CN104508837A - 光传感器和电子设备 - Google Patents

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Abstract

受光传感器(1)包括：通过光的输入而产生光电流(Ipd)的光电二极管(PD)；流动光电流(Ipd)的晶体管(Tr11)；与该晶体管(Tr11)一起构成第一电流反射镜电路(CM1)的晶体管(Tr12)；沟道类型与晶体管(Tr11)不同的晶体管(Tr9)；和将在晶体管(Tr11、Tr12)流动的电流转换为电压的电阻(R10)。第一电流反射镜电路(CM1)将光电流(Ipd)放大，晶体管(Tr11)的源极与MOS晶体管(Tr9)的栅极连接，MOS晶体管(Tr9)的阈值电压设定为晶体管(Tr11)的阈值电压以上，由此，降低光电二极管(PD)的电容，使受光传感器(1)能够在光电二极管(PD)被偏置的状态下高速地动作。

Description

光传感器和电子设备
技术领域
本发明涉及适用于在物体检测和物体动作速度检测中使用的光电断路器等的光传感器。
背景技术
数码照相机和喷墨打印机等电器产品具有被发动机驱动的动作部件。为了检测该动作部件的动作速度等，使用光电断路器等那样的光传感器。
这样的光传感器中的具有使用了光电晶体管的受光部的光传感器，通过用外部的电阻将在光电晶体管中流动的光电流转换为电压而获得检测信号。这样，因为检测信号依赖于光电流，所以响应也依赖于光电流，因此在响应性的提高方面存在界限。因此，使用了光电断路器的光传感器不适合于数码照相机那样的越来越高速动作的设备。在这样的状况下，要求能够不依赖于光电流地高速动作的光传感器。
例如，在专利文献1中，公开有将光电二极管的一端和负载的一端固定为GND电位的光传感器(受光装置)。在这样的受光装置中，能够抑制光电二极管的偏置电压的变动。
此外，在专利文献2中，公开有以nchMOS晶体管的栅极－源极间电压将光电二极管偏置(bias)的光传感器。在这样的光传感器中也能够抑制光电二极管的偏置电压的变动。
上述专利文献1、2中公开的光传感器均对光电二极管施加偏置电压，能够抑制光电二极管的阴极－阳极间的电位差ΔV。由此，能够对利用电阻将在光电二极管中流动的光电流转换为电压时产生的光电二极管的电容的充放电量(ΔQ＝C×ΔV)进行抑制，因此能够实现光传感器的高速动作。
这样的技术还能够适用于光电晶体管，因此能够实现使用光电晶体管的光传感器的高速动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报“特开2001－53331号公报(2001年2月23日公开)”
专利文献2：日本公开专利公报“特开2012－89738号公报(2012年5月10日公开)”
专利文献3：日本专利公报“专利3174852号公报(2001年6月11日发行)”
发明内容
发明所要解决的问题
图9是表示光电二极管的电容相对于阴极－阳极间电压的变化的图表。该图9表示即使如专利文献1、2那样对光电二极管施加偏置而抑制上述电位差ΔV，电容值也由于偏置电压而发生变动的情况。
在专利文献1中，公开有光电二极管的阴极与GND连接的结构。在这样的结构中，对光电二极管施加正向偏压，因此，如图9所示，在成为正向偏压的范围内光电二极管的电容值上升，光电二极管的动作速度降低。
另外，光电二极管在施加0.7V以上的正向偏压的区域流动由PN结二极管引起的顺电流，因此，该顺电流成为支配电流，不能用作光电二极管。
在图10所示的光传感器401(专利文献2中记载的光传感器)，光电二极管PD1配置在NchMOS晶体管Tr401的栅极－源极间，阳极与GND连接。因此，在光电二极管PD1施加逆向偏压，因此光电二极管PD1的电容值降低。但是，在由NchMOS晶体管Tr401的阈值电压，使用逆向偏压状态的光电二极管PD1进行光电转换的情况下，如果光电流微小，就难以提高检测信号的SN。如果不能确保充分的检测信号的SN，则产生光传感器401的动作裕度降低的问题。
本发明是鉴于上述的问题而完成的发明，其目的在于，提供即使微小的受光量也能够充分地确保检测信号的SN、且能够以向光电二极管偏置的状态进行高速响应的光传感器。
用于解决问题的方式
为了解决上述问题，本发明的一个方式的光传感器包括：通过光的输入而产生光电流的光电二极管；流动上述光电流的第一MOS晶体管；第二MOS晶体管，其与该第一MOS晶体管构成电流反射镜电路；沟道类型与上述第一MOS晶体管不同的第三MOS晶体管；和将在上述第二MOS晶体管流动的电流转换为电压的电流电压转换元件，上述电流反射镜电路将上述光电流放大，上述第一MOS晶体管的源极与上述第三MOS晶体管的栅极连接，上述第三MOS晶体管的阈值电压设定为上述第一MOS晶体管的阈值电压以上。
发明的效果
根据本发明的一个方式，因为光电二极管的电容值降低，所以光传感器能够在对光电二极管偏置的状态下以高速进行动作，此外，因为在电阻中流动比光电流大的电流，所以即使光电流微小，也能够确保足够的大小，由此能够相对于微小的电流将检测信号的SN确保为足够的大小。由此，获得能够实现高速且高精度的光传感器的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1、3的受光传感器的结构的电路图。
图2是表示本发明的实施方式2、3的受光传感器的结构的电路图。
图3(a)是表示栅极电极与背栅电极连接的状态的PchMOS晶体管的结构的截面图，(b)是表示栅极电极与背栅电极连接的状态的NchMOS晶体管的结构的截面图。
图4是表示图1的受光传感器中、与光电二极管连接的MOS晶体管的背栅－栅极间连接状态和背栅－源极间连接状态的各自的电流相对于栅极电压的特性的图表。
图5是表示本发明的实施方式4的受光传感器的结构的电路图。
图6是表示本发明的实施方式5的受光传感器的结构的电路图。
图7(a)是表示图5的受光传感器的检测信号从高电平变化为低电平时的、对于NchMOS晶体管的响应特性的模拟结果的图，(b)是表示图6的受光传感器的检测信号从高电平变化为低电平时的、对于NchMOS晶体管的响应特性的模拟结果的图。
图8是表示本发明的实施方式6的复印机的内部结光的正面图。
图9是表示光电二极管的电容相对于阳极－阴极间电压的特性的图表。
图10是表示现有的受光传感器的结构的电路图。是表示波形的波形图。
具体实施方式
[实施方式1]
以下参照图1对本发明的实施方式1进行说明。
[受光传感器的结构]
图1是表示本实施方式的受光传感器1的结构的电路图。
如图1所示，受光传感器1(光传感器)具备光电二极管PD、第一电流反射镜电路CM1、晶体管Tr9、电阻R10(电流电压转换元件)和恒流源3。
光电二极管PD是因接收被输入的光而流动光电流Ipd的光电转换元件。该光电二极管PD的阳极与被提供GND电位的接地线连接。此外，光电二极管PD的阴极如后述那样与第一电流反射镜电路CM1连接。
第一电流反射镜电路CM1具有一组PchMOS晶体管的晶体管Tr11、Tr12(P型MOS晶体管)。输入侧的晶体管Tr11(第一MOS晶体管)的漏极与光电二极管PD的阴极和晶体管Tr11的栅极连接。此外，晶体管Tr11的源极经电阻R10与输出端子连接。输出侧的晶体管Tr12的漏极与接地线连接。晶体管Tr12的源极与晶体管Tr11的源极连接。此外，晶体管Tr12的栅极与晶体管Tr11的栅极连接。
因为晶体管Tr11、Tr12的面积比为设定为1∶n(n＞1)，所以第一电流反射镜电路CM1作为将光电流Ipd放大n倍的电流放大器发挥作用。n的值的上限值为几十左右。
晶体管Tr9(第三MOS晶体管)是NchMOS晶体管。该晶体管Tr9的源极与接地线连接，晶体管Tr9的漏极与输出端子连接。此外，晶体管Tr9的栅极与晶体管Tr11、Tr12的源极连接。在上述的输出端子，作为检测信号输出输出电压Vout。
恒流源3连接于施加恒压Vdd的电源线与输出端子之间，为在电阻R10和晶体管Tr9流动恒定电流而设置。
[受光传感器的动作]
如上述那样构成的受光传感器1如以下那样动作。
当光输入时，光电二极管PD产生光电流Ipd。由此第一电流反射镜电路CM1的晶体管Tr11、Tr12导通。此外，晶体管Tr9不管有无光输入均被恒流源3偏置，因此维持导通动作。
此外，因为光电流Ipd被第一电流反射镜电路CM1放大n倍，所以在晶体管Tr12流动光电流Ipd的n倍的放大光电流Iamp。因此，在电阻R10，因第一电流反射镜电路CM1而流动光电流Ipd的(n+1)倍的电流。该电流被电阻R10转换为电压。该电压是从输出端子输出的如下式那样表示的输出电压Vout，作为高电平的检测信号被输出。
Vout＝(n+1)×Ipd×R10+Vth9
在上式中，Ipd表示光电流Ipd的电流值，R10表示电阻R10的电阻值，Vth9表示晶体管Tr9的阈值电压。
此外，从晶体管Tr9的阈值电压减去晶体管Tr11的阈值电压而得到的值成为光电二极管PD的偏置电压。因此，可以令晶体管Tr9的阈值电压为晶体管Tr11的阈值电压以上。由此，能够降低光电二极管PD的电容。
另一方面，在未输入光的状态下，光电二极管PD不产生光电流Ipd。因此，第一电流反射镜电路CM1的晶体管Tr11、Tr12均截止。此外，在晶体管Tr9，经电阻R10被施加来自电源线的电压。由此，输出端子降低至晶体管Tr9的阈值电压Vth9。因此，输出端子的电位降低，由此在输出端子出现低电平的检测信号。
[受光传感器的效果]
如上所述，本实施方式的受光传感器1包括第一电流反射镜电路CM1和晶体管Tr9，该第一电流反射镜电路CM1将光电流Ipd放大n倍，该晶体管Tr9的漏极和源极分别与输出端子和接地线连接。此外，构成第一电流反射镜电路CM1的晶体管Tr11、Tr12的源极与晶体管Tr9的栅极连接。进一步，将晶体管Tr9的阈值电压设定为晶体管Tr11的阈值电压以上。
由此，因为光电二极管PD的电容值降低，所以光电二极管PD的动作速度得到提高。此外，因为在电阻R10流动的电流比光电流Ipd大，所以受光传感器1能够使检测信号的光电流Ipd依赖度大幅降低。因此，受光传感器1能够以高速进行动作。因此，能够在具有需要以高速进行检测的被检查对象物的设备中优选使用受光传感器1。
此外，在电阻R10流动的电流如上述那样为比光电流Ipd大的电流，因此即使光电流Ipd微小，也能够确保足够的大小。由此，能够相对于微小的光电流Ipd将检测信号(输出电压Vout)的SN确保为足够的大小。
[实施方式2]
以下参照图2对本发明的实施方式2进行说明。
另外，在本实施方式中，对具有与上述的实施方式1中的构成要素相同的功能的构成要素，标注相同的附图标记，省略其说明。
[受光传感器的结构]
图2是表示本实施方式的受光传感器2的结构的电路图。
如图2所示，受光传感器2(光传感器)包括光电二极管PD、第一电流反射镜电路CM11、晶体管Tr10、电阻R10和恒流源3。
在受光传感器2中光电二极管PD的阴极与电源线连接。
第一电流反射镜电路CM11具有一组NchMOS晶体管的晶体管Tr111、Tr112(N型MOS晶体管)。输入侧的晶体管Tr111(第一MOS晶体管)的漏极与光电二极管PD的阳极和晶体管Tr111的栅极连接。此外，晶体管Tr111的源极经电阻R10与输出端子连接。输出侧的晶体管Tr112的漏极与电源线连接，晶体管Tr112的源极与晶体管Tr111的源极连接。此外，晶体管Tr112的栅极与晶体管Tr111的栅极连接。
因为晶体管Tr111、Tr112的面积比被设定为1∶n(n＞1)，所以第一电流反射镜电路CM11作为将光电流Ipd放大n倍的电流放大器发挥作用。
晶体管Tr10(第三MOS晶体管)是沟道类型与晶体管Tr111、Tr112不同的PchMOS晶体管。该晶体管Tr10的源极与电源线连接，晶体管Tr10的漏极与输出端子连接。此外，晶体管Tr10的栅极与晶体管Tr111、Tr112的源极连接。在上述的输出端子，作为检测信号输出输出电压Vout。
恒流源3连接于电源线与输出端子之间，为了在电阻R10和晶体管Tr10流动恒定电流而设置。
[受光传感器的动作]
如上述那样构成的受光传感器2如以下那样动作。
当光输入时，光电二极管PD产生光电流Ipd。由此，第一电流反射镜电路CM1的晶体管Tr11、Tr12导通。
此外，光电流Ipd被第一电流反射镜电路CM11放大n倍。因此，在电阻R10，因第一电流反射镜电路CM11而流动光电流Ipd的(n+1)倍的电流。该电流被电阻R10转换为电压。将在该电压加上晶体管Tr10的阈值电压而得到的电压从恒压Vdd减去后的值是从输出端子输出的由上式表示的输出电压Vout，作为低电平的检测信号被输出。
此外，从晶体管Tr10的阈值电压减去晶体管Tr111的阈值电压而得到的值被设定为0V以上。由此，能够在光电二极管PD施加逆向偏压的偏置电压。
另一方面，在未输入光的状态下，光电二极管PD不产生光电流Ipd。因此，第一电流反射镜电路CM11的晶体管Tr111、Tr112均截止。输出端子的电位成为从恒压Vdd减去晶体管Tr10的阈值电压后的值，因此在输出端子出现高电平的检测信号。
[受光传感器的效果]
如上所述，本实施方式的受光传感器2包括第一电流反射镜电路CM11和晶体管Tr10，该第一电流反射镜电路CM11将光电流Ipd放大n倍，该晶体管Tr10的漏极和源极分别与输出端子和接地线连接。此外，构成第一电流反射镜电路CM11的晶体管Tr111、Tr112的源极与晶体管Tr10的栅极连接。进一步，将晶体管Tr10的阈值电压设定成晶体管Tr111的阈值电压以上。
由此，与受光传感器1相同，在电阻R10流动的电流比光电流Ipd大，因此，受光传感器2能够使检测信号的光电流Ipd依赖度大幅降低。因此，受光传感器2能够以高速进行动作。因此，能够在具有需要以高速进行检测的被检查对象物的设备中优选使用受光传感器2。
此外，与受光传感器1相同，在电阻R10流动的电流为比光电流Ipd大的电流，因此即使光电流Ipd微小，也能够确保足够的大小。由此，能够相对于微小的光电流Ipd将检测信号(输出电压Vout)的SN确保为足够的大小。
[实施方式3]
以下参照图1～图4对本发明的实施方式3进行说明。
另外，在本实施方式中，对具有与上述的实施方式1、2中的构成要素相同的功能的构成要素，标注相同的附图标记，省略其说明。
[受光传感器的结构]
图3(a)是表示栅极电极与背栅电极连接的状态的PchMOS晶体管的结构的截面图，图3(b)是表示栅极电极与背栅电极连接的状态的NchMOS晶体管的结构的截面图。
<受光传感器1>
在上述的受光传感器1中，晶体管Tr11的栅极与背栅相互连接。
如图3(a)所示，一般来说在PchMOS晶体管101(P型MOS晶体管)形成于p衬底103上的情况下，形成于在p衬底103上形成的n阱104。在n阱104，形成有构成源极的p型扩散层105，并且形成有构成漏极的p型扩散层106。此外，在n阱104，在p型扩散层105、106之间的形成沟道的区域上，形成有栅极107。
在p型扩散层105、106分别连接源极电极111和漏极电极112。此外，在栅极107连接栅极电极113。
一般在MOS晶体管，因为衬底作为栅极发挥作用，所以该栅极作为背栅对待。在上述的PchMOS晶体管，n阱104作为衬底发挥作用，因此成为背栅。因此，在n阱104连接有背栅电极114、115。而且，栅极电极113与背栅电极114、115相互连接。
上述那样的PchMOS晶体管101的电极的连接结构在晶体管Tr11中也适用。
<受光传感器2>
在上述的受光传感器2，晶体管Tr111的栅极与背栅相互连接。
如图3(b)所示，一般NchMOS晶体管102(N型MOS晶体管)在p衬底103上形成有n阱104，在该n阱104上形成有p阱110。而且，在p阱110上，形成有构成源极的n型扩散层108，并且形成有构成漏极的n型扩散层109。此外，在p衬底103，在n型扩散层108、109之间的形成沟道的区域上，形成有栅极107。
在n型扩散层108、109分别连接源极电极111和漏极电极112。此外，在栅极107连接栅极电极113。
在上述的NchMOS晶体管102，p阱110成为背栅。因此，在p阱110连接有背栅电极114、115。而且，栅极电极113与背栅电极114、115相互连接。
上述那样的NchMOS晶体管102的电极的连接结构在晶体管Tr111中也适用。
[受光传感器的效果]
图4是表示晶体管Tr11的背栅－栅极间连接状态(动态阈值MOS晶体管)和背栅－源极间连接状态的各自的电流相对于栅极电压的特性的图表。关于上述的动态阈值MOS晶体管，在专利文献3中有所记载。
一般，MOS晶体管如果改变扩散浓度，降低阈值电压，则栅极－源极间电压即使为0V也在漏极－源极间产生漏电流。当发生这样的现象时，受光传感器1、2即使为无光输入时光电流Ipd也不减少，存在误检测的可能性。
因此，在受光传感器1，作为PchMOS晶体管的晶体管Tr11的背栅与栅极连接。此外，在受光传感器2，作为NchMOS晶体管的晶体管Tr111的背栅与栅极连接。由此，能够不改变扩散浓度地降低晶体管Tr11、Tr111的阈值电压。其结果是，漏电流减少，因此能够更加提高光电二极管PD的逆向偏置电压。因此，能够提高受光传感器1、2的响应速度。由此，连接晶体管Tr11、Tr111的背栅与栅极是有益的。
此处，图4表示将晶体管Tr11的背栅与栅极连接的情况下和背栅与源极连接的情况下的、(n+1)×Ipd的电流值相对于晶体管Tr11的栅极－源极间电压的模拟结果。
从图4可知，在将晶体管Tr11的背栅与栅极连接的情况下，相对于将背栅与源极连接的情况，能够在50nA的电流值将阈值电压降低约60mV。
[实施方式4]
以下参照图5对本发明的实施方式4进行说明。
另外，在本实施方式中，对具有与上述的实施方式1～3中的构成要素相同的功能的构成要素，标注相同的附图标记，省略其说明。
[受光传感器的结构]
图5是表示本实施方式的受光传感器10的结构的电路图。
如图5所示，受光传感器10(光传感器)包括受光元件15和外部电阻RL。
受光元件15具有2个端子T1、T2、电阻R11、检测信号生成部21和零偏置电路22。受光元件15是在光输入时使电路电流变动，由此相对于一个端子T2的固定电位使另一个端子T1的电位变动而输出检测信号的2端子型的光检测电路。
(1)端子的结构
端子T1(第一端子)兼作输出检测信号的输出端子和被施加电源电压Vcc的电源端子，经外部电阻RL与电源线连接。端子T2(第二端子)是接地用的端子，与接地线连接，被提供接地电位(固定电位)。
另外，也可以令端子T1为被提供固定电位的端子，令端子T2为电位变动的端子。
受光元件15是将来自未图示的发光元件的光直接接收或作为来自物体的反射光接收、将该光转换为电信号(检测信号)输出的电路。
(2)检测信号生成部的结构
检测信号生成部21具有光电二极管PD、电阻R1、R2、晶体管Tr1～Tr5(MOS晶体管)和第一电流反射镜电路CM1。
光电二极管PD的阳极与端子T2连接，阴极与后述的零偏置电路22的晶体管Tr15的源极连接。
另外，检测信号生成部21虽然作为光电转换元件具有光电二极管PD，但是也可以代替光电二极管PD具有光电晶体管。
在第一电流反射镜电路CM1，输入侧的晶体管Tr11的漏极与后述的零偏置电路22的晶体管Tr15和晶体管Tr11的栅极连接。此外，晶体管Tr11的源极与端子T1连接。输出侧的晶体管Tr12的漏极与电阻R1的一端和晶体管Tr1的栅极连接。晶体管Tr12的源极与端子T1连接。
电阻R1的另一端和晶体管Tr1的源极与端子T2连接。晶体管Tr1的漏极与晶体管Tr2的漏极和晶体管Tr4的栅极连接。晶体管Tr2的源极与晶体管Tr3的漏极连接，并且晶体管Tr2的栅极与晶体管Tr1的栅极连接。晶体管Tr1、Tr2通过这样连接而形成反相器。
此外，晶体管Tr2(反相器MOS晶体管)为与上述的晶体管Tr11相同的沟道类型，与晶体管Tr11同样，背栅与栅极相互连接。
晶体管Tr3的源极与端子T1连接，并且晶体管Tr3的栅极与晶体管Tr3的漏极连接。由此，晶体管Tr3作为二极管发挥作用。
晶体管Tr4的源极与端子T2连接，晶体管Tr4的漏极与晶体管Tr5的源极连接。晶体管Tr5的漏极与端子T1连接，晶体管Tr5的栅极与晶体管Tr4的栅极和电阻R2的一端连接。电阻R2的另一端与端子T1连接。
(3)零偏置电路的结构
零偏置电路22包括晶体管Tr13、Tr15。晶体管Tr15如上述那样与光电二极管PD和第一电流反射镜电路CM1的晶体管Tr11连接。此外，晶体管Tr13的漏极经电阻R11与端子T1连接。进一步，晶体管Tr15的栅极与晶体管Tr13的栅极连接。晶体管Tr13、Tr15的栅极彼此连接，由此构成电流反射镜电路。此外，晶体管Tr13、Tr15构成栅极接地电路。
[受光传感器的动作]
(1)基本动作
光电二极管PD在被输入光时流动光电流Ipd。该光电流Ipd被第一电流反射镜电路CM1放大而流至电阻R1，被电阻R1转换为电压。
因此，晶体管Tr1、Tr2的栅极的电位发生变动。因此，设定电阻R1的电阻值，使得如果光电流Ipd成为一定值以上，则上述的栅极电位超过反相器的阈值电压。
如果输入在光输入时在电阻R1流动的电流被转换为电压时超过由晶体管Tr1、Tr2构成的反相器的阈值电压的光，则晶体管Tr2截止，晶体管Tr1导通。由此，晶体管Tr4截止，因此晶体管Tr4的电流(端子间电流)的流动停止，端子T1、T2(2端子)间的电压(电位差)上升。
另一方面，如果在由于输入光量减少而使光电流Ipd减少时，由第一电流反射镜电路CM1放大的电流减少，因此电阻R1的端子间电压降低。如果晶体管Tr1、Tr2的栅极－源极间电压降低至反相器的阈值电压，则在晶体管Tr1导通的状态下，晶体管Tr2导通。由此，晶体管Tr4导通，因此上述的2端子间的电压降低。
这样，2端子间的电压与晶体管Tr4的截止/导通相应地升降。因此，在有光输入时在2端子间出现的检测信号成为高电平电压，在没有光输入时的检测信号成为低电平电压。具体而言，在有光输入的情况下，由于光电流Ipd和晶体管Tr1的驱动电流，在2端子间仅产生微小的电压下降。另一方面，在没有光输入的情况下，受光元件15的输出电流由晶体管Tr4的驱动电流决定，由于该输出电流引起的电压下降，受光元件15的输出电压成为低电平。由于受光元件15的输出电压的高电平与低电平的电压差越大检测性能越高，所以通过使晶体管Tr4的驱动电流增大来减轻光电流Ipd的影响。
此外，晶体管Tr4的导通/截止时，必然晶体管Tr1进行导通动作，或晶体管Tr1、Tr2均进行导通动作。由此，晶体管Tr4能够以更加高速进行动作。因此，能够提高受光传感器10的响应速度。
另外，在受光元件15，需要依赖于电阻R1的端子间电压地使晶体管Tr2开关，因此需要降低晶体管Tr2的源极电压。即，需要依赖于第一电流反射镜电路CM1的源极－漏极间电压来防止晶体管Tr2开关。因此，作为二极管发挥作用的晶体管Tr3与晶体管Tr2串联配置。
此外，由此使反相器的动作点伴随上述2端子间的电压的下降和上升，在受光元件15的输出电压从高电平变动至低电平时和该输出电压从低电平变动至高电平时不同。因此能够获得滞后特性。
(2)响应速度的下降防止
如上所述，晶体管Tr1、Tr2构成反相器，由此晶体管Tr4能够以高速进行开关动作。但是，在2端子间的电位差变小时，在晶体管Tr2的栅极－漏极间，从晶体管Tr4进行开关动作起电位差逐渐变小，所以电流减少。因此，受光元件15的响应速度逐渐降低。
因此，在受光元件15，以能够避免这样的问题的方式设置有电阻R2。由此，2端子间的电压的降低得到电阻R2的辅助，因此能够防止响应速度的降低。
但是，如果以MOS晶体管构成受光元件15的检测信号生成部21的各晶体管，则能够通过对掺杂量(dose)进行调整来改变晶体管的动作阈值电平。例如，将为了产生2端子间的电位差而产生电流的晶体管(在受光元件15为晶体管Tr4)的动作阈值电平设定得低于0.7V。这是因为，通常接收受光传感器10的检测信号的器件将阈值电平设定为作为二极管电压的0.7V以上。
由此，能够使2端子间的电位差更大。因此能够扩大受光元件15的动作范围。
(3)漏电流的减少
在受光元件15，在使用阈值电平低的晶体管的情况下，要担心在高温下的晶体管Tr4的截止时会产生漏电流。如果产生这样的漏电流，则会产生在本来2端子间的电位差上升时使2端子间的电位差下降这样的问题。
因此，以能够避免这样的问题的方式设置有与晶体管Tr4级联连接的晶体管Tr5。由此，当降低晶体管Tr4的漏极电压时，能够使截止时的漏电流减少1/10以上。因此，能够大幅地减少晶体管Tr4的截止时的漏电流。特别是进行开关动作的晶体管Tr4为了流动大电流而需要形成为大的尺寸，因此漏电流容易与之相应地变大。因此能够抑制在2端子间的电位差上升时2端子间的电位差降低。
但是，晶体管Tr1在阈值电平的温度特性的变动大时存在发生误动作的可能性。这是由MOS晶体管的阈值电平在高温时降低而引起的。另一方面，在电流－电压转换中使用的电阻例如如果使用扩散电阻则电阻值在高温时上升，因此产生灵敏性大的温度特性。
因此，受光元件15的电阻R1(偏置电阻)由具有负的温度特性的电阻(例如多晶硅)构成，以能够避免这样的问题。由此，能够将作为MOS晶体管的晶体管Tr1的温度特性与电阻R1的温度特性抵消。因此能够抑制受光元件15的温度特性的变动。
(4)零偏置电路的动作
在零偏置电路22，晶体管Tr13的源极与GND(接地电位)连接，晶体管Tr13、Tr15的栅极为栅极电位。由此，晶体管Tr15的源极也成为GND。
因此，光电二极管PD的阳极－阴极间的电位差成为0。此外，在晶体管Tr15，源极信号直接成为漏极信号，因此在信号的传输中不存在任何问题。
[受光部的效果]
(1)检测信号的数字化
在受光传感器10的端子T1、T2间流动的电流，需要以依赖于被晶体管Tr4控制的电流的方式设定为比光电流Ipd大的值。例如，只要光电流Ipd为几μA为止的电流，被晶体管Tr4控制的电流就成为几mA为止的电流。
由此，光电流Ipd仅在晶体管Tr4的开关控制中使用，因此受光传感器10的检测信号不依赖于光电流Ipd。因此，能够输出高电平和低电平的2值的检测信号。这样，能够通过使用受光传感器10，不通过模拟而通过数字进行检测信号的生成。因此，能够使受光传感器10高速动作。
此外，通过检测信号的数字化，能够如上述那样使受光传感器10具有滞后特性。由此，不需要如现有的模拟输出型的传感器那样为了将模拟的检测信号转换为数字而构成滞后电路。因此，使用受光传感器10从电路结构的简化的观点出发也有益。
(2)响应特性的改善
受光传感器10为通过电阻R2将实施方式1的受光传感器1中的晶体管Tr11的源极与晶体管Tr4(NchMOS晶体管)的栅极连接的结构。
在晶体管Tr4的栅极的正下方的沟道，流动与在晶体管Tr11、Tr12流动的电流((n+1)×Ipd)相同大小的电流。该电流通过晶体管Tr4的沟道电阻而被转换。由此，在未输入光的状态下，端子T1、T2的端子间电压降低至晶体管Tr4的阈值电压。
另外，受光传感器10不如上述的受光传感器1那样具有恒流源3，因此通过零偏置电路22使光电二极管PD偏置。这是因为，在受光传感器10，至晶体管Tr1导通为止，与受光元件1同样地光电二极管PD被偏置，但是，如果晶体管Tr4截止则光电二极管PD不被偏置。
另外，通过将受光传感器10的所有MOS晶体管替换为相反的沟道类型的MOS晶体管而构成电路，在受光传感器10中也能够应用实施方式2的受光传感器2。
在这样构成的受光传感器10，根据晶体管Tr2的动作速度决定检测信号从高电平变化至低电平的速度。因此，通过将晶体管Tr2的背栅与栅极连接，能够与上述的实施方式3的晶体管Tr11同样地降低阈值电压。由此，能够以低的电压驱动晶体管Tr2。因此，能够提高晶体管Tr4的动作速度，实现受光传感器10的高速动作，因此在实现响应特性的提高上有益。
此外，当光被输入光电二极管PD时，受光传感器10如上述那样动作，由此使端子T1的电位成为与电源电压Vcc大致相同的值。不过，由于光电流Ipd，产生微小的电压下降。此处，当输入具有一定以上的光量的光时，由于在电阻R1的电压上升，晶体管Tr12的动作电流受到限制，因此电压下降被限制。
另一方面，受光传感器10在输向光电二极管PD的输入光的光量减少时如上述那样进行动作，由此使端子T1、T2间的电压(端子间电压)降低至由晶体管Tr4的阈值电压决定的电压。因此，端子间电压成为从电源电压Vcc减去上述的阈值电压而得到的值。
这样，在进行光检测动作时，如果依赖于光电流地对晶体管Tr4进行开关控制，则2端子间的最大电位差基于晶体管Tr4的阈值电压决定。因此，通过使该阈值电压低至0.5V以下，能够在从电源电压Vcc(固定电位)减去阈值电压(0.5V以上)的广泛的范围内设定端子间电位差。
(3)光电二极管的零偏置化
通过零偏置电路22，使光电二极管PD的偏置电压成为零。由此，光电二极管PD在光电流Ipd的流入时也不需要对自身的电容进行充电。因此，能够提高受光传感器10的信号响应速度，因此优选。
[实施方式5]
以下参照图6对本发明的实施方式5进行说明。
另外，在本实施方式中，对具有与上述的实施方式4中的构成要素相同的功能的构成要素，标注相同的附图标记，省略其说明。
[受光传感器的结构]
图6是表示本实施方式的受光传感器11的结构的电路图。
如图6所示，受光传感器11(光传感器)包括受光元件16和外部电阻RL。
受光元件16与上述实施方式4的受光元件15同样地具有两个端子T1、T2、电阻R11和零偏置电路22。此外，受光元件16代替受光元件15中的检测信号生成部21具有检测信号生成部24。
检测信号生成部24与检测信号生成部21同样具有光电二极管PD、电阻R1、R2、晶体管Tr1、Tr2、Tr4、Tr5(MOS晶体管)和第一电流反射镜电路CM1。此外，检测信号生成部24代替检测信号生成部21的晶体管Tr3具有晶体管Tr6。
晶体管Tr6(辅助MOS晶体管)是NchMOS晶体管。该晶体管Tr6的漏极与端子T1连接，并且与晶体管Tr6的栅极连接。这样，晶体管Tr6通过二极管连接而作为二极管发挥作用。此外，晶体管Tr6的源极与晶体管Tr2的源极连接。
[受光部的效果]
受光传感器11也与实施方式4的受光传感器10同样为将实施方式1的受光传感器1的晶体管Tr11的源极经电阻R31、R2与晶体管Tr4(NchMOS晶体管)的栅极连接的结构。
在这样构成的受光传感器11中，也将晶体管Tr2的背栅与栅极连接，由此，与上述的实施方式3的晶体管Tr11同样地能够降低阈值电压。由此，能够以低的电压驱动晶体管Tr2。因此能够实现受光传感器11的高速动作，所以能够实现响应特性的提高。
此外，检测信号生成部24具有作为二极管连接的NchMOS晶体管的晶体管Tr6。换言之，受光传感器11为将受光传感器10的晶体管Tr3替换为晶体管Tr6的结构。由此，能够在受光元件16的NchMOS晶体管的阈值电压降低时使晶体管Tr6的阈值电压也同样地降低。因此，与受光传感器10的响应特性相比能够提高受光传感器11的响应特性。以下对其理由进行说明。
图7(a)是表示受光传感器10的检测信号从高电平变化为低电平时的、对于NchMOS晶体管的响应特性的模拟结果的图。图7(b)是表示受光传感器11的检测信号从高电平变化为低电平时的、对于NchMOS晶体管的响应特性的模拟结果的图。在图7(a)和(b)，表示对于晶体管Tr2的阈值电压(Vth)的、检测信号从高电平变化为低电平的下降时间TPHL。而且，
如图7(a)所示，在受光传感器10，相对于Vth的任一值，在－25℃(以○表示)、25℃(以△表示)和85℃(以□表示)，下降时间TPHL均分布在9～18μS的范围。与此相对，如图7(b)所示，在受光传感器11，相对于Vth的任一值，在－25℃、25℃和85℃，下降时间TPHL均分布在5.5～11μS的范围。特别是在Vth比0.2V低的范围，在受光传感器11(图7(b))，与受光传感器10(图7(a))相比可知能够将下降时间TPHL抑制得短。
这样，受光传感器11通过具有晶体管Tr6而抑制NchMOS晶体管的依赖性，由此能够抑制响应延迟。因此，能够实现响应特性的改善，因此有益。
[实施方式6]
上述实施方式1～5的受光传感器1、2、10、11优选用于使用光电断路器的数码照相机、复印机、印刷机、移动设备等电子设备。此外，受光传感器1、2、10、11也能够适当地适用于烟传感器、接近传感器、测距传感器等不能确保充分的容积的设备等。烟传感器、接近传感器、测距传感器均能够由使用了发光元件和受光元件的检测器构成。烟传感器对遮挡发光元件与受光元件之间的烟的量引起的灵敏度的变动进行传感检测，接近传感器和测距传感器均从发光元件照射，利用受光元件对由检测物反射的光的光量进行传感检测。由此，在任一传感器中应用上述的受光传感器1、2、10、11，均能够以少的端子进行低电压驱动，从而有益。
此外，如上所述，受光传感器1、2、10、11如上述那样不仅能够实现高速动作，而且对于微小的光电流Ipd，能够将检测信号的SN确保为充分的大小。由此，能够通过在上述任一传感器中均应用传感器1、2、10、11，能够正确且高速地进行检测，因此传感器1、2、10、11的应用有益。
[复印机的结构]
此处，作为使用光传感器的电子设备的具体例对复印机进行说明。图8是表示复印机301的内部结构的正面图。
如图8所示，复印机301向载置在设置于主体302的上部的原稿台303的原稿照射光源灯304的光，通过反射镜组305和透镜306将来自原稿的反射光照射至被带电的感光体鼓307而曝光。此外，复印机301使调色剂附着在通过曝光而形成于感光体鼓307的静电潜影，形成调色剂像。进一步，复印机301使感光体鼓307上的调色剂像转印到通过输送系统311从手动供纸托盘308和供纸盒309、310供给的用纸上，进一步，利用定影装置312使调色剂像定影，之后排出至主体302的外部。
在如上述那样构成的复印机301，为了检测各部的位置和用纸的通过，配置有光传感器S1～S12。
光传感器S1～S4为检测在原稿的光扫描方向上移动的反射镜组305的一部分的位置而配置。光传感器S5、S6为检测与反射镜组305的一部分一起移动的透镜306的位置而配置。光传感器S7为检测感光体鼓307的旋转位置而配置。
光传感器S8为检测手动供纸托盘308上的用纸的有无而配置。光传感器S9为检测从上级供纸盒309供给的用纸的输送的有无而配置。光传感器S10为检测从下级的供纸盒310供给的用纸的输送的有无而配置。
光传感器S11为检测来自感光体鼓307的用纸的分离而配置。光传感器S12为检测复印机301向外部的用纸的排出而配置。
如上所述，复印机301具有多个光传感器S1～S12。因此，通过使用上述各实施方式的传感器1、2、10、11作为这些光传感器S1～S12，能够通过光传感器S1～S12实现复印机301的高性能化。
另外，在上述的例子中，为了便于说明而列举光传感器S1～S12进行了说明，在实际的复印机中多使用更多数量光传感器。因此，在这样的电子设备中，上述的效果更加显著。
[总结]
本发明的一个方式的光传感器(受光传感器1、2、10、11)包括：通过光的输入而产生光电流(光电流Ipd)的光电二极管(光电二极管PD)；流动上述光电流的第一MOS晶体管(晶体管Tr11、Tr111)；与第一MOS晶体管一起构成电流反射镜电路(第一电流反射镜电路CM1)的第二MOS晶体管(晶体管Tr12、Tr112)；沟道类型与上述第一MOS晶体管不同的第三MOS晶体管(晶体管Tr9、Tr10)；和将在上述第二MOS晶体管流动的电流转换为电压的电流电压转换元件(电阻R10)，上述电流反射镜电路将上述光电流放大，上述第一MOS晶体管的源极与上述第三MOS晶体管的栅极连接，上述第三MOS晶体管的阈值电压设定为上述第一MOS晶体管的阈值电压以上。
另外，电流电压转换元件代表性的是电阻，但是并不限定于电阻，也可以为二极管等元件。
在光传感器中，如果上述第一MOS晶体管为P型MOS晶体管(晶体管Tr11)，则上述第一MOS晶体管的漏极和栅极与上述光电二极管的阴极连接。此外，在光传感器，如果上述第一MOS晶体管为N型MOS晶体管(晶体管Tr111)，则上述第一MOS晶体管的漏极和栅极与上述光电二极管的阳极连接。
在上述的结构中，当输入光时，光电二极管产生光电流。由此，光电流被构成电流反射镜电路的第一MOS晶体管和第二MOS晶体管放大。由此，在第二MOS晶体管流动的被放大后的光电流，通过电阻被转换为电压，作为检测信号输出。
此外，第三MOS晶体管的阈值电压被设定为第一MOS晶体管的阈值电压以上。由此，在光电二极管施加逆向偏压的偏置电压。
由此，光电二极管在逆向偏压状态附近进行动作，因此光电二极管的电容值降低，由此光电二极管的响应速度得到提高。因此光传感器能够以高速进行动作。
此外，在电阻流动的电流如上述那样为比光电流大的电流，因此，即使光电流微小，也能够确保成分的大小。由此，能够相对于微小的光电流将检测信号的SN确保为充分的大小。
也可以为如下方式：在上述光传感器，上述第一MOS晶体管的背栅与栅极连接。
在上述结构中，第一MOS晶体管的背栅与栅极连接，由此能够不改变扩散浓度地降低第一MOS晶体管的阈值电压。其结果是，漏电流减少，因此能够更加提高光电二极管的逆向偏压。因此能够提高光传感器的响应速度。
也可以为如下方式：上述光传感器包括反相器(晶体管Tr1、Tr2)，该反相器基于从由上述电流反射镜电路放大后的上述光电流转换得到的电压，进行导通和截止，由此使上述第三MOS晶体管(晶体管Tr4)导通和截止，构成该反相器的两个反相器MOS晶体管中，与上述第一MOS晶体管为相同沟道类型的反相器MOS晶体管(晶体管Tr2)的背栅与栅极连接。
在上述结构中，第三MOS晶体管的导通和截止通过反相器的导通和截止控制。因此，能够通过使构成反相器的两个晶体管中的、特别是与第一MOS晶体管为相同沟道类型的反相器MOS晶体管的动作加快，而使第三MOS晶体管的动作加快。
因此，通过使上述反相器MOS晶体管的背栅与栅极连接，能够使反相器MOS晶体管的阈值电压降低，以低的电压驱动反相器MOS晶体管。因此，能够提高光传感器的响应性。
也可以为如下方式：在上述光传感器，上述反相器MOS晶体管为P型MOS晶体管，上述光传感器包括辅助MOS晶体管(晶体管Tr6)，该辅助MOS晶体管是二极管连接的N型MOS晶体管，与上述反相器MOS晶体管串联连接。
在上述结构中，在光传感器的N型MOS晶体管的阈值电压降低时，辅助MOS晶体管的阈值电压也同样降低。因此能够提高光传感器的响应特性。
本发明的一个方式的电子设备(复印机301)包括上述任一光传感器。由此，能够使用光传感器高速且正确地进行检测。
[附记事项]
本发明并不限定于上述各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更。即，将在权利要求所示的范围内适当地变更后的技术方法进行组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
产业上的可利用性。
本发明的光传感器作为光电断路器构成，由此具有不仅检测物体检测和物体动作速度而且检测物体移动方向和原点位置的功能，因此能够优选用于数码照相机、复印机、印刷机、移动设备等电器产品。此外，本发明的光传感器还能够优选用于烟传感器、接近传感器、测距传感器等不能确保充分的容积的传感器。
附图标记的说明
1      受光传感器(光传感器)
2      受光传感器(光传感器)
10     受光传感器(光传感器)
11     受光传感器(光传感器)
101    PchMOS晶体管
102    NchMOS晶体管
113    栅极电极
114    背栅电极
115    背栅电极
301    复印机(电子设备)
CM1    第一电流反射镜电路(电流反射镜电路)
CM11   第一电流反射镜电路(电流反射镜电路)
PD     光电二极管(光电转换元件)
R10    电阻(电流电压转换元件)
Tr2    晶体管(反相器MOS晶体管)
Tr4    晶体管(第三MOS晶体管)
Tr6    晶体管(辅助MOS晶体管)
Tr9    晶体管(第三MOS晶体管)
Tr10   晶体管(第三MOS晶体管)
Tr11   晶体管(第一MOS晶体管)
Tr12   晶体管(第二MOS晶体管)
Tr111  晶体管(第一MOS晶体管)
Tr112  晶体管(第二MOS晶体管)

Claims (7)

1.一种光传感器，其特征在于，包括：
通过光的输入而产生光电流的光电二极管；
流动所述光电流的第一MOS晶体管；
第二MOS晶体管，其与该第一MOS晶体管构成电流反射镜电路；
沟道类型与所述第一MOS晶体管不同的第三MOS晶体管；和
将在所述第二MOS晶体管流动的电流转换为电压的电流电压转换元件，
所述电流反射镜电路将所述光电流放大，
所述第一MOS晶体管的源极与所述第三MOS晶体管的栅极连接，
所述第三MOS晶体管的阈值电压设定为所述第一MOS晶体管的阈值电压以上。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于：
所述第一MOS晶体管的背栅与栅极连接。
3.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于：
所述光传感器包括反相器，该反相器基于从由所述电流反射镜电路放大后的所述光电流转换得到的电压，进行导通和截止，由此使所述第三MOS晶体管导通和截止，
构成该反相器的两个反相器MOS晶体管中，与所述第一MOS晶体管为相同沟道类型的反相器MOS晶体管的背栅与栅极连接。
4.如权利要求3所述的光传感器，其特征在于：
所述反相器MOS晶体管为P型MOS晶体管，
所述光传感器包括辅助MOS晶体管，该辅助MOS晶体管是二极管连接的N型MOS晶体管，与所述反相器MOS晶体管串联连接。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光传感器，其特征在于：
所述第一MOS晶体管为P型MOS晶体管，
所述第一MOS晶体管的漏极和栅极与所述光电二极管的阴极连接。
6.如权利要求1～4中任一项所述的光传感器，其特征在于：
所述第一MOS晶体管为N型MOS晶体管，
所述第一MOS晶体管的漏极和栅极与所述光电二极管的阳极连接。
7.一种电子设备，其特征在于：
所述电子设备包括权利要求1～6中任一项所述的光传感器。
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