阅读说明：本技术 光接收单元 (Light receiving unit ) 是由 T·劳尔曼 C·佩珀 W·克斯特勒 于 2018-03-08 设计创作，主要内容包括：一种光接收单元(EM),其具有第一能量源(VQ1),第一能量源具有分别构造为电流源或电压源的两个部分源(TQ1,TQ2),在第一部分源(TQ1)的上侧上构造有第一连接接通部(VSUP1),在第二部分源(TQ1)的下侧上构造有第二连接接通部(VSUP2),部分源(TQ1,TQ2)分别具有至少一个半导体二极管(D1,D2),第一半导体二极管(D1)具有与第一光波长(L1)相匹配的吸收棱边,第二半导体二极管(D2)具有与第二光波长(L2)相匹配的吸收棱边,第二光波长与第一光波长(L1)不同,从而第一部分源(TQ1)在以第一光波长(L1)进行照射的情况下产生电压,第二部分源(TQ2)在以第二光波长(L2)进行照射的情况下产生电压,第一半导体二极管(D1)与第二半导体二极管(D2)极性相反地串联连接,从而由第一半导体二极管和第二半导体二极管(D1,D2)所产生的电压至少部分地相互抵消。(A light receiving unit (EM) having a first energy source (VQ1) with two partial sources (TQ1, TQ2) which are each designed as a current or voltage source, with a first connection switch (VSUP1) being designed on the upper side of the first partial source (TQ1), with a second connection switch (VSUP2) being designed on the lower side of the second partial source (TQ1), with the partial sources (TQ1, TQ2) each having at least one semiconductor diode (D1, D2), with the first semiconductor diode (D1) having an absorption edge matched to a first light wavelength (L1), with the second semiconductor diode (D2) having an absorption edge matched to a second light wavelength (L2), which differs from the first light wavelength (L1), so that the first partial source (TQ1) generates a voltage when irradiated with the first light wavelength (L1), and with the second partial source (TQ2) generates a voltage when irradiated with the second light wavelength (L2), the first semiconductor diode (D1) and the second semiconductor diode (D2) are connected in series with opposite polarity, so that the voltages generated by the first and second semiconductor diodes (D1, D2) at least partially cancel each other out.)

光接收单元

技术领域

本发明涉及一种光接收单元以及一种包括光接收单元的光电耦合器。

背景技术

光接收单元是充分已知的。在光电耦合器中，光接收单元与发送单元组合，其中，两个单元电隔离、但在光学上耦合。这种构件由US 4 996 577已知。同样由US 2006/0048811 A1、US 8 350 208 B1和WO 2013/067969 A1已知光学构件。

在DE 2 310 053 A1中描述在逻辑装置中光发射元件和作为光接收单元的光接收元件的领域。由德国专利申请10 2016 001 388.5号已知具有两个接收二极管的光接收单元。

由US 4 127 862、US 6 239 354 B1、DE 10 2010 001 420 A1，由NaderM.Kalkhoran等人的《Cobalt disilicide intercell ohmic contacts formultijunction photovoltaic energy converters》，应用物理，第64卷，1980(1994)，由A.Bett等人的《III-V Solar cells under monochromatic illumination》，光伏专家会议，2008，PVSC'08，第33届IEEE，第1-5页，ISBN:978-l-4244-1640-0已知由III-V族材料构成的可缩放的电压源或太阳能电池。

发明内容

在这些背景下，本发明的任务在于说明一种扩展现有技术的设备。

该任务通过具有权利要求1的特征的光接收单元以及包括所述接收单元的根据权利要求8的光电耦合器来解决。本发明有利的设计方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的主题，光接收单元具有第一能量源。

第一能量源具有两个部分源，所述两个部分源分别构造为电流源或电压源。在第一部分源的上侧上构造有第一连接接通部，而在第二部分源的下侧上构造有第二连接接通部。

第一部分源具有至少一个第一半导体二极管，而第二部分源具有至少一个第二半导体二极管。

第一半导体二极管具有与第一光波长相匹配的吸收棱边(Absorptionskante)，而第二半导体二极管具有与第二光波长相匹配的吸收棱边，从而第一部分源在以第一光波长进行照射的情况下产生电压，而第二部分源在以第二光波长进行照射的情况下产生电压。

第一光波长与第二光波长相差一个波长差

第一半导体二极管与第二半导体二极管极性相反(entgegengesetzt gepolt)地串联(即反向串联)连接，从而由第一半导体二极管所产生的电压和由第二半导体二极管所产生的电压至少部分地相互抵消(kompensieren)。

应当注意，术语“光波长”(其中尤其指LED的光)通常指的是高斯状光谱的中心波长，在常见的850nm-LED的情况下该高斯状光谱具有例如20-30nm的半值宽度。

也可以理解，相应于光波长的光子能量略大于或等于半导体二极管的吸收层的能带间隙能量。

此外应注意到，差(即第一光波长与第二光波长之间的波长差)是至少40nm。

此外应注意到，与现有技术不同，借助本发明的堆叠方案能够以有利的方式产生2V以上或直至5V的各个部分源的源电压。

已经示出，通过多个半导体二极管与部分源的依次串联连接(Hintereinanderschaltung)将半导体二极管的源电压初步近似地相加。优选地，串联连接的半导体二极管的数量N小于十。

根据本发明的设备的优点在于，通过串联连接的部分源的相反极性能够以特别简单且可靠的方式模拟XOR关系，即借助两个光学信号(即第一波长L1和第二波长L2)来模拟异或。

在此，接收单元仅具有两个电连接部。另一个优点是，与先前的硅二极管的横向布置相比，借助半导体二极管的堆叠状的布置得出大量的面积节省并且能够实现紧凑的结构方式。XOR关系尤其适合用于功率晶体管的保护电路。

在一种扩展方案中，每个部分源具有多个半导体层，其中，每个部分源的半导体层堆叠状地布置并且每个部分源具有上侧和下侧。

第一部分源的下侧布置在第二部分源的上侧上。

第一部分源和第二部分源单片地集成，从而两个部分源构成具有正侧和背侧的共同堆叠。

可以理解，优选地以第一光波长的光和/或以第二光波长的光来照射堆叠的整个上侧。

根据另一扩展方案，光接收单元具有自截止(selbstsperrend)的第一晶体管，其中，第一能量源的连接接通部与第一晶体管的栅极连接端连接，而第一能量源的第二连接接通部与第一晶体管的源极连接端连接。

在一种替代的实施方式中，光接收单元具有第二能量源，其中，第二能量源与第一能量源基本上结构相同地构造。

根据另一实施方式，在第一能量源和第二能量源之间布置有电绝缘的阻挡层(Barriere)。

在一种扩展方案中，光接收单元具有自截止的第一晶体管和自截止的第二晶体管，其中，第一晶体管构造为n沟道晶体管，而第二晶体管构造为p沟道晶体管。

第一能量源的第一连接接通部与第一晶体管的栅极连接端连接，而第一能量源的第二连接接通部与第一晶体管的源极连接端连接。

第二能量源的第一连接接通部与第二晶体管的栅极连接端连接，而第二能量源的第二连接接通部与第二晶体管的源极连接端连接。

根据另一实施方式，在第一部分电压源与第二部分电压源之间布置有电流分配器层(Stromverteilerschicht)。

在一种扩展方案中，第一部分电压源和/或第二部分电压源包含如下化合物半导体或由如下化合物半导体构成：该化合物半导体由III族砷化物或III族磷化物的物质群(Stoffgruppe)构成。

在另一实施方式中，第一部分电压源和第二部分电压源包括GaAs(砷化镓)化合物或由GaAs化合物构成。

根据本发明的光电耦合器具有上述类型的光接收单元并且具有发送单元，其中，发送单元和接收单元彼此电隔离并且彼此光学耦合并且集成在共同的壳体中。

发送单元包括具有第一光波长的至少一个第一发送二极管和具有第二光波长的至少一个第二发送二极管。

可以理解，只要发送模块中的光子发射受到调制，该调制就引起经调制的电压，换句话说，所产生的能量的大小随时间而变化。

也可以理解，概念“在共同的壳体中”尤其理解为单个壳体，也就是说，发送单元和接收单元本身不具有自己的壳体。

可以理解，壳体尤其理解为浇铸壳体这种壳体借助所谓的模具工艺(Moldprozess)来制造。

在光接收单元的部分源的堆叠状构型的情况下，仅小的接收面(即光接收单元的堆叠的上侧)需要由发送二极管或光源照亮。

附图说明

以下参照附图更详细地阐述本发明。在此，同类的部分以同样的标志来标记。所示出的实施方式是极其示意性的，也就是说，间距以及横向和纵向的延伸不是按比例的并且——只要未另外说明——互相也不具有能推导的几何关系。附图示出：

图1示出光接收单元的根据本发明的第一实施方式的示图；

图2示出光接收单元的第一实施方式的等效电路图的电路图的示图；

图3示出光接收单元的根据本发明的第二实施方式的示图；

图4示出光电耦合器的根据本发明的第一实施方式的示图；

图5示出光电耦合器的根据本发明的第二实施方式的示图；

图6示出关于开关特性的表格。

具体实施方式

图1的示图示出具有单片结构的光接收单元EM的第一实施方式。

光接收单元具有第一能量源VQ1，该第一能量源由第一部分源TQ1和第二部分源TQ2构成，其中，第一能量源VQ1构造为电流源或电压源。

两个部分源TQ1、TQ2中的每个具有多个半导体层，其中，每个部分源TQ1、TQ2的半导体层堆叠状地布置并且由GaAs化合物构成。

半导体层形成二极管，使得第一部分源TQ1包括至少一个第一半导体二极管D1，而第二部分源包括至少一个第二半导体二极管D2。

第一部分源TQ1布置在第二部分源TQ2上。两个部分源TQ1和TQ2构成单个堆叠且单片地集成且彼此串联连接，其中，第一部分源TQ1的第一二极管D1和第二部分源TQ2的第二二极管D2彼此极性相反地布置并且电连接。

第一连接部VSUP1作为面式的接通层布置在部分源TQ1的上侧，而第二连接部VSUP2作为面式的接通层布置在第二部分源TQ2的下侧。

至少一个第一半导体二极管D1具有与第一光波长L1相匹配的吸收棱边，而至少一个第二半导体二极管D2具有与第二光波长L2相匹配的吸收棱边，使得第一部分源TQ1在以第一光波长L1进行照射的情况下产生电压，而第二部分源TQ2在以第二光波长L2进行照射的情况下产生电压。

第一光波长L1与第二光波长L2相差一个波长差D，其中，波长差是至少40nm。

入射光总是首先照射到第一能量源VQ1的上侧上，当前即照射到第一部分源TQ1的上侧上。接下来，该入射光穿过第一部分源TQ1和第二部分源TQ2。可以理解，相比于第二部分源TQ2，第一部分源TQ1具有更大的能带间隙。

通过两个部分源TQ1和TQ2的半导体二极管D1和D2的相反极性，所产生的电压具有相反的符号，也就是说，当同时以第一光波长L1的光和第二光波长L2的光来照射光接收单元时，电压至少部分地相互抵消。

较短波长在第一部分源TQ1中产生正电压，而通过较长波长在第二部分源TQ2中产生负电压。如果电压的量值相对应，则在第一波长L1和第二波长L2的光同时入射的情况下由光接收单元EM产生的电压的值几乎是零或恰好是零。

以布尔图表示，两个连接部VSUP1和VSUP2之间的电流特性相应于XOR关系。如果具有两个光波长L1和L2中的仅一个的光照射到接收单元EM上，则根据波长可以在两个连接部VSUP1和VSUP2之间测量出正电压或负电压。

如果波长L1和L2的光同时入射，则由二极管D1和D2产生的电压至少部分地相互抵消或几乎完全地相互抵消，从而在两个连接部VSUP1和VSUP2之间出现至少较低的负电压或正电压，或出现明显较低或近似等于零的电压。如果没有具有光波长L1或L2的光入射，则在两个连接部VSUP1和VSUP2之间出现的电压至少近似是零，因为二极管D1和D2中的任何一个都不产生相关电压。

在图2的示图中示意性地示出光接收单元EM的等效电路的电路图。第二连接部VSUP2接地，在第一连接部VSUP1上分接出输出信号V_输出。二极管优选地用作电压源。

图3的示图示出根据本发明的光接收单元EM的另一实施方式的示意图。以下仅阐述与图1和2的区别。

光接收单元EM具有自截止的第一晶体管TR1，其中，第一能量源VQ1的第二连接部VSUP1接地，而第二连接部VSUP2与第一晶体管TR1的栅极连接端G连接。

在第一晶体管TR1的漏极连接端D上施加供电电压VDD，而在晶体管的源极连接端S上分接出输出信号V_输出。

第一能量源连接晶体管TR1，从而输出信号V_输出形成在波长L1和L2的光的入射方面的XOR关系。

图4的示图示出根据本发明的光电耦合器OPK的第一实施方式，该光电耦合器具有上述类型的光接收单元EM并且具有发送单元S。以下仅阐述其与图1的区别。

可以理解，光电耦合器OPK是封装的，也就是说，所提及的构件集成在共同的壳体中。如果发送器模块S发送经调制的光电流，那么也在接收器模块EM中对电压和电流进行调制。

发送模块S包括第一发送二极管SD1和第二发送二极管SD2。第一发送二极管SD1具有第一光波长L1，该第一光波长与光接收单元EM的至少一个第一二极管D1相协调。

第二发送二极管SD2具有第二光波长L2，该第二光波长与光接收单元EM的至少一个第二二极管D2相协调。第一发送二极管SD1具有两个连接接通部，其中，在两个连接接通部上施加第一供电电压VDS1。

第二发送二极管SD2同样具有两个连接接通部，其中，在两个连接接通部上施加第二供电电压VDS2。

光接收单元EM具有分析处理单元AWE，该分析处理单元与第一能量源VQ1并联连接。

在图5的示图中示出根据本发明的光电耦合器OPK的有利扩展方案的另一实施方式。以下仅阐述其与图3和图4的区别。

接收单元EM除第一能量源VQ1外还具有第二能量源VQ2，其中，第二能量源VQ2与第一能量源VQ1结构相同地构造。

在第一能量源VQ1与第二能量源VQ2之间布置有不能导电的第一绝缘部IS1。接收单元EM借助不能导电的且光学透明的第二绝缘部IS2相对于两个发送二极管SD1和SD2分离。

相应于图3中示出的实施例，能量源VQ1和VQ2与自截止的第一晶体管TR1或自截止的第二晶体管TR2连接，其中，第一晶体管TR1是n沟道晶体管，而第二晶体管TR2是p沟道晶体管。

在第一晶体管TR1的漏极连接端D上施加供电电压VDD，第二晶体管TR2的漏极连接端D接地，并且两个晶体管TRI和TR2的源极连接端S短接。在两个晶体管TR1和TR2的源极连接端S之间分接出输出信号V_输出。

仅第一发送二极管SD1的光的入射在两个能量源VQ1和VQ2的第一二极管D1中分别产生正电压，由此n沟道晶体管TR1导通，而p沟道晶体管截止。输出信号V_输出相应于供电电压VDD。

如果仅第二发送二极管SD2的光入射，则两个能量源VQ1和VQ2的第二二极管D2分别产生负电压。

n沟道晶体管TR1截止，而p沟道晶体管TR2导通。输出信号相应于在第二能量源VQ2的第二二极管D2中产生的负电压。

如果第一发送二极管SD1和第二发送二极管SD2的光同时入射，则在两个能量源VQ1和VQ2的第一二极管D1和第二二极管D2中分别产生的电压分别相互抵消，使得两个晶体管TR1和TR2都截止并且输出信号V_输出是零。

图6的表格示出两个发送二极管SD1和SD2的光的光入射、两个晶体管TR1和TR2的连接状态和由输出信号V_输出获得的电路信号(Schaltsignal)S_输出之间的相互关系。