TWI464897B - 光耦合裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種光耦合裝置，特別是有關於一種可用以提高光穿透率及共模暫態抵抗性之光耦合裝置。
光耦合器(photo-coupler,PC)亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。光耦合器對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，在各種電路中可得到廣泛的應用。
目前，光耦合器已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED)，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出，以完成電-光-電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。
再者，由於光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，光耦合器在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。透過此光耦合器的使用，可以避免來源端的電訊號發生突波、不穩定等狀況時，使得接收端之電路因直接電性連接該來源端，而產生譬如電晶體燒毀或電路無法正常運
作等情形。
然而，傳統光耦合結構於絕緣層上設置有一銦錫氧化物層(Indium tin oxide,ITO)，但此銦錫氧化物層之透光及導電功能較不穩定，易造成光耦合結構之導電度下降，以及暫態雜訊之干擾，而導致接收訊號不精確。再者，習知所使用之銦錫氧化物層之電阻較大，其訊號傳遞太快，易導致電壓轉換效率及共模暫態抵抗性不佳，進而使訊號輸出時產生失真之問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種光耦合裝置，以解決習知之光耦合裝置中銦錫氧化物層之透光及導電性能較不穩定，而造成輸入之訊號易受到暫態雜訊之干擾，進而導致光耦合裝置之電壓轉換效率及共模暫態抵抗不佳之問題。
根據本發明之目的，提出一種光耦合裝置，其包含：一P型基板；一P型磊晶層，係設置於P型基板上，且P型磊晶層包含二導電區，以及位於二導電區之間之複數個N+電極區；一絕緣層，係設置於P型磊晶層上；複數個遮蔽層，係橫向並排設置於絕緣層中，且其中部份之遮蔽層係對應遮蔽二導電區，另一部份之遮蔽層則對應遮蔽該些N+電極區之一部份；一金屬層，由銀所製成，係設置於絕緣層上；以及一鈍化層，係設置於金屬層上。其中，被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一低訊號傳輸接點，未被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一高訊號傳輸接點，且遮蔽二導電區之遮蔽層、金屬層與二導電區係連接至低電位。
較佳地，由其中一導電區至另一導電區之間所設置之複數個N+電
極區依序包含為第一N+電極區、第二N+電極區、第三N+電極區及第四N+電極區，其中一部份之遮蔽層則係對應遮蔽第一N+電極區及第三N+電極區，或對應遮蔽第二N+電極區及第四N+電極區。
較佳地，金屬層之厚度可為100~200埃。
較佳地，遮蔽層之組成材料可包含鋁(Al)或銅(Cu)。
較佳地，遮蔽層之厚度可為4000~8000埃。
較佳地，鈍化層可為一絕緣材質，且絕緣材質可為氮化矽(Si3N4)。
較佳地，絕緣層之組成材料可為二氧化矽(SiO2)。
根據本發明之目的，更提出一種光耦合裝置，其包含一P型基板；一P型磊晶層，係設置於P型基板上，且P型磊晶層包含二導電區，以及位於二導電區之間之複數個N+電極區，該些N+電極區係相連接至一高訊號傳輸接點；一絕緣層，係設置於P型磊晶層上；複數個遮蔽層，係橫向並排設置於絕緣層中並對應遮蔽於二導電區；一金屬層，由銀所製成，係設置於絕緣層上；以及一鈍化層，係設置於金屬層上。其中，該些遮蔽層、金屬層及二導電區係連接至低電位。
較佳地，金屬層之厚度可為100~200埃。
較佳地，遮蔽層之組成材料可包含鋁(Al)或銅(Cu)。
較佳地，遮蔽層之厚度可為4000~8000埃。
較佳地，鈍化層可為一絕緣材質，且絕緣材質可為氮化矽(Si3N4)
。
較佳地，絕緣層之組成材料可為二氧化矽(SiO2)。
承上所述，依本發明之光耦合裝置，其可具有一或多個下述優點：
(1)此光耦合裝置可利用設計一由銀材料所製成之金屬層來取代習知之銦錫氧化物層，藉由銀材料具備低電阻值及良好透光率之特性，進而達到提升光耦合裝置之電壓轉換效率及共模暫態之抵抗性。
(2)本發明可藉由改良習知光耦合裝置之遮蔽層結構之配置方式，進而形成差動訊號之傳輸方式，藉此可解決訊號受到暫態雜訊干擾的問題。
1000、2000‧‧‧光耦合裝置
110、210‧‧‧P型基板
120、220‧‧‧P型磊晶層
130、230‧‧‧絕緣層
140、240‧‧‧遮蔽層
150、250‧‧‧金屬層
160、260‧‧‧鈍化層
310、320、410、420‧‧‧導電區
510、610‧‧‧第一N+電極區
520、620‧‧‧第二N+電極區
530、630‧‧‧第三N+電極區
540、640‧‧‧第四N+電極區
PDA‧‧‧低訊號傳輸接點
PDB‧‧‧高訊號傳輸接點
1、2‧‧‧放大器
3、4‧‧‧比較器
5、6‧‧‧輸出緩衝器
Vref‧‧‧參考電壓
第1圖係為本發明光耦合裝置之第一實施例之示意圖。
第2圖係為本發明第一實施例之光耦合裝置與一電路連接之示意圖。
第3圖係為本發明光耦合裝置之第二實施例之示意圖。
第4圖係為本發明第二實施例之光耦合裝置與一電路連接之示意圖。
第5圖係為本發明所述之金屬層進行光反應試驗之實驗分析圖。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說
明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之光耦合裝置之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1圖，其係為本發明之光耦合裝置之第一實施例之示意圖。圖中，光耦合裝置1000包含有一P型基板110、一P型磊晶層120、一絕緣層130、複數個遮蔽層140、一金屬層150及一鈍化層160。P型磊晶層120係設置於P型基板110上。絕緣層130係設置於P型磊晶層120上。複數個遮蔽層140係橫向並排設置於絕緣層130中。金屬層150係設置於絕緣層130上。鈍化層160係設置於金屬層150上。
上述中，P型磊晶層120更包含有二導電區310及320，以及位於二導電區310及320之間之複數個N+電極區，且其中部份之遮蔽層140係對應遮蔽二導電區310及320，另一部份之遮蔽層140則對應遮蔽該些N+電極區之一部份。其中，被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一低訊號傳輸接點PDB，未被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一高訊號傳輸接點PDA，且遮蔽二導電區310及320之遮蔽層140、金屬層150與二導電區310及320係連接至低電位。
更進一步地，由其中一導電區310至另一導電區320之間所設置之複數個N+電極區依序包含為第一N+電極區510、第二N+電極區520
、第三N+電極區530及第四N+電極區540，以上排列方向僅為舉例，反之亦可。其中，複數個N+電極區之設置係為偶數，其亦可設置為6個或8個N+電極區等，不以此為限制。且導電區310及320分別更包含有N井(N-well)及P井(P-well)。以上僅為較佳之舉例，但不以此為限。
值得注意的是，遮蔽層140之一部份係對應遮蔽第一N+電極區510及第三N+電極區530，或對應遮蔽第二N+電極區520及第四N+電極區540。經由此遮蔽層140交互設置於部分N+電極區，可使得光線照射時，遮蔽之部分可阻擋部分之光線，而未遮蔽之另一部分則可使光線穿透進入，且此遮蔽層140所遮蔽之結構下的電壓，係可作為一基準參考電壓，藉此以產生差動訊號之傳輸方式，以避免訊號傳遞時受到暫態雜訊之干擾。
進一步地，若以光耦合裝置1000之中心線為基準時，可將光耦合裝置1000之內部電路之傳輸配置視為兩相結構對稱之部分，其中一部分之N+電極區(例如，第一N+電極區510及第三N+電極區530)係連接至低訊號傳輸接點PDB，係執行偽光耦合之作用，以傳輸一低訊號。而另一部分之N+電極區(例如，第二N+電極區520及第四N+電極區540)則係連接至高訊號傳輸接點PDA，可執行真光耦合之作用，以傳輸一高訊號，藉此可使訊號以差動訊號之傳輸方式進行傳遞。以上僅為較佳之實施例，不以此述為限。
更進一步地，P型基板110之製成材質可包含塑膠、金屬、陶瓷或玻璃等，較佳地可為一矽基板。P型磊晶層120可由單晶矽或多晶矽等經由磊晶製程所形成。絕緣層130之組成材料可為二氧化矽(SiO2)。遮蔽層140之組成材料可包含鋁(Al)、銅(Cu)或其他金
屬等。金屬層150可由銀所製成。鈍化層160可為一絕緣材質，且此絕緣材質可為氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)或氧化鋅(ZnO)等。以上僅為較佳之實施例，不應以此述而有所限制者。
值得一提的是，金屬層150之厚度可為100~200埃。遮蔽層140之厚度可為4000~8000埃。以上僅係為舉例實施例，但不應以此述為限。
上述中，光耦合裝置1000中之遮蔽層140係具有一光阻隔功能，且金屬層150係具有一光穿透功能，此金屬層150係取代習知所使用之銦錫氧化物層。因此，當光線經由穿透鈍化層160及金屬層150而進入時，相對應遮蔽第一N+電極區510及第三N+電極區530之遮蔽層140可阻擋光線進入絕緣層130中，光線僅可由未遮蔽處穿透進入，藉此可使得光線轉換成光訊號後，以差動訊號方式進行訊號傳遞。如此一來，本發明所述之光耦合裝置1000可避免訊號傳輸時受到暫態雜訊之干擾，以使得訊號可緩慢傳遞並避免輸出失真，進而提升光耦合裝置1000之電壓轉換效率及共模暫態之抵抗性。
請參閱第2圖，其係為本發明第一實施例之光耦合裝置與一電路連接之示意圖。於圖中，該電路包含有一放大器1、一比較器3及一輸出緩衝器5，第1圖所述之光耦合裝置1000係連接至放大器1之輸入端，比較器3則接收該放大器1所輸出之訊號及一參考電壓Vref。光耦合裝置1000之低訊號傳輸接點PDB係連接至放大器1之負極，高訊號傳輸接點PDA係連接至放大器1之正極。其中，上述之放大器1較佳地可為一差動放大器，但不以此述為限制者。
請參閱第3圖，其係為本發明之光耦合裝置之第二實施例之示意圖。此實施例中，光耦合裝置2000包含了一P型基板210、一P型磊晶層220、一絕緣層230、複數個遮蔽層240、一金屬層250及一鈍化層260。P型磊晶層220係設置於P型基板210上。絕緣層230係設置於P型磊晶層220上。複數個遮蔽層240係橫向並排設置於絕緣層230中。金屬層250係設置於絕緣層230上。鈍化層260係設置於金屬層250上。
上述中，P型磊晶層220更包含有二導電區410及420，以及位於二導電區410及420之間之複數個N+電極區。其中，複數個遮蔽層240係對應遮蔽二導電區410及420，且該些遮蔽層240、金屬層250及二導電區410及420係連接至低電位。
上述中，導電區410及420更分別包含了N井(N-well)及P井(P-well)。高訊號傳輸接點PDA可用來執行光耦合之功能，以傳輸一高訊號。其中，複數個N+電極區係相連接至高訊號傳輸接點PDA。以上僅為較佳之實施例，不以此述為限。
更進一步地，複數個N+電極區更包含有第一N+電極區610、第二N+電極區620、第三N+電極區630及第四N+電極區640，且該些N+電極區可由其中一導電區410至另一導電區420之間依序排列設置，反之亦可。以上僅係為較佳之舉例，但不應以此述為限制者。
更進一步地，P型基板210之製成材質可包含塑膠、金屬、陶瓷或玻璃等，較佳地可為一矽基板。P型磊晶層220可由單晶矽或多晶矽等經由磊晶製程所形成。絕緣層230之組成材料可為二氧化矽(SiO2)。遮蔽層240之組成材料可包含鋁(Al)、銅(Cu)或其他金
屬等。金屬層250可由銀所製成。鈍化層260可為一絕緣材質，且此絕緣材質可為氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)或氧化鋅(ZnO)等。以上僅為較佳之實施例，不應以此述而有所限制者。
值得一提的是，金屬層250之厚度可為100~200埃。遮蔽層240之厚度可為4000~8000埃。以上僅係為舉例實施例，但不應以此述為限。
上述中，光耦合裝置2000中所述之遮蔽層240係具有阻隔光線之功能，且所述之金屬層250係具有穿透光線之功能。當光線經由鈍化層260及金屬層250穿透進入時，遮蔽層240可將光線阻擋外，避免光線穿透至導電區410及420中，且光線僅可由未遮蔽處穿透進入。如此一來，本發明所述之光耦合裝置2000可避免訊號傳輸時受到暫態雜訊之干擾，以使得訊號可緩慢傳遞並避免輸出失真，進而提升光耦合裝置2000之電壓轉換效率及共模暫態之抵抗性。
請參閱第4圖，其係為本發明第二實施例之光耦合裝置與一電路連接之示意圖。於圖中，該電路包含有一放大器2、一比較器4及一輸出緩衝器6，第3圖所述之光耦合裝置2000係連接至放大器2之輸入端，比較器4則接收該放大器2所輸出之訊號及一參考電壓Vref。光耦合裝置2000之高訊號傳輸接點PDA係連接至放大器2之正極。其中，上述之放大器2較佳地可為一差動放大器，但不以此述為限制者。
更進一步地，本發明所述之光耦合裝置，係與習知各種型號之光耦合裝置進行電壓轉換速率(Slew rate,SR)之分析試驗，如表
格一所示。由實驗結果可得知，本發明所述之光耦合裝置(型號cm3910a01)的電壓轉換速率(Slew rate,SR)係大於50KV/μS，相較於習知光耦合裝置的電壓轉換速率較高。如此一來，當光線穿透進入本發明之光耦合裝置並產生訊號時，由於電壓轉換速率高，可使訊號傳輸時之電壓可瞬間由波谷升高至波峰，進而誘發此電壓進行瞬態互調，以避免傳輸時之訊號無法準確及時跟上，而造成訊號輸出之分析結果失真。
請參閱第5圖，其係為本發明所述之金屬層進行光反應試驗之實驗分析圖。經由此實驗結果可得知，本發明所述之光耦合裝置中之金屬層係具有較佳之光傳輸率，其傳輸率係為80%，且可允許650nm或850nm之波長的光穿透。藉此可得知，本發明所述之光耦合裝置相較於傳統光耦合裝置具有較佳之光傳輸效率。
綜合上述，本發明所述之光耦合裝置，係藉由於絕緣層中設置相對應遮蔽二傳導區及交互遮蔽部份(或未遮蔽)N+電極區之遮蔽層，以將光線隔絕在外，並於絕緣層上設置一由銀材料所製成之金屬層，以取代習知所用之銦錫氧化物層，進而使本發明之光耦合裝置達到較佳的穿透能力及傳導能力，並可使訊號以差動訊號方式進行傳輸。如此一來，可避免光耦合裝置於訊號傳輸時受到暫態雜訊之干擾，並使得訊號可緩慢傳遞以避免輸出失真，藉此可
提升光耦合裝置之電壓轉換效率及共模暫態之抵抗性。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1000‧‧‧光耦合裝置
110‧‧‧P型基板
120‧‧‧P型磊晶層
130‧‧‧絕緣層
140‧‧‧遮蔽層
150‧‧‧金屬層
160‧‧‧鈍化層
310、320‧‧‧導電區
510‧‧‧第一N+電極區
520‧‧‧第二N+電極區
530‧‧‧第三N+電極區
540‧‧‧第四N+電極區
PDA‧‧‧高訊號傳輸接點
PDB‧‧‧低訊號傳輸接點
Claims (13)
- 一種光耦合裝置，其包含：一P型基板；一P型磊晶層，係設置於該P型基板上，且該P型磊晶層包含二導電區，以及位於該二導電區之間之複數個N+電極區；一絕緣層，係設置於該P型磊晶層上；複數個遮蔽層，係橫向並排設置於該絕緣層中，且其中部份之該遮蔽層係對應遮蔽該二導電區，另一部份之該遮蔽層則對應遮蔽該些N+電極區之一部份；一金屬層，由銀所製成，係設置於該絕緣層上；以及一鈍化層，係設置於該金屬層上；其中，被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一低訊號傳輸接點，未被遮蔽之該些N+電極區係相連接至一高訊號傳輸接點，且遮蔽該二導電區之該遮蔽層、該金屬層與該二導電區係連接至低電位。
- 如申請專利範圍第1項所述之光耦合裝置，其中由其中一該導電區至另一該導電區之間所設置之該複數個N+電極區依序包含為第一N+電極區、第二N+電極區、第三N+電極區及第四N+電極區，其中一部份之該遮蔽層則係對應遮蔽該第一N+電極區及該第三N+電極區，或對應遮蔽該第二N+電極區及該第四N+電極區。
- 如申請專利範圍第1項所述之光耦合裝置，其中該金屬層之厚度係為100~200埃。
- 如申請專利範圍第1項所述之光耦合裝置，其中該遮蔽層之組成 材料係包含鋁(Al)或銅(Cu)。
- 如申請專利範圍第4項所述之光耦合裝置，其中該遮蔽層之厚度係為4000~8000埃。
- 如申請專利範圍第1項所述之光耦合裝置，其中該鈍化層係為一絕緣材質，且該絕緣材質係為氮化矽(Si3N4)。
- 如申請專利範圍第1項所述之光耦合裝置，其中該絕緣層之組成材料係為二氧化矽(SiO2)。
- 一種光耦合裝置，其包含：一P型基板；一P型磊晶層，係設置於該P型基板上，且該P型磊晶層包含二導電區，以及位於該二導電區之間之複數個N+電極區，該些N+電極區係相連接至一高訊號傳輸接點；一絕緣層，係設置於該P型磊晶層上；複數個遮蔽層，係橫向並排設置於該絕緣層中並對應遮蔽於該二導電區；一金屬層，由銀所製成，係設置於該絕緣層上；以及一鈍化層，係設置於該金屬層上；其中，該些遮蔽層、該金屬層及該二導電區係連接至低電位。
- 如申請專利範圍第8項所述之光耦合裝置，其中該金屬層之厚度係為100~200埃。
- 如申請專利範圍第8項所述之光耦合裝置，其中該遮蔽層之組成材料係包含鋁(Al)或銅(Cu)。
- 如申請專利範圍第10項所述之光耦合裝置，其中該遮蔽層之厚度係為4000~8000埃。
- 如申請專利範圍第8項所述之光耦合裝置，其中該鈍化層係為一 絕緣材質，且該絕緣材質係為氮化矽(Si3N4)。
- 如申請專利範圍第8項所述之光耦合裝置，其中該絕緣層之組成材料係為二氧化矽(SiO2)。
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