TWI238263B - Optical semiconductor relay - Google Patents

Description

1238263 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種光學半導體中繼器，而且更特定 在’設計用來減少切換時間之光學半導體中繼器。 【先前技術】 光學半導體中繼器一般設有一輸入發光元件像是發光 二極體（在下文中稱爲led )，一輸出光二極體陣列（在 下文中稱爲PDA)以及一切換式金氧半導體場效電晶體。 該PDA從發光二極體接收輸入光線並且將該光線轉換成 電壓。該電壓變爲切換式金氧半導體場效電晶體之閘極電 壓，而該光學半導體中繼器藉由驅動金氧半導體場效電晶 體執行切換動作。既然電子訊號轉換成傳輸之光線，便有 可能將輸入與輸出之間做電絕緣。同時，可能在高速無接 觸磨損下，不像機械中繼器那般，而以低功率損耗來驅動 一小型光學半導體中繼器。 一種光學半導體中繼器在美國專利編號5,0 13,926 (圖4 )中公開。圖1顯示該類光學半導體中繼器之電路 結構。如圖1所示，一從發光二極體1接收光線之第一 PDA2之正極端點，一二極體5以及一串接之金氧半導體 場效電晶體4之閘極端子。第一 PDA2之負極端點連接至 金氧半導體場效電晶體4之源極端子。第一 PDA2之正極 端點連接至第二PD A3之負極端點，而第二pD A3之正極 端點經由一阻抗元件1 〇連接至二極體5之負極。第一 -5- 1238263 (2) P D A 2與第二P D A 3各自具有多數個相同極性且串接之光 二極體。構成第二 P D A 3之光二極體連接區域小於第一 PDA2之連接區域。整體而言第一 PDA2與第二PDA3是 串接。 一與阻抗元件1 〇構成控制電路之常態開啓電晶體 (在下文中提及，如接面場效電晶體1 2 )藉由其中閘極 以及源極端子之連接來圍繞阻抗元件1 〇。該控制電路藉 由控制構成光學半導體中繼器之切換式金氧半導體場效電 晶體之充電及放電時間來控制光學半導體中繼器之速度以 及光靈敏度。 該光學半導體中繼器中，當一輸入電子訊號爲開啓 (開啓狀態），發光二極體1放射出光線，而接收該光線 之第一 PDA2將該光線轉換成電子訊號。電流經由二極體 5流至金氧半導體場效電晶體4之閘極端子，而金氧半導 體場效電晶體4之閘極被充電並變爲開啓狀態。同時’部 分在第一 P D A 2轉換之電流經由阻抗元件1 〇被供應至接 面場效電晶體12之閘極端子。第二PD A3亦接收來自發 光二極體1之光線並且產生電流。該電流與在第一 PDA2 轉換之電流被供應至接面場效電晶體1 2之閘極端子。一 位於阻抗元件1 〇兩端點間之電位差被應用在接面場效電 晶體1 2之閘極以及源極間當作一偏壓，接面場效電晶體 1 2變爲關閉狀態。 當輸入電子訊號爲關閉（關閉狀態），光訊號不從發 光二極體1輸出，而電子訊號亦不從第一 PDA2與第二 1238263 (3) P D A 3輸出。於是，電流消失，而接面場效電晶體〗2之偏 壓變爲〇伏特。因此，接面場效電晶體I 2變爲開啓狀 態。當接面場效電晶體1 2變爲開啓狀態，金氧半導體場 效電晶體4之閘極與源極間變爲短路。所以，儲存之電負 載可很快放電，而金氧半導體場效電晶體4變爲關閉狀 態。

【發明內容】 根據本發明實施例之一種光學半導體中繼器，包含： 一將電子訊號轉換成光訊號之發光元件；一從發光元件接 收光訊號之第一光二極體陣列，該第一光二極體陣列將光 訊號轉換成電子訊號；一第一二極體其具有一電極連接至 第一光二極體陣列之一端點；一金氧半導體場效電晶體其 具有一閘極端子連接至第一二極體另一電極，以及一源極

端子其連接至第一光二極體陣列之另一端點；一從發光元 件接收光訊號之第二光二極體陣列，該第二光二極體陣列 將光訊號轉換成電子訊號，並且具有兩端點各自連接至第 一二極體之電極；以及一控制電路連接於金氧半導體場效 電晶體閘極與源極端子之間。 根據本發明另一實施例之一種光學半導體中繼器，包 含：一將電子訊號轉換成光訊號之發光元件；一從發光元 件接收光訊號之第一光二極體陣列，該第一光二極體陣列 將光訊號轉換成電子訊號；一第一二極體其具有一電極連 接至第一光二極體陣列之一端點；一金氧半導體場效電晶 1238263 (4) 體其具有一閘極端子連接至第一二極體之另一電極，以及 一源極端子連接至第一光二極體陣列之另一端點；一從發 光元件接收光訊號之第二光二極體陣列，該第二光二極體 陣列將光訊號轉換成電子訊號，並具有一端點連接至第一 二極體之一電極，而另一端點經由一阻抗元件連接至第一 二極體之另一電極；一常態開啓電晶體其具有源極與汲極 端子各自連接至金氧半導體場效電晶體之閘極與源極端 子，以及一閘極端子連接至阻抗與第二光二極體陣列間之 連接點；以及一與該阻抗元件並聯之旁通二極體。 【實施方式】 根據本發明之第一實施例將參照圖2及圖3作說 明。 圖2是一本發明中光學半導體中繼器實施例之電路 圖。如圖2所示，一第一光二極體陣列（第一 ρ〇Α2)用 來提供與發光元件（發光二極體1)作光偶合。該發光元 件將電子訊號轉換成光訊號。第一光二極體陣列從發光元 件接收光訊號並將該光訊號轉換成第一電子訊號。第一 PDA2之負極端點與切換式金氧半導體場效電晶體4之源 極端子相接。第一 PDA2之正極端點經由串聯之第一二極 體5與金氧半導體場效電晶體4之閘極端相接。二極體5 之正極接至第一 PDA2之正極端點，而二極體5之負極接 至金氧半導體場效電晶體4之閘極端子。 一具有比第一 PDA2小之連接區域之第二光二極體陣 1238263 (5) 列（第二PDA3 )是用來提供增加輸出電壓。 體陣列從發光元件接收光訊號並將該光訊號轉 子訊號。第二PD A3之正極端點與金氧半導體 4之鬧極端子實質相接而無阻抗元件，而第二 極端點連接至第一 PDA2之正極端點。整f PDA2與第二Pda3是串接。第二PDA3之負 至第一二極體5之正極端點。第二ρ〇Α3之正 至桌一二極體5之負極端點。一控制電路6連 導體場效電晶體4之閘極與源極端子之間。 圖3顯示一光學半導體中繼器之特定電路 控制電路6之結構。一阻抗元件7 (例如， N PN電晶體8以及一構成控制電路6之第二二 抗元件7連接於金氧半導體場效電晶體4之閘 子以及第一 PD A2之負極端子之間。NPN電晶 以及集極端子分別連接至阻抗元件7之兩端點 連接於NPN電晶體8之射極以及基極端子之間 之正極連接至N P N電晶體8之射極端子。 根據該電路結構，當輸入一訊號，由第一 生之電流從第一 P D A 2經由二極體5流向金氧 電晶體4之聞極，而由第二PDA3所產生之 PD A3流向金氧半導體場效電晶體4之閘極。 半導體場效電晶體4之閘極變爲打開狀態。 中，因爲阻抗元件實質上不存在使得充電電阻 因此，金氧半導體場效電晶體4立刻打開。 第二光二極 換成第二電 場效電晶體 PDA3之負 匿而 g 第 -極端點連接 極端點連接 接於金氧半 結構，包括 電阻），—— 極體9。阻 極與源極端 體8之基極 。二極體9 。二極體9 PDA2所產 半導體場效 電流從第二 於是，金氧 在這些路徑 變得極小。 -9- 1238263 (:6) 當輸入一訊號，因爲從二極體9之正極流至其負極之 電流在基極射極間形成一反偏電壓’因此構成控制電路6 之NPN電晶體8關閉。另一方面，當不輸入訊號時，儲 存在金氧半導體場效電晶體4閘極之電荷經由阻抗元件7 被放電至NPN電晶體8之基極辆5士。該電荷變爲一基極 電流。於是，NPN電晶體8變爲打開狀態。 藉由使用控制電路6，阻抗元件就金氧半導體場效電 晶體4之充電電流而言並不是串連相接。於是，控制電路 6不當作充電電阻，而光學半導體中繼器之打開時間可被 縮短。同時，N PN電晶體8以及二極體9可在一比常態打 開電晶體（下文中，J-FET :接面場效電晶體）所需空間 之十分之一或更小之空間形成。因此，可能縮小晶片與降 低製作成本。 根據本發明之第二實施例將參照圖4作說明。 圖4是本發明之光學半導體中繼器另一實施例之電路 結構。 如圖所示，從發光二極體1接收光線之第一 PDA2之 正極端點，二極體5以及金氧半導體場效電晶體4之閘極 端子是串聯相接，而第一 PDA2之負極端點連接至金氧半 導體場效電晶體4之源極端子。第一 P D A 2之正極端點連 接至第二P D A 3之負極端點，而第二P D A 3之正極端點經 由阻抗元件1 〇 (例如，電阻）連接至二極體5之負極。 第一 PDA2以及第二PD A3是多數個相同極性且串接之光 二極體。構成第二PD A3之光二極體連接區域小於第一 -10- 1238263 (7) PDA2之光二極體連接區。整體而言第一 PDA2以及第二 P D A 3是串聯相接。 一與阻抗元件I 〇構成控制電路之常態打開電晶體 (下文中提及，如接面場效電晶體1 2 )藉由其中閘極與 源極端子之連接來圍繞阻抗元件1 0。該控制電路藉由控 制構成光學半導體中繼器之切換式金氧半導體場效電晶體 之充電與放電時間來控制光學半導體中繼器之速度以及光 靈敏度。多數個串聯之二極體元件（下文中提及，如旁通 二極體11 )與阻抗元件1 0並聯相接。 關閉電壓爲1或2伏特之電晶體通常使用在接面場效 電晶體1 2。當阻抗元件1 〇兩端點之電位差超過2伏特而 接面場效電晶體1 2關閉時，旁通二極體11便運作。接 著’用來當作充電電阻之第二PD A3之串聯阻抗減小，而 光學半導體中繼器之打開時間便縮短。 傳統光學半導體中繼器已有充電時間延遲之問題，換 句話說’就是打開時間增加。那是因爲當構成控制電路之 阻抗元件串聯相接時，對於從第二p d A流至金氧半導體 場效電晶體之充電電流而言，阻抗元件便當作充電電阻。 根據本發明之實施例，提供一既可縮短開啓時間又不 使操作功能降級之光學半導體中繼器是可能的，而且可縮 小晶片與降低製作成本。 本發明並不侷限在上述之實施例。例如，圖3中顯示 可使用一 PNP電晶體來替代NPN電晶體8。一用來調整 開啓時間或光靈敏度之極小阻抗可插在第二PDA3以及金 -11 - 1238263 (8) 氧半導體場效電晶體之間。 從在此公開之發明規格說明以及實行去考量，本發明 之其他實施例對那些需要技巧之技術而言更加明顯k以依 照如下所指發明之真實範疇及精神，傾向於只將該規格說 明與樣本實施例視爲示範。 【圖式簡單說明】 圖1顯示一傳統光學半導體中繼器之電路結構視圖。 圖2顯示本發明中光學半導體中繼器之實施例的電路 結構視圖。 圖3顯示圖2之特定電路結構視圖。 圖4顯示本發明中光學半導體中繼器之另一實施例的 電路結構視圖。 【符號說明】 1 2 3 4 5,9 6 7, 1 0 8

發光二極體 第一 PDA 第二 PDA 金氧半導體場效電晶體 二極體 控制電路 阻抗元件 NPN電晶體 -12 - 1238263 (9 12 旁通二極體 接面場效電晶體

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Claims (1)

1. (1) 1238263 拾、申請專利範圍 1. 一種光學半導體中繼器，包含： 將電子訊號轉換成光訊號之發光元件； 發光兀件接收光訊號之第一光二極體陣列，該第一 光二極體陣列將光訊號轉換成電子訊號； 第一二極體，具有一電極連接至第一光二極體陣列之 一端； 金氧半導體場效電晶體，具有一_極端連接至第一二 極體之另一電極，而其源極端連接至第一光二極體陣列之 另一辆； 從發光元件接收光訊號之第二光二極體陣列，該第二 光二極體陣列將光訊號轉換成電子訊號，並且具有兩端各 別連接至第一二極體之電極；以及 控制電路，連接在金氧半導體場效電晶體閘極與源極 端之間。 2 .根據申請專利範圍第1項之光學半導體中繼器， 其中控制電路包含： 阻抗元件，連接在金氧半導體場效電晶體閘極與源極 端之間； * 雙極電晶體，具有基極與集極端各自連接至阻抗元件 兩端；以及 第二二極體，連接在雙極電晶體之射極與基極端之 間。 3.根據申請專利範圍第1項之光學半導體中繼器， -14- (2) 1238263 其中多數個相同極性之光二極體在每個第一光二極體 陣列與第二光二極體陣列中是串聯相接’而構成第一光二 極體陣列之光二極體具有比構成第二光二極體陣列之光二 極體大之連接區域。 4.根據申請專利範圍第1項之光學半導體中繼器， 其中第一二極體之正極連接至第一光二極體陣列之正 極端。 5 .根據申請專利範圍第2項之光學半導體中繼器， 其中該阻抗元件是一電阻。 6. 根據申請專利範圍第2項之光學半導體中繼器， 其中第二二極體之正極連接至雙極電晶體之射極端子 以及金氧半導體場效電晶體之源極端子，而第二二極體之 負極連接至第一光二極體陣列之負極端點。 7. —種光學半導體中繼器，包含： 將電子訊號轉換成光訊號之發光元件； 從發光元件接收光訊號之第一光二極體陣列，該第一 光二極體陣列將光訊號轉換成電子訊號； 第一二極體，其具有一電極連接至第一光二極體陣列 之一端點； 金氧半導體場效電晶體，具有閘極端連接至第一二極 體之另一電極，而其源極端連接至第一光二極體陣列之另 一端； 從發光元件接收光訊號之第二光二極體陣列，該第二 光二極體陣列將光訊號轉換成電子訊號，並且具有一端連 -15- (3) 1238263 接至第一二極體之一電極，而另一端經由一阻抗元件連接 至第一二極體之另一電極； 常態開啓電晶體，其具有源極與汲極端子各自連接至 金氧半導體場效電晶體之閘極與源極端，而其閘極端連接 至阻抗與第二光二極體陣列間之連接點；以及 與該阻抗元件並聯之旁通二極體。

   8 .根據申請專利範圍第7項之光學半導體中繼器， 其中常態開啓電晶體是一接面場效電晶體。 9 .根據申請專利範圍第7項之光學半導體中繼器， 其中該阻抗元件是一電阻。 10.根據申請專利範圍第7項之光學半導體中繼器， 其中該旁通二極體是多個串聯之二極體元件。

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