專利名稱：光電傳感器和用于三維距離測(cè)量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)已經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器，以及一種測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包含至少一個(gè)電子傳感器，并通過(guò)確定一個(gè)調(diào)制光通量的傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行三維距離測(cè)量。
三維對(duì)象的測(cè)量方法和裝置是總所周知的。DE 197 04 496 C2及其它文獻(xiàn)描述了一種可用于測(cè)量無(wú)源對(duì)象的光子混頻裝置(PMD)。該光子混頻裝置包含一個(gè)p型摻雜的硅基片，在該基片上設(shè)置了至少兩個(gè)光敏調(diào)制光門(photogate)。類似設(shè)置在p型摻雜的硅基片上的累積門被分配給所述調(diào)制光門。該調(diào)制光門用一個(gè)調(diào)制推挽電壓來(lái)操作。
入射到p型摻雜的硅基片上的亮度經(jīng)過(guò)調(diào)制的光產(chǎn)生少數(shù)電荷載流子，這些電荷載流子在調(diào)制推挽電壓的影響下漂移至累積門，并在那里結(jié)合在一起。對(duì)象測(cè)量的一個(gè)先決條件是推挽電壓的相位和發(fā)射器發(fā)出的亮度經(jīng)過(guò)調(diào)制的光的相位之間存在一個(gè)預(yù)先限定的相位關(guān)系。這種光子混頻裝置的一個(gè)缺點(diǎn)在于調(diào)制光門和累積門都設(shè)置在硅基片上，從而限制了光子混頻裝置的光傳感器的作用范圍。此外，不可能通過(guò)設(shè)置在硅基片上的調(diào)制光門在該基片中產(chǎn)生一個(gè)恒定的漂移電場(chǎng)。
DE 100 47 170 C2公開(kāi)了一種PMD系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)不但能進(jìn)行亮度測(cè)量，還可以測(cè)量由發(fā)射器發(fā)射、并由一個(gè)光子混頻裝置接收的亮度調(diào)制光波的傳播時(shí)間。但是，該專利說(shuō)明書并不涉及光子混頻裝置的實(shí)現(xiàn)。
DE 198 21 974 A1公開(kāi)了一種利用光子混頻檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)電磁波的相位和振幅的裝置和方法。和DE 197 04 496 C2所述的光子混頻檢測(cè)器類似，調(diào)制光門和累積門位于半導(dǎo)體基片上。與DE 197 04 496 C2所述的調(diào)制光門和累積門不同的是，DE 198 21 974 A1所述的調(diào)制光門和累積門為狹長(zhǎng)而平行的窄帶狀。
因此，本發(fā)明基于以下目標(biāo)即提供一種光電傳感器，其中傳感器作用范圍不會(huì)被門所屏蔽，并能產(chǎn)生基本上均勻的漂移電場(chǎng)。
本發(fā)明的核心概念可以從以下事實(shí)中得出對(duì)一個(gè)亮度調(diào)制光通量進(jìn)行解調(diào)所必需的漂移電場(chǎng)在該傳感器的半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)直接產(chǎn)生。通過(guò)這種方法可以產(chǎn)生一個(gè)均勻的漂移電場(chǎng)。同時(shí)，在該半導(dǎo)體區(qū)域上方的光電傳感器作用范圍是沒(méi)有電極的，從而可以對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化。
首先，通過(guò)一個(gè)用于對(duì)已調(diào)制的，尤其是經(jīng)過(guò)亮度調(diào)制的光通量進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器來(lái)解決所述技術(shù)問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，該光電傳感器具有一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域，最好是p型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域。在該半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)引入至少兩個(gè)收集區(qū)，所述收集區(qū)例如擴(kuò)散到半導(dǎo)體區(qū)域中，并用和半導(dǎo)體區(qū)域相反的方式進(jìn)行摻雜。這些收集區(qū)用于收集和引出當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量滲透到半導(dǎo)體區(qū)域中時(shí)產(chǎn)生的少數(shù)載流子。此外，還在半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)引入至少兩個(gè)控制區(qū)，所述控制區(qū)能夠以一種與作用在控制區(qū)上的控制電壓相關(guān)的方式生成一個(gè)漂移電場(chǎng)，所述控制區(qū)的摻雜類型和半導(dǎo)體區(qū)域相同。
作為替代，收集區(qū)也可以通過(guò)將本地電荷遷移到半導(dǎo)體區(qū)域中來(lái)生成。
從屬權(quán)利要求涉及具有優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)。
可以方便地提供一個(gè)半導(dǎo)體基片，它用于承載或容納半導(dǎo)體區(qū)域，并且比半導(dǎo)體區(qū)域的摻雜程度更高。
作為摻雜程度更高的基片的替代，半導(dǎo)體區(qū)域可以同時(shí)用作一個(gè)介電體上的半導(dǎo)體層。
為了能夠在收集區(qū)附近產(chǎn)生一個(gè)足夠強(qiáng)的漂移電場(chǎng)，控制區(qū)至傳感器中點(diǎn)的距離要大于收集區(qū)。這樣，漂移電場(chǎng)跨越了收集區(qū)。
類似地，所述技術(shù)問(wèn)題通過(guò)一種特別適用于進(jìn)行三維距離測(cè)量的測(cè)量裝置來(lái)解決。
該測(cè)量裝置具有至少一個(gè)如權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的光電傳感器。此外，還提供了一個(gè)光發(fā)射器，用來(lái)產(chǎn)生和發(fā)出具有預(yù)先確定的相位的已經(jīng)過(guò)調(diào)制的、尤其是經(jīng)過(guò)亮度調(diào)制的光通量。此外，還提供了一個(gè)用于產(chǎn)生控制電壓的裝置，該控制電壓的相位與發(fā)射器生成的光通量的相位具有固定的關(guān)系。為收集區(qū)分配了一個(gè)評(píng)估裝置，該裝置評(píng)估被設(shè)計(jì)為可以相對(duì)于控制電壓的相位來(lái)確定經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量的振幅和相位。應(yīng)當(dāng)注意的是，所述光電傳感器在原理上是一個(gè)光子混頻檢測(cè)器，該光子混頻檢測(cè)器例如可以對(duì)應(yīng)于照相機(jī)芯片的一個(gè)像素。如果在半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)，超過(guò)一個(gè)的收集區(qū)對(duì)被嵌入到兩個(gè)控制區(qū)之間，則該光電傳感器還可以用作一個(gè)多像素傳感器。這樣，還能夠通過(guò)設(shè)置多對(duì)收集區(qū)來(lái)形成一個(gè)二維像素陣列。
作為替代，可提供如一個(gè)用于對(duì)已調(diào)制的光通量進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器，其具有一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域，在該半導(dǎo)體區(qū)域的表面上有至少兩個(gè)收集區(qū)，用于收集和引出當(dāng)已經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量滲透到半導(dǎo)體區(qū)域中時(shí)產(chǎn)生的少數(shù)載流子，還具有至少兩個(gè)電容性元件，用于電容性耦合到產(chǎn)生漂移電場(chǎng)的交流電壓中。所述收集區(qū)設(shè)置在所述電容性元件之間。
所述電容性元件可以是電容器或反向偏置的肖特基二極管。
作為替代，電容性元件可包括一些與半導(dǎo)體區(qū)域的摻雜類型相反的區(qū)，并和半導(dǎo)體區(qū)域相結(jié)合形成一個(gè)pn結(jié)，所述pn結(jié)在工作期間是反向偏置的。
收集區(qū)可以像在工作期間反向偏置的肖特基二極管一樣很方便地形成。
下面結(jié)合附圖基于一個(gè)范例性實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明

圖1示出一個(gè)光電傳感器的橫截面，其具有一個(gè)與之相連的示意性的評(píng)估裝置，一個(gè)施加到控制區(qū)上的具有預(yù)先確定的極性的控制電壓，
圖2示出一個(gè)圖1所示的光電傳感器，一個(gè)施加到控制區(qū)上的控制電壓，其極性已經(jīng)被反相，圖3a-e示出了發(fā)射器所發(fā)出的亮度調(diào)制光通量的特性、撞擊到圖1所示光電傳感器上的光通量的特性、漂移或控制電壓的特性、收集區(qū)20處引出的累積電流的特性、收集區(qū)22處引出的累積電流的特性，圖4示出了一個(gè)光電傳感器的橫截面，其具有一個(gè)與之相連的示意性的評(píng)估裝置，以及兩個(gè)用于把控制電壓電容性耦合到半導(dǎo)體區(qū)域中的電容器，以及圖5示出了一個(gè)光電傳感器的橫截面，其具有一個(gè)與之相連的示意性的評(píng)估裝置，以及兩個(gè)用于把控制電壓電容性耦合到半導(dǎo)體區(qū)域中的反向偏置的二極管。
圖1示出了一個(gè)光電傳感器，它也可稱為光電檢測(cè)器。該光電傳感器具有一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域——本例中是一個(gè)半導(dǎo)體層10，本例中它是p型摻雜的。兩個(gè)p型摻雜區(qū)32、34擴(kuò)散到半導(dǎo)體層10中，所述p型摻雜區(qū)在下文中稱為控制區(qū)。此外，兩個(gè)n型摻雜區(qū)20、22也擴(kuò)散到半導(dǎo)體層10中，所述n型摻雜區(qū)在下文中稱為收集區(qū)。收集區(qū)20和22以及控制區(qū)32和34從半導(dǎo)體層的表面開(kāi)始向半導(dǎo)體層10中延伸。相對(duì)于假想的傳感器中點(diǎn)，控制區(qū)32和34位于比收集區(qū)20和22更向外的地方。一個(gè)可控電壓源60與控制區(qū)32和34相連，該電壓源——如下面將要更詳細(xì)地說(shuō)明的那樣——可產(chǎn)生一個(gè)控制電壓(如圖3c所示)，也稱作漂移電壓，從而在半導(dǎo)體層10中生成一個(gè)均勻的漂移電場(chǎng)。另外，還為收集區(qū)20和22分配了一個(gè)評(píng)估裝置，出于簡(jiǎn)化描述的考慮，僅僅用兩個(gè)電荷計(jì)40和42來(lái)象征性地表示該裝置。電荷計(jì)40與收集區(qū)20相連，測(cè)量可從收集區(qū)20處引出的累積電流，該電流的時(shí)間特性如圖3d所示。電荷計(jì)42與收集區(qū)22相連，測(cè)量可從收集區(qū)22處引出的累積電流，該電流的時(shí)間特性如圖3e所示。
圖2示出了圖1所示的光電傳感器，其中僅僅是作用在控制區(qū)32和34上的電壓源60的極性互換。
如圖1和2所示，半導(dǎo)體層10例如敷設(shè)在一個(gè)介電體12上。
下文將描述與用于對(duì)一個(gè)(未示出的)對(duì)象進(jìn)行三維距離測(cè)量的測(cè)量裝置相關(guān)的光電傳感器的功能。
假設(shè)有一個(gè)光發(fā)射器(沒(méi)有示出)，也稱為光子源，它產(chǎn)生并發(fā)出一個(gè)亮度調(diào)制的光通量，其特性如圖3a所示。該亮度調(diào)制的光通量例如在一個(gè)待測(cè)對(duì)象處發(fā)生反射，而且在一段特定的光子飛行時(shí)間之后，如圖3a所示，作為光通量50撞擊在該光電傳感器的正在工作的傳感器區(qū)域上，如圖1和圖2所示。時(shí)間上發(fā)生延遲的光通量50如圖3b所示。滲透到半導(dǎo)體層10中的光通量50在半導(dǎo)體層10內(nèi)產(chǎn)生一些電荷載流子對(duì)，對(duì)這些電荷載流子對(duì)來(lái)說(shuō)，在圖中僅示出了用作少數(shù)載流子的電子11。為了能夠相對(duì)于控制電壓的相位來(lái)測(cè)量光通量50的振幅和相位，將一個(gè)控制電壓施加到p型摻雜的控制區(qū)32和34上，所述控制電壓的特性如圖3c所示。如圖1和圖2所示，所述控制電壓可以通過(guò)電壓源60上的電子變化來(lái)產(chǎn)生。對(duì)象測(cè)量的一個(gè)重要先決條件是光發(fā)射器發(fā)出的光通量的相位和控制電壓的相位具有固定的關(guān)系，如圖3a和3c中示出的曲線特性。作用在p型摻雜的控制區(qū)32和34上的控制電壓在半導(dǎo)體層10中產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)，它基本上在半導(dǎo)體層10中均勻地分布在收集區(qū)20和22之間。漂移電場(chǎng)的方向按照與作用在控制區(qū)32和34上的控制電壓有關(guān)的方式變化。這樣，在半導(dǎo)體層10中產(chǎn)生的少數(shù)載流子11就可以在朝向收集區(qū)20的第一個(gè)位置和朝向收集區(qū)22的第二個(gè)位置中累積。當(dāng)電子11在n型摻雜的收集區(qū)20和22下方飛行時(shí)，電子11可以被隨之產(chǎn)生的空間電荷帶所捕獲，并在收集區(qū)20和22中被收集，然后作為一個(gè)可測(cè)量的電流由評(píng)估裝置40、42所引出。如圖3c所示的控制電壓的特性確保了當(dāng)控制電壓為正時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)，如果調(diào)制光通量50撞擊到傳感器表面上，該漂移電場(chǎng)會(huì)驅(qū)使所產(chǎn)生的電子11向收集區(qū)20移動(dòng)。當(dāng)控制電壓為正時(shí)，電子11相應(yīng)地在收集區(qū)20中被收集，從而可以在收集區(qū)20引出一個(gè)電流。如圖3c所示的控制電壓的特性還可以確保了當(dāng)控制電壓為負(fù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)，如果亮度調(diào)制光通量50撞擊到傳感器表面上，該漂移電場(chǎng)會(huì)驅(qū)使所產(chǎn)生的電子11向收集區(qū)22移動(dòng)。當(dāng)控制電壓為負(fù)時(shí)，電子11相應(yīng)地在收集區(qū)22中被收集，從而可以在收集區(qū)22引出一個(gè)電流。圖3d中示出了與撞擊的光通量50和控制電壓有關(guān)的、在收集區(qū)20得到的累積電流的特性，而圖3e中示出了與撞擊的光通量50和控制電壓有關(guān)的、在收集區(qū)22得到的累積電流的特性。
這樣來(lái)構(gòu)成所述評(píng)估裝置40、42，使其能夠確定可從收集區(qū)20和22引出的累積電流的總和，它是光通量50的振幅的一個(gè)量度。類似地，評(píng)估裝置40、42能夠確定可從收集區(qū)20引出的累積電流與可從收集區(qū)22引出的累積電流的比值，它是撞擊到傳感器上的光通量50的相位相對(duì)于如圖3c所示的控制電壓特性的相位的一個(gè)量度。如圖3a和3c所示，如果發(fā)射器產(chǎn)生的光通量的相位等于電壓源60產(chǎn)生的控制電壓的相位，那么可從收集區(qū)20和22分別引出的累積電流之比就是光子從待測(cè)對(duì)象飛出直到撞擊到傳感器上的飛行時(shí)間的一個(gè)量度，也是這些光子經(jīng)過(guò)的距離的一個(gè)量度。
圖4示出了一個(gè)光電傳感器，它和圖1所示的光電傳感器的不同之處在于敷設(shè)在半導(dǎo)體區(qū)域10表面上的不是控制區(qū)32和34，而是電容器35和36，而且通過(guò)一個(gè)交流電壓源65將一個(gè)交流電壓施加到電容器上，從而可以在該半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)。電容器35、36和收集區(qū)20、22在空間上是分離的，收集區(qū)20和22位于電容器35和36之間。也可以使用反向偏置的肖特基二極管來(lái)代替電容器。
圖5示出一個(gè)光電傳感器，它和圖1所示的光電傳感器的不同之處在于用n型摻雜區(qū)37和38來(lái)代替p型摻雜的控制區(qū)32和34，從而在半導(dǎo)體區(qū)域10中形成了一個(gè)pn結(jié)，并且以反向偏置的方式來(lái)工作。通過(guò)一個(gè)交流電壓源65將一個(gè)交流電壓施加到n型摻雜區(qū)37和38上，用于在收集區(qū)20和22之間產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)。收集區(qū)20和22按照與n型摻雜區(qū)37和38空間分離的方式設(shè)置，并位于n型摻雜區(qū)37和38之間。
至于其它，圖4和圖5所示的光電傳感器的構(gòu)造與結(jié)合圖1和圖2所描述的傳感器的構(gòu)造一致。因此相同的附圖標(biāo)記也用來(lái)表示相同的特性。
此外還需注意的是，光電傳感器的收集區(qū)20和22可以作為肖特基二極管來(lái)形成。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)已經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量(50)進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器，其具有一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域(10)，位于所述半導(dǎo)體區(qū)域(10)內(nèi)的至少兩個(gè)收集區(qū)(20，22)，用于收集和引出當(dāng)調(diào)制光通量(50)滲透到半導(dǎo)體區(qū)域(10)中時(shí)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子(11)，以及引入到半導(dǎo)體區(qū)域(10)中的至少兩個(gè)控制區(qū)(32，34)，用于以和作用在控制區(qū)(32，34)上的控制電壓相關(guān)的方式產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)，所述控制區(qū)(32，34)的摻雜類型和半導(dǎo)體區(qū)域(10)相同。
2.權(quán)利要求1所述的光電傳感器，其中半導(dǎo)體區(qū)域(10)位于一個(gè)摻雜程度比半導(dǎo)體區(qū)域(10)更高的半導(dǎo)體基片(12)的上方或內(nèi)部。
3.權(quán)利要求1所述的光電傳感器，其中半導(dǎo)體區(qū)域(10)敷設(shè)在一個(gè)介電體(12)上。
4.權(quán)利要求1至3之一所述的光電傳感器，其中控制區(qū)(32，34)到傳感器中點(diǎn)的距離大于收集區(qū)(20，22)。
5.權(quán)利要求1至4之一所述的光電傳感器，其中半導(dǎo)體區(qū)域(10)是p型摻雜的。
6.權(quán)利要求1至5之一所述的光電傳感器，其中收集區(qū)(20，22)是擴(kuò)散的，并與半導(dǎo)體區(qū)域(10)的摻雜類型相反。
7.權(quán)利要求1至5之一所述的光電傳感器，其中收集區(qū)(20，22)是通過(guò)本地電荷遷移到半導(dǎo)體區(qū)域(10)內(nèi)而產(chǎn)生的。
8.一種用于對(duì)已經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量(50)進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器，其具有一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域(10)，位于所述半導(dǎo)體區(qū)域(10)內(nèi)的至少兩個(gè)收集區(qū)(20，22)，用于收集和引出當(dāng)調(diào)制光通量(50)滲透到半導(dǎo)體區(qū)域(10)中時(shí)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子(11)，以及至少兩個(gè)電容性元件(35，36；37，38)，用于電容性耦合到一個(gè)交流電壓中，用于以和耦入的交流電壓相關(guān)的方式產(chǎn)生一個(gè)漂移電場(chǎng)，所述收集區(qū)(20，22)設(shè)置在所述電容性元件(35，36；37，38)之間。
9.權(quán)利要求8所述的光電傳感器，其中電容性元件(35，36)是電容器或肖特基二極管。
10.權(quán)利要求8所述的光電傳感器，其中電容性元件(37，38)包含與半導(dǎo)體區(qū)域(10)的攙雜類型相反的攙雜區(qū)。
11.權(quán)利要求1至10之一所述的光電傳感器，其中收集區(qū)(20，22)作為肖特基二極管來(lái)形成。
12.權(quán)利要求1至11之一所述的光電傳感器，其中在半導(dǎo)體區(qū)域(10)中，超過(guò)一個(gè)的收集區(qū)對(duì)被嵌入到兩個(gè)控制區(qū)(32，34)或兩個(gè)電容性元件(35，36；37，38)之間。
13.一種特別適用于三維距離測(cè)量的測(cè)量裝置，其具有至少一個(gè)如權(quán)利要求1至12之一所述的光電傳感器，用于產(chǎn)生具有預(yù)定相位的調(diào)制光通量的光發(fā)射器，用于產(chǎn)生控制電壓的裝置(60)，其中所述控制電壓的相位和發(fā)射器所產(chǎn)生的光通量的相位具有固定的關(guān)系，以及分配給收集區(qū)(20，22)的評(píng)估裝置(40，42)，其用于相對(duì)于控制電壓的相位來(lái)確定調(diào)制光通量的振幅和相位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)已經(jīng)過(guò)調(diào)制的光通量(50)進(jìn)行解調(diào)的光電傳感器，以及一種特別適用于三維距離測(cè)量的測(cè)量裝置，此裝置包含至少一個(gè)上述類型的光電傳感器。本發(fā)明的光電傳感器包括引入到半導(dǎo)體區(qū)域(10)內(nèi)的至少兩個(gè)收集區(qū)(20，22)，所述收集區(qū)例如擴(kuò)散到半導(dǎo)體區(qū)域中，并且其摻雜類型與半導(dǎo)體區(qū)域(10)相反。所述收集區(qū)(20，22)用于收集和引出當(dāng)調(diào)制光通量(50)滲透時(shí)所產(chǎn)生的少數(shù)載流子。此外，至少兩個(gè)控制區(qū)(32，34)被引入到該半導(dǎo)體區(qū)域(10)內(nèi)，所述控制區(qū)根據(jù)作用在控制區(qū)(32，34)上的控制電壓生成一個(gè)漂移電場(chǎng)。所述控制區(qū)(32，34)的摻雜類型和半導(dǎo)體區(qū)域(10)相同。
文檔編號(hào)G01S7/481GK1853276SQ200480026979
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者曼夫雷德·赫茲 申請(qǐng)人:Ic-豪斯有限公司