NL8901401A - Fotogevoelige halfgeleiderinrichting. - Google Patents

Description

De uitvinding heeft betrekking op een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting met een halfgeleiderlichaam bevattende ten minste twee stralingsgevoelige diodes waarop een lichtvlek kan worden afgebeeld, en middelen om de door de lichtvlek gegenereerde fotostroom te versterken.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een focusseerinrichting bevattende een dergelijke fotogevoelige inrichting.

Een fotogevoelige halfgeleiderinrichting van de beschreven soort is beschreven in het duitse Offenlegungsschrift DE-A 3706252.

Dergelijke inrichtingen worden op vele gebieden en op verschillende wijze toegepast. In het bijzonder worden zij gebruikt op het gebied van lezen en schrijven van optische informatie, zoals in DOR ("Direct Optical Recording"), VLP ("Video Long Play") en CD (“Compact Disk") apparatuur, en voor het detecteren van slingeringen in radiale en axiale richting van het informatiedragende medium, in casu de DOR-, VLP-of CD-plaat.

Bij een compensatietoepassing van het bedoelde type maakt de stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting bijvoorbeeld deel uit van een Foucault focusseersysteem zoals dit onder meer beschreven is in Philips Technisch Tijdschrift, vol. 40, 1981/82 No. 9, blz. 266 t/m 272. Daarbij wordt de op de CD- of videoplaat gefocusseerde en door de plaat gereflecteerde stralingsbundel van een laser door een halfdoorlatend spiegelvlak afgebogen en door wigvormige prisma's gesplitst in twee bundels, die elk als een lichtvlek op twee door een smalle strook gescheiden fotodiodes van een op een halfgeleiderplaatje aangebrachte fotodetector worden afgebeeld.

Met behulp van een schakeling wordt dan uit de signaal-verhoudingen van de fotodiodes een spoorvolg-foutsignaal afgeleid dat als besturingssignaal voor het stabiliseren van de positie van de gefocusseerde laserbundel ten opzichte van de plaat wordt gebruikt. Tevens kan uit de door de fotodiodes gegenereerde signalen een tweede spoorvolg-foutsignaal worden afgeleid, dat rekenschap geeft van eventuele veroudering of vervuiling van de optiek. In het genoemde artikel in Philips Technisch Tijdschrift wordt een en ander uitgebreid uiteengezet, zodat voor verdere bijzonderheden naar deze publicatie wordt verwezen.

Aangezien de informatie op de plaat de vorm heeft van putten en dammen met afmetingen van 1 pm of kleiner, moet de inrichting variaties van hoge frequentie in de gedetecteerde lichtintensiteit kunnen volgen. Bovendien moeten de gegenereerde fototstromen een voldoende hoge signaal/ruisverhouding vertonen, dus niet te zwak zijn.

In het algemeen zullen fotodiodes voldoende snel zijn. De door de diodes geleverde fotostromen echter zijn in de meeste gevallen te zwak en moeten daarom met behulp van eerder genoemde (schakeltechnische)middelen versterkt worden.

De genoemde middelen kunnen op eenvoudige wijze gevormd worden door transistors. Hiertoe kan men, door het aanbrengen van een extra emitterzone in de fotodiodes, deze veranderen in fototransistors, die een versterkt signaal geven dat de gewenste signaal/ruisverhouding oplevert.

Een belangrijk nadeel van deze oplossing is, dat de transistors daarbij op relatief grote afstand van elkaar liggen.

Hierdoor is het, vanwege de onvermijdelijke inhomogeniteiten van het halfgeleidermateriaal, moeilijk om de transistoreigenschappen binnen de daarvoor geldende toleranties gelijk te maken.

De uitvinding beoogt onder meer, de hierboven beschreven bezwaren op te heffen of althans in belangrijke mate te verminderen.

Volgens de uitvinding is een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort daardoor gekenmerkt, dat de genoemde middelen transistors omvatten die buiten het door de fotodioden ingenomen gebied in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht, waarbij elke transistor is toegevoegd aan, en verbonden met een stralingsgevoelige diode en waarbij althans de actieve delen van de transistors zo dichter bij elkaar in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht dan de stralingsgevoelige diodes waaraan zij zijn toegevoegd. Bij voorkeur worden de transistoren zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst. Onder "zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst" wordt hier verstaan een concentratie van de actieve delen van de transistors op een klein oppervlak als, rekening houdend met de bij het bepalen van de afmetingen in acht te nemen toleranties, mogelijk is.

Verder wordt nog opgemerkt dat in deze aanvrage onder "foto" en "licht" ook de, voor het oog onzichtbare, infrarode in ultraviolette electromagnetische straling wordt verstaan.

Door de transistors te concentreren op een zo klein mogelijk oppervlak worden de verschillen in de transistoreigenschappen tengevolge van inhomogeniteiten, ongeacht de onderlinge afstand van de stralingsgevoelige diodes, tot een minimum teruggebracht.

Ofschoon het buiten de stralingsgevoelige diodes aanbrengen van de transistors meer oppervlak vergt, is dit extra oppervlak bij de inrichting volgens de uitvinding zo klein dat daarvan praktisch geen nadeel wordt ondervonden.

Volgens een eerste voorkeursuitvoering zijn de stralingsgevoelige diodes in een rij gerangschikt, en zijn de transistors in een daaraan nagenoeg evenwijdige rij aangebracht.

Een belangrijke voorkeursuitvoering die vaak in focusseerinrichtingen wordt gebruikt heeft het kenmerk, dat de inrichting vier in kwadranten aangebrachte fotodiodes en vier transistors bevat.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een focusseerinrichting met middelen voor het projecteren van een lichtbundel op een vlak, middelen voor het afbuigen van een deel van de lichtbundel en middelen voor het splitsen van de afgebogen bundel in ten minste twee bundels welke lichtvlekken projecteren op een fotodetctor die signalen genereert ter stabilisering van de plaats van genoemde lichtbundel ten opzichte van genoemd vlak, met het kenmerk, dat als fotodetector een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding zoals hierboven beschreven wordt toegepast.

De uitvinding zal thans nader worden beschreven aan de. hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een bovenaanzicht weergeeft van een fotogevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding,

Figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede van Figuur 1 volgens de lijn II-II weergeeft, en

Figuur 3 schematisch een focusseerinrichting volgens de uitvinding weergeeft.

De. figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend, waarbij overeenkomstige delen in de regel met dezelfde verwijzijngscijfers worden aangeduid.

Figuur 1 toont schematisch in bovenaanzicht een fotgevoelige halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding. Van deze inrichting toont figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede langs de lijn II-II van Figuur 1.

De inrichting omvat een halfgeleiderlichaam 1, meestal van silicium ofschoon in voorkomende gevallen ook andere halfgeleidermaterialen in aanmerking komen. Het halfgeleiderlichaam, in dit voorbeeld een siliciumplaatje met een hooggedoteerd N+ substraat 2 en een daarop gelegen lager gedoteerde N- epitaxiale laag 3, bevat ten minste twee, in dit voorbeeld vier, fotodiodes 4 t/m 7 waarop een lichtvlek kan worden afgebeeld. De fotodiodes bestaan elk uit een P-type zone, bijvoorbeeld de zone 6 in Figuur 2, die met het aangrenzende N-type halfgeleidermateriaal een PN-overgang vormen. In dit voorbeeld worden twee, uit een Foucault focusseringsinrichting afkomstige, lichtvlekken 8 en 9 geprojecteerd, lichtvlek 8 op de diodes 4 en 5, en lichtvlek 9 op de diodes 6 en 7. De inrichting bevat voorts middelen om de door de lichtvlek of lichtvlekken gegenereerde fotostroom te versterken. Met behulp van een verdere, hier niet getekende schakeling, die desgewenst eveneens geheel of gedeeltelijk in het halfgeleiderlichaam 1 kan zijn opgenomen, wordt dan uit de analyse van de verhouding der van de diodes 4, 5, 6 en 7 afkomsige signalen een spoorvolg-foutsignaal afgeleid, zoals beschreven in het eerder genoemde artikel in Philips Technisch Tijdschrift.

Volgens de uitvinding omvatten de genoemde midelen voor versterking van de fotostromen uit buiten het door de fotodiodes 4 t/m 7 ingenomen gebied van het halfgeleiderlichaam aangebrachte transistors 14, 15, 16 en 17, waarbij elke transistor is toegevoegd aan, en verbonden met, een fotodiode en waarbij de actieve delen van de transistors 14 t/m 17 dichter bij elkaar in het halfgeleiderlichaam liggen dan de diodes 4,5,6,7. In dit uitvoeringsvoorbeeld zijn de transistors 14,15,16,17 zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst.

De transistors 14 t/m 17 zijn in en gemeenschappelijk N-type eiland 18, dat de gemeenschappelijke collectorzone vormt, gescheiden van de fotodiodes aangebracht en de onderlinge afstand van hun basiszones 19 bedraagt in dit voorbeeld 10 pm. Het actieve deel van de transistors, dat wil dus zeggen het door hun basiszones ingenomen oppervlak, is dus geconcentreerd op een zeer klein, en derhalve nagenoeg homogeen gebied van het siliciumplaatje. Zij hebben daarom, aangezien hun afmetingen gelijk zijn, praktisch dezelfde electrische eigenschappen terwijl het extra oppervlak dat zij innemen slechts gering is.

De basiszone 19 van elk der transistors 14, 15, 16 en 17 is met een der fotodiodes 4 t/m 7 verbonden door middel van een metaalspoor 20; metaalsporen zijn in Figuur 1 gestippeld aangegeven, waarbij de contactvensters door diagonale lijnen zijn aangeduid. De P-type zones 6 van de fotodiodes worden aangebracht, bijvoorbeeld door diffusie of ionenimplantatie. De N-type emitterzones 21 van de transistors zijn via metaalsporen verbonden met contactvlakken 14A t/m 17A waarop de verdere voor de besturing benodigde randapparatuur kan worden aangesloten. Deze verdere delen van de schakeling kunnen desgewenst ook binnen het halfgeleiderplaatje 1 worden aangebracht. Het substraat is via het contactvenster 22 aan een referentiepotentiaal, in dit geval aan de hoogste voedingsspanning gelegd.

In het uitvoeringsvoorbeeld van Figuur 1 en 2 zijn de fotodiodes 4 t/m 7 in een rij gerangschikt en zijn de transistors 14 t/m 17 in een daaraan nagenoeg evenwijdige rij aangebracht. Dit is dikwijls praktisch, doch niet noodzakelijk en ook andere configuraties kunnen desgewenst worden toegepast.

In het beschreven voorbeeld zijn vier fotodiodes 4 t/m 7 toegepast, die de inrichting in vier kwadranten verdelen. Al naar gelang de toepassing is het echter ook mogelijk om een ander aantal fotodiodes (ten minste twee) toe te passen. Ook kunnen de fotodiodes desgewenst elk in twee of meer parallelgeschakelde deeldiodes worden opgesplitst.

Figuur 3 tenslotte, toont schematisch een focusseerinrichting volgens de uitvinding, die als fotodetector een halfgeleiderschakeling zoals beschreven aan de hand van een der voorafgaande voorbeelden bevat. Een stralingsbundel 30 afkomstig van een laser 31, met een golflengte van bijvoorbeeld 800 nm wordt via een halfdoorlaatbaar spiegelvlak 32, dat bijvoorbeeld gevormd wordt door het deelvlak van een prismacombinatie, en een lenzenstelsel 33 als een lichtvlak 34 afgebeeld op een CD- of VLP plaat 35. Een deel van de door de plaat 35 teruggekaatste straling wordt door het spiegelvlak 32 via twee wigvormige prisma's 36, 37 afgebogen en als twee lichtvlekken (8, 9, zie ook Figuur 1) geprojecteerd op de fotodiodes 4 t/m 7 van een fotodetector zoals beschreven aan de hand van de figuren 1 en 2. Met behulp van de van de fotodiodes afkomstige, en door de slingeringen van de plaat 35 veroorzaakte afwijkingen van de lichtvlek 34 ten opzichte van zijn juiste plaat gecorrigeerd.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de uitvinding vele variaties mogelijk zijn. Zo kunnen bijvoorbeeld de geleidingstypen van de diverse halfgeleidergebieden alle (tegelijk) door het tegengestelde type worden vervangen, onder dienovereenkomstige omkering van de polariteiten van de spanningen. Ook kunnen andere haflgeleidermaterialen dan silicium worden gebruikt, alsmede andere stralingsgolflengten. Verder kan de uitvinding ook voor andere dan dehier beschreven focusserings- en positioneringsdoeleinden worden toegepast.

Claims (5)

1. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting met een halfgeleiderlichaam bevattende ten minste twee stralingsgevoelige diodes waarop een lichtvlek kan worden afgebeeld en middelen om de door de lichtvlek gegenereerde fotostroom te versterken, met het kenmerk, dat de genoemde middelen transistors omvatten die buiten het door de fotodiodes ingenomen gebied in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht, waarbij elke transistor is toegevoegd aan, en verbonden met een stralingsgevoelige diode en waarbij althans de actieve delen van de transistors dichter bij elkaar in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht dan de stralingsgevoelige diodes waaraan zij zijn toegevoegd.

2. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting met het kenmerk dat de transistoren zo dicht mogelijk bij elkaar in het halfgeleiderlichaam zijn aangebracht.

3. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat de stralingsgevoelige diodes in een rij zijn gerangschikt en dat de transistors in een daaraan nagenoeg evenwijdige rij zijn aangebracht.

4. Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de inrichting vier in kwadranten aangebrachte stralingsgevoelige diodes en vier transistors bevat.

5. Focusseerinrichting met middelen voor het projecteren van een lichtbundel op een vlak, middelen voor het afbuigen van een deel van de lichtbundel en middelen voor het splitsen van de afgebogen bundel in ten minste twee bundels welke lichtvlekken projecteren op een fotodetector die signalen genereert ter stabilisering van de plaats van genoemde lichtbundel ten opzichte van genoemd vlak, met het kenmerk dat als fotodetector een stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting volgens een der conclusies 1 t/m 3 wordt toegepast.