DE69010994T2

DE69010994T2 - Lichtempfindliche Halbleiteranordnung.

Info

Publication number: DE69010994T2
Application number: DE69010994T
Authority: DE
Inventors: Martinus Petrus Maria Bierhoff; Mil Job Franciscus Petrus Van
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2010-05-30
Also published as: US5099126A; CN1021677C; EP0400754A1; KR910002015A; CN1047759A; KR100225186B1; NL8901401A; JPH0329376A; JP3165689B2; EP0400754B1; DE69010994D1

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei strahlungempfindlichen Dioden, auf die ein Lichtfleck abgebildet werden kann, sowie mit einer Schaltung zum Verstärken des von dem Lichtfleck generierten Photostroms, wobei die genannte Schaltung Transistoren umfaßt, die außerhalb des von den Photodioden in dem Halbleiterkörper eingenommenen Bereichs angeordnet sind, wobei jeder Transistor einer strahlungempfindlichen Diode zugeordnet und mit ihr verbunden ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Fokussierungsanordnung mit solch einer photoempfindlichen Anordnung.
Eine photoempfindliche Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art wird beispielsweise in US-A 4314858 oder IEE Journal of Electrical Engineering, Bd. 25, Nr. 256, April 1988, S. 70-73 beschrieben.
Derartige Anordnungen werden in vielen Gebieten und auf unterschiedliche Weise eingesetzt. Insbesondere werden sie auf dem Gebiet des Auslesens und Einschreibens optischer Information verwendet, wie in DOR-("Digital Optical Recording"), VLP-("Video Long Play") und CD-("Compact Disc")Geräten und zum Detektieren von Auslenkungen in radialer und axialer Richtung des informationstragenden Mediums, hie die DOR-, VLP- oder CD-Platte.
Bei einer Anwendung der genannten Art ist die strahlungsemfindliche Anordnung Teil beispielsweise eines Foucault-Fokussierungssystems, wie unter anderem in "Philips technical Review, Bd. 40, 1981/82, Nr. 9, S.266-272 beschrieben. In diesem Fall wird das von einem Laser auf die CD oder Videoplatte fokussierte und von der Platte reflektierte Strahlenbündel von einer halbdurchlässigen Spiegeloberfläche abgelenkt und von keilförmigen Prismen in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, die jeweils als Lichtfleck auf zwei jeweils von einem schmalen Streifen getrennten Photodioden eines auf einer Halbleiterscheibe angebrachten Photodetektors abgebildet werden.
Mit Hilfe einer Schaltung wird aus der Signaldifferenz der Photodioden ein Spurfolgefehlersignal abgeleitet, das als Steuersignal zur Stabilisierung der Lage des fokussierten Laserstrahlenbündels bezüglich der Platte verwendet wird. Gleichzeitig kann ein zweites Spurfolgefehlersignal aus den von den Photodioden erzeugten Signalen abgeleitet werden, wobei das Signal Alterung und Verschmutzung des optischen Systems berücksichtigt. In dem genannten Beitrag in "Philips Technical Review" wird dies ausführlich erläutert, so daß für weitere Einzelheiten hierauf bezug genommen werden kann.
Da die Information auf der Platte die Form von Vertiefungen und Nicht- Vertiefungen mit Abmessungen von 1 um und kleiner hat, muß die Vorrichtung imstande sein, hochfrequenten Änderungen in der detektierten Lichtstärke zu folgen. Außerdem müssen die erzeugten Photoströme einen genügend hohes Signal-Rauschverhältnis aufweisen und nicht zu schwach sein.
Im allgemeinen sind Photodioden genügend schnell. Die von den Dioden gelieferten Photoströme sind jedoch im allgemeinen zu schwach und müssen daher mit Hilfe der genannten (Schalt-)Mittel verstärkt werden.
Die genannten Mittel können in einfacher Weise von Transistoren gebildet werden. Hierzu kann eine zusätzliche Emitterzone in den Photodioden vorgesehen sein, so daß letztere zu Phototransistoren werden, die ein verstärktes Signal liefern, das das gewünschte Signal-Rausch-Verhältnis hat.
Ein großer Nachteil dieser Lösung ist, daß die Transistoren dann in relativ großem relativen Abstand liegen. Infolgedessen ist es wegen der unvermeidlichen Inhomogenitäten des Halbleitermaterials schwierig, die Transistoreigenschaften innerhalb der hierfür geltenden Toleranzen gleich zu machen.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen und wenigstens in erheblichem Ausmaß zu verringern.
Erfindungsgemäß wird eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die aktiven Teile der Transistoren dichter beieinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind als die strahlungempfindlichen Dioden, denen sie zugeordnet sind. Vorzugsweise sind die Transistoren so dicht wie möglich beieinander in dem Halbleiterkörper angeordnet. Der Begriff "so dicht wie möglich beieinander angeordnet" soll dabei so verstanden werden, daß die Konzentration der aktiven Teile der Transistoren auf einer Fläche möglichst klein ist, wobei die einzuhaltenden Toleranzen bei der Fesflegung der Abmessungen berücksichtigt werden.
Es sei weiterhin bemerkt, daß in dieser Anmeldung die Begriffe "Photo" und "Licht" auch infrarote und ultraviolette, für das Auge unsichtbare, elektromagnetische Strahlung einschließen.
Wenn die Transistoren auf eine möglichst kleinen Fläche konzentriert sind, werden die auf Inhomogenitäten zurückzuführenden Unterschiede in den Transistoreigenschaften, ungeachtet des Abstandes zwischen den strahlungempfindlichen Dioden, auf ein Minimum reduziert.
Obwohl für das Anbringen der Transistoren außerhalb der strahlungempfindlichen Dioden eine größere Oberfläche erforderlich ist, ist diese zusätzliche Oberfläche in einer erfindungsgemäßen Anordnung so klein, daß dies praktisch keine Nachteile mit sich bringt.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die strahlungempfindlichen Dioden in einer Reihe angeordnet und die Transistoren in einer dazu nahezu parallelen Reihe.
Eine häufig in Fokussierungsanordnungen verwendete, wichtige bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vier in Quadranten angeordnete Photodioden und vier Transistoren umfaßt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Fokussierungsanordnung mit optischen Mitteln zum Projizieren eines Lichtstrahlenbündels auf eine Fläche, optischen Mitteln zum Ablenken eines Teils des Lichtstrahlenbündels und optischen Mitteln zum Aufteilen des abgelenkten Strahlenbündels in mindestens zwei Strahlenbündel, die Lichtflecke auf einen Photodetektor projizieren, der Signale erzeugt, um die Lage des genannten Lichtstrahlenbündels bezüglich der Fläche zu stabilisieren, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Photodetektor eine strahlungsempfindliche erfindungsgemäße Halbleiteranordnung der vorstehend beschriebenen Art ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Draufsicht einer photoempfindlichen erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,
Figur 2 schematisch einen Querschnitt von Figur 1 entlang der Linie II-II, und
Figur 3 schematisch eine erfindungsgemäße Fokussierungsanordnung.
Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht einer photoempfindlichen erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung. Figur 2 zeigt schematisch einen Querschnitt dieser Anordnung entlang der Linie II-II von Figur 1.
Die Anordnung umfaßt einen Halbleiterkörper 1, meistens aus Silicium, obwohl in bestimmten Fällen auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden können. Der Halbleiterkörper, in diesem Ausführungsbeispiel eine Siliciumscheibe mit einem hoch dotierten n&spplus;-Substrat 2 und einer darauf aufgebrachten schwächer dotierten n&supmin;-Epitaxieschicht 3 umfaßt mindestens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel vier, Photodioden 4 bis 7, auf die ein Lichtfleck abgebildet werden kann. Die Photodioden bestehen jeweils aus einer p-Zone, beispielsweise der Zone 6 in Figur 2, die jeweils einen pn-Übergang mit dem angrenzenden n-Halbleitermaterial bilden. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei aus einer Foucault-Fokussierungsanordnung stammende Lichtflecke 8 und 9 projiziert, d.h. der Lichtfleck 8 auf die Dioden 4 und 5 und der Lichtfleck 9 auf die Dioden 6 und 7. Die Anordnung umfaßt weiterhin Mittel zur Verstärkung des von dem Lichtfleck oder den Lichtflecken erzeugten Photostroms. Mit Hilfe einer weiteren Schaltung (hier nicht abgebildet), die auch, falls gewünscht, vollständig oder teilweise in dem Halbleiterkörper 1 aufgenommen sein kann, wird dann aus der Analyse des Verhältnisses der von den Dioden 4, 5, 6 und 7 stammenden Signale ein Spurfolgefehlersignal abgeleitet, wie in dem weiter vorn genannten Beitrag in "Philips Technical Review" beschrieben wird.
Erfindungsgemäß umfassen die genannten Mittel zur Verstärkung der Photoströme Transistoren 14, 15, 16 und 17, die außerhalb des von den Photodioden 4 bis 7 eingenommenen Gebiets angebracht sind, wobei jeder Transistor einer Photodiode zugeordnet und mit ihr verbunden ist und die aktiven Teile der Transistoren 14 bis 17 dichter beieinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind als die Dioden 4, 5, 6, 7. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Transistoren 14, 15, 16, 17 so dicht wie möglich beieinander angeordnet.
Die Transistoren 14 bis 17 werden in einer die gemeinsame Kollektorzone bildenden gemeinsamen n-Insel 18 so angebracht, daß sie von den Photodioden getrennt sind und der relative Abstand ihrer Basiszonen 19 in diesem Ausführungsbeispiel 10 um beträgt. Der aktive Teil der Transistoren, d.h. das von ihren Basiszonen eingenommene Oberflächengebiet, ist daher auf einem kleinen und folglich nahezu homogenen Gebiet der Siliciumscheibe konzentriert. Da ihre Abmessungen gleich sind, haben sie daher praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften, während das zusätzlich von ihnen eingenommene Oberflächengebiet nur klein ist.
Die Basiszone 19 jedes der Transistoren 14, 15, 16, 17 ist mit einer der Photodioden 4 bis 7 mit Hilfe einer Metallbahn 20 verbunden; Metallbahnen werden in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet. Die p-Zonen 6 der Photodioden werden beispielsweise durch Diffusion oder Ionenimplantation angebracht. Die n-Emitterzonen 21 der Transistoren sind über Metallbahnen mit Kontaktflächen 14A bis 17A verbunden, mit denen die weitere für die Steuerung benötigte Randapparatur verbunden werden kann. Diese weiteren Teile der Schaltung können eventuell auch innerhalb der Halbleiterscheibe 1 vorgesehen sein. Das Substrat wird über das Kontaktfenster 22 mit einem Bezugspotential verbunden, in diesem Fall der höchsten Speisespannung.
In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind die Photodioden 4 bis 7 in einer Reihe angeordnet, und die Transistoren 14 bis 17 liegen in einer dazu nahezu parallelen Reihe. Dies ist häufig praktisch, aber nicht notwendig, und andere Konfigurationen können, falls gewünscht, verwendet werden.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden vier Photodioden 4 bis 7 verwendet, die die Anordnung in vier Quadranten unterteilen. Je nach der Anwendung ist es jedoch auch möglich, eine andere Anzahl Photodioden (mindestens zwei) zu verwenden. Die Photodioden können auch jeweils, falls gewünscht, in zwei oder mehr parallelgeschaltete Teildioden unterteilt sein.
Schließlich zeigt Figur 3 schematisch eine erfindungsgemäße Fokussierungsanordnung, die als Photodetektor eine Halbleiterschaltung der anhand eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschriebenen Art umfaßt. Ein von einem Laser 31 kommendes Strahlungsbündel 30 mit einer Wellenlänge von beispielsweise 800 nm wird über eine halbdurchlässige Spiegelfläche 32, die beispielsweise von der Trennfläche einer Prismenanordnung und eines Linsensystems gebildet wird, als Lichtfleck 34 auf eine CD- oder VLP-Platte 35 abgebildet. Ein Teil der von der platte 35 reflektierten Strahlung wird von der Spiegelfläche 32 über zwei keilförmige Prismen 36, 37 abgelenkt und als zwei Lichtflecke (8, 9, siehe auch Figur 1) auf die Photodioden 4 bis 7 eines Photodetektors der anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Art abgebildet. Mittels der von den Photodioden kommenden Signale können durch das Schlingern der Platte verursachte Abweichungen des Lichtflecks 34 im Hinblick auf seine korrekte Lage korrigiert werden.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschrieben Ausführungsformen beschrankt, sondern es sind viele Abwandlungen möglich. Beispielsweise können die Leitungstypen alle (gleichzeitig) durch die entgegengesetzen Leitungstypen ersetzt werden, unter gleichzeitiger Umkehr der Polaritäten der Spannungen. Außerdem können andere Halbleitermaterialen als Silicium verwendet werden, wobei auch für andere als die hier genannten Fokussierungs- und Positionierungszwecke verwendet werden.

Claims

1. Monolithisch integrierte strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei strahlungempfindlichen Dioden, auf die ein Lichtfleck abgebildet werden kann sowie mit einer Schaltung zum Verstärken des von dem Lichtfleck generierten Photostroms, wobei die genannte Schaltung Transistoren umfaßt, die außerhalb des von den Photodioden in dem Halbleiterkörper eingenommenen Bereichs angeordnet sind, wobei jeder Transistor einer strahlungempfindlichen Diode zugeordnet und mit ihr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die aktiven Teile der Transistoren dichter beieinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind als die strahlungempfindlichen Dioden, denen sie zugeordnet sind.

2. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren so dicht wie möglich beieinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind.

3. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungempfindlichen Dioden in einer Reihe angeordnet sind und die Transistoren in einer dazu nahezu parallelen Reihe.

4. Strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vier in Quadranten angeordnete strahlungempfindliche Dioden und vier Transistoren umfaßt.

5. Fokussierungsanordnung mit optischen Mitteln zum Projizieren eines Lichtstrahlenbündels auf eine Fläche, optischen Mitteln zum Ablenken eines Teils des Lichtstrahlenbündels und optischen Mitteln zum Aufteilen des abgelenkten Strahlenbündels in mindestens zwei Strahlenbündel, die Lichtflecke auf einen Photodetektor projizieren, der Signale erzeugt, um die Lage des genannten Lichtstrahlenbündels bezüglich der Fläche zu stabilisieren dadurch gekennzeichnet. daß der genannte Photodetektor eine strahlungsempfindliche Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.