NL1014504C2

NL1014504C2 - Positiegevoelige detector.

Info

Publication number: NL1014504C2
Application number: NL1014504A
Authority: NL
Inventors: Pieter Wilhelmus Verbeek; Michiel De Bakker; Gijsbertus Krijne Steenvoorden
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-28
Also published as: WO2001063678A1; AU2001241267A1

Description

Positiegevoelige detector

De uitvinding heeft betrekking op een positiegevoelige detector omvattende een langgerekt uitgevoerde lichtgevoelige p-n overgang en elektrische aansluitcontacten nabij uiteinden van de lichtgevoelige p-n overgang welke tijdens 5 gebruik ieder een stroom voeren in een onderlinge verhouding die afhankelijk is van de locatie waar licht de p-n overgang exciteert.

Een dergelijke positiegevoelige detector is bekend uit het artikel "Two-dimensional position-sensitive photo-10 detector with high linearity made with standard i.c.- technology" van D.J.W. Noorlag en S. Middelhoek, gepubliceerd in Solid-State and Electron Devices, May 1979, Vol. 3, No. 3. Positiegevoelige detectoren zijn in de bekende stand van de techniek uitgevoerd als stripvormige halfgeleiderdioden waar-15 mee de positie van een lichtspot kan worden bepaald. Op een van de diodelagen zijn elektrische aansluitcontacten aangebracht, waarmee fotostromen die door de lichtspot worden opgewekt, kunnen worden afgenomen en gemeten. De plaats van inval van de lichtspot op de lichtgevoelige p-n overgang be-20 paalt de verhouding van de stromen aan de beide aansluitcontacten. Deze verhoudingswaarde te zamen met het weerstands-verloop van de laag waarop de aansluitcontacten zijn aangebracht, is dan een maat voor de plaats van inval van de lichtspot.

25 In de stand van de techniek is gebruikelijk om de positiegevoelige detector uit te voeren in bipolaire halfge-leidertechnologie. Een probleem van de bekende positiegevoelige detector is echter dat de signaal/ruisverhouding van de laag waarin de stromen worden opgewekt die naar de beide aan-30 sluitcontacten voeren, verbetering behoeft. In een eerste aspect van de uitvinding wordt beoogd hierin te voorzien.

Daartoe is volgens de uitvinding de positiegevoelige detector zo uitgevoerd, dat de lichtgevoelige p-n overgang deel uitmaakt van een transistor. De lichtgevoelige p-n over-35 gang vormt bijvoorbeeld de collector-basisovergang van de transistor, waarbij de opgewekte fotostroom in de basis- i 1014504 9 * 2 emitterovergang vloeit, waar deze versterkt wordt. Op deze wijze worden veel grotere stromen verkregen dan het geval is bij positiegevoelige detectoren uit de stand van de techniek. Dit voordeel spreekt te meer aangezien de transistorwerking 5 van de positiegevoelige detector volgens de uitvinding een stroomversterking van de door de lichtspot opgewekte stroom bewerkstelligt, terwijl het ruisniveau gelijk blijft aan het ruisniveau van de positiegevoelige detector uit de stand van de techniek. Het is overigens denkbaar dat in plaats van een 10 enkele transistor een reeks discrete versterkers wordt toegepast, bijvoorbeeld met hulpweerstanden ingestelde FET's. Het spreekt verder vanzelf dat de stroomversterking van de positiegevoelige detector volgens de uitvinding door geschikte instelling van de transistor regelbaar is.

15 In een verder aspect van de uitvinding is de posi tiegevoelige detector die is uitgevoerd overeenkomstig de aanhef van conclusie 1 erdoor gekenmerkt, dat de lichtgevoelige p-n overgang is geïmplementeerd in C-MOS technologie en is uitgevoerd als een in het lichtontvangende vlak opgevouwen 20 blokgolfvormige strook waarbij de elektrische aansluitcontac-ten zijn voorzien aan de uiteinden van deze strook. Met deze maatregel wordt bereikt dat de positiegevoelige detector volgens de uitvinding zich eenvoudig laat integreren met analoge en digitale signaalverwerkende inrichtingen, zoals verster-25 kers, multiplexers en AD-convertors, die gebruikelijk zijn uitgevoerd in C-MOS technologie. In dit opzicht hebben de uitvinders het probleem overwonnen dat de beide in C-MOS technologie mogelijke weerstandsniveaus van de desbetreffende laag waarin de stroom gevoerd wordt, ieder een orde van 30 grootte afwijken ten opzichte van het gewenste weerstandsniveau dat behoort bij een positiegevoelige detector die is uitgevoerd in bipolaire halfgeleidertechnologie, te weten circa 700 Ω.

Met de zojuist gegeven maatregel om de detector uit 35 te voeren met een in het lichtontvangende vlak opgevouwen blokgolfvormige strook, wordt de gewenste aanpassing aan het nagestreefde weerstandsniveau bewerkstelligd. Dit laat zich in het bijzonder zeer geschikt realiseren in de uitvoerings 1014504 3 » * vorm waarin de amplitude van de blokgolf groter is dan haar periodiciteit. Het heeft daarbij in de uitvoering van de detector als transistor de voorkeur dat de vierkantsweerstand van de transistor emitterzijdig circa 50 Ω bedraagt.

5 De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de tekening van een niet-beperkend uitvoeringsvoor-beeld, welke in fig. 1 een positiegevoelige transistor toont volgens de uitvinding; 10 in fig. 2 een elektrisch vervangingsschema van de positiegevoelige transistor volgens fig. 1 toont; en in fig. 3 in bovenaanzicht schematisch de uitvoering van een positiegevoelige detector in het lichtontvangende vlak toont.

15 In de figuren gebruikte gelijke verwijzingscijfers verwijzen naar dezelfde onderdelen.

Verwijzend nu eerst naar fig. 1 is met verwijzingscij fer 1 een lichtstraal aangeduid die een positiegevoelige detector 2 volgens de uitvinding belicht. De getoonde detec-20 tor is uitgevoerd als een p-n-p-type fototransistor met vanaf de bovenzijde gezien een p-type weerstandslaag 3, een n-type laag 4 en een p-type substraat 5 met tussen het p-type substraat 5 en de n-type laag 4 een tussengelegen verarmingslaag 6. Bij voorkeur is deze fotogevoelige transistor overigens 25 geïmplementeerd in C-MOS technologie. Tijdens gebruik is de p-n overgang van de lagen 3 en 4 geleidend, terwijl de p-n overgang tussen de lagen 4 en 5 in sperstand is gesteld.

Wanneer licht 1 de fototransistor 2 belicht, wordt een kleine fotostroom opgewekt in de p-n overgang tussen la-30 gen 4 en 5, welke de in fig. 2 getoonde basis-collector- overgang B-C vormt. Met een versterkingsfactor β van de gevormde transistor wordt daardoor een emitterstroom in de p-type weerstandslaag 3 opgewekt ter grootte van β+l maal de opgewekte fotostroom. Overeenkomstig de wet van Ohm vindt een 35 verdeling van deze emitterstroom plaats naar het linker aan-sluitcontact 7 en het rechter aansluitcontact 8. De thermische ruis die in de weerstandslaag 3 wordt opgewekt, heeft in deze constructie een vergaand teruggedrongen invloed op de 1014504 η 4 signaal/ruisverhouding van de positiegevoelige transistor volgens de uitvinding. Volledigheidshalve wordt opgemerkt dat het p-type substraat 5 eveneens van een aansluitcontact 9 is voorzien, welke dient om de gewenste sperstand van de p-n 5 overgang tussen lagen 4 en 5 te bewerkstelligen.

Fig. 3 toont de weerstandslaag 3 van de lichtgevoelige p-n overgang 3, 4 als bovenaanzicht getekend in het vlak waar de lichtbron 1 de p-n overgang bereikt. De figuur toont schematisch de uitvoering in de vorm van een in het lichtont-vangende vlak opgevouwen blokgolfvormige strook, waarbij de elektrische aansluitcontacten 7, 8 zijn voorzien aan de uiteinden van deze strook. De figuur toont verder duidelijk dat de amplitude van de blokgolf groter is dan haar periodiciteit. De gebruikelijk toegepaste lichtbronnen veroorzaken een lichtvlek op de positiegevoelige transistor respectievelijk detector (dit kan een positiegevoelige diode zijn) met een diameter in de orde van grootte van enkele perioden van de opgevouwen strook. Dit betekent dat in een praktische reali-satievorm de blokgolf zich aanzienlijk verder uitstrekt dan de enkele perioden die getoond zijn in fig. 3. Voor een goed begrip van de uitvinding is de weergave van fig. 3 echter af-doende.

1 n14RfH

Claims

1. Positiegevoelige detector omvattende een langgerekt uitgevoerde lichtgevoelige p-n overgang en elektrische aansluitcontacten nabij uiteinden van de lichtgevoelige p-n overgang welke tijdens gebruik ieder een stroom voeren in een 5 onderlinge verhouding die afhankelijk is van de locatie waar licht de p-n overgang exciteert, met het kenmerk, dat de lichtgevoelige p-n overgang deel uitmaakt van een transistor.

2. Positiegevoelige detector volgens de aanhef van conclusie l, met het kenmerk, dat de lichtgevoelige p-n over- 10 gang is geïmplementeerd in C-MOS technologie en is uitgevoerd als een in het lichtontvangende vlak opgevouwen blokgolfvor-mige strook waarbij de elektrische aansluitcontacten zijn voorzien aan de uiteinden van deze strook.

3. Positiegevoelige detector volgens conclusie 2, 15 met het kenmerk, dat de amplitude van de blokgolf groter is dan haar periodiciteit.

4. Positiegevoelige detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vierkantsweerstand van de transistor emitterzijdig circa 50 Ω bedraagt. 1 01 -*50 Λ