DE69937588T2

DE69937588T2 - Fotodetektor

Info

Publication number: DE69937588T2
Application number: DE69937588T
Authority: DE
Inventors: Frederick A. Palo Alto Perner
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: US5969399A; EP0959502A2; DE69937588D1; JPH11345995A; EP0959502A3; EP0959502B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Photodetektoren, z. B. für einen Hoch-Verstärkungs-Photodetektor zum Erzeugen eines auf Lichtintensität basierenden Binärwertes.
Es gibt verschiedene Situationen, bei denen ein bewegbarer Wagen über einem feststehenden Gegenstand auszurichten ist, indem eine Bezugsmarkierung auf dem feststehenden Gegenstand detektiert wird. Ein Verfahren zum "spontanen" (on the fly) Erfassen der Bezugsmarkierung besteht darin, ein Array von Photodetektoren auf dem bewegbaren Wagen einzubauen. Wenn das Array groß genug ist, wird die Bezugsmarkierung das Licht an einem oder mehreren der Detektoren ändern. Durch Bestimmen der Identität der Photodetektoren, die "gefeuert haben", können Stellung und Größe der Bezugsmarkierung abgeleitet werden.
Wenn das Lichtsignal schwach ist, muss ein Hoch-Verstärkungs-Photodetektor verwendet werden. Ein derartiger Detektor benötigt einen zweistufigen Operationsverstärker gefolgt von einem Strom-zu-Spannung-Umsetzer. Die Fläche auf dem Chip, die für die Operationsverstärker benötigt wird, schränkt die Dichte der Photodetektoren im Array ein. Daher wäre es von Vorteil, einen Hoch-Verstärkungs-Photodetektor bereitzustellen, der weniger Baufläche benötigt.
Die Druckschriften "Patent Abstracts of Japan", Band 009, Nr. 258, 16. Oktober 1985 und JP 60 107 858 offenbaren ein Lichtempfangselement, das aus einem Phototransistor und einem Transistor gebildet wird, der mit dem Phototransistor als Darlington-Paar in einem Halbleitersubstrat geschaltet ist.
Die Druckschriften "Patent Abstracts of Japan", Band 012, Nr. 385, 14. Oktober 1988, und JP 63 128 666 offenbaren photoelektrische Konversionsteile in Form von zwei Transistoren in Darlington-Schaltung. Ein Strom-zu-Spannung-Wandler wird in Form eines Kondensators und eines Trennverstärkers bereitgestellt.
Die US 4 658 282 offenbart eine Halbleiterübergangs betreffende Struktur zur Steuerung der Empfindlichkeit von Signalverarbeitungssystemen, wobei eine getrennte Photodiodenstruktur offenbart wird, die über einen pn-Halbleiterübergang einer Eingangsanordnungs-Bauteilvorrichtung parallel geschaltet ist.
Die vorliegende Erfindung ist bemüht, einen verbesserten Photodetektor bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Photodetektor nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß wird ein Hoch-Verstärkungs-Photodetektor bereitgestellt, der auf wesentlich kleinerem Raum gestaltet werden kann als Photodetektoren mit der gleichen Verstärkung nach dem Stand der Technik. Der Photodetektor weist einen Lichtwandler, um ein Lichtsignal in einen Strom zu konvertieren; und einen ersten Vertikaltransistor auf. Der erste Vertikaltransistor weist eine erste Wanne in einem Halbleitersubstrat auf, wobei die erste Wanne einen Diffusionsbereich aufweist, wobei das Halbleitersubstrat und der Diffusionsbereich einen ersten Typ von Dotierung aufweisen, und wobei die erste Wanne einen zweiten Typ von Dotierung aufweist. Der erste Typ von Dotierung ist entweder ein P-Typ oder ein N-Typ, und der zweite Typ von Dotierung ist der andere von dem P-Typ oder dem N-Typ. Der Lichtwandler ist an die erste Wanne angeschlossen ist, um den Vertikaltransistor in Vorwärtsrichtung zu betreiben, um dadurch einen Strom zu veranlassen, zwischen dem Diffusionsbereich in der ersten Wanne und dem Substrat zu fließen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Lichtwandler eine Photodiode, die aus einem Diffusionsbereich des zweiten Typs von Dotierung in dem Halbleitersubstrat gestaltet wird. Eine zusätzliche Verstärkung des Photostroms aus dem Lichtwandler wird bereitgestellt, indem ein zweiter Vertikaltransistor eingebracht wird. Der zweite Vertikaltransistor weist eine zweite Wanne in dem Halbleitersubstrat auf, wobei die zweite Wanne einen zweiten Diffusionsbereich aufweist. Das Halbleitersubstrat und der zweite Diffusionsbereich weisen den ersten Typ von Dotierung auf, und die zweite Wanne weist den zweiten Typ von Dotierung auf. Der erste Vertikaltransistor und der zweite Vertikaltransistor sind als Darlington-Paar geschaltet. Der verstärkte Strom aus dem bzw. den Vertikaltransistor(en) wird von einem Strom-zu-Spannung-Wandler, der an den ersten Diffusionsbereich angeschlossen ist, um Strom, der durch den Diffusionsbereich fließt, in eine Spannung zu konvertieren, in eine Spannung konvertiert. Der Wandler weist einen Klein-Strom-Sensor-Transittor und einen Groß-Strom-Spiegel-Transistor auf, die eine zusätzliche Stromverstärkung bereitstellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform eines Photodetektors, und
2 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines integrierten Schaltkreis-Chips, auf dem ein Photodetektor nach 1 ausgebildet ist.
Die Art und Weise, in der die bevorzugte Ausführungsform gestaltet ist, werden mit Bezug auf 1 und 2 leichter verständlich werden, bei denen 2 den Aufbau der PNP-Transistoren verdeutlicht, die in dem bevorzugten Detektor verwendet werden. Mit Bezug auf 1 wird der Photosensor 10 aus einer herkömmlichen Photodiode 31 und zwei bipolaren PNP-Vertikaltransistoren ausgebildet, die bei 32 und 33 gezeigt werden. Ein Strommode-Detektor 30 liefert Strom als Reaktion auf ein Lichtsignal an die Photodiode 31.
Eine Stromverstärkung wird durch die beiden PNP-Vertikaltransistoren 32, 33 bereitgestellt, die wesentlich weniger Siliziumfläche benötigen als die Operationsverstärker, die verwendet werden, um die gleiche Funktion bei einem herkömmlichen Photodetektor bereitzustellen. Die bipolaren PNP-Vertikaltransistoren 32, 33 werden aus Schichten hergestellt, die bei einem herkömmlichen N-Wanne/CMOS-Verfahren verfügbar sind, wobei der Emitter mit der in 2 bei 53 und 63 gezeigten P+S/D-Diffusionsschicht gebildet wird. Die Basen der Transistoren 32, 33 werden durch die bei 51 und 61 gezeigte N-Wannenschicht mit einem bei 52 und 62 gezeigten N-Wannenkontakt gebildet. Ein gemeinsamer Kollektor wird durch das P+/P-Substrat 41 gebildet. Eine kombinierte Stromverstärkung von über 1000 wird von den beiden Transistoren 32, 33 erwartet, die in einer Darlington-Konfiguration geschaltet sind, wie in 1 gezeigt. Die beiden Transistoren 32, 33 in dem Strommode-Detektor 30 verstärken den Photostrom, der in der Photodiode 31 erzeugt wird, auf einen Pegel, auf dem der Strom direkt durch den Strom-zu-Spannung-Umsetzer und die bei 20 gezeigte Trennverstärkerschaltung abgetastet werden kann. Dieser Strommode-Detektor 30 reagiert schnell auf den Übergang zwischen hell und dunkel, ohne eine signifikante Integrationszeit zu benötigen, wie bei den herkömmlichen Spannungsmode-Photosensoren.
Der Strom-zu-Spannung-Umsetzer 20 wird aus einem Klein-Strom-Sensor-Transitor 21 und einem Groß-Strom-Spiegel-Transistor 22 ausgebildet. Durch Anpassen des Verhältnisses der Größen der Transistoren 21 und 22 kann eine zusätzliche Stromverstärkung (~10X) erreicht werden. Die Transistoren 23 und 24 bilden einen weiteren Stromspiegel, um den Großen-Ausschwing-Digital-Ausgangstreiber 25 von dem Sensorstromspiegel zu Puffern.
Die oben beschriebene Ausführungsform verwendet zwei PNP-Vertikaltransistoren, um eine große Verstärkung auf einem kleinen Siliziumraum bereitzustellen. Es wird für den Fachmann aus der vorhergehenden Diskussion ersichtlich sein, dass zusätzliche Vertikaltransistoren auf ähnliche Art und Weise angeschlossen werden könnten, um gegebenenfalls eine zusätzliche Verstärkung bereitzustellen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden PNP-Transistoren, die auf einem P-Typ-Substrat ausgebildet werden.
Es wird für den Fachmann aus der vorhergehenden Diskussion ersichtlich sein, dass der Detektor auch mit NPN-Vertikaltransistoren auf einem N-Typ-Substrat ausgebildet werden kann.

Claims

Photodetektor aufweisend: einen Lichtwandler (31, 42) zum Konvertieren eines Lichtsignals in einen Strom; einen ersten Vertikaltransistor (32), welcher eine erste Wanne (51) in einem Halbleitersubstrat (41) aufweist, wobei die erste Wanne (51) einen ersten Diffusionsbereich (53) aufweist, wobei das Halbleitersubstrat (41) und der erste Diffusionsbereich (53) einen ersten Typ von Dotierung aufweist und wobei die erste Wanne einen zweiten Typ von Dotierung aufweist, wobei der erste Typ von Dotierung entweder ein P-Typ oder ein N-Typ ist und der zweite Typ von Dotierung der andere von dem P-Typ und dem N-Typ ist; und einen zweiten Vertikaltransistor (33), welcher eine zweite Wanne (61) in dem Halbleitersubstrat (41) aufweist, wobei die zweite Wanne (61) einen zweiten Diffusionsbereich (63) aufweist, wobei das Halbleitersubstrat (41) und der zweite Diffusionsbereich (63) den ersten Typ von Dotierung aufweist und wobei die zweite Wanne den zweiten Typ von Dotierung aufweist und wobei der erste Vertikaltransistor (32) und der zweite Vertikaltransistor (33) als ein Darlington Paar verbunden sind; wobei der Lichtwandler (31, 42) eine Photodiode aufweist, welche in dem Halbleitersubstrat einen Diffusionsbereich des zweiten Typs von Dotierung, welcher von der ersten Transistorwanne separiert ist, wobei der Lichtwandler (31, 42) mit der ersten Wanne verbunden ist, um so den ersten Vertikaltransistor (32) in Vorwärtsrichtung zu betreiben; wobei der Photodetektor ferner einen Strom-zu-Spannung Wandler (20) aufweist, welcher mit dem zweiten Diffusionsbereich (63) verbunden ist, zum Konvertieren eines Stroms, der durch den zweiten Diffusionsbereich (63) hindurch fließt, in eine Spannung, wobei der Wandler (20) einen Klein-Strom-Sensor-Transitor (21) und einen Groß-Strom-Spiegel-Transistor (22) aufweist, welche eine zusätzliche Stromverstärkung bereitstellen.