DE3934246C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor aus einem Diodenstapel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a sensor from a diode stack according to the preamble of claim 1.
Ein solcher Sensor ist aus der DE-OS 35 33 298 bekannt. Auf einem leitfähigen Substrat, z. B. aus rostfreiem Stahl, oder einem isolierenden Substrat, z. B. Glas mit einer darauf befindlichen flächenförmigen Elektrode, ist aus amorphem Silizium eine PIN-Diode aufgebaut, die mit einer transparenten leitfähigen Schicht abgedeckt wird. Mit dieser Schicht ist eine weitere Elektrode verbunden. Auf die transparente leitfähige Schicht ist ein transparenter Isolierfilm und auf diesem erneut eine transparente leitfähige Schicht mit einer Elektrode aufgebaut. Auf diese transparente leitfähige Schicht ist eine weitere PIN-Diode aus amorphem Silizium aufgebracht, deren Oberseite mit einer transparenten leitfähigen Schicht abgedeckt ist, die mit einer Elektrode verbunden ist. Dieser Sensor kann als Farbsensor benutzt werden, wobei die Wellenlänge einer Lichtstrahlung ermittelt werden kann, die durch die transparente leitfähige Schicht auf den Sensor auffällt. Die dabei in den einzelnen Dioden erzeugten Photoströme werden separat über entsprechende Anschlüsse an den Elektroden gemessen. Da langwelliges Licht tiefer in den Diodenstapel eindringt als kurzwelliges Licht und jede Diode dementsprechend für Licht unterschiedlicher Wellenlängen eine unterschiedliche relative Empfindlichkeit aufweist, kann durch Vergleich der Photoströme der beiden Photodioden auf die Wellenlänge der einfallenden Lichtstrahlung rückgeschlossen werden. Die Bestimmung der Wellenlänge ist jedoch nur für monochromatisches Licht möglich. Die Aufteilung von Mischlicht in z. B. einen blauen, einen grünen und einen roten Spektralbereich ist mit diesem Sensor nicht erreichbar, da in den einzelnen Diodenschichten immer Licht mehrerer Spektralbereiche vorliegt, die nicht getrennt werden können. Such a sensor is known from DE-OS 35 33 298. On one conductive substrate, e.g. B. made of stainless steel, or an insulating Substrate, e.g. B. glass with a flat thereon Electrode, a PIN diode is made of amorphous silicon a transparent conductive layer is covered. With this Another electrode is connected to the layer. On the transparent conductive layer is a transparent insulating film and on top of it again a transparent conductive layer with an electrode built up. On top of this transparent conductive layer is another PIN diode made of amorphous silicon applied, the top of which with a transparent conductive layer is covered with an electrode connected is. This sensor can be used as a color sensor, whereby the wavelength of light radiation can be determined by the transparent conductive layer strikes the sensor. The one there Photocurrents generated in the individual diodes are transferred separately corresponding connections measured on the electrodes. Because long-wave Light penetrates deeper into the diode stack than short-wave light and each diode accordingly for light of different wavelengths has different relative sensitivity, can by comparison of the photocurrents of the two photodiodes to the wavelength of the incident light radiation can be inferred. The determination of However, wavelength is only possible for monochromatic light. The Distribution of mixed light in z. B. a blue, a green and one red spectral range is not accessible with this sensor, because in the individual diode layers always light of several spectral ranges that cannot be separated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der in Rede stehenden Art so zu modifizieren, daß bei Mischlicht die Anteile aus unterschiedlichen Spektralbereichen bestimmt werden können; außerdem soll der Sensor einfach aufgebaut sein und eine einfache Beschaltung der Elektroden ermöglichen.The invention has for its object a sensor in question to modify the standing type in such a way that the proportions of mixed light different spectral ranges can be determined; Furthermore the sensor should have a simple structure and simple wiring of the Enable electrodes.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out by the Features specified claim 1 solved.
Demgemäß liegt der wesentliche Gedanke der Erfindung darin, den Sensor aus einem Diodenstapel durch eine entsprechende Anpassung der in den einzelnen Diodenschichten wirksamen Diodenflächen so zu modifizieren, daß durch diese Flächenkorrektur an den Ausgängen des Sensors jeweils nur Licht eines bestimmten Spektralbereiches gemessen wird.Accordingly, the essential idea of the invention is the sensor from a diode stack by a corresponding adaptation of the to modify individual diode layers effective diode areas so that by this area correction at the outputs of the sensor in each case only light of a certain spectral range is measured.
Durch entsprechende Dimensionierung der Dicke der einzelnen Sensorschichten und der wirksamen Fläche der einzelnen Hilfsdioden kann für Mischlicht eine Wellenlängenanalyse vorgenommen werden, so daß der Sensor als Mehrfarbsensor, z. B. Dreifarbsensor, mit nur sehr kleinen Farbfehlern eingesetzt werden kann.By appropriately dimensioning the thickness of each Sensor layers and the effective area of the individual auxiliary diodes can a wavelength analysis can be carried out for mixed light, so that the Sensor as a multi-color sensor, e.g. B. tri-color sensor, with only very small Color errors can be used.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further embodiments of the invention emerge from the subclaims forth.
Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:The invention is in one embodiment with reference to the drawing explained in more detail. In the drawing:
Fig. 1 eine geschnittene Prinzipdarstellung eines Dreifarbensensors gemäß der Erfindung, bestehend aus einem Stapel von drei Hauptdioden, die von ringförmigen Hilfsdioden umgeben sind; Figure 1 is a sectional schematic representation of a three-color sensor according to the invention, consisting of a stack of three main diodes, which are surrounded by ring-shaped auxiliary diodes.
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Photoströme für die blauen, grünen und roten Anteile einer auf die Hauptdioden des Dreifarbensensors gemäß Fig. 1 fallenden Lichtstrahlung; FIG. 2 shows a schematic representation of the photocurrents for the blue, green and red components of a light radiation incident on the main diodes of the three-color sensor according to FIG. 1;
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für den Dreifarbensensor gemäß Fig. 1. Fig. 3 is an equivalent circuit diagram for the three-color sensor of FIG. 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Dreifarbensensor 1 dargestellt, der auf einem Glassubstrat 2 aus drei Diodenschichten I, II, und III aufgebaut ist. Auf das Glassubstrat 2 wird eine transparente elektrisch leitende Schicht 3 aufgebracht, auf der eine PIN-Hauptdiode D1 aus amorphem Silizium mit einer Schicht aus P-Silizium, einer Schicht aus I-Silizium und einer Schicht aus N-Silizium aufgebaut wird. Auf die Endschicht dieser Hauptdiode D1 wird wiederum eine transparente, elektrisch leitende Schicht 3 aufgebracht, auf der anschließend die Hauptdiode D2 in ähnlicher Weise aufgebaut wird. Das gleiche Verfahren wird für die darüberliegende Hauptdiode D3 verwendet, die mit einer elektrisch leitenden Schicht 4, die ebenfalls transparent sein kann, abgedeckt ist. Die elektrisch leitenden Schichten 3 und 4 sind jeweils mit Elektroden versehen, von denen hier nur die Elektrode E0 für die auf dem Glassubstrat 2 liegende Schicht und die Elektrode E4 für die Schicht 4 dargestellt sind.In Fig. 1, a three-color sensor 1 is shown schematically, which on a glass substrate 2 made of three diode layers I, II, and III constructed. A transparent, electrically conductive layer 3 is applied to the glass substrate 2 , on which a PIN main diode D 1 made of amorphous silicon with a layer made of P silicon, a layer made of I silicon and a layer made of N silicon is built up. In turn, a transparent, electrically conductive layer 3 is applied to the end layer of this main diode D 1 , on which the main diode D 2 is then built up in a similar manner. The same method is used for the overlying main diode D 3 , which is covered with an electrically conductive layer 4 , which can also be transparent. The electrically conductive layers 3 and 4 are each provided with electrodes, of which only the electrode E 0 for the layer lying on the glass substrate 2 and the electrode E 4 for the layer 4 are shown.
Dieser Stapel aus den Hauptdioden D1, D2 und D3 ist von einer Anordnung aus ringförmigen Hilfsdioden D2′, D3′, D3′′ und D3′′′ umgeben. Die Hilfsdiode D2′ ist in der Diodenschicht II aufgebaut und weist zu beiden Seiten wiederum transparente elektrisch leitende Schichten 3 auf. Die Hilfsdioden D3′ und D3′′ sind in der Diodenschicht III direkt oberhalb der Hilfsdiode D2′ angeordnet, während die ebenfalls in der Diodenschicht III gelegene Hilfsdiode D3′′′ die Hilfsdioden D3′ und D3′′ ringförmig umgibt. Auch die elektrisch leitenden Schichten 3 und 4 dieser Hilfsdiodenanordnung sind jeweils mit Elektroden versehen, von denen hier nur eine Elektrode E′ für die Hilfsdiode D3′′′ gezeigt ist. Sämtliche Elektrodenanschlüsse für die Haupt- und Hilfsdioden werden in herkömmlicher Technik, z. B. durch vergrabene Verbindungen u. dgl. erzeugt. This stack of the main diodes D 1 , D 2 and D 3 is surrounded by an arrangement of annular auxiliary diodes D 2 ', D 3 ', D 3 '' and D 3 '''. The auxiliary diode D 2 'is built up in the diode layer II and in turn has transparent electrically conductive layers 3 on both sides. The auxiliary diodes D 3 'and D 3 ''are arranged in the diode layer III directly above the auxiliary diode D 2 ', while the auxiliary diode D 3 '''also located in the diode layer III surrounds the auxiliary diodes D 3 ' and D 3 '' in a ring . The electrically conductive layers 3 and 4 of this auxiliary diode arrangement are each provided with electrodes, of which only one electrode E 'for the auxiliary diode D 3 ''' is shown here. All electrode connections for the main and auxiliary diodes are made in conventional technology, e.g. B. by buried connections u. Like. Generated.
Es sei angenommen, daß der Dreifarbensensor 1 mit Mischlicht L durch das Glassubstrat bestrahlt wird.It is assumed that the three-color sensor 1 is irradiated with mixed light L through the glass substrate.
Die Dicke der einzelnen Hauptdioden D1, D2, D3 und der transparenten elektrisch leitenden Schichten werden hierbei entsprechend dem Diagramm in Fig. 2 gewählt, in denen die Intensitäten B, G und R von kurzwelligem blauen Licht, grünem Licht bzw. langwelligem roten Licht in Abhängigkeit der Eindringtiefe dargestellt sind. Kurzwelliges blaues Licht wird im wesentlichen durch die erste Hauptdiode D1 absorbiert, was zu einem anteiligen Photostrom IB1 führt. Grünes Licht dringt noch bis zur zweiten Hauptdiode D2, so daß in der Hauptdiode D1 bzw. der Hauptdiode D2 anteilige Photoströme IG1 bzw. IG2 fließen. Rotes Licht dringt bis zur dritten Hauptdiode D3 hindurch, die einen anteiligen Photostrom IR3 führt. Da die Hauptdioden D1 und D2 ebenfalls rotes Licht absorbieren, fließen dort anteilige Photoströme IR1 bzw. IR2.The thickness of the individual main diodes D 1 , D 2 , D 3 and the transparent electrically conductive layers are chosen in accordance with the diagram in FIG. 2, in which the intensities B, G and R of short-wave blue light, green light and long-wave red Light depending on the penetration depth are shown. Short-wave blue light is essentially absorbed by the first main diode D 1 , which leads to a proportional photocurrent I B1 . Green light penetrates as far as the second main diode D 2 , so that proportionate photocurrents I G1 and I G2 flow in the main diode D 1 and the main diode D 2, respectively. Red light penetrates through to the third main diode D 3 , which carries a proportional photocurrent I R3 . Since the main diodes D 1 and D 2 also absorb red light, proportionate photocurrents I R1 and I R2 flow there.
Bei einem solchen Aufbau sieht man, daß der Photostrom der Hauptdiode D3 nur durch den Rotanteil des Lichtes bestimmt wird, so daß der Photostrom IR3 direkt als IRot, d. h. als Maß für den Rotanteil der einfallenden Lichtstrahlung gemessen werden kann.With such a construction it can be seen that the photocurrent of the main diode D 3 is only determined by the red component of the light, so that the photocurrent I R3 can be measured directly as I red , ie as a measure of the red component of the incident light radiation.
Der Strom ID2 durch die Hauptdiode D2 wird bestimmt durch die anteiligen Photoströme IG2 und IR2 sowie den abfließenden Photostrom IR3:The current I D2 through the main diode D 2 is determined by the proportionate photo currents I G2 and I R2 and the flowing photo current I R3 :
ID2 = IG2 + IR2 - IR3 = IG2 + ΔIR (1)I D2 = I G2 + I R2 - I R3 = I G2 + ΔI R (1)
wobei der Rotfehler ΔIR relativ klein ist, wie aus dem Diagramm aus Fig. 5 hervorgeht. Diesen Fehler könnte man reduzieren bzw. auf Null bringen, indem man die für die Messung wirksamen Flächen F2 und F3 der Dioden D2 bzw. D3 so einstellt, daßwherein the red error ΔI R is relatively small, as can be seen from the diagram in FIG. 5. This error could be reduced or brought to zero by setting the effective areas F 2 and F 3 of the diodes D 2 and D 3 in such a way that
Eine solche Flächenanpassung erfolgt nun über die Hilfsdiode D3′. Wird demnach von dem Fotostrom der Hauptdiode D2 der Fotostrom durch die Hilfsdiode D3′ abgezogen, so erhält man direkt den für den Grünanteil des einfallenden Lichtes L entsprechenden Fotostrom IGrün.Such an area adjustment is now carried out via the auxiliary diode D 3 '. Accordingly, if the photocurrent through the auxiliary diode D 3 'is subtracted from the photocurrent of the main diode D 2, the photocurrent I green corresponding to the green component of the incident light L is obtained directly.
In ähnlicher Weise ergibt sich für den Photostrom der Hauptdiode D1 In a similar way, for the photocurrent of the main diode D 1
ID1 = IB1 + (IG1 - IG2) + (IR1 - IR)
= IB1 + ΔIG + ΔI′R (3)I D1 = I B1 + (I G1 - I G2 ) + (I R1 - I R )
= I B1 + ΔI G + ΔI ′ R (3)
wobei der Grünfehler ΔIG durch die Differenz der anteiligen Ströme IG1 und IG2 und der Rotfehler ΔI′R durch die Differenz der anteiligen Photoströme IR1 und IR2 bestimmt ist. Der Grünfehler kann wiederum durch Flächenanpassung der wirksamen Diodenflächen F1 und F2 der Diodenschichten I und II reduziert werden, wenn gilt:wherein the green error ΔI G is determined by the difference in the proportional currents I G1 and I G2 and the red error ΔI ' R by the difference in the proportional photo currents I R1 and I R2 . The green error can in turn be reduced by adapting the effective diode areas F 1 and F 2 of the diode layers I and II if:
Diese Korrektur erfolgt mit der Hilfsdiode D2′ und der Hilfsdiode D3′′.This correction is done with the auxiliary diode D 2 'and the auxiliary diode D 3 ''.
Der Rotfehler ΔI′R ergibt sich dadurch zu:The red error ΔI ′ R results from:
Dieser Fehler kann wiederum reduziert bzw. zu Null gemacht werden, wenn die wirksamen Flächen der einzelnen Diodenschichten eingestellt werden zu:This error can in turn be reduced or made zero if the effective areas of the individual diode layers are set to:
Diese Korrektur wird durch die Hilfsdiode D3′′′ ermöglicht. This correction is made possible by the auxiliary diode D 3 '''.
Das Ersatzschaltbild eines solchen Dreifarbensensors ist in Fig. 3 dargestellt.The equivalent circuit diagram of such a three-color sensor is shown in FIG. 3.
Wie bereits oben erwähnt, kann der Photostrom IRot direkt als Ausgangsstrom der Hauptdiode D3 gemessen werden, z. B. mit Hilfe eines Strommeßgerätes 13. Der dem grünen Spektralbereich zuzuordnende Photostrom wird mit Hilfe eines Strommeßgerätes 14 gemessen, das mit dem Ausgang der Hauptdiode D3 verbunden und von der Hilfsdiode D3′ überbrückt ist, mit der der Rotfehler ΔIR entsprechend Gleichung (1) kompensiert wird.As already mentioned above, the photocurrent I red can be measured directly as the output current of the main diode D 3 , e.g. B. with the help of an ammeter 13th The green spectral range to be assigned photocurrent is measured with the aid of a current measuring device 14 , which is connected to the output of the main diode D 3 and bridged by the auxiliary diode D 3 ', with which the red error ΔI R is compensated in accordance with equation (1).
Der dem blauen Spektralanteil entsprechende Photostrom IBlau wird mit Hilfe eines Strommeßgerätes 15 gemessen, das mit dem Ausgang der Hauptdiode D1 verbunden und mit einer Serienschaltung aus den Hilfsdioden D2′ und D3′ sowie parallel dazu durch die Hilfsdiode D3′′′ überbrückt ist. Durch die Hilfsdiode D2′ wird im wesentlichen der Grünfehler kompensiert, wobei der von dieser Hilfsdiode D2′ entsprechende Anteil des dem roten Spektralbereich zuzuordnenden Lichtes und der Rotfehler ΔI′R durch die beiden Hilfsdioden D3′′ und D3′′′ kompensiert werden.The photocurrent I blue corresponding to the blue spectral component is measured with the aid of a current measuring device 15 , which is connected to the output of the main diode D 1 and to a series circuit comprising the auxiliary diodes D 2 'and D 3 ' and in parallel by the auxiliary diode D 3 ''' is bridged. The auxiliary diode D 2 'essentially compensates for the green error, with the auxiliary diode D 2 ' corresponding portion of the light to be assigned to the red spectral range and the red error ΔI ' R being compensated for by the two auxiliary diodes D 3 ''and D 3 ''' will.
Mit dem Dreifarbensensor ist noch eine hier nicht dargestellte Auswerteschaltung verbunden, die z. B. als integrierte Schaltung aufgebaut sein kann. Mit dieser Schaltung werden die jeweiligen Photoströme z. B. getaktet abgetastet und entsprechend ausgewertet.The three-color sensor is another one not shown here Evaluation circuit connected, the z. B. as an integrated circuit can be built. With this circuit the respective Photocurrents e.g. B. sampled clocked and evaluated accordingly.
Der beschriebene Dreifarbensensor kann in integrierter Bauweise in einer kompakten Größe hergestellt werden und weist nur geringe Farbfehler auf. Die Art der Anordnung der Hilfsdioden und deren Beschaltung mit den Hauptdioden ist beispielhaft angegeben. So könnte z. B. bei entsprechender Dimensionierung der Hilfsdiode D3′′ der durch die Hilfsdiode D3′′′ fließende Strom zu dem Photostrom IBlau hinzuaddiert werden (s. die gestrichelte Linie) und nicht, wie in dem Ersatzschalt bild gemäß Fig. 3 gezeigt, subtrahiert werden. Wesentlich für die Erfindung ist, daß die Farbfehler eines Mehrfarbensensors durch Anpassung der wirksamen Diodenflächen in den einzelnen Diodenschichten korrigiert werden.The three-color sensor described can be produced in an integrated design in a compact size and has only minor color errors. The type of arrangement of the auxiliary diodes and their connection to the main diodes is given as an example. For example, B. with appropriate dimensioning of the auxiliary diode D 3 '' of the current flowing through the auxiliary diode D 3 '''are added to the photocurrent I blue (see the dashed line) and not, as shown in the equivalent circuit shown in FIG. 3, be subtracted. It is essential for the invention that the color errors of a multicolor sensor are corrected by adapting the effective diode areas in the individual diode layers.
Der durch die Dotierung der Diodenschichten I, II und III gemäß Fig. 1 jeweils gegebene Schichtaufbau (PIN oder PN) kann sich durch den ganzen Körper des Dreifachsensors 1 in Schichtrichtung gleichmäßig hindurchziehen. Die Strukturierung in Haupt- und Hilfsdioden ist dann lediglich durch die Lage der (transparenten) elektrisch leitenden Schichten 3 und 4 gegeben (s. die gestrichelten Senkrechten in Fig. 1). Es ist jedoch auch möglich, die Dotierung auf die etwa zwischen den gestrichelten Senkrechten in Fig. 1 liegenden Bereiche der Haupt- und Hilfsdioden selbst zu beschränken. Die transparenten elektrisch leitenden Schichten 3 können als transparente leitende Oxidschichten (TCO), beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO), aber auch als höher dotierte Schichtbereiche des Halbleitergrundkörpers ausgeführt sein.The layer structure (PIN or PN) given in each case by the doping of the diode layers I, II and III according to FIG. 1 can extend uniformly through the entire body of the triple sensor 1 in the layer direction. The structuring in main and auxiliary diodes is then only given by the position of the (transparent) electrically conductive layers 3 and 4 (see the dashed vertical line in FIG. 1). However, it is also possible to limit the doping to the regions of the main and auxiliary diodes themselves, which lie approximately between the dashed verticals in FIG. 1. The transparent electrically conductive layers 3 can be designed as transparent conductive oxide layers (TCO), for example made of indium tin oxide (ITO), but also as more highly doped layer regions of the semiconductor main body.
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