本发明涉及的半导体器件包括一个具有辐射敏感元件的半导体基体，该辐射敏感元件包括一个具有第一导电类型的发射区和集电区及第二种相反导电类型的介于两个区之间的基区的晶体管，并包括一个具有整流结的辐射敏感区，该辐射敏感区与晶体管的基区是电连接的。 在S.M.Sze的“半导体器件物理，第二版，第784页”中，这种半导体器件已被公开。其中，辐射敏感元件由一个光敏晶体管构成，晶体管的基区为P型半导体区域，它是在n型硅衬底上制备的。衬底本身作为晶体管的集电区，晶体管的n型发射区位于基区之上。在工作时，基区和集电区的pn结周围产生一个耗尽区，它被作为器件的光敏区。
上述的半导体器件被用来将辐射转换成电信号，然后，这个信号能被进一步用电子学方法进行处理。特别是在最近几年，应用这种器件的可能性正在增加，例如，在光电通讯中和在信息载体上进行光记录或磁光记录和读出信息，下文中被简要地指定为光学记录，例如，DOR（直接光学记录），CD（密盘）、VLP和计算机应用，例如：CDROM/CDI。
在菲利浦技术评论杂志第40卷（1982年）第6期第148页上，描述关于读出CD的辐射敏感二极管的应用。其中，采用一由四个相邻的发光二极管组成的系统来读CD，信息是以轨道的形式储存在CD中，通过激光束进行扫描。在反射束中，强度的变化代表信息，它由二极管进行检波，并转换成电信号。
用辐射敏感晶体管取代二极管构成地辐射敏感元件有很大的优点，它能够获得相当大的输出信号。在光敏二极管中，输出信号仅限于所产生的光电流，而在具有适当放大倍数的光敏晶体管中，其输出信号可以增大许多倍。然而，与具有相同大小的辐射敏感二极管相比，辐射敏感晶体管通常具有相当低的（检波）速度。然而，由于晶体管的辐射敏感结的寄生电容，使得晶体管在高频下不再能够追随光电信号，这就意味着这种晶体管不适合于高频下的应用，例如，光记录。例如，在使用CD时，信息载体是以比1m/s还要大的速度被读出的，这就意味着反射束光强的变化超过每秒一百万次。
为此目的，本发明特别提供一种包含有辐射敏感元件的上述类型的半导体器件，它同样适合于高频应用，例如，光记录，并且能够提供相当高的输出信号。
按照本发明，上述类型的半导体器件的特征在于，辐射敏感区域至少包括第一分区域和第二分区域，并且晶体管至少被分成两个分晶体管，它们的基区分别连接到分区域上，它们的集电区视情况而定和发射区互相连接。
由分区域表面积的总和构成了元件的全部辐射敏感表面。在光记录中，当激光束还没有被聚焦到信息载体上时，这个表面被用来收集激光束。为了收集激光束、辐射敏感表面必须有一个给定的最小尺寸，这表示已知的辐射敏感元件太慢不适合于高频应用，这是由于它的寄生电容的缘故。本发明正是基于对下述事实的认识，即在收集过程中，光束很宽，它覆盖了很大部分的辐射敏感表面，而在聚焦以后，光束很窄，并且光束仅仅指向整个辐射敏感表面上的有限部分。按照本发明，元件的寄生电容被限制于最后区域的电容，聚焦的光束所指向的区域位于第二分区域上，按照本发明，这个区域是与第一分区域相互隔离的。于是，元件的寄生电容被限制于第二分区域的电容。另一方面，在这个条件下，第一分区域事实上基本上不接收辐射，因此，基本上不提供任何光电流。在这个条件下，与这个分区域相连的晶体管是常闭状态的，以使得第一分区域的电容不能对元件的速度产生不利影响。在聚焦以后，信息载体是在第二分区域被读出的，这时，第二区域的电容可以足够的小，以使得在很高的频率下，激光束光强的变化也可被跟踪，例如，在1-2 MHZ下。然而，由于这时光强度较高，所以尽管第二分区域的面积较小，在收集光束时，第二分区域所产生的光电流不一定小于整个辐射敏感表面的光电流。
在按照本发明的器件中，辐射敏感元件特别适用于光记录装置的读出和聚焦的混合系统，例如，在菲利浦技术评论杂志的上述文章中所描述的CD播放机傅科系统。在一个特殊的实施例中，按照本发明的器件至少包括一个第二相同辐射元件，两个元件的辐射敏感元件被安排成一排，其中，外侧分区域为第一分区域，内侧的分区域为第二分区域。从两个辐射敏感元件的输出信号的差别中可以得出一个所谓的聚焦误差，它被用作控制信号来聚焦CD上的激光束。输出信号的总量为读出信号，并且代表CD上存储的信息。将这个系统设计成在聚焦时激光束基本上仅指向一排中内侧的第二分区域之上。
在另一个实施例中，按照本发明的器件的特征是：在上述一排的对面沿纵向方向安置一个至少基本上相同的第三和第四辐射敏感元件的第二辐射敏感分区域排。通过加入这第二排元件，使得有可能在读出信号和聚焦误差信号之外，再产生一个所谓的轨迹信号，借助于这个轨迹信号，激光束可被信息轨迹所容纳。轨迹信号是由第一元件排与第二元件排输出信号的差别所形成的。
为了精确地调节激光，重要的是每一个晶体管的特性（例如，特别是放大倍数）要尽可能一致。这主要是通过将晶体管的结构选择得尽可能相同来达到。在实际中发现这是很不够的。由于在制造器件时，对于整个半导体基体来说，局部工艺是不够稳定的，所以，尽管晶体管的结构相同，但它们总会显示出一些差别。晶体管在半导体基体上的距离接近一些，则这种差别也就小一些。按照本发明的半导体器件的另一个实施例的特征是：辐射敏感元件的基区由辐射敏感分区域构成，并且发射区在相对于元件排纵向侧的基区上形成。在这种情况下，发射极以及晶体管的有源区域位于相对近的距离之内，结果，每一个晶体管的特性是很一致的。
在另一个实施例中，器件中至少包括两个辐射敏感元件，它们的基区和辐射敏感区域在半导体基体上形成时互相是分开的。基区相互之间的距离平均来说比辐射敏感区相互之间的距离更近。于是，由这样的基区所形成的晶体管彼此十分接近，这就很大程度地减小了甚至消除了器件工作时由于工艺不稳定所造成的影响。辐射敏感区分别与基区相连，并且为基区提供基极电流，这些辐射敏感区域可以在半导体基区上被安排到适当的位置，这取决于聚焦系统和辅助光学系统。
参考几个实施例和附图，本发明将得到更详细的描述。
图1为按照本发明的半导体器件的第一实施例的平面图;
图2示出图1中半导体器件沿Ⅱ-Ⅱ线剖开的截面图;
图3示出了按照本发明的半导体器件的第二实施例的平面图;
图4为按照本发明的半导体器件的第三实施例的平面图;
图5示出按照本发明的半导体器件的第四实施例的平面图。
这些图纯粹为示意图，并没有按比例画出。更具体说，为了清楚起见，某些尺寸被扩大了。只要有可能，相同导电类型的半导体区域以相同方向的斜线画出，相应的部分以相同的参考标号所表示。
在图1中，按照本发明的半导体器件包括四个辐射敏感元件A、B、C、D，它们在半导体基体上被安排成相对的两排，两排之中的一排被从Ⅱ-Ⅱ线剖开，并且也示于图1中。
在这个实施例中，半导体基体包含n型硅衬底1，在衬底1之上形成外延层2，它与衬底的导电类型相同，但其掺杂浓度较低。在衬底1的底部以金属层的形式提供电极3。
在元件A、B、C、D上备有辐射敏感区7，区域7具有整流结5，它能够将入射辐射转换成光电流。元件A、B、C、D的输出信号经传导线条9被提供到接触表面10上，从这里被引出装置之外，被进一步按电子学方法进行处理。然而，也可能将半导体中的部分或全部所需要的电路集成起来，使导线条不至延伸到接触表面10上，而延伸到电路的输入端。本实施例的器件特别适合于应用在所谓的傅科聚焦系统上，例如，在菲利浦评论杂志中的上述文章中描述的密盘播放机。在这个系统中，以轨迹形式储存信息的载体被激光束扫描。反射束被棱镜分成两个分光束，每一个分光束提供给相邻的两个辐射敏感元件。反射束的强度变化表示载体上所存储的信息。在密盘的情况下，以大大超过1m/s的速度扫描载体，反射束的变化大约在每秒一百万次。
在图1中，由圆S1和S2表示分光束的轮廓。当系统在信息载体上被聚焦时，S1和S2分别代表第一和第二分光束。借助于辐射敏感元件A、B、C、D系统，强度的变化被转换成电信号IL，这个读出信号I1由每个元件的读出信号IA、IB、IC、ID的总和构成，即：
IL＝IA+IB+IC+ID。
另外，当读出光束分别可以在信息载体上被收集和聚焦，并且被用来读出的轨道所容纳时，从元件A、B、C、D的输出信号可以得出两个控制信号：所谓的聚焦误差信号和轨迹信号。为了说明起见，图1中示出S1′，S2′和S1″，S2″，它代表系统的聚焦平面分别位于信息载体平面之上和之下时的分光束。聚焦误差信号是从元件A、D的输出信号和元件B、C的输出信号之间的差别而得到的，即：IF＝（IA+ID）-（IB+IC）。当读出光束移出轨道时，第一分光束的强度将不同于第二分光束的强度，这使得轨道信号IS可以从第一组晶体管A、B的输出信号和第二组C、D的输出信号的差别中得出，即：
IS＝（IA+IB）-（IC+ID）。
特别对于这些控制信号来说，要求元件A、B、C、D有很高的输出信号，即：输出信号比产生的光电流大许多倍。当激光束基本上处于理想的状态时，IF和IS信号的差别是如此之小，以使得很难去进一步调节激光器。为了放大所产生的光电流，每一个元件A、B、C、D都具有一个晶体管T。
每一个晶体管T都有一个P型基区4和在其上淀积的n型发射区6。由n型外延层2构成了所有分晶体管T的集电区。晶体管在半导体基体上可以被安排成与辐射敏感区域相分隔，也可以与之相合并，正如这里所述的情形。这时，晶体管的基区4包含一个辅助辐射敏感区域7。这样，晶体管并没有占有附加的空间。
将上述的半成品用氧化硅隔层14所覆盖，其中，在发射区6上提供了接触窗口8，经过这个接触窗口8、发射区6借助于铝传导线条9与接触表面10相连接。
在工作时，将一正向电压，例如5V，施加在集电极3上，并将发射区6接地。基区4没有连接，外于悬浮状态。辐射敏感区域7的整流结5（在这种情况下，这个结就是晶体管T的基极-集电极结）被一个耗尽区所包围，在图中，这个耗尽区以虚线表示。当辐射光照射到辐射敏感区域7并且穿透到耗尽区域时，在其影响下，耗尽区内可以产生空穴-电子对。在耗尽层中占优势的电场确保所产生的空穴被传送到晶体管T的基区4上。这样产生的光电流If为晶体管T提供基极电流，这样减少了发射区6和基区4之间的势差。如果有足够辐射量，晶体管T就变成了传导体。于是，电流IT＝（1+hFE）.IF将流过晶体管。其中，hFE代表晶体管T的电流放大倍数。如果放大倍数hFE具有一个合适的数值，则晶体管T将传输一个比产生的光电流If大许多倍的电流。
然而，公知的具有晶体管的辐射敏感元件有下述缺点：由于晶体管的存在，使得元件跟踪信号的速度比具有相同辐射敏感表面的辐射敏感二极管要慢的多，基区相对于发射极的电压及输出信号的电压的变化被辐射敏感区域的整流结（即基极-集电极结）的电容所抵消。由于这个结（的电容）很大，元件操作起来很慢，然而在辐射敏感结的表面积缩小时其元件上要检测的辐射量则要求更严格，并且，这常常是不可能的。例如，在光记录时，需要辐射敏感表面具有一定的最小尺寸，以使得在激光束没有在信息载体上被聚焦时，它能够收集到激光束。例如，为了能够跟踪CD装置的1MHZ的信号，则辐射敏感表面应当减少到这样一个程度，即它不再能够收集到激光束了。到目前为止，应当采用具有足够快的操作速度的辐射敏感二极管，但却损失了输出信号的高度。事实上，光二极管的输出信号总是被限制到所产生的光电流上。
本发明提供一种辐射敏感元件A、B、C、D，它具有足够快的操作速度，以使得在比几兆赫兹还高的频率下仍然能够读出光信号，它的整个辐射敏感表面足够的大，以使得在进行光记录时能够收集到没有聚焦的激光束，而且还能够提供一个比具有相同大的辐射敏感表面的光二极管的输出信号大许多倍的输出信号。这样，按照本发明的器件，特别适合于进行光记录。
按照本发明，元件A、B、C、D的辐射敏感区域7被至少分成第一分区域71和第二分区域72，它们位于在半导体基体2中被互相隔开地安置。另外，按照本发明，元件A、B、C、D的晶体管T被分成分晶体管T1和T2。晶体管T1和T2具有一个共同的集电区，它是由n型外延层2形成，这两个晶体管具有分开的P型基区4，并且在基区中分别设置了n型发射区6。在这个实施例中，辐射敏感分区域71和72分别在分晶体管T1和T2的基区4中形成，由于辐射敏感区域7的被分割，意味着晶体管T被分成两个分晶体管T1和T2。对于每一个元件，晶体管T1和T2的发射区6都由传导线条9进行连接，线条9也提供了对于接触表面的连接。
在这个实施例中，元件A、B、C、D的辐射敏感分区域71和72被安置在基本上相同的数排中。元件排被彼此相对地安排在纵向侧面。在每一个元件排中，由第一分区域71构成外侧辐射敏感分区域，第二分区域72为排中较小的内侧分区域。
元件A、B、C、D的整个辐射敏感分表面由它们的辐射敏感分区域71和72的面积的总和构成。例如，可以将这个整个表面用在进行光记录时收集来在信息载体上聚焦的激光束S′，S″。元件不需要迅速操作，并且激光束S′，S″相对地宽并且覆盖了辐射敏感表面71、72的较大部分。
一旦聚焦之后，光束S是很窄的，并且仅仅指向整个辐射敏感表面71和72的有限部分。在按照本发明的器件中，上述的有限区域至少主要地位于第二分区域72之中。在聚焦时，元件A、B、C、D的寄生电容被限于第二分区72的电容。在这种情况下，第一分区域71基本上不接收任何辐射，也不提供基极电流，结果，第一分区域处于常闭状态。在这种情况下，读出光信号。可以将第二分区域72选择得足够小，以使得元件能够在十分高的频率下跟踪所提供的光信号，例如，从CD装置反射的激光束。另外，由于激光束的截面积很小，在这种情况下，它的平均强度就较高。对于辐射敏感元件的每一个单无，可以产生一个较大的光电流，这使得尽管第二分区域72的面积与整个辐射敏感区域表面71+72相比要小，但是，在元件中产生的光电流可以是足够的大。
元件A、B、C、D的输出信号是由分晶体管T1，T2的输出信号的总和构成的，在聚焦之后，由于只有第二分区域72是暴露的，所以该输出信号可以被简化为第二分晶体管T2的输出信号。分晶体管T1和T2可以确保在辐射敏感分区71和72所产生的光电流分别得到放大。在这个实施例中，分晶体管T1和T2的放大倍数hFE约为15，结果，元件A、B、C、D的输出信号比其中产生的光电流约大16倍。
从对控制信号IF和IS的推导中可以明显地看出：只有元件具有相同的电特征，更具体地说，具有相同的放大倍数hFE，这些信号才确实代表激光束的位置。为了满足这个需要，所采用的元件A到D要尽可能的一致。然而，在实际中始终存在着互相间的差别。由于在制造工艺的不同步骤中的局部不稳定性，元件的所有或基本上所有特性将会有一定的分散性。由于元件A、B、C、D的位置具有很大的相对距离，这种器件的偏差也很大，在本实施例中，为了克服上述偏差，将发射区6安置在基区4中相对侧的两排上。这样元件A到D的晶体管T1，T2的大部分有源区域彼此靠的很近，结果，这种器件对于局部工艺的不稳定性有较小的敏感。
图3显示了按照本发明的第二实施例的半导体器件。在这种情况下，该器件也包含四个几乎相同的辐射敏感元件A、B、C、D，它们被安排在n型半导体1中。元件A、B、C、D中的每一个都具有一个P型辐射敏感区域7，按照本发明，这个敏感区域被分成第一分区域71和第二分区域72。每一个分区域71和72都形成与半导体基体1相连的整流Pn结，并且被安排在相邻的两个几乎相同的排列中。元件A、B、C、D中的每一个进一步包含一个晶体管T，按照本发明，这个晶体管被分成两个分晶体管T1，T2，每个晶体管都具有一个P型基区4（这些区域是相互隔开的），一个在基区中安置的n型发射区6和一个共同的n型集电区，该集电区由半导体1构成。元件A到D的发射极区域6借助于传导线条9被连接到接触表面10上。
与第一实施例相反，在本实施例中，辐射敏感分区域71、72和分晶体管T1，T2都安置在半导体基体1中，使其互相分隔开。在每个元件A到D中的分晶体管都在半导体基体1中被安置得彼此尽可能靠近，以使得在制造半导体的工艺中产生的差别尽可能小。辐射敏感分区域71和72平均来说，位于相对大的距离上，并且通过分开的传导线95将其分别连接在元件A到D的分晶体管T1和T2的基区4之上。
同样，在这个实施例中，这个半导体器件特别适合于傅科聚焦系统，例如，用于光记录的装置的传科聚焦系统。于是器件可以按照与第一实施例相同的方法进行操作。特别是和第一实施例相同的公式来计算读出信号和两个控制信号。
将辐射敏感分区域这样安置，以使得在聚焦之后的分光束S1和S2几乎仅照射到两排中的第二分区域72之内。在这种情况下，可以读信息载体，并且元件A到D的寄生电容仅局限于第二辐射敏感分区域72的电容。为了分别收集S1′，S2′和S1″，S2″，当激光束分别聚焦在信息载体的表面之上和之下时，两个分晶体管T1和T2都可以使用。
减少元件A、B、C、D的寄生电容，不仅可以通过减小第二分区域72，而且按照本发明，可以进一步分割第二分区域72，如半导体器件的第三实施例。图4示出具有辐射敏感区域的辐射元件A的第三实施例，其中，按照本发明，将辐射敏感区域分成第一分区域71和第二分区域72。在这个实施例中，按照本发明，将第二分区域72进一步分成4个分区域721……724，它们在半导体基体1中被安置得彼此分离，每一个分区域71，721……724都与半导体基体的相邻部分形成整流结5，它能够将入射的辐射光转换成电信号。为了将这个信号放大，元件A上装备有一个晶体管，这时，按照本发明，将这个晶体管分成五个分晶体管T1，T21……T24，对每一个分区域71，721……724都分配给一个分晶体管T1，T21……T24，其中分区域71，721……724是这样连接的，使得分区域71，721……724都与它们的基区4相组合。在分晶体管的基区4中包含有一个n型发射区，每一个发射区都与传导条9相连。传导条9引向向接触表面10，从接触面10上可以得到元件A的输出信号。
当激光束S在信息载体上聚焦后，元件的寄生电容仅局限于被激光束照射的分区域的电容，这些分区域在图中以内侧的722和723为例。将第二分区域进一步分割、与减小第二分区域相比，具有如下优点，无需使激光束严格地对准进一步的分区域721……724。元件A、B、C、D的寄生电容在聚焦后局限于进一步分区域722和723的寄生电容上，这已被说明。由于与第一分区域71相同的理由，进一步分区域721和724没有被照射，所以它们对元件的寄生电容无贡献。
图5示出按照本发明的半导体器件的第四实施例。它特别适合用在所谓的象散聚焦系统中。这种系统如傅科系统一样被经常采用到进行光记录的装置中。在这种情况下，被信息载体反射的光束S先经过一个象散透镜，然后再提供给由四个辐射敏感元件A、B、C、D构成的系统。结果，当光束在信息载体上聚焦之后，光束S基本上为一圆形;当聚焦平面分别位于信息载体的平面之上和之下时，光束分别形成椭园形S′，S″。
在这个实施例中，器件包含四个辐射敏感元件A、B、C、D，每一个元件都备有辐射敏感区，按照本发明，将辐射敏感区分成两个区域71和72。元件A、B、C、D的分晶体管T1和T2分别分配给每个分区域71和72，其中，它们是组合的。在共同的集电区2中形成基区4，集电区2是由n型外延硅层构成，而每一个基区4中都安置一n型发射区6。元件A、B、C、D的n型发射区6是互相连接的，并且经传导条9连接到接触表面10上。
每个元件A、B、C、D的辐射敏感分区域71、72被如此安排：由第一分区域71围住一个中心部分，在这个中心部分中安置第二分区域，并且，当光束在信息载体上聚焦后，激光束S落于中心部分中。于是，元件A、B、C、D的寄生电容仅局限于第二分区域72的电容。
由于聚焦，椭园形的激光束S′和S″分别在元件A……D中的两个元件上延伸，光束S′和S″分别被照射的元件B、C和A、D的整个辐射敏感表面收集，这整个表面由分区域71和72的表面积的总和构成。按照与傅科聚焦系统相同的方式，从元件A、B、C、D的输出信号中可以得出读出信号、聚焦误差信号和轨迹信号。
上述的本发明的实施例仅仅做为一些例子，然而，本发明并不限于这些实施例。在本发明的范围中，本领域的普通技术人员能够作出许多变化。
例如，在半导体器件中不采用硅，而采用其它的半导体材料，例如锗或者AⅢBV族化合物，更具体地说是GaAs。在这种情况下通过选择适当的半导体材料，可以将器件调到将要检测的辐射波长。另外，在半导体基体中，上述的导电类型可以被相反导电类型所取代。
另外，辐射敏感结不一定是相同材料的Pn结，如上所述的那样。辐射敏感结可以由异质结构成，例如，GaAs_AlGaAs结，或者是与硅形成的异质结。
对于传导条而言，任何一种传导材料都是很合适的，除了金属和金属化合物（例如，铝、金、钨和金属硅化物）之外，还可以是掺杂半导体材料，例如，掺杂多晶硅或非晶硅。最有可能用来做导电线条的材料是对所检测的辐射透明的材料，如氧化硅或氧化铟、这使得位于线条之下的辐射敏感分区域的一部分同样可以参加辐射检测。
本发明既不限于聚焦装置，也不限于光学纪录、通常，本发明可以被用在检测辐射和读出光信号的每一个器件中，本发明始终提供了一种可能性，即：在很高的频率下适当地跟踪信号，并且维持比辐射敏感二极管高的输出信号。