DE4434266A1

DE4434266A1 - Verfahren zur Temperaturkompensation von optoelektronischen Bauelementen und insbesondere von optoelektronischen Halbleitern

Info

Publication number: DE4434266A1
Application number: DE4434266A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Sperling
Original assignee: BYK Gardner GmbH
Current assignee: BYK Gardner GmbH
Priority date: 1994-09-24
Filing date: 1994-09-24
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2014-09-25
Also published as: WO1996009667A1; JPH10508984A; DE4434266B4; US5917183A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tempera turkompensation von optoelektronischen Bauelementen und insbe sondere zur Temperaturkompensation von optoelektronischen Halbleitern.

Optoelektronische Bauelemente sind Bauelemente, bei denen ent weder elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird oder Lichtenergie in elektrische Energie. In der heutigen Technik haben optoelektronische Halbleiter besondere Bedeutung erlangt, und zwar auf der einen Seite insbesondere die lichte mittierenden Dioden (light emitting diodes, LED) als licht ausstrahlende Elemente und Fotodioden, Fototransitoren, Foto widerstände, Fotothyristoren und dergleichen, die die Inten sität des auf eine Meßfläche auftreffenden Lichtes erfassen und ein dafür repräsentatives elektrisches Signal ausgeben, auf der anderen Seite.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfol gend beispielhaft in bezug auf lichtemittierende Dioden, im folgenden als LED bezeichnet und in bezug auf Fotodioden be schrieben, es kann aber entsprechenderweise auch bei anderen optoelektronischen Bauelementen und insbesondere bei opto elektronischen Halbleitern angewendet werden.

Das Problem beim Einsatz von LED′s und Sensordioden in der op tischen Meßtechnik wird nachfolgend am Beispiel der Farbmes sung erläutert: Dem Farbeindruck, den eine farbige Oberfläche dem Beobachter vermittelt, liegt eine bestimmte spektrale Ver teilung des von der Oberfläche reflektierten Lichtes zugrunde, die im Auge des Beobachters als Farbe erkannt wird. Dabei er gibt sich die vom Beobachter wahrgenommene Farbreizfunktion ϕ (λ)

ϕ (λ) = r (λ) · S (λ)

wobei r (λ) das Remissionsspektrum der Oberfläche charakteri siert und S (λ) die spektrale Verteilung des auf die Oberflä che auftreffenden Lichtes. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die vom Beobachter wahrgenommene Farbreizfunktion das Produkt der spektralen Verteilung der Reflexionseigenschaften der Oberfläche und der spektralen Verteilung des auf der Oberfläche auftreffenden Lichtes ist. Ändert sich die spek trale Verteilung des Lichtes, welches auf die Oberfläche trifft, so ändert sich auch der Farbeindruck für den Beobach ter.

In der Technik ist es von großer Bedeutung, die Farbe von Oberflächen korrekt erfassen zu können, um einerseits Farben reproduzierbar herstellen zu können und um andererseits die Farbe von Flächen korrekt in Druckerzeugnissen, Filmen, Foto grafien und über elektronische Geräte wie Kameras, Fernseh bildschirme, Computermonitore und dergleichen erfassen und wiedergeben zu können.

Bei der konventionellen Farbmessung wird die Oberfläche, deren Farbe zu erfassen ist, mit einem Licht bestrahlt, dessen spek trale Verteilung genau bekannt ist. Das reflektierte Licht wird spektral z. B. mit einem Spektralphotometer analysiert, woraus sich dann das spektrale Reflexionsverhalten der Ober fläche und daraus der durch die Oberfläche vermittelte Farbeindruck errechnen und mit genormten Farbkennwerten dar stellen und vergleichen läßt.

Um den apparativen Aufwand für solche Meßvorrichtungen zu ver ringern, ist man seit einiger Zeit dazu übergegangen, die zu messende Oberfläche mit LED′s zu belichten und das von der Oberfläche reflektierte Licht mit Halbleitersensoren und ins besondere mit Fotodioden zu messen. Ein solches Gerät ist bei spielsweise in der DE 42 02 822 A1 beschrieben. Dabei werden eine Anzahl von LED′s verwendet, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, sowie eine Anzahl von Sensordioden. Das Problem bei diesen Geräten ist jedoch, daß die spektrale Charakteristik und die Intensität sowohl der LED′s als auch der Sensordioden von der Temperatur abhängig ist, so daß zur Steigerung der Meßgenauigkeit die Temperatur der LED′s und der Sensordioden erfaßt werden muß.

Bei dem vorgenannten Gerät geschieht dies, indem auf dem ge meinsamen Substrat ein Temperatursensor angeordnet ist. In ei ner Steuereinrichtung des Gerätes sind eine Vielzahl von spek tralen Charakteristiken für die LED′s und die Sensordioden ab gespeichert und es wird bei jeder Messung zunächst die Tempe ratur des Substrates bestimmt und dann die entsprechende Kurve für die Auswertung der Messung ausgewählt.

Dieses Verfahren hat zunächst den Nachteil, daß die Verwendung eines Temperatursensors in der Meßeinrichtung relativ aufwen dig ist. Vor allen Dingen besteht aber der erheblichere Nach teil, daß es eine gewisse Zeit dauert, bis innerhalb der Meß vorrichtung ein Temperaturausgleich stattgefunden hat, so daß alle Halbleiter die gleiche Temperatur aufweisen. Dies ist insbesondere deshalb problematisch, da sich die LED′s während des Betriebes erwärmen. Bis diese Erwärmung der LED′s vom Temperatursensor zuverlässig erfaßt worden ist, ist der Meß vorgang in der Regel aber bereits abgeschlossen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperaturkompensation von optoelektroni schen Bauelementen und insbesondere von optoelektronischen Halbleitern zur Verfügung zu stellen, durch welches eine schnelle und präzise Kompensation von Temperaturänderungen der Halbleiter möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nun nachfolgend in bezug auf die Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 den Zusammenhang zwischen der Durchlaßspannung und der Umgebungstemperatur für die LED, wobei in dem Diagramm die Änderung der Durchlaßspannung auf der Ordinate und die Änderung der Temperatur auf der Abszisse aufgetra gen ist,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Sensorsignal einer Sensordiode und der Durchlaßspannung bei glei cher Temperatur.

Die Erfindung wird nun zunächst in bezug auf die Kompensation des temperaturabhängigen Driftens von lichtemittierenden Di oden (LED′s) beschrieben.

Gemäß einer Alternative der Erfindung wird die LED mit einer konstanten Stromquelle betrieben. Dies bedeutet, daß die Stromversorgung der LED mit einer (im Stand der Technik be kannten) Schaltung erfolgt, die jeweils einen vorgegebenen konstanten Strom liefert. Gleichzeitig wird die Durchlaßspan nung der LED gemessen.

Für den vorgegebenen Strom gibt es eine Abhängigkeit der Durchlaßspannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, die in Fig. 1 für den Bereich zwischen +10°C bis 40°C grafisch dargestellt ist.

Die Änderung der Durchlaßspannung mit der Temperatur ist vom jeweiligen LED-Typ abhängig und beträgt in der Regel zwischen 2 und 10 mV pro 1°C.

Die Temperaturkompensation der LED findet also in der Weise statt, daß immer dann, wenn die LED mit konstantem Strom akti viert wird, gleichzeitig auch die Durchlaßspannung gemessen wird. Der Meßwert der Durchlaßspannung wird vorzugsweise abge speichert und die für die weiteren Auswertungen der Messung herangezogene spektrale Charakteristik der LED anhand des ge messenen Spannungskennwertes bestimmt. Da sich die LED während des Betriebes selbst erwärmt, kann durch diese Messung zuver lässig die jeweilige Temperatur und damit auch die jeweilige spektrale Verteilung bzw. die Intensität der LED erfaßt und berücksichtigt werden.

Alternativ kann die LED auch mit einer Konstant-Spannungs quelle betrieben und der Strom gemessen werden. Die Auswertung erfolgt dann in derselben Weise mit dem gemessenen Strom-Kenn wert.

Im folgenden wird nun die Anwendung der Erfindung zur Tempera turkompensation von Sensordioden beschrieben.

Auch bei der Sensordiode ist die Durchlaßspannung, wenn die Sensordiode im Diodenbetrieb, d. h. in Durchlaßrichtung mit einer Konstantstromquelle betrieben wird, von der Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit läßt sich wie folgt ausdrücken:

Darin bedeuten:
K_b die Boltzmannkonstante, e die Elementarladung, I_o der im wesentlichen von der Temperatur unabhängige Strom ohne äußeres Feld (im Gleichgewicht der Diffusionsstrom), I der eingeprägte Konstantstrom, U_o eine materialabhängige Offsetspannung und T die Temperatur der Halbleiterdiode.

Bei konstantem Strom ist der Temperaturkoeffizient der Sensor diode somit nur von Materialkonstanten abhängig. Dadurch redu ziert sich Gleichung 2 zu:

U = α · T + C (3)

bzw.

U_x - U_o = α (T_x - T_o) (4)

Dabei bedeutet U_x die Durchlaßspannung der Sensordiode bei dem konstanten Strom und der Temperatur T_x, U_o die Durchlaßspan nung der Diode beim Konstantstrom bei der Temperatur T_o (Bezugstemperatur) und α der Temperaturkoeffizient der Sen sordiode.

Stellt man diese Gleichung um, so folgt als Gleichung:

Dies bedeutet, daß mit dieser Gleichung durch die Messung der Durchlaßspannung der Diode die Temperatur der Diode ermittelt werden kann.

Der Temperaturkoeffizient α kann ermittelt werden, indem die Durchlaßspannung der Sensordiode bei konstantem Strom bei ver schiedenen Umgebungstemperaturen gemessen wird. Da der Zusam menhang zwischen der Änderung der Durchlaßspannung und der Temperatur weitgehend linear ist, genügt die Erfassung von zwei Punkten, durch die dann eine Gerade als Kennlinie gelegt werden kann.

Zur Temperaturmessung, d. h. zur Messung der Durchlaßspannung, wird die Sensordiode vom eigentlichen Meßbetrieb, der in Sperrichtung der Diode erfolgt und in welchem die Intensität des auf die Meßfläche fallenden Lichtes gemessen wird, in den Durchlaßbetrieb umgeschaltet und die Sensordiode mit konstan tem Strom versorgt. Die dann gemessene Durchlaßspannung ist ein Maß für die jeweilige Temperatur und wird bei der Auswer tung des Sensorsignals berücksichtigt.

Die Erfassung der Temperaturkennlinie kann, wie vorstehend ausgeführt, durch Veränderung der Umgebungstemperatur erfol gen. Bei der Herstellung von optischen Geräten, in denen der artige Sensordioden verwendet werden, ist es jedoch relativ aufwendig, für jeden Sensor die Temperaturkennlinie durch Ver änderung der Umgebungstemperatur zu erfassen. Durch die Erfin dung wird deshalb auch ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Temperatur ermit telt werden kann.

Bei diesem Verfahren wird der Sensor durch eine konstante Lichtquelle bestrahlt, was meßtechnisch relativ einfach zu verwirklichen ist.

Bei der zum Ausgangszeitpunkt herrschenden Umgangstemperatur T_o wird die Diode im Meßbetrieb betrieben und es wird das Sensorsignal S_o gemessen, welches die Empfindlichkeit des Sensors für die konstante Lichtquelle bei der Umgebungstempe ratur angibt. Dann wird die Sensordiode in den Durchlaßbetrieb umgeschaltet und mit einem kleinen Strom I_o betrieben. Für diesen Strom wird die Durchlaßspannung U_o gemessen.

Dann wird die Sensordiode kurzzeitig mit einem deutlich höhe ren Strom in Durchlaßrichtung betrieben, wobei dieser Strom derart gewählt ist, daß er zu einer Erwärmung der Sensordiode führt.

Nach der Erwärmungsperiode wird wieder der gleiche kleine Strom I_o verwendet und die Durchlaßspannung U₁ gemessen. Da die Sensordiode nun eine höhere Temperatur T₁ aufweist, ist diese Durchlaßspannung niedriger als die Durchlaßspannung U_o bei der Messung mit der Anfangstemperatur T_o. Dann wird die Diode in den Meßbetrieb geschaltet und nun das Sensorsignal S₁ für die konstante Lichtquelle aufgenommen.

Aus diesem Meßvorgang ergeben sich zwei Wertepaare, nämlich die erste gemessene Sensoranzeige S_o bei der Durchlaßspannung U_o und die zweite gemessene Sensoranzeige S₁ bei der Durchlaßspannung U₁. Da die Änderung der Durchlaß spannung mit der Temperatur linear verläuft, kann, wie in Fig. 2 aufgezeichnet, durch diese beiden Punkte eine Gerade gelegt werden. Diese Gerade ergibt den Zusammenhang zwischen der Durchlaßspannung und der Sensoranzeige bei gleicher Lichtin tensität an. Dabei gilt angenähert folgende Bezeichnung?:

S₁ = S_o + α (U₁-U_o) (6)

Für den Temperaturkoeffizienten α gilt:

Bei der Messung muß also bei dieser Ausführungsform des Ver fahrens lediglich nach der Aufnahme des jeweiligen Meßsignals mit dem konstanten kleinen Strom die Durchlaßspannung ermit telt werden. Diese Durchlaßspannung kann dann dazu verwendet werden, das gemessene Signal zu korrigieren. Das Verfahren hat den großen Vorteil, daß als Korrekturgrößen unmittelbar Sen soranzeige und Durchlaßspannung verwendet werden und nicht der Wert der Temperatur, den die Sensordiode bei der Veränderung der Durchlaßspannung hatte. Dadurch kann ein sehr präziser Zusammenhang zwischen Durchlaßspannung und Sensorsignal be stimmt werden, ohne daß eine möglicherweise ungenaue und auf grund der Ausgleichzeiten auch zeitlich schwierige Tempera turmessung durchgeführt werden müßte.

Bei der vorstehenden Ausführungsform wurde die Messung mit konstantem Strom durchgeführt.

Alternativ kann insbesondere bei einer in Sperrichtung betrie benen Fotodiode auch eine Konstant-Spannungsquelle verwendet werden, wobei dann in gleicher Weise wie zuvor statt der tem peraturabhängigen Durchlaßspannung der temperaturabhängige Offsetstrom gemessen wird. Dabei kann ebenfalls eine Tempera turänderung herbeigeführt werden, indem die Diode mit einem in Durchlaßrichtung fließenden Strom kurz aufgeheizt wird.

Alternativ kann zum Aufheizen der Diode oder des entsprechen den Elementes bei allen vorgenannten Verfahrensvarianten auch ein kleines Heizelement verwendet werden, welches auf der Sen sordiode angeordnet ist.

Das Verfahren hat zudem den Vorteil, daß es meßtechnisch sehr einfach durchgeführt werden kann, so daß es beispielsweise auch dann angewendet werden kann, wenn die Sensordioden be reits in eine entsprechende Vorrichtung eingebaut sind.

Claims

1. Verfahren zur Temperaturkompensation von elektrooptischen Bauelementen und insbesondere von elektrooptischen Halb leitern, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement unter vorgegebenen konstanten Bedingungen betrieben und ein er ster Kennwert gemessen wird, der von der Temperatur abhän gig ist, daß dieser Kennwert mit einem Vergleichswert ver glichen wird, welcher unter den gleichen konstanten Bedin gungen aber bei unterschiedlicher Temperatur ermittelt worden ist und daß aus der Beziehung zwischen diesem Kennwert und diesem Vergleichswert eine Korrekturfunktion abgeleitet wird, durch die die mit dem Halbleiterbauele ment erfaßte Meßgröße derart korrigiert wird, daß der Tem peratureinfluß kompensiert wird.

2. Verfahren zur Temperaturkompensation vom optoelektroni schen Bauelementen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß diese vorgegebene konstante Bedingung ein kon stanter Strom ist, mit dem dieses Bauelement betrieben wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese vorgegebene konstante Bedingung eine konstante Span nung ist, die an diesem Bauelement anliegt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Halbleiterbauelement eine lichtausstrahlende Diode (LED) ist, daß diese konstanten Bedingungen ein konstanter Strom ist, mit dem diese LED betrieben wird und daß dieser Kennwert die Durchlaßspannung ist, welche bei diesem kon stanten Strom gemessen wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Korrekturfunktion aus einem linearen Zusammenhang zwischen der Durchlaßspannung und der Temperatur ermittelt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Korrekturfunktion aus einem nicht-linearen Zusammen hang zwischen der Durchlaßspannung und der Temperatur er mittelt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Halbleiterbauelement eine licht ausstrahlende Diode (LED) ist, daß diese konstanten Bedingungen eine konstante Spannung ist, mit der diese LED betrieben wird und daß dieser Kennwert der Offsetstrom ist, welcher bei dieser konstanten Spannung gemessen wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses optoelektronische Bauelement eine Halbleiter-Sen sordiode ist und daß diese konstante Bedingung der Strom ist, mit dem diese Sensordiode in Durchlaßrichtung betrie ben wird, und daß dieser Kennwert die bei diesem konstan ten Strom gemessene Durchlaßspannung ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensordiode zur Erfassung der Änderung ihrer Eigen schaften mit der Temperatur vom Meßbetrieb, der in Sper richtung der Diode erfolgt, in den Temperatur-Erkennungs betrieb in Durchlaßrichtung der Diode umgeschaltet wird.

10. Verfahren gemäß Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß dieser Korrekturwert ein Lichtintensitäts-Korrek turwert ist, der erfaßt wird, indem die Lichtintensität einer konstanten Lichtquelle einmal bei einer niedrigen Temperatur und einmal bei einer höheren Temperatur gemes sen wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese höhere Temperatur der Sensordiode erzielt wird, in dem die Sensordiode kurzzeitig mit einem höheren Strom in Durchlaßrichtung betrieben wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese höhere Temperatur erzielt wird, indem die Diode mit einem Heizelement, einem Widerstand oder dergleichen be heizt wird.