DE3744992C2

DE3744992C2 - Lichtempfindlicher Positionssensor

Info

Publication number: DE3744992C2
Application number: DE3744992A
Authority: DE
Inventors: Hideo Muro
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1987-08-27
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2007-08-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen lichtempfindlichen Positionssensor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, der ein in Fig. 2 der Zeichnung dargestelltes Halbleiterbauelement aufweist.

Ein Positionssensor ist in Fig. 4 der Zeichnung dar gestellt und aus der Druckschrift "Semiconductor position sensor and its application" von Denshi Zairyo, Februar 1980, Seiten 119 ff. bekannt. Dieser bekannte Positionssensor wird später in Verbindung mit Fig. 4 der Zeichnung näher erläu tert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen lichtempfindlichen Positionssensor zu schaffen, der bei kompaktem Aufbau eine Verringerung der nichtlinearen Fehler der Photoströme bewirkt.

Bei einem Positionssensor der genannten Art ist diese Auf gabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Positionssensor zeichnet sich dadurch aus, daß er zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltung in einem einzigen Baustein als Halbleiterschaltung integriert ist, wodurch sich nicht nur ein sehr kompaktes und kleines Bauelement ergibt, sondern gleichzeitig auch aufgrund der sehr geringen Signalwege eine ausgezeichnete Störunempfind lichkeit erreicht wird. Die logarithmische Umformung und anschließende Verknüpfung der einzelnen Ströme sorgt darüber hinaus für eine hohe Auflösung und damit Genauigkeit bei der Ermittlung der jeweiligen Position des Lichtstrahls.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Figuren werden der herkömmliche Positionssensor sowie die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel eines lichtempfindlichen Positionssensors, bei dem die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt zur Darstellung eines Teils eines bekannten IC-Bausteins, der Komponenten des Positionssensors der Fig. 1 enthält;

Fig. 3 ein Schaltbild für einen Hauptbestandteil eines zweiten Ausführungsbeispiels des Positionssensors;

Fig. 4 ein Schaltbild des herkömmlichen Positions sensors;

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt zur Darstellung eines lichtempfindlichen Halbleiterbauelements eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 6 eine Draufsicht auf die in der Fig. 5 darge stellte Anordnung.

Der herkömmliche Positionssensor, welcher in der Fig. 4 dargestellt ist, besitzt einen lichtempfindlichen Halbleiterbaustein 1 mit einem n-leitenden Si-Substrat 2 mit hohem spezifischen Widerstand und eine p-leitende Schicht 3, welche auf der Oberfläche des Substrats 2 gebildet ist. Eine lichtempfindliche Oberfläche wird gebildet durch den pn-Übergang zwischen dem n-leitenden Substrat 2 und der p-leitenden Schicht 3. In der Draufsicht ist die lichtempfindliche Oberfläche rechtwinklig ausgebildet.

Der Halbleiterbaustein 1 besitzt ferner erste und zweite Elektroden 4 und 5, welche an der p-leitenden Schicht 3 gebildet sind. Die erste und zweite Elektrode 4 und 5 haben einen Abstand von l voneinander und erstrecken sich im we sentlichen parallel zueinander. Erste und zweite Photoströme I₁ und I₂ werden von der ersten und zweiten Elektrode 4 und 5 abgegriffen.

Der Halbleiterbaustein 1 besitzt ferner eine dritte Elektro de, nämlich eine Bodenelektrode 6. Eine n⁺-leitende Kontakt schicht (nicht dargestellt) ist an der gesamten Bodenfläche des Si-Substrats 2 gebildet. Die Bodenelektrode 6 ist an einem Teil oder an der gesamten n⁺-leitenden Kontaktschicht gebildet. Eine positive Spannung +Vcc ist an die Bodenelek trode 6 angelegt. Der pn-Übergang der lichtempfindlichen Oberfläche ist durch die positive Spannung +Vcc in Sperrichtung betrieben.

Der Positionssensor der Fig. 4 besitzt ferner eine Signal verarbeitungsschaltung, welche zwei Strom/Spannungsumformer schaltungen 71 und 72, eine Addierschaltung 73, eine Subtra hierschaltung 74, eine Inverterschaltung 75 und einen Mehr zweckdividierer 76 aufweist. Jede der Schaltungen 71 bis 75 enthält einen Operationsverstärker als Hauptkomponente. Fer ner ist ein Gleichspannungswandler 77 zur Lieferung der Span nung +Vcc für den Betrieb der Dividierschaltung 76 usw. und zur Erzeugung einer Spannung -Vee vorgesehen.

Wenn ein beleuchteter Fleck durch einen Lichtstrahl an einer Position x (0 x l) zwischen der ersten und zweiten Elek trode 4 und 5 des lichtempfindlichen Halbleiterbausteins 1 gebildet wird, werden an der ersten und zweiten Elektrode 4 und 5 erste und zweite Photoströme I₁ und I₂ vorgesehen. Diese Photoströme lassen sich durch die folgenden Formeln wiedergeben.

I₁ = I₀ · (l - x) /l (1)

I₂ = I₀ · x/l ( 2).

In diesen Gleichungen bedeutet I₀ einen Gesamtphotostrom, welcher bei der Bestrahlung erzeugt wird, und welcher gleich (I₁ + I₂) ist. Der erste und der zweite Photostrom I₁ und I₂ ändern sich in Abhängigkeit von der Position x des pro jektierten Punktes, wobei der gesamte Photostrom konstant bleibt.

Der erste und der zweite Photostrom I₁ und I₂ werden in Spannungen Rf · I₁ und Rf · I₂ durch Strom/Spannungswandler schaltungen 71 und 72 umgewandelt. Die Addierschaltung 73 addiert die beiden Spannungen Rf · I₁ und Rf · I₂, und die Inverterschaltung 75 liefert eine Summenspannung Rf · (I₁ + I₂) durch Umkehrung des Ausgangs der Addier schaltung 73. Andererseits führt die Subtrahierschaltung 74 eine Subtraktion zwischen Rf · I₁ und Rf · I₂ durch und bildet eine Differenzspannung Rf · (I₂ - I₁)².

Die Dividierschaltung 76 dividiert die Differenzspannung Rf · (I₂ - I₁) durch die Summenspannung Rf · (I₁ + I₂) und erzeugt folgenden Ausgang.

(Vref/2) · (I₂ - I₁)/(I₁ + I₂) = [(x/l) - 1/2] · Vref (3).

In dieser Gleichung bedeutet Vref eine konstante Referenz spannung.

Auf diese Weise liefert der Positionssensor das Ausgangs signal der Dividierschaltung 76 als ein Positionssignal, wel ches die Position x einer Projektion anzeigt und unabhängig von der Lichtmenge ist.

Der herkömmliche Positionssensor der Fig. 4 ist jedoch ungeeignet für eine Verringerung der Abmessungen; er ist teuer und hat nur eine niedrige Betriebssicherheit aufgrund der er forderlichen hohen Anzahl an Einzelbausteinen wie Operations verstärkern 71 bis 75, Dividierern 76 und Gleichspannungs wandlern 77.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines lichtempfindlichen Positionssensors dargestellt, bei dem die Erfindung anwendbar ist.

Der Positionssensor der Fig. 1 besitzt ein lichtempfind liches Halbleiterbauelement 1 zur Erzeugung erster und zwei ter Photoströme I₁ und I₂ sowie eine Signalverarbeitungs schaltung.

Das Halbleiterbauelement 1 besitzt eine n-leitende Si-Schicht 2 mit hohem spezifischen Widerstand, eine p-leitende Schicht 3, welche auf der n-leitenden Schicht 2 gebildet ist, so daß ein pn-Übergang entsteht, welcher als lichtempfindliche Oberfläche dient. Eine erste und eine zweite Elektrode 4 und 5 sind durch einen Abstand l getrennt voneinander angeord net. Ferner ist eine dritte Elektrode 6 vorgesehen.

Die Signalverarbeitungsschaltung der Fig. 1 besitzt eine erste Stromumformerschaltung (Stromspiegelschaltung), welche von vier npn-Transistoren 7, 8, 9 und 11 gebildet ist.

Basis und Kollektor des Transistors 7 sind miteinander ver bunden. Der Kollektor des Transistors 7 ist mit der Elektro de 4 des Halbleiterbauelements 1 verbunden. Der Transistor 7 dient als Eingangstransistor, und die Transistoren 8, 9 und 11 dienen als Ausgangstransistoren. Der Transistor 11 ist ein Mehremittertransistor mit zwei Emittern.

Am Kollektor eines jeden der Ausgangstransistoren 8 und 9 wird ein erster Detektorstrom I₁′, welcher etwa gleich dem ersten, von der ersten Elektrode 4 des Halbleiterelements 1 gelieferten Photostroms I₁ ist, erzeugt.

Am Kollektor des Ausgangstransistors 11 wird ein erster Doppelstrom 2 I₁′ erzeugt, dessen Größe doppelt so groß ist wie die Stromgröße des ersten Detektorstroms I₁′.

Der erste Detektorstrom I₁′ besitzt gegenüber dem ersten Photostrom I₁ folgende Beziehung:

I₁′ = I₁ · Hfe / (Hfe + 5) (4).

Hierbei bedeutet Hfe einen Stromverstärkungsfaktor der ge erdeten Basis der npn-Transistoren 7, 8, 9 und 11.

Die zweite Elektrode 5 des lichtempfindlichen Halbleiter bauelements 1 ist an eine zweite Stromumformerschaltung (Stromspiegelschaltung) angeschlossen, welche von vier npn-Transistoren 12, 13, 14 und 15 im wesentlichen in der gleichen Weise gebildet wird wie die erste Stromumformer schaltung.

In der zweiten Stromumformerschaltung dient der Transistor 12 als Eingangstransistor und die Transistoren 13, 14 und 15 dienen als Ausgangstransistoren. Der Ausgangstransistor 13 ist als Mehrfachemittertransistor ausgebildet.

An dem Kollektor eines jeden der Ausgangstransistoren 14 und 15 wird ein zweiter Detektorstrom I₂′ erzeugt, wel cher etwa gleich dem zweiten Photostrom I₂ ist. Am Kollektor des Ausgangstransistors 13 wird ein zweiter Doppelstrom 2I₂′ erzeugt, dessen Stromstärke doppelt so groß ist wie die Stromstärke des zweiten Detektorstroms I₂′.

Der zweite Detektorstrom I₂′ steht mit dem zweiten Photo strom I₂ durch folgende Formel in Beziehung

I₂′ = I₂ · Hfe / (Hfe + 5) (5).

In der Gleichung (5) bedeutet Hfe einen Stromverstärkungs faktor der npn-Transistoren 12, 13, 14 und 15 bei geerdeter Basiskonfiguration.

Der Kollektor des Transistors 9 der ersten Stromumformer schaltung und der Kollektor des Transistors 13 der zweiten Stromumformerschaltung sind miteinander verbunden und ein erster Summenstrom (I₁′ + 2I₂′), welcher gleich der Summe aus dem ersten Detektorstrom I₁′ und dem zweiten Doppelstrom 2I₂′ ist, fließt durch eine Leitung, welche den Kollektoren der beiden Transistoren 9 und 13 gemeinsam ist.

Der Kollektor des Transistors 11 der ersten Stromumformer schaltung und der Kollektor des Transistors 14 der zweiten Stromumformerschaltung sind miteinander verbunden, und ein zweiter Summenstrom (I₂′ + 2I₁′), welcher gleich ist der Summe aus dem zweiten Detektorstrom I₂′ und dem ersten Doppelstrom 2I₁′ fließt durch eine Leitung, die den Kollek toren der beiden Transistoren 11 und 14 gemeinsam ist.

Die erste und die zweite Stromumformerschaltung dienen als Stromumformermittel.

Vier npn-Transistoren 16, 17, 18 und 19 bilden eine log arithmische Umformereinrichtung. Die Transistoren 16 bis 19 sind mit den entsprechenden Kollektoren der Ausgangstransi storen der ersten und zweiten Stromumformerschaltung ver bunden. Der Transistor 16 ist mit dem Kollektor des Transi stors 8 verbunden. Der Transistor 17 ist mit den Kollektoren der Transistoren 9 und 13 verbunden. Der Transistor 18 ist mit den Kollektoren der Transistoren 11 und 14 verbunden. Der Transistor 19 ist mit dem Kollektor des Transistors 15 verbunden.

Bei jedem der Transistoren 16 bis 19 sind die Basis und der Kollektor miteinander an einem Knotenpunkt verbunden, an welchem eine positive Spannung Vt angelegt ist. Jeder der Transistoren 16 bis 19 bildet eine logarithmische Umformung unter Verwendung einer Diodencharakteristik des Übergangs zwischen Basis und Emitter. Die Transistoren 16 und 19 bil den die logarithmischen Umformungen des ersten und zweiten Detektorstroms I₁′ und I₂′. Die Transistoren 17 und 18 bil den die logarithmischen Umformungen des ersten Summenstroms (I₁′ + 2I₂′) und des zweiten Summenstroms (I₂′ + 2I₁′). Jeder der Transistoren 16 bis 19 bildet an seinem Emitter eine Spannung Va, Vb, Vc bzw. Vd, welche in logarithmischer Beziehung mit dem Eingangsstrom steht.

Die Emitter der Transistoren 16 und 17 sind jeweils an Ein gangsklemmen einer ersten Differenzschaltung, bestehend aus zwei npn-Transistoren 29 und 31 über eine erste, aus einem p-Kanal-JFET 21 und einer Konstantstromquelle 22 be stehenden Source-Folgerschaltung und eine zweite, aus einem p-Kanal-JFET 23 und einer Konstantstromquelle 24 bestehenden Sourcefolgerschaltung angeschlossen.

Die erste Sourcefolgerschaltung 21, 22 und die zweite Sourcefolgerschaltung 23, 24 sind vorgesehen, um zu ver hindern, daß die Basisströme der Transistoren 29 und 31 der ersten Differenzschaltung beim Fließen durch die Transi storen 16 und 17 Fehler hervorrufen. Deshalb sind die Strö me der Konstantstromquellen 22 und 24 hoch genug bemessen im Vergleich mit den Basisströmen der Transistoren 29 und 31, so daß Spannungsverschiebungen zwischen Ein- und Ausgang ausgeglichen sind. Das gleiche gilt für die dritte und vier te Sourcefolgerschaltung, wie noch erläutert wird.

Die erste Differenzschaltung 29, 31 verstärkt die Diffe renz zwischen der Spannung Va, welche vom ersten Detektor strom I₁′ erhalten wird, sowie die Spannung Vb, welche vom ersten Summenstrom (I₁′ + 2I₂′) erhalten wird, und bildet einen ersten Differenzausgangsstrom Ia und einen zweiten Differenzausgangsstrom Ib.

Die Emitter der Transistoren 18 und 19 sind jeweils an Ein gangsklemmen einer zweiten, aus zwei npn-Transistoren 32 und 33 bestehenden Differenzschaltung über eine dritte, aus einem p-Kanal-JFET 25 und einer Konstantstromquelle 26 be stehenden dritte Sourcefolgerschaltung und eine vierte, aus einem p-Kanal-JFET 27 und einer Konstantstromquelle 28 be stehenden Source-Folgerschaltung angeschlossen.

Die zweite Differenzschaltung 32, 33 verstärkt die Differenz zwischen der Spannung Vc, welche aus dem zweiten Summenstrom (I₂′ + 2I₁′) gewonnen wird und der Spannung Vd, welche aus dem zweiten Detektorstrom I₂′ gewonnen wird, und erzeugt einen dritten Differenzausgangsstrom Ic und einen vierten Differenzausgangsstrom Id.

Drei npn-Transistoren 34, 35 und 36 bilden eine dritte Stromumformerschaltung (Stromspiegelschaltung). Die Basis und der Kollektor des Transistors 36 sind miteinander ver bunden, und der Transistor 36 dient als Eingangstransistor. Die Transistoren 34 und 35 dienen als Ausgangstransistoren. Eine positive Spannung (Vst + Vbe) ist über einen Widerstand Rb an den Kollektor des Eingangstransistors 36 gelegt.

Der Kollektor des Ausgangstransistors 34 ist mit dem Kno tenpunkt verbunden, der den Transistoren 29 und 31 der ersten Differenzschaltung gemeinsam ist. Der Kollektor des Ausgangstransistors 35 ist mit dem gemeinsamen Emitter punkt verbunden, der den Transistoren 32 und 33 der zweiten Differenzschaltung gemeinsam ist.

Ein Strom, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann, fließt durch den Kollektor eines jeden der Ausgangstransistoren 34 und 35.

Iref = Vst /Rb (6).

Der Strom Iref wird als konstanter Strom jeweils für die erste Differenzschaltung 29, 31 und die zweite Diffe renzschaltung 32, 33 verwendet.

Vier pnp-Transistoren 37, 38, 39 und 41 und zwei Wider stände 42 und 43 bilden eine vierte Stromumformerschaltung 40 (Stromspiegelschaltung) mit hoher Präzision. Eine Ein gangsklemme 44 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist sowohl mit dem Kollektor des Transistors 29 der ersten Dif ferenzschaltung als auch mit dem Kollektor des Transi stors 32 der zweiten Differenzschaltung verbunden. Eine Ausgangsklemme 45 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist sowohl mit dem Kollektor des Transistors 31 der ersten Dif ferenzschaltung als auch mit dem Kollektor des Transi stor 33 der zweiten Differenzschaltung verbunden. Die Ausgangsklemme 45 der vierten Stromumformerschaltung 40 ist mit einer invertierenden Eingangsklemme (-) einer Strom- Spannungsumformerschaltung 46, die aus einem Operations verstärker besteht, verbunden.

Ein Strom (Ia + Ic), welcher der Summe aus dem ersten Differenzausgangsstrom Ia und dem dritten Differenzausgangs strom Ic gleich ist, fließt in die Eingangsseite der vier ten Stromumformerschaltung 40, und ein Strom mit der glei chen Stromstärke fließt auch an der Ausgangsseite.

Demgemäß liefert die vierte Stromumformerschaltung 40 von der Ausgangsklemme 45 zur Strom-Spannungsumformerschaltung 46 einen Strom, welcher gleich ist einer Differenz, die sich aus der Subtraktion des Stroms (Ib + Id), welcher gleich der Summe aus dem zweiten und vierten Differenzausgangsstrom Ib und Id ist, vom Strom (Ia + Ic), welcher gleich der Summe aus dem ersten und dritten Differenzausgangsstrom Ia und Ic ist, ergibt. Die Position des beleuchteten Flecks ist durch dieses Ausgangssignal bestimmt.

Demgemäß dient die vierte Stromumformerschaltung 40 als Betriebseinrichtung zur Erzeugung des Stromausgangs, welcher die Position des beleuchteten Flecks aus den vier Differenz ausgangsströmen Ia, Ib, Ic und Id angibt.

Eine positive Spannung Vst/2 ist an einen nichtinvertieren den Eingang (+) der Strom-Spannungsumformerschaltung 46 ge legt. Die Strom-Spannungsumformerschaltung 46 wandelt den Strom, welcher die Position des beleuchteten Flecks angibt, in ein Positionsspannungssignal Vout um.

Es ist möglich, das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1, die Stromumformerschaltungen, die logarithmische Umfor mereinrichtung und die Differenzschaltungen in einem einzelnen Halbleiterbaustein unter Verwendung der bipolare IC-Technik unterzubringen. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen monolytischen bipolaren IC ist in Fig. 2 darge stellt. Die Fig. 2 zeigt lediglich einen Teil, welcher das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1, den npn-Transistor 7 und den p-Kanal-JFET 21 enthält.

Die Halbleitereinrichtung der Fig. 2 besitzt ein p-leiten des Si-Substrat 51 und eine n⁻-leitende epitaxiale Schicht 52, welche auf das Substrat 51 aufgewachsen ist.

Die epitaxiale Schicht 52 ist in epitaxiale Inseln 52a, 52b und 52c aufgeteilt, welche elektrisch voneinander durch p⁺-leitende Diffusionstrennwände 53 isoliert sind, die selektiv in die epitaxiale Schicht 52 geformt sind. Zwischen der epitaxialen Schicht 52 und dem Substrat 51 sind n⁺-leitende eingebettete Schichten 54 selektiv gebildet zur Reduzierung des Kollektorwiderstands des Transistors oder für andere Zwecke.

Das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1 wird in der ersten epitaxialen Insel 52a gebildet. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel dient die epitaxiale Schicht 52 als die n-leitende Substratregion 2, welche in der Fig. 1 dargestellt ist.

Zwei p-leitende Bereiche 55 und 56 werden in der epitaxialen Insel durch Diffundieren gebildet. Die p-leitenden Bereiche 55 und 56 haben einen bestimmten Abstand voneinander. Eine p-leitende Schicht 3, welche der p-leitenden Schicht 3 der Fig. 1 entspricht, ist in der epitaxialen Schicht 52 zwischen den p-leitenden Bereichen 55 und 56 durch Ionenimplantation von Bor (B) gebildet. Die lichtempfindliche Oberfläche wird durch den pn-Übergang zwischen der n⁻-epitaxialen Schicht 52 und der p-leitenden Schicht 3 gebildet. Ferner werden in der ersten epitaxialen Insel 52a n⁺-leitende Kontaktbereiche 57 gebildet.

In der zweiten epitaxialen Insel 52b wird der npn-Transi stor 7 gebildet, welcher einen p-leitenden Basis-Diffusions bereich 58 und einen n⁺-leitenden Emitterdiffusionsbereich 59 aufweist.

Der p-Kanal-JFET 21 wird in der dritten epitaxialen Insel 52c gebildet. Ein p-leitendes Paar aus Source- und Drain zonen 61 und 62 wird in einem bestimmten Abstand voneinan der in der Insel 52c gebildet. Eine p-leitende Kanalzone 63 wird in der epitaxialen Schicht 52 zwischen der Source- und Drainzone 61 und 62 durch Ionenimplantation von Bor (B) gebildet. Ferner wird eine n⁺-leitende Gatezone 64 an der Kanalzone 63 gebildet.

Die p-leitenden Bereiche 55, 56, 58, 61 und 62 werden gleichzeitig durch einen einheitlichen Diffundiervorgang mit p-leitender Verunreinigung durchgeführt. Die n⁺-leitenden Bereiche 57 und 59 werden gleichzeitig durch einheitlichen Diffundiervorgang mit n-leitender Verunreini gung durchgeführt.

Die anderen bipolaren Transistoren und die anderen JFETs werden in der gleichen Weise wie der in der Fig. 2 darge stellte npn-Transistor 7 und der p-Kanal-JFET 21 in der epitaxialen Schicht 52 gebildet und elektrisch isoliert.

Der Positionssensor des ersten Ausführungsbeispiels arbei tet wie folgt.

Wenn ein Lichtstrahl auf die lichtempfindliche Oberfläche des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 an einer Position x zwischen der ersten und zweiten Elektrode 4 und 5 auftrifft, liefert das lichtempfindliche Halbleiter bauelement 1 den ersten und zweiten Photostrom I₁ und I₂ an den Elektroden 4 und 5. Die Größen des ersten Photostroms und des zweiten Photostroms ändern sich in Abhängigkeit von der Position x der projektierten Strahlung, wie es in den Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt ist.

Der erste Photostrom I₁ fließt in den Eingangstransistor 7 der ersten Stromumformerschaltung, welche den ersten, durch die Gleichung (4) wiedergegebenen Detektorstrom I₁′ am Kollektor eines jeden Ausgangstransistoren 8 und 9 und den ersten Doppelstrom 2I₁′ am Kollektor des Ausgangstransistors 11 erzeugt.

Der zweite Photostrom I₂ fließt in den Eingangstransistor 12 der zweiten Stromumformerschaltung, welche den zweiten, durch die Gleichung (5) wiedergegebenen Detektorstrom I₂′ am Kollektor eines jeden Ausgangstransistoren 14 und 15 und den zweiten Doppelstrom 2I₂′ am Kollektor des Ausgangs transistors 13 erzeugt.

Der erste Summenstrom (I₁′ + 2I₂′) wird aus dem ersten, vom Ausgangstransistor 9 erzeugten Detektorstrom I₁′ und dem zweiten, vom Transistor 13 erzeugten Doppelstrom 2I₂′ ge bildet. Der zweite Summenstrom (I₂′ + 2I₁′) wird aus dem zweiten, vom Ausgangstransistor 14 erzeugten Detektorstrom I₂′ und dem ersten, vom Ausgangstransistor 11 erzeugten Doppelstrom 2I₁′ gebildet.

Der erste Detektorstrom I₁′, der erste Summenstrom (I₁ ′+ 2I₂′) der zweite Summenstrom (I₂′ + 2I₁′) und der zweite Detek torstrom I₂′ fließen durch die entsprechenden Transistoren 16, 17, 18 und 19 der logarithmischen Umformereinrichtung, und die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd werden an den Emittern der entsprechenden Transistoren 16 bis 19 erhalten.

Die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd sind durch die folgenden Gleichungen (7) bestimmt.

Va = Vt - (kT/q) · ln(A₁I₁′/Is)
Vb = Vt - (kT/q) · ln[A₁(I₁′ + 2I₂′)/Is]
Vc = Vt - (kT/q) · ln[A₁(2I₁′ + I₂′)/Is]
Vd = Vt - (kT/q) · ln(A₁I₂′/Is) (7).

In den Gleichungen (7) bedeuten k = Boltzmannkonstante, T = absolute Temperatur, q = Elektronenladung, Is = Sperr sättigungsstrom des Basis-Emitterübergangs, und A₁ = Hfe/(Hfe + 1).

Die Spannung Va, welche durch logarithmische Umformung des ersten Detektorstroms I₁′ und die Spannung Vb, welche durch logarithmische Umformung des ersten Summenstroms (I₁ + 2I₂′) erhalten werden, werden über die Sourcefolger schaltungen in die erste Differenzschaltung 29, 31 ein gegeben. Die erste Differenzschaltung 29, 31 verstärkt die Differenz zwischen den Spannungen Va und Vb, welche an ihre beiden Eingangsklemmen gelegt ist und erzeugt den ersten und zweiten Differenzausgangsstrom Ia und Ib.

Die Spannung Vc, welche durch die logarithmische Umformung des zweiten Summenstroms (I₂′ + 2I₁′) erhalten wird, und die Spannung Vd, welche durch die logarithmische Umformung des zweiten Detektorstroms I₂′ erhalten wird, werden über die Sourcefolgerschaltungen der zweiten Differenzschal tung 32, 33 zugeleitet. Die zweite Differenzschaltung 32, 33 verstärkt die Differenz zwischen den Spannungen Vc und Vd, die an ihre Eingangsklemmen angelegt ist, und er zeugt den dritten und vierten Differenzausgangsstrom Ic und Id.

Die Differenzausgangsströme Ia, Ib, Ic und Id werden durch die folgenden Gleichungen (8) ausgedrückt.

Ia = Iref / [1 + exp [(q / kT) · (Vb - Va)]]
Ib = Iref / [1 + exp [(q / kT) · (Va - Vb)]]
Ic = Iref / [1 + exp [(q / kT) · (Vd - Vc)]]
Id = Iref / [1 + exp [(q / kT) · (Vc - Vd)]].

Durch Substitution der Gleichungen (7) für die Spannungen Va bis Vd in den Gleichungen (8) und durch Substitution der Gleichungen (4) und (5) für den ersten und zweiten Detektorstrom I₁′ und I₂′ in den Gleichungen (7) erhält man die folgenden Gleichungen (9).

Ia = Iref · (I₁ + 2I₂) / 2 (I₁ + I₂)
Ib = Iref · I₁ / 2 (I₁ + I₂)
Ic = Iref · I₂ / 2 (I₁ + I₂)
Id = Iref · (2I₁ + I₂) / 2 (I₁ + I₂) (9).

Aus den Strömen Ia, Ib, Ic und Id, welche durch die Glei chungen (9) angegeben sind, erzeugt die Betriebseinrich tung, welche durch die als Stromspiegelschaltung ausgebil dete Stromumformerschaltung 40 dargestellt wird, das Posi tionsstromsignal If, welches durch die folgende Gleichung (10) wiedergegeben ist.

If = Ia + Ic - (Ib + Id) = Iref · (I₂ - I₁)/ I₁ + I₂) (10).

Die Strom-Spannungsumformerschaltung 46 empfängt das Strom signal If über ihre invertierende Eingangsklemme und lie fert die Ausgangsspannung Vout, welche durch die folgende Gleichung (11) wiedergegeben ist.

Vout = Vst/2 + Rf · Iref · (I₂ - I₁) / (I₁ + I₂) (11).

Die Substitution der Gleichungen (1) und (2) für den ersten und zweiten Photostrom I₁ und I₂ in der Gleichung (11) und die Substitution der Gleichung (6) für den konstanten Strom Iref führt zu folgender Beziehung.

Vout = [1/2 + (x/l - 1/2)2 · Rf/Rb] · Vst (12).

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Widerstände Rb und Rf so bestimmt, daß Rb = 2Rf. Hieraus ergibt sich

Vout = Vst · x/l (13).

Auf diese Weise bildet der Positionssensor des dargestell ten Ausführungsbeispiels die Ausgangsspannung Vout, d. h. das Positionssignal, welches die Position des beleuchteten Flecks angibt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel können das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1 und die Signalverarbeitungsschaltung in einem Signalbaustein gebildet werden. Bei der Einrichtung dieses Ausführungsbeispiels kann daher der Störabstand ver bessert werden. Ferner wird die Genauigkeit der Erfassung durch Kompensation von Kriechströmen des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 im gleichen Baustein erhöht und die Betriebssicherheit des Sensors gesteuert.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Positionssensors ist in der Fig. 3 dargestellt. Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Elektrode 4 und 5 des lichtempfind lichen Halbleiterbauelements 1 über einen Konstantspannungs puffer an den Eingangstransistor 7 bzw. 12 der ersten bzw. zweiten Stromumformerschaltung angeschlossen.

Zusätzlich zu den in der Fig. 1 gezeigten Komponenten be sitzt die Vorrichtung der Fig. 3 p-Kanal-JFETs 65 und 66, Operationsverstärker 67 und 68, sowie Konstantspannungs quellen 69 und 70 mit einer positiven Spannung Vp.

Die Elektrode 4 des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 ist an den JFET 65 angeschlossen, dessen Drainzone mit dem Eingangstransistor 7 der ersten Stromumwandlerschaltung ver bunden ist. Die invertierende Eingangsklemme (-) des Opera tionsverstärkers 67 ist mit der Sourcezone des JFET 65 ver bunden. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 67 ist mit dem Gate des JFET 65 verbunden. Das Gate des JFET 65 wird durch den Operationsverstärker 67 betrieben, und das Sourcepotential des JFET 65 wird auf der konstanten Span nung Vp gehalten.

Die Elektrode des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 ist mit dem JFET 66 verbunden, und der Operationsverstär ker 68 ist in der gleichen Weise, wie in der Fig. 3 darge stellt ist, verschaltet.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungs beispiel ändert sich die Emitter-Basisspannung eines jeden der Eingangstransistoren 7, 12 mit einer Änderung des ersten und zweiten Photostroms I₁ bzw. I₂, daß die Vor spannung des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements 1 ge ändert wird.

Wenn daher der beleuchtete Fleck sich einem jeweiligen Ende der lichtempfindlichen Oberfläche nähert und die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Photostrom I₁ und I₂ sich erhöht, tendiert die Einrichtung nach der Fig. 1 dazu, daß in der Positionserfassung Fehler eingeführt werden können.

Beim Positionssensor der Fig. 3 ist das lichtempfindliche Halbleiterbauelement 1 immer durch die konstante Spannung (Vst - Vp) vorgespannt - unabhängig von Änderungen der Photoströme I₁ und I₂, so daß die Meßgenauigkeit noch ver bessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt.

Der Aufbau des in der Fig. 2 dargestellten lichtempfindli chen Halbleiterbauelements 1 ist bekannt. Bei diesem Aufbau fließt der Photostrom, welcher sich aus bei der Beleuchtung der photoempfindlichen Oberfläche erzeugten Defektelektro nen ergibt, von der Elektrode 6 durch die n⁻-epitaxiale Schicht 52, welche zwischen dem n⁺-Kontaktbereich und der n⁺-leitenden eingebetteten Schicht 54 liegt, und fließt dann in die eingebettete Schicht 54. Der Widerstand des Photo strompfades ist daher unregelmäßig in der lichtempfindlichen Oberfläche verteilt. Der Spannungsabfall aufgrund des un gleichmäßig verteilten Widerstands beeinflußt die Vorspan nung, welche an den lichtempfindlichen pn-Übergang gelegt ist, und bewirkt eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspan nung über die lichtempfindliche Oberfläche. Insbesondere dann, wenn der beleuchtete Fleck sich einem Ende der licht empfindlichen Oberfläche nähert, werden nichtlineare Fehler in die Photoströme I₁ und I₂ eingebracht, und die Genauigkeit der Positionserfassung ist beeinträchtigt.

Der Aufbau des lichtempfindlichen Halbleiterbauelements nach dem dritten Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, ist so beschaffen, daß nichtlineare Fehler in den Photoströmen verringert sind, wodurch die Genauigkeit der Positionserfassung verbessert wird.

Ein epitaxiales Si-Substrat 101, welches in der Fig. 5 dar gestellt ist, umfaßt ein p-leitendes Substrat 102 und eine n⁻-leitende epitaxiale Schicht 103 mit hohem spezifischen Widerstand, welche auf dem Substrat 102 gebildet ist. Eine n⁺-leitende epitaxiale Insel 103a ist durch p⁺-leitende Diffusionstrennwände 104, welche in der epitaxialen Schicht 103 gebildet sind, isoliert. Zwischen der epitaxialen Insel 103a und dem p-leitenden Substrat 102 ist eine n⁺-leitende eingebettete Schicht 105 gebildet, welche mit n-leitender Verunreinigung, beispielsweise Antimon (Sb) oder Arsen (As) hochdotiert ist. Die n⁺-leitende eingebettete Schicht 105 dient zur Reduzierung der Widerstände der Strompfade der Photoströme.

Ein p-leitendes Bereichspaar 106 und 107 sind durch Diffun dierung in der epitaxialen Insel 103a gebildet. Die p-lei tenden Bereiche 106 und 107 sind in einem bestimmten Abstand voneinander getrennt und erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander. Eine p-leitende Schicht 108 mit hohem spezifischen Widerstand ist in der epitaxialen Schicht 103a zwischen den p-leitenden Bereichen 106 und 107 durch Ionen implantation mit Bor (B) gebildet. Wie aus der Fig. 6 her vorgeht, ist die p-leitende Schicht 108 im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und erstreckt sich von dem p-leitenden Bereich 106 zu dem p-leitenden Bereich 107. Eine lichtempfindliche Oberfläche wird durch den pn-Übergang zwischen der p-leitenden Schicht 108 und der n⁺-leitenden epitaxialen Schicht 103 gebildet.

Die Einrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 enthält ferner einen n⁺-leitenden Kontaktdiffusionsbereich 109 für die Insel 103a sowie eine Siliziumdioxidschicht 111. Im Bereich der Schicht 108 ist die Dicke der Siliziumdioxidschicht 111 auf etwa 1000 Å (100 nm) verringert.

Die p-leitenden Bereiche 106 und 107 sind jeweils mit Al-Anoden 112 und 113 über in die Siliziumdioxidschicht 111 eingeformte Kontaktlöcher verbunden. Der n⁺-leitende Kontaktbereich 109 ist über in die Siliziumdioxidschicht 111 eingeformte Kontaktlöcher mit einer Kathode 114 verbunden.

Die Einrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel ent hält ferner einen hochdotierten n⁺-leitenden Bereich 115, der in die epitaxiale Insel 103a eingeformt ist. Der n⁺-leitende Bereich 115 erstreckt sich um die rechtwinklige lichtempfindliche Oberfläche und ist als Rechteck ausgebil det, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Der n⁺-leitende Bereich 115 ist tief ausgebildet und reicht bis zur n⁺-leitenden eingebetteten Schicht 105, wie es in Fig. 5 ge zeigt ist. Der n⁺-leitende Bereich 115 ist mit der Kathode 114 verbunden.

Auf diese Weise ist der durch die epitaxiale Schicht 103 bedingte Widerstand aus den Strompfaden der Photoströme be seitigt.

In den Fig. 5 und 6 ist lediglich das lichtempfindliche Halbleiterbauelement dargestellt. Die übrigen Komponenten der Schaltung zur Verarbeitung der Photoströme sind in das gleiche Substrat in der gleichen Weise wie im ersten Aus führungsbeispiel integriert.

Die Einrichtung nach dem Ausführungsbeispiel ar beitet wie folgt.

Der lichtempfindliche pn-Übergang ist durch eine an die Kathode 114 angelegte positive Spannung in Sperrichtung betrieben. Wenn ein Lichtstrahl auf die lichtempfindliche Oberfläche projektiert wird, werden am beleuchteten Fleck Defektelektronenpaare erzeugt. Aufgrund dieser Defektelektro nenpaare fließt ein Photostrom von der Kathode 114 durch den n⁺-leitenden Bereich 115 und erreicht die n⁺-leitende eingebettete Schicht 105 von der seitlichen Fläche her. Der erste und der zweite Photostrom I₁ und I₂ werden entspre chend von den Anoden 112 und 113 entnommen. Im Teil der n⁺-leitenden eingebettete Schicht 105 folgt der Photostrom dem kürzesten Weg von der Seitenfläche. Daher wird in dem Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels der aus dem hohen spezifischen Widerstand der n⁻-leitenden epitaxialen Schicht 103 resultierende Widerstand aus dem Photostrompfad inner halb des Halbleitersubstrats 101 beseitigt. Dabei wird eine unregelmäßige Widerstandsverteilung über die lichtempfind liche Oberfläche dadurch vermieden, daß der Photostrom durch die n⁺-leitende eingebettete Schicht 105 von der Sei tenfläche entlang dem kürzesten Strompfad fließt. Folglich kann aufgrund des Aufbaus des dritten Ausführungsbeispiels die Vorspannung, welche an den lichtempfindlichen Übergang gelegt ist, gleichförmig über die gesamte lichtempfindliche Oberfläche angelegt werden. Hierdurch wird die Meßgenauig keit aufgrund der Verringerung der nicht linearen Fehler in den Ausgangsphotoströmen erhöht.

Claims

1. Lichtempfindlicher Positionssensor der aufweist:

a) ein Substrat (102) von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
b) eine darüberliegende Schicht (103) vom zweiten Leitfähig keitstyp, welche auf dem Substrat (102) gebildet ist,
c) eine Deckschicht (108) vom ersten Leitfähigkeitstyp, welche auf der Oberfläche der Schicht (103) gebildet ist und mit dieser Schicht einen lichtempfindlichen pn-Übergang bildet,
d) erste und zweite Elektroden (112, 113), welche an ersten und zweiten voneinander getrennten Positionen der Deckschicht (108) angeordnet sind, zur Entnahme von Photoströmen,
e) eine dritte Elektrode (114), die an der Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist und
f) eine hochdotierte eingebettete Schicht (105) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die selektiv zwischen dem Substrat (102) und der darüber befindlichen Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist,

gekennzeichnet durch

g) einen hochdotierten Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, welcher in die Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp eingeformt ist und die Deckschicht (108) umgibt, wobei die dritte Elektrode (114) mit dem hochdotierten Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbunden ist.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochdotierte Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp sich in die über dem Substrat (102) befindliche Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp hinein erstreckt und die eingebettete Schicht (105) erreicht.

3. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der hochdotierte Halbleiterbereich (115) vom zweiten Leitfähigkeitstyp durch die sich über dem Substrat (102) befindliche Schicht (103) vom zweiten Leitfähigkeitstyp von der Deckschicht (108) getrennt ist.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Bereiche (106, 107) vom ersten Leitfähigkeitstyp zwei gegenüberliegende Seiten der Deckschicht (108) begrenzen und jeweils mit den ersten und zweiten Elektroden (112, 113) verbunden sind.

5. Positionsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebettete Schicht (105) eine n⁺-Typ-Schicht ist, die zwischen dem Substrat (102), das ein p-Typ-Siliciumsubstrat ist, und der über diesem liegenden Schicht (103), die eine n-Typ-epitaxiale Schicht ist, gebildet ist.