DE3006026A1 - Optoelektrischer umformer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optoelektrisch^ Umformer gemäß Gattungsbegriff des Anspruches 1. Die Signalübertragung mittels Lichtleitern oder hieraus zusammengesetzte Lichtleitkabeln hat gegenüber herkömmlichen elektrischen Kabeln den Vorteil der galvanischen Trennung und ist gegen Funken-HF-sowie sonstige Störsignale unempfindlich. Bekannte Halbleiter-Optokoppler weisen nur eine lichtaktive Zone auf, welche der Lichtleitfaser gegenübersteht. Dabei dient die lichtaktive Zone entweder als Lichtempfänger oder als Lichtsender. Es sind auch Halbleiter-Optokoppler bekannt, bei denen die lichtaktive Zone wahlweise als Sender oder Empfänger eingesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau eines optoelektrischen Umformers der eingangs genannten Art bei möglichst hohem Wirkungsgrad der Signalumwandlung zu vereinfachen. Aus der Vereinfachung soll sich ein verringerter Platzbedarf ergeben. Außerdem wird eine Bauform angestrebt, welche sich einfach und in hoher Qualität herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Gegenüber Optokopplern für die zwei Richtungs-Übertragung bei dem für Lichtempfang und Lichtaussendung getrennte Umformer verwendet werden, hat die Erfindung den Vorteil, daß die Lichtleitfaser keine zu den beiden Umformern führende Y-Verzweigung benötigt. Bei den bekannten Anordnungen ist der eine Anschluss der Y-Verzweigung mit dem Lichtsender, der zweite Anschluss mit dem Lichtempfänger und der dritte mit der Übertragungsleitung verbunden. Die Erfindung vermeidet eine solche Y-Verzweigung und die in dieser auftretenden optischen Verluste.

Auch gegenüber Optokopplern mit einer einzigen wahlweise auf Sende- oder Empfangsbetrieb umschaltbaren lichtaktiven Zone zeichnet sich die Erfindung durch einen besseren Wirkungsgrad aus, weil bei derartigen umschaltbaren Zonen hinsichtlich

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deren Lichtsende- bzw. Lichtempfangseigenschaften ein Kompromiss geschlossen werden muß und es nicht möglich ist₍diese umschaltbaren Zonen bei beiden Betriebsarten mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben. Demgegenüber weist die Erfindung je eine getrennte lichtempfindliche und lichtemittierende Zone auf, so daß beide Zonen hinsichtlich ihrer Betriebseigenschaften optimiert werden können. Darüberhinaus hat die Erfindung gegenüber umschaltbaren Einzonen-Umformern den Vorteil, daß getrennte elektrische Anschlüsse für die lichtemittierende Zone und die lichtempfindliche Zone vorhanden sind. Folglich ist keine Multiplex-Umschältung eines einzigen Kontakts erforderlich wie dies bei bekannten umschaltbaren Umformern der Fall ist. Damit verringert sich der Schaltungsaufwand für die an den Umformer angeschlossenen Sende- bzw. Empfangssschaltungen beträchtlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Sie wird im folgenden anhand in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine erste Ausführungsform;

Fig. 2 einen Schnitt längst der Linie 2-2 durch den Umformer, wobei die beiden lichtaktiven Zonen durch eine Trennschicht optisch entkoppelt sind;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Umformers, wobei die optische Entkopplung durch eine Trennnut erreicht wird und die Ankopplung einer Lichtleitfaser an die lichtaktiven ,Zonen dargestellt ist;

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb des Umformers.

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Der Umformer 8 weist bei beiden in den Figuren 2 und 3 im Schnitt dargestellten Ausführungsformen einen Grundkörper 9 aus Galliumarsenid oder Galliumarsenidphosphü auf, der in Figur 2 aus einer Basisschicht 13 und einer auf dieser gewachsenen Epitaxialschicht 12 besteht und in Figur 3 nur durch die Basisschicht 10 des Substrats 9 gebildet ist. Die Verwendung einer Epitaxialschicht 12 führt zu einem aktiven Halbleiterbereich bekannter Zusammensetzung. Die Basisschicht 10 ist etwa 100 bis 200 μ dick, während die Stärke der Epitaxialschicht 12 zwischen 10 und 50 u liegt und vorzugsweise 12u beträgt. Die lichtempfindliche Zone 13 und die lichtemittierende Zone 14ragen von der Oberfläche 15 in das Substrat 9 hinein und haben einen gegenseitigen Abstand von 5 bis 10μ. Sie bestehen üblicherweise aus P-leitendem Material, während das Substrat 9 aus η-leitendem Halbleitermaterial besteht. η-leitendes Galliumarsenid wird üblicherweise mit Silizium oder Tellur dotiert, während für p-leitendes Galliumarsenid Germanium verwendet wird. Die der Oberfläche 15 gegenüberliegende Grundfläche 18 ist mit einer Metallschicht beispielsweise einer Goldschicht 11 versehen und bildet den Anschlusskontakt 11 des Substrats.

Die lichtempfindliche Zone 13 ist derart ausgebildet, daß bei Vorspannung des Halbleiterübergangs 16 zwischen lichtempfindlicher Zone 13 und Substrat 9 in Sperrichtung die ankommende Strahlung praktisch innerhalb einer Elektronendiffusionslänge des Halbleiterübergangs 16 absorbiert wird. Dies erreicht man dadurch, daß man entweder die lichtempfindliche Zone 13 für ankommende Strahlung durchlässig macht und die Absorbtion unterhalb des Halbleiterübergangs 16 stattfindet, oder indem man die lichtempfindliche Zone 13 flach im Vergleich zur Elektronendiffusionslänge von etwa 5u ausbildet. Im letztgenannten Fall beträgt die Dicke der lichtempfindlichen Zone etwa 3ju. Der Dotierungsgrad der lichtempfindlichen Zone 13 liegt bei etwa 10^ Atomen pro cm^ und damit im allgemeinen unter dem Dotierungsgrad der lichtemittierenden Zone 14. Der Dotierungsgrad der lichtempfindlichen Zone 13 ist niedrig genujag gewähltem zum Absorbieren der Strahlung eine breite

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Verarmungszone zwischen der p-leitenden Zone 13 und dem nleitenden Substrat 9 zu bilden.

Die lichtemittierende Zone 14 ist derart aufgebaut, daß mit einer Vorspannung des H,albleiterübergangs 17 zwischen licht-.emittierender Zone 14 und Substrat 9 in Durchlassrichtung die am Halbleiterübergang 17 erzeugte Strahlung praktisch in der Ebene der Oberfläche 15 abgestrahlt und nicht innerhalb der Zone absorbiert wird. Um dies zu erreichen hat die Zone eine Dicke von etwa 5p. Die lichtemittierende Zone 14 hat einen Dotierungsgrad in der Größenordnung von 1O^ Atomen pro cm·* j um auf diese Weise eine hohe Leitfähigkeit in der Zone und ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten.

Die Oberfläche 15 sollte wenigstens teilweise mit einer dielektrischen Schicht 20 beispielsweise aus Siliziumdioxyd bedeckt sein. Hauptzweck dieser dielektrischen Schicht 20 ist die elektrische Isolation zwischen dem Substrat 9 und den Teilen der Zonenkontakte, welche in den Bereich dieser Zonen hineinragen. Außerdem kann die dielektrische Schicht eine Beeinträchtigung durch Verschmutzung vermeiden und Leckströme im Bereich der Halbleiterübergänge 16 und 17 verhindern. Sie braucht die lichtempfindliche Zone 13 und die lichtemittierende Zone nur soweit zu überdecken wie dies für für die elektrische Isolation der Zonenkontakte vom Substrat erforderlich ist. Figur 3 zeigt,daß ein Teil des Bereichs oberhalb der Zonen 13 und 14 nicht von der dielektrischen Schicht 20 bedeckt ist.

Wenn die lichtempfindliche Zone 13 und die lichtemittierende Zone 14 wie in Figur 2 gezeigt größtenteils durch die dielektrische Schicht 20 abgedeckt sind, so muß diese Schicht lichtdurchlässig sein. Eine solche die Zonen 13 und 14 überdeckende Schicht geeigneter Dicke,beispielsweise von einer viertel Wellenlänge kann die Oberflächenreflektion ankommender Strahlung verringern helfen. Außerdem schützt sie den Umformer.

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In Figur 2 ist der mittlere Teil der dielektrischen Schicht als transparent dargestellt, während die seitlichen Teile als elektrisch isolierende Schicht dargestellt sind.

Jede der beiden lichtaktiven Zonen 13 und 14 benötigt einen elektrischen Anschlusskontakt. Der Anschlusskontakt 21 für die lichtempfindliche Zone 13 bedeckt einen Teil der dielektrisch« Schicht 20 und erstreckt sich mit einem schmalen Vorsprung 22 in die lichtempfindliche Zone 13. Dementsprechend bedeckt der AnschIusskontakt 23 für die lichtemittierende Zone 14 ebenfalls einen Teil der dielektrischen Schicht 20 und erstreckt sich mit einem schmalen Vorsprung 24 bis in die lichtemittierende Zone 14. Die Vorsprünge 22 und 24 haben im Vergleich zu den lichtaktiven Zonen 13 und 14 eine kleine Grundfläche, so daß die die Lichtübertragung kaum beeinträchtigen.

Die lichtempfindliche Zone 13, der Halbleiterübergang 16, das Substrat 9 und die Kontakte 21 und 11 zusammen bilden eine Photodiode 27. Dementsprechend bilden die lichtemittierende Zone 14, der Halbleiterübergang 17, das Substrat 9, sowie die Kontakte 23 und 11 eine Leuchtdiode 28. Die optische Isolation zwischen den beiden lichtaktiven Zonen 13 und 14 kann entweder physikalisch durch eine Barriere zwischen den beiden Zonen oder elektronisch dadurch erreicht werden, daß man die beiden Zonen nicht gleichzeitig arbeiten läßt. Bei Verwendung einer Barriere kann diese aus einer zwischen den beiden Zonen 20 in das Substrat 9 bzw. die Epitaxialschicht 12 eingeätzten Nut 25 gebildet sein (vergl.Fig.3). Zusätzlich kann in die Nut (vergl.Fig.2) eine Einlage 26 aus einem Material mit gegenüber dem Substrat 9 unterschiedlichen Eigenschaften, beispielsweise einem lichtabschirmenden Material eingesetzt sein. Die Nut 25 erstreckt sich im gezeigten Ausführungsbexspiel tiefer in das Substrat 9 hinein als die lichtaktiven Zonen 13 und 14.

Figur 3 zeigt einen der Figur 2 ähnlichen Aufbau eines Um-

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formers, wobei die Epitaxialschicht 12 fehlt. Außerdem 1st der mittlere Teil der lichtaktiven Zonen 13 und 1 4 nicht durch die dielektrische Schicht 20 bedeckt, und die Nut 25 in der Oberfläche 15 ist nicht mit einer Einlage gefüllt. Eine Lichtleitfaser 29 liegt mit ihrer Lichtübertragungsfläche 30 an den lichtaktiven Zonen und 14 an. Außerdem sind Führungsmittel 31 zum Ausrichten und Festhalten der Lichtleitfaser 29 am Umformer 8 vorgesehen.

Sobald Licht auf die lichtempfindliche Zone 13 trifft und der Halbleiterübergang 16 in Sperrichtung vorgespannt ist, erzeugt die lichtempfindliche Zone 13 einen elektrischen Strom. Die Vorspannung in Sperrichtung wird durch Zufuhr eines negativen Potentials an den Zonenkontakt 21 und durch Anschließen des Massekontakts 11 an Bezugspotential erzielt. Die lichtemittierende Zone 14 strahlt Licht ab, sobald der Halbleiterübergang 17 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wozu ein positives Potential an den Zonenkontakt 23 gelegt und der Massekontakt 11 mit Bezugspotential verbunden wird.

Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Betriebsschaltung für den Umformer 8. An einer Eingangsklemme 40 können Signale mit 2 unterschiedlichen Pegeln zugeführt werden. Die Eingangsklemme 40 ist über einen Inverter 41 an die Basis eines als Steuerschaltung dienenden Transistors 43 angeschlossen. Sein Kollektor 44 steht einerseits über einen. Widerstand 46 mit der positiven Stromversorgungsklemme 45 in Verbindung und ist andererseits an den Zonenkontakt 23 der Leuchtdiode 28 angeschlossen. Der Emitter 48 des Transistors 43 liegt an Bezugspotential 49. Der Substrat- oder Massekontakt 11 der Leuchtdiode 28 liegt ebenfalls an Masse und gleichzeitig am Massekontakt der Photodiode 27. Der Zonenkontakt 21 der Photodiode ist einerseits über einen Widerstand 50 an eine negative Spannungsversorgungsklemme 47 und andererseits an den Eingang 51 eines Verstärkers 52 angeschlossen,· dessen Ausgang 53 an die Ausgangsklemme 54 geführt ist.

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Für den Betrieb des Umformers kann man wählen, ob die Leuchtdiode 28 bei hohem oder niedrigem Pegel an der Eingangsklemme 40 eingeschaltet sein soll. Sollen Signale hohen Pegels an der Eingangsklemme 40 die Leuchtdiode einschalten, so wird die in Figur 4 dargestellte Schaltung mit dem Inverter 41 benutzt. Wünscht man hingegen die Einschaltung der Leuchtdiode 28 durch Signale niedrigen Pegels, so entfällt der Inverter 41₍und die Eingangsklemme 40 wird unmittelbar mit der Basis 42 des Transistors 43 verbunden.

Sobald an der Basis 42 des Transistors 43 ankommende Signale einen hohen Schaltpegel haben, wird der Transistor 43 durchgeschaltet und leitet Strom von der positiven Klemme 45 über den Emitter 48 nach Masse 49. Damit gelangt keine Spannung an die Leuchtdiode 28 und diese ist abgeschaltet. Wenn der Signalpegel an der Basis 42 des Transistors 43 niedrig und damit unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt, bleibt der Transistor 43 gesperrt, so daß der von der positiven Klemme 49 zugeleitete Strom nicht über den Transistor 43 nach Masse abgeleitet wird, sondern über die Leuchtdiode 28 fließt.

Die Photodiode 27 ist in Sperrichtung vorgespannt durch eine negative Spannung von der Klemme 47. Sobald die Photodiode 27 bei negativer Vorspannung Licht empfängt, wird die Änderung des Ausgangssignals der Photodiode 27 im Verstärker 52 verstärkt und gelangt als Ausgangssignal zur Ausgangsklemme 54.

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Claims (1)

HONEYWELL INC. 15.Februar 1980 Honeywell Plaza 1007472 Ge Minneapolis, Minn-, USA HR/umw Optoelektrischer Umformer Patentansprüche: Optoelektrischer Umformer mit einem lichtemittierenden und einem lichtempfindlichen Teil zum optischen Anschluss an einen Lichtleiter, gekennzeichnet durch a) ein Halbleitersubstrat (9) eines ersten Leitfähigkeitstyps ; y }L) eine lichtempfindliche Zone (13) und eine lichtemittierende Zone (14) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche von einer Oberfläche (15) des Substrats aus in diese hineinragen und voneinander durch eine Trennzone (25) isoliert sind; c) je einen Halbleiterübergang an der Grenzfläche zwischen den beiden lichtaktiven Zonen (13,14) und dem Substrat (9). 2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trennzone eine in das Substrat (9) hineinragende Nut (25) aufweist. 3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Trennzone eine gegenüber dem Substrat (9) unterschiedlichetlichtabschirmende Materialschicht (26) aufweist 4. Umformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die Nut (25) bzw. die 030036/0677 Materialschicht (26)tiefer in das Substrat (9) hineinragt als die lichtaktiven Zonen (13,14) 5. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide lichtaktiven Zonen (13,14) eine zum gleichzeitigen Anschluss an den. Lichtleiter (29) dienende Lichtübertragungsfläche aufweisen 6. Umformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtübertragungsfläche einer Anschlußfläche, vorzugsweise einer Stirnfläche (30) des Lichtleiters (29) nach außen lichtdicht abgeschirmt gegenübersteht 7. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei negativer Vorspannung des Halbleiterübergangs zwischen der lichtempfindlichen Zone (13) und dem Substrat (9) ankommende Lichtstrahlung innerhalb einer Elektronendiffusionslänge des Halbleiterübergangs absorbiert wird, während bei positiver Vorspannung des Halbleiterübergangs zwischen der lichtemittierenden Zone (14) und dem Substrat (9) die im Halbleiterübergang erzeugte Strahlung in Höhe der Zonenoberfläche abgestrahlt wird 8. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtempfindlichen Zone (13) etwa 3p und die Dicke der lichtemittierenden Zone (14) etwa 5μ beträgt 9. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsgrad des Substrats (9) und der lichtemittierenden Zone (14) um etwa 2 Größenordnungen höher ist als der Dotierungsgrad 030036/0677 -3-der lichtempfindlichen Zone (13). ο.umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) aus n-leitendem Material und die beiden lichtaktiven Zonen (13,14) aus p-leitendem Material bestehen 11.Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) und die beiden lichtaktiven Zonen (13,14) aus Galliumarsenid und/oder Galliumarsenidphosphü bestehen. 12.Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) an seiner Oberfläche (15) eine Epitaxialschicht (12) von etwa 10 bis 15 u Dicke aufweist. 13.Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden lichtaktiven Zonen (13,14) mit einem Anschlusskontakt (21,23) und das Substrat (9) mit einem Massekontakt (11) versehen ist 14.Umformer nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß d) eine dielektrische Schicht (20) wenigstens einen Teil der Substratoberfläche (15) bedeckt; e) der Anschlusskontakt (21) der lichtempfindlichen Zone (13) wenigstens teilweise die dielektrische Schicht (20) bedeckt und mit einem Vorsprung (22) in diese Zone (13) hineinragt, dessen dem Substrat (9) abgewandte Oberfläche klein ist im Vergleich zur entsprechenden Oberfläche dieser Zone (13); f) der Anschlusskontakt (23) der lichtemittierenden Zone (14) wenigstens teilweise die dielektrische Schicht (20) bedeckt und mit einem Vorsprung (24) in diese Zone 030036/0677 BAD ORIGINAL (14) hineinragt, dessen dem Substrat (9) abgewandte Oberfläche klein ist im Vergleich zur entsprechenden Oberfläche dieser Zone (14) . 15. Umformer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massekontakt (11) des Substrats (9) auf der den Zonenkontakten (21,23) abgewandten Seite des Substrats vorgesehen ist 16. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen den beiden lichtaktiven Zonen (13,14) etwa 5 bis 10 u beträgt 17. Umformer nach Anspruch 6 oder einem folgenden, gekennzeichnet durch einen Vorrichtung (31) zum Ausrichten und Halten der Anschlussfläche (30) des Lichtleiters (29) gegenüber der Lichtübertragungsfläche der lichtaktiven Zonen (13,14) 18. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekenn zeichnet durch g) eine Eingangsklemme (40) für Eingangssignale eines ersten oder zweiten Pegels; h) eine zwischen die Eingangsklemme (40) und die lichtemittierende Zone (14) eingeschaltete Steuerschaltung (43) zur Zufuhr einer positiven Spannung an die lichtemittierende Zone (14), sobald der erste Signalepegel ansteht; i) eine die Steuerschaltung (43) mit einer positiven Spannungsquelle (4.5) verbindende Impedanz (46) ; j) eine die lichtempfindliche Zone (13) mit einer negativen Spannungsklemme (47) verbindende Impedanz (50)> 030036/0677 k) eine die lichtempfindliche Zone (13) mit einer Ausgangs-* klemme (54) verbindende Schaltung (52), welche bei bestrahlter lichtempfindlicher Zone (13) und negativ vorgespanntem Halbleiterübergang zwischen dieser Zone und dem Substrat (9) ein Ausgangssignal liefert. 19. Umformer nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch

1) einen als Steuerschaltung (43) dienenden Transistor dessen Basis (42) über einen Inverter (41) an die Eingangsklemme (40) und dessen Emitter (48) an Bezugspotential (49) angeschlossen ist, während der Kollektor (44) einerseits über einen Widerstand (46) an die positive Spannungsklemme (45) und andererseits an die lichtemittierende Zone (14) angeschlossen ist;

m) einen zwischen die lichtempfindliche Zone (13) und die Ausgangsklemme (54) eingeschalteten Verstärker (52);

n) einen Anschluss (11) des Substrats (9) an Bezugspotential (49).

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