sind.

Die an Hand der Fig. 3 und 4 dargelegten Beispiele sollen vor allem der Erklärung des Filterprinzips auf dem Gebiete der Operationsverstärker beziehungsweise der Analogrechner dienen, das auch in dem genannten Buch von Tietze und Schenk auf Seite 251 ff. beschrieben ist. Die für die Erfindung aktuellen "Additionselemente" erfordern lediglich die Möglichkeit, Ströme zu addieren. Weiterhin ist es mit Hilfe dieser Technik auch möglich, Sperrströme von Photodioden und/oder anderen Schaltungs­ elementen in geeigneter Weise so zu addieren oder zu subtrahieren, daß eine wesentliche Verbesserung der Linearität der Transferkennlinie eines optoelektronischen Sensors, also der Abhängigkeit des Ausgangsstroms des Sensors, bei den niedrigsten Beleuchtungsstärken erreicht wird.

Bei der Herstellung des der Auswertung der Photodiodenströme einer Anordnung der Erfindung dienenden und insbesondere aus einem - mindestens eine Verstärkerschaltung enthaltenden Schaltungsteil aufweisenden Auswerteschaltung hat man - vor allem bei Anwendung der Bipolartechnik - in der Regel mehrere Diffusions- und/oder Implantations­ prozesse zu absolvieren, die jeweils zur Entstehung von pn-Übergängen führen, deren Hauptteil parallel zur Halbleiteroberfläche verläuft. Außerdem führen diese Prozesse dazu, daß sich diese Hauptteile verschieden weit von der Oberfläche des die Schaltung aufnehmenden Siliciumchips entfernt sind. Diese Tatsache wird man zweckmäßig bei der Herstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ausnutzen, indem man die einzelnen Dotierungs­ prozesse jeweils mit der Herstellung mindestens je einer der benötigten Photodioden verbindet, was erfahrungsgemäß lediglich eine entsprechende Berücksichtigung bei den in den einzelnen Schritten zu verwendenden Dotierungs- beziehungsweise Kontaktierungsmasken erfordert.

Fig. 2 zeigt, wie bereits bemerkt, einerseits die Empfindlichkeitskurve einer üblichen integrierten Silicium- Photodiode, ebenso wie die entsprechende Kennlinie eines unter Verwendung solcher Siliciumdioden erzeugten opto­ elektronischen Sensors gemäß der Erfindung. Fig. 5 zeigt die Wirkung der Sperrstromkompensation auf die Linearität der Transferkennlinie.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weiter zu verbessern. Da die Photodioden in vielen Fällen gemeinsam mit den Übergängen der von den Photodioden zu steuernden Schaltungsteile erzeugt sind, besteht die Möglichkeit, daß auch diese pn-Übergänge optisch von der auf die Photodioden einwirkenden Strahlung beeinflußt werden. Dies ist dann unerwünscht, wenn diese pn-Übergänge zu Schaltungsteilen gehören, die mit sehr niedrigen Strömen beziehungsweise Signalen arbeiten. Hier empfiehlt es sich, diese Schaltungsteile mit einer optisch undurchlässigen Schutz­ schicht abzudecken. Hierzu kann gegebenenfalls auch eine zusätzliche, insbesondere aus Aluminium bestehende und gegen die eigentliche Halbleiteroberfläche isolierte Metallisierung dienen, die in entsprechender Weise im Einklang mit den schaltungstechnischen Erfordernissen gemessen wird.

Im Interesse einer weiteren Verbesserung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung kann man auch die Sperrströme in der Schaltung vorgesehenen Photodioden in gleicher Weise wie die von den Photodioden gelieferten Signale entsprechend der Lehre der Erfindung behandeln.

Claims (6)

1. Optoelektronischer Sensor mit einer in Sperrichtung liegenden Photodiode, deren elektrische Ausgänge mit einem die weitere Verarbeitung des von der Photodiode gelieferten Signals übernehmenden Schaltungsteil verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Photodiode vorgesehen und mit der ersten Photodiode monolithisch vereinigt sowie in gleicher Weise wie die erste Photodiode durch die zu testende Strahlung beaufschlagt ist, daß außerdem die pn-Übergänge der beiden Photodioden auf unterschiedlichem Abstand von dem durch die zu testende Strahlung beaufschlagten Teil ihrer Oberfläche eingestellt sind und daß schließlich die beiden Photodioden gemeinsam zur Steuerung des die weitere Verarbeitung der von ihnen gelieferten Signale übernehmenden Schaltungsteils vorgesehen und dieser Schaltungsteil derart ausgebildet ist, daß die Gewichte, mit denen die beiden Photodioden auf das von diesem Schaltungsteil gelieferte Signal Einfluß nehmen, unter­ schiedlich eingestellt beziehungsweise einstellbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der zu testenden Strahlung auszusetzenden Oberflächen der Photodioden in einem durch die Auswerte-Elektronik bestimmten Verhältnis zueinander stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Auswertung übernehmende Schaltungsteil in der Lage ist, eingeprägte Ströme zu addieren beziehungsweise zu subtrahieren, ähnlich einem mit Operationsverstärker gebildete Analogrechner.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der an den die weitere Auswertung der optoelektronischen Signale übernehmenden Schaltungsteil angeschalteten Photo­ dioden einen pn-Übergang aufweist, dessen parallel zur zu bestrahlenden Halbleiteroberfläche verlaufender Hauptteil denselben Abstand von der Halbleiteroberfläche hat wie einer der dem die Auswertung der von den Photodioden gelieferten Ströme dienenden Schaltungsteil angehöriger pn-Übergang.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge derjenigen Schaltungsteile, die mit sehr niedrigen Strömen beziehungsweise Signalen arbeiten, mit der (insbesondere aus Aluminium bestehenden) Metallisierung überdeckt und damit gegen Lichteinfall abgeschirmt sind.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrströme der vorgesehenen Photodioden der Steuerung eines Schaltungsteils vorgesehen sind und daß der durch die Sperrströme der Photodioden zu steuernde Schaltungsteil dem durch die Signale der Photodioden zu steuernden Schaltungsteil im Aufbau gleich ist.