本发明涉及一种光电耦合器。
背景技术：
光电耦合器是充分已知的。简单的光电耦合器具有发送器模块和接收器模块，其中，这两个模块电流隔离(galvanischgetrennt)，然而光学耦合。这种构件由us4996577已知。光学构件也由us2006/0048811a1、us8350208b1和wo2013/067969a1已知。
此外，由us4127862、us6239354b1、de102010001420a1、由naderm.kalkhoran等人的《cobaltdisilicideintercellohmiccontactsformultijunctionphotovoltaicenergyconverters》(appl.phys.lett.64，1980(1994))以及由a.bett等人的《iii-vsolarcellsundermonochromaticillumination》(photovoltaicspecialistsconference，2008年，pvsc'08.33rdieee,第1-5页，isbn:978-1-4244-1640-0)已知可缩放的(skalierbare)电压源或由iii-v族材料构成的太阳能电池。
光学构件的其他装置由de2.31053、de69421884t2、us4626878、jp55016408a1以及us3321631已知。
技术实现要素：
在该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的特征的光电耦合器来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的主题。
在本发明的主题中，提供一种具有发送单元和接收单元的光电耦合器，其中，发送单元与接收单元相互电流隔离并且彼此光学耦合，并且这两个单元集成在一个共同的壳体中，其中，接收单元具有能量源，该能量源具有第一电连接接通部和第二电连接接通部。
发送单元具有至少一个第一发送二极管和第二发送二极管，该第一发送二极管具有第一光波长，该第二发送二极管具有第二光波长。
第一光波长与第二光波长相差一个波长差。接收单元的能量源具有两个部分源并且构造成电流源或电压源。第一部分源具有第一半导体二极管，第二部分源具有第二半导体二极管。
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。
第一半导体二极管具有匹配于第一光波长的吸收边，第二半导体二极管具有匹配于第二光波长的吸收边，使得第一部分源在借助第一光波长照射时产生能量，并且第二部分源在借助第二光波长照射时产生能量。
可以理解，如果发送器模块中的光子发射受到调制，则该调制引起调制的直流电压，换言之，所产生的能量大小随时间变化。此外应注意的是，优选借助第一光波长的光和/或借助第二关波长的光来照射两个堆叠的整个上侧。还可以理解的是，术语“在共同的壳体中”尤其理解为唯一的壳体，也就是说，发送单元和接收单元自身不具有独立的壳体。可以这样理解，壳体尤其理解为注塑壳体(
也可以理解，术语光波长(其中尤其指led的光)表示通常高斯形光谱的中心波长，该高斯形光谱例如在典型的850nmled情况下具有20-30nm的半值宽度。还可以理解，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带隙能量。此外应注意的是，第一光波长与第二关波长之间的区别、即波长差至少是40nm。
此外应注意，在此借助术语“连接接通部”分别表示整个接收单元的电连接端。然而，借助术语“接通部”或“金属接通部”表示直接在半导体表面上的电连接端。可以理解，在此第一连接接通部仅与第一金属接通部连接，第二连接接通部仅与第二金属接通部连接。
应注意的是，深入研究以令人惊讶的方式表明：与现有技术不同，借助在此的堆叠方案，能够有利地产生各个部分源的高于1v的源电压。在此还表明，连接成部分源的多个半导体二极管的依次连接近似地累加成半导体二极管的源电压。优选地，半导体二极管的数量n小于10。可以理解，在一个堆叠内，在两个直接彼此相继的半导体二极管之间分别布置有一个隧道二极管。
根据本发明的设备的优点在于，除了发送二极管的馈电之外，在没有外部电压馈电情况下，在许多情况下可以仿真出二进制逻辑、例如“与”连接。另一优点在于，与具有硅二极管的目前的横向布置相比，借助半导体二极管的堆叠状布置导致大面积节省。尤其仅须由发送二极管或光源照射明显较小的接收面、即接收器模块的堆叠的上侧。
在一种扩展方案中，两个部分源串联连接。由此以简单的方式在接收器模块的输出端上产生与逻辑，或者换言之，仅当两个发送二极管都照射接收器模块时，接收器模块在输出端上才提供电压。
在另一扩展方案中，第一部分源和第二部分源单片地集成。优选地，两个部分源的层借助金属有机化学气相外延(movpeepitaxie)方法制造。在单片实施方式中，所述层堆叠状地相互沉积。在此，具有较大带隙的层置于具有较小带隙的层上，也就是说，入射到接收单元上的光首先照射到具有较大带隙的层上。替代地，在另一单片实施方式中，所述层彼此相邻布置在一个共同的载体衬底上、即两个独立的堆叠中。在此，具有较长波长的光直接照射到具有带有较小带隙的层的堆叠上。换言之，在彼此相邻布置的实施方案中，射束在两个部分源的情况下同时照射到所述部分源的相应上侧上。
在一个扩展方案中，第一部分源的下侧布置在第二部分源的上侧上，使得这两个部分源构成具有前侧和后侧的共同堆叠，其中第一连接接通部构造在第一部分源的上侧上，第二连接接通部构造在第一部分源的下侧上，第三连接接通部构造在第二部分源的下侧上，或者第一连接接通部构造在第一部分源的上侧上，第二连接接通部构造在第二部分源的下侧上。在布尔表达式(bolleschedarstellung)中，由此可以实现“与连接”，也就是说，仅当两个部分源都被照射时，才有电流流过两个串联连接的部分源。
在另一扩展方案中，第一部分源与第二部分源彼此相邻布置在共同的载体上，其中，第一连接接通部布置在第一部分源的上侧上，第二连接接通部布置在第一部分源的下侧上，第三连接接通部布置在第二部分源的上侧上，第四连接接通部布置在第二部分源的下侧上。在布尔表达式中，由此可以实现“或连接”，也就是说，仅当两个部分源中的任一个都未被照射时，才没有电压施加在两个并联连接的部分源上。
替代地，第一连接接通部布置在第一部分源的上侧上，第二连接接通部布置在第二部分源的下侧上，其中，第一部分源的下侧与第二部分源的上侧电连接。
在一种实施方式中，在两个部分源的堆叠状布置的情况下，第二连接接通部通过(durch)半导体衬底构造在堆叠的后侧上。换言之，在衬底的下侧上构造有作为第一金属接通部或接通面的优选整面的金属涂层。该衬底优选包括或由锗或gaas或inp构成。
在一种扩展方案中，接收单元具有自导通(selbstleitend)晶体管，其中，该晶体管的栅极与串联连接的部分源的第二连接接通部连接。由此，如果一个或两个部分源产生电压，则该晶体管切换为不导通的。在布尔表达式中，由此可以实现“或非连接”，也就是说，仅当两个部分源都不被照射时，才有电流流过该晶体管。
在另一扩展方案中，接收单元具有分析处理单元，其中，在分析处理单元与两个部分源之间存在电有效连接，也就是说，该分析处理单元与两个部分源连接。在此优选的是，仅由接收单元产生用于运行分析处理单元的能量。
在一种实施方式中，第一部分源由多个第一二极管构成，第二部分源由多个第二二极管构成，其中，两个部分源在300k的情况下分别具有大于2伏特的源电压。可以理解，第一二极管和第二二极管分别单片地集成，并且依次连接，并且在两个相继布置的二极管之间分别构造有隧道二极管。
在另一实施方式中，部分源在堆叠的下侧附近分别具有环绕的凸肩状边缘。如果两个部分源单片地彼此堆叠并且构成一个共同的单片构造的堆叠，则环绕的凸肩状边缘仅形成在唯一堆叠的下侧上。可以理解，该边缘在截面图中显示成阶梯。凸肩状边缘或阶梯通过如下方式形成：衬底的面积大于第二部分源下侧上的面积。
在一种扩展方案中，第一半导体二极管和/或第二半导体二极管包括或由ingap构成，第二半导体二极管由gaas或ingaas构成。优选地，部分源或堆叠主要包括iii-v族化合物。最优选地，部分源仅由iii-v族化合物构成。
在一种实施方式中，构造有多个第一部分源和/或多个第二部分源，其中，这些部分源分别在空间上分离。可以理解，第一发送二极管的光照射到多个第一部分源的上侧上，第二发送二极管的光照射到多个第二部分源的上侧上。在另一实施方式中，第一发送二极管的光和第二发送二极管的光分别照射到在堆叠中分别布置在上部的所有部分源的上侧上，或者换言之，只要两个部分源彼此上下布置，则光从位于上部的部分源的上侧进入堆叠中。
在一种扩展方案中，发送二极管操控多个第一部分源或多个第二部分源。在另一扩展方案中，接收单元具有自截止(selbstsperrend)晶体管。
在一种扩展方案中，接收单元具有第一部分源，该第一部分源与布置在第二部分源上的另一第一部分源的堆叠状布置相邻。第一部分源的上侧与另一第一部分源的上侧以及自截止晶体管的源极电连接。第二部分源的下侧与自截止晶体管的栅极电连接。自截止晶体管的漏极与第一部分源的下侧连接。
此外，第一部分源的上侧与第一电连接接通部连接，第一部分源的下侧与第二电连接接通部连接。应注意的是，在壳体外部，只有光电耦合器的两个连接接通部可供使用。内部连接不向外引导、即不引导到壳体外部，并且无法被直接接通。研究表明，借助本实施方式实现“异或逻辑”，其中，两个发送二极管的光发射分别配属有一个二进制1。同样，两个连接接通部之间待测量的电压配属有二进制1。
在一种扩展方案中，光电耦合器用于执行数学运算。因此不需要处理器。
附图说明
以下参照附图更详细地阐述本发明。在此，同种类的部分借助相同附图标记标注。所示的实施方式是高度示意性的，也就是说，距离以及横向和纵向延伸不是按比例的，并且只要未特别说明，彼此也不具有可推导出的几何关系。附图示出：
图1示出具有发送器模块和接收器模块的光电耦合器的第一实施方式；
图2示出图1的能量源的第一实施方式，该能量源具有由两个部分源在共同衬底sub上构成的堆叠状布置；
图3示出光电耦合器的第二实施方式，该光电耦合器具有发送器模块和接收器模块，该接收器模块具有第三连接端；
图4示出能量源的一种具体实施方式，该能量源具有由两个串联连接的部分源构成的彼此相邻布置的实施方案，所述两个部分源分别具有多个串联连接的二极管；
图5示出光电耦合器的第三实施方式，该光电耦合器具有发送器模块和接收器模块，该接收器模块具有两个独立的部分源；
图6示出光电耦合器的第四实施方式，该光电耦合器具有发送器模块和接收器模块，该接收器模块具有两个独立的部分能量源；
图7示出光电耦合器的第五实施方式，该光电耦合器具有自导通的晶体管；
图8示出光电耦合器的第六实施方式，该光电耦合器具有自截止的晶体管和“异或”实施方案；
图9示出总结布尔连接变型方案的表格；
图10示出光电耦合器的第七实施方式，该光电耦合器具有多个单元的第二连接；
图11示出光电耦合器的第八实施方式，该光电耦合器具有多个单元的第二连接。
具体实施方式
图1示出光电耦合器opk的第一实施方式，该光电耦合器具有发送器模块s和接收器模块em。可以理解，光电耦合器opk是封装的，也就是说，所提到的构件集成在共同的壳体中。如果发送器模块s发送调制的光子流，则接收器模块em中的电压和电流也被调制。
发送器模块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，而第二发送二极管sd2具有第二光波长l2。第一光波长与第二光波长之间的波长差至少是40nm。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存在第一馈电电压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存在第二馈电电压vds2。
接收器模块em具有能量源vq和分析处理单位awe。分析处理单位awe与能量源vq并联连接。能量源vq包括第一部分源vq1和第二部分源vq2，其中，能量源vq构造成电流源或电压源。第一部分源vq1布置在第二部分源vq2上。两个部分源vq1和vq2构成唯一的堆叠，并且单片地集成，并且彼此串联连接。
能量源vq具有上侧、下侧、与上侧连接的第一连接端vsup1、与下侧连接的第二连接端vsup2。分析处理单元awe与第一连接端vsup1和第二连接端vsup2连接。两个发送二极管sd1和sd2的光分别首先照射到能量源vq的上侧上，在此亦即照射到第一部分源vq1的上侧上。接下来，该光穿过第一部分源vq1并且穿过第二部分源vq2。可以理解，第一部分源vq1比第二部分源vq2具有更大带隙。
第一部分源vq1包括至少一个第一半导体二极管d1，第二部分源vq2包括至少一个第二半导体二极管d2。两个部分源vq1、vq2中的每个包括多个半导体层，其中，每个部分源vq1、vq2的半导体层堆叠状地布置，并且每个部分源vq1、vq2具有上侧和下侧。
第一半导体二极管d1具有匹配于第一光波长l1的吸收边，第二半导体二极管d2具有匹配于第二光波长l2的吸收边，使得第一部分源vq1在借助第一光波长l1照射时产生能量，并且第二部分源vq2在借助第二光波长l2照射时产生能量。
在布尔表达式中这样描述，两个连接端vsup1与vsup2之间的电流特性相应于与(and)连接，也就是说，仅当两个发送二极管sd1和sd2都照射接收单元时，才可以在两个连接端vsup1与vsup2之间测量到第一电流iout1，该第一电流流过两个部分源vq1和vq2。
在图2中示出能量源vq的第一实施方式，该能量源具有由两个部分源vq1、vq2和衬底sub构成的堆叠状布置。在下文中仅阐述与图1的区别。
在第二部分源vq2下方构造有由半导体材料构成的衬底sub。在第一部分源vq1的上侧上接近边缘r处构造有第一金属接通部k1。第一接通部k1与第一连接端vsup1连接(未示出)。衬底sub具有上侧os，其中，衬底sub的上侧os与第二部分源vq2的下侧材料锁合地单片连接。在此可以理解，在第二部分源vq2的层被布置在衬底sub上并且与衬底sub的上侧os材料锁合地连接之前，在衬底sub上外延地产生有薄的晶核层和缓冲层(两者未示出)。衬底sub的上侧os具有比能量源vq的下侧上的面更大的表面。由此形成环绕的阶梯stu。在衬底sub的下侧上构造有整面的第二金属接通部k2。第二金属接通部k2与第二连接接通部vsup2连接(未示出)。
在图3中示出光电耦合器opk的第二实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有由两个部分源vq1和vq2构成的堆叠状布置。在下文中仅阐述与图1的区别。
第二连接端vsup2布置在第一部分源vq1的下侧与第二部分源vq2的上侧之间。第三连接端vsup3布置在第二部分源vq2的下侧上。通过两个部分源vq1和vq2的串联连接，可以将第二连接端vsup2类比于串联电路的中心抽头。优点在于，可以在第一连接端vsup1与第二连接端vsup2之间直接量取第一部分源vq1的电压或电流。还可以在第二连接端vsup2与第三连接端vsup3之间直接量取第二部分源vq2的电压或电流。
在布尔表达式中描述，三个连接端vsup1、vsup2和vsup3的电压特性相应于或(or)连接，也就是说，如果发送二极管sd1和sd2中的一个或两个发送二极管sd1和sd2照射接收单元，则可以在两个部分源vq1和vq2中的一个上或两个部分源vq1和vq2上测量到第一电压vout1。
应注意的是，在目前的实施方式中，第一部分源vq1和第二部分源vq2分别具有至少一个二极管。
在图4中示出能量源vq的一种具体实施方式，该能量源具有彼此相邻布置的部分源vq1和vq2，其中，第一部分源vq1具有第一堆叠st1，第二部分源vq2具有第二堆叠st2。在下文中仅阐述与图1和图3的的区别。
第一堆叠st1在此具有第一堆叠状单片布置，该布置由数量n＝3个彼此串联连接的第一二极管d1构成。在两个直接相继的第一二极管d1之间分别布置有一个第一隧道二极管t1。
第一部分源vq1的上侧与第一连接端vsup1连接，第一部分源vq1的下侧与第二连接端vsup2连接。
第二堆叠st2具有第二堆叠状单片布置，该布置由数量n＝3个彼此串联连接的第二二极管d2构成。在两个直接相继的第二二极管d2之间分别布置有一个第二隧道二极管t2。第二部分源vq2的上侧与第二连接端vsup2连接，第二部分源vq2的下侧与第三连接端vsup3连接。
在一种未示出的实施方式中，两个堆叠st1和st2彼此具有不同数量的分别串联连接的二极管。在另一未示出的实施方式中，第一堆叠st1和/或第二堆st2至少具有大于三个串联连接的二极管d1和d2。由此，尤其可以缩放能量源vq的电压大小和电流大小。优选地，数量n处于4至8之间的范围中。可以理解，随着数量n增加，相应部分源vq1和vq2的电压增大，而相应部分源vq1和vq2的电流减小。
在图5中示出光电耦合器opk的第三实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有彼此相邻布置的部分源vq1和vq2。在下文中仅仅阐述与图1和图3的区别。
第一部分源vq1与第二部分源vq2横向间隔开地相邻布置在共同衬底sub上。第一部分源vq1与第一连接端vsup1和第二连接端vsup2连接。第二部分源vq2在上侧上与第三连接端vsup3连接，并且在下侧上与第四连接端vsup4连接。由此可以独立于第二部分源vq2的电流和电压地量取第一部分源vq1的电流和电压。两个部分源vq1和vq2彼此并行布置，然而在此不连接。
在图6中示出光电耦合器opk的第四实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有两个彼此相邻布置的部分能量源teq1和teq2。在下文中仅阐述与图1和图5的区别。
第一部分能量源teq1与第二部分能量源teq2横向间隔开地相邻布置。两个部分能量源teq1和teq2在共同衬底上的布置是可选的。部分能量源teq1和teq2中的每个分别具有以堆叠状布置的第一部分源vq1和第二部分源vq2。
第一部分能量源teq1与第一连接端vsup1和第二连接端vsup2连接。第二部分能量源teq1在上侧上与第三连接端vsup3连接，并且在下侧上与第四连接端vsup4连接。由此可以独立于第二部分能量源teq2的电流和电压地量取第一部分能量源teq1的电流和电压。这两个部分能量源teq1和teq2彼此并行布置，然而在此不连接。第一发送二极管sd1的光和第二发送二极管sd2的光照射到两个部分能量源teq1和teq2的上侧上。
在图7中示出光电耦合器opk的第五实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有集成的自导通的晶体管t1l。在下文中仅阐述与图1的区别。
第二连接端vsup2与晶体管t1l的栅极g连接。在晶体管t1l的源极s上连接有外部电流源iq1。晶体管t1l的漏极与电流连接端iout连接。研究表明，只要有发送二极管sd1或sd2中的一个照射接收单元em，则在电流连接端iout上无法测量到第二电流iout2，也就是说，晶体管t1l的通道夹断(abschnüren)。一旦接收单元em未被照明，则可以在电流连接端iout上测量到第二电流iout2。在布尔表达式中描述，该特性相应于或非(nor)连接。
在图8中示出光电耦合器opk的第六实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有集成的截止晶体管t1s。在下文中仅阐述与图6和图7的区别。
第一部分能量源teq1虽然与第二部分能量源teq2横向间隔开地布置，然而第一部分能量源teq1仅具有第一部分源vq1，而第二部分能量源teq2具有以堆叠状布置的第一部分源vq1和第二部分源vq2。
第三连接端vsup3与晶体管t1s的源极以及第一连接端vsup1连接。第四连接端vsup4与晶体管t1s的栅极g连接。第二连接端vsup2与晶体管t1s的漏极连接。
研究表明，如果发送二极管sd1或sd2中的一个照射接收单元em，则能够在第一连接端vsup1与第二连接端vsup2之间测量到第二电压vout2。如果两个发送二极管sd1和sd2都照射接收单元em，也就是说，两个部分能量源teq1和teq2都被照射，则晶体管t1s导通，并且第一部分能量源teq1短路，从而在第一连接端vsup1与第二连接端vsup2之间无法测量到第二电流iout2。而且当两个发送二极管sd1和sd2中的任一个都没发光时，在第一连接端vsup1与第二连接端vsup2之间同样不存在第二电压vout2。在布尔表达式中描述，该特性相应于异或(xor)连接。
在图9中以表格形式总结了能够以简单方式实现的布尔连接。应指出的是，借助四个基本连接可以在没有处理器的情况下执行高质量的运算操作、例如加法和乘法。
在图10的视图中示出光电耦合器opk的第七实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有由多个单元构成的第一连接。在下文中仅阐述与图1和图6的区别。
在光电耦合器opk的壳体中布置有另一发送单元sw和另一接收单元emw，该另一发送单元具有两个另外的第一发送二极管sd1。两个另外的发送二极管sd1仅照射第二部分能量源teq2。两个另外的发送二极管sd1能够与外部独立地被操控。第二部分能量源teq2给发送单元s中的第一发送二极管sd1提供电压，也就是说，第二部分能量源teq2的两个电连接端与第一发送二极管sd1的两个电连接端连接。可以由外部借助两个连接接通部将第二馈电电压vds2施加到发送单元s的第二发送二极管sd2上。
发送单元s的发送二极管sd1和sd2仅照射第一部分能量源teq1。第一部分能量源teq1包括第一部分源vq1在第二部分源vq2上的堆叠状布置，而第二部分能量源teq2仅包括唯一的第一部分源vq1。此外，只有第一部分能量源teq1具有外部连接端vsup1和vsup2。
在图11中示出光电耦合器opk的第八实施方式，该光电耦合器具有能量源vq，该能量源具有由多个单元构成的第二连接。在下文中仅阐述与图6和图10的区别。
在光电耦合器opk的壳体中布置有另一发送单元sw和另一接收单元emw。发送单元s的第一发送二极管sd1仅照射接收单元em的第一部分能量源teq1和第二部分能量源teq2。发送单元s的第二发送二极管sd2不仅照射接收单元em而且也照射另外的接收单元emw。
另外的接收单元emw具有第三部分能量源teq3。第三部分能量源teq3在外部与第三连接端vsup3和第四连接端vsup4连接。第三部分能量源teq3具有第三部分源vq3和第二部分源vq2。第三部分源vq3具有至少一个第三二极管(未示出)，并且堆叠状地单片布置在第二部分源vq2上。第三部分源vq3的第三二极管比其他二极管d1和d2具有更大带隙。
另外的发送单元sw具有第三发送二极管sd3。第三发送二极管sd3具有不同于其他两个发送二极管sd1和sd2的第三光波长l3。优选地，第三光波长l3比其他两个光波长l1和l2更短。第三发送二极管sd3仅仅照射另外的接收单元emw。
接收单元em的第二部分能量源teq2的两个电连接端与第三发送二极管sd3的两个连接端连接，也就是说，仅当第二部分能量源teq2提供足够能量时，第三发送二极管sd3才照射另外的接收单元emw。第二部分能量源teq2的连接端以及第三发送二极管sd3的连接端仅在光电耦合器opk内部可供使用。
第一部分能量源teq1的两个电连接端vsup1和vsup2在外部可供使用。接收单元em的用于两个发送二极管sd1和sd2的外部连接端未示出。
仅当第二部分源vq2和第三部分源vq2被同时照射时，第三部分能量源teq3才在输出端vsup3和vsup4上提供电流。