JP2008244286A - Circuit for detecting magnifying factor of avalanche photodiode (apd) - Google Patents
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Description
この発明は、撮像装置に関し、より詳しくは、撮像装置で利用するAPDの増倍率を検出するための回路。 The present invention relates to an imaging apparatus, and more specifically, a circuit for detecting a multiplication factor of an APD used in the imaging apparatus.
アバランシェフォトダイオード(以下、単にAPDと称する場合がある)は、半導体を用いた素子である。その構造は、P型領域とN型領域を持っている。またP型領域とN型領域の間には、空乏領域が存在しており、その空乏領域で2つの役割を行う。1つ目は、光電変換である。2つ目は、信号増倍である。通常、APDは単一の電源で動作する。その動作電圧は、とても大きい逆バイアス電圧(P型領域側にマイナス電圧、N型領域側にプラス電圧)である。 An avalanche photodiode (hereinafter sometimes simply referred to as APD) is an element using a semiconductor. The structure has a P-type region and an N-type region. In addition, a depletion region exists between the P-type region and the N-type region, and plays two roles in the depletion region. The first is photoelectric conversion. The second is signal multiplication. Usually, an APD operates with a single power source. The operating voltage is a very large reverse bias voltage (a negative voltage on the P-type region side and a positive voltage on the N-type region side).
その動作は、光電変換だけでなく、信号増倍の動作も含んでいるため、「小さな入力信号」も「大きな出力信号」として取り出すことができる事を特徴としている。
また信号増倍現象(アバランシェ増倍現象)は、Siでは2×10^5V/cm、Geでは1×10^5V/cmあたりの電界強度から発生する。
Since the operation includes not only photoelectric conversion but also signal multiplication operation, it is characterized in that a “small input signal” can be extracted as a “large output signal”.
Further, the signal multiplication phenomenon (avalanche multiplication phenomenon) is generated from the electric field intensity around 2 × 10 5 V / cm in Si and 1 × 10 5 V / cm in Ge.
APDは、高感度化・広ダイナミックレンジ化を目的とした撮像装置に用いられる。APDの増倍率は、APD自体に印加される逆バイアス電圧により決定される。撮像素子で用いる場合、各画素でのAPDを最適な増倍率で用いるのが理想であるが、そのためには、各画素の増倍率を検出し、その増倍率を制御できるシステムが必要となる。 The APD is used for an imaging apparatus aiming at high sensitivity and wide dynamic range. The multiplication factor of APD is determined by the reverse bias voltage applied to APD itself. When used in an image sensor, it is ideal to use the APD at each pixel at an optimum multiplication factor. To this end, a system capable of detecting the multiplication factor of each pixel and controlling the multiplication factor is required.
なお、APDの増倍率を検出できるシステムが、既に知られている(例えば、特許文献1参照)。 A system that can detect the multiplication factor of APD is already known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に示すシステムでは、所定温度での逆バイアス降伏電圧、逆バイアス降伏電圧の温度係数、APDの素子定数を予めメモリに格納しておき、実際の温度情報と電圧情報に基づいて増倍率を算出する構成が示されている。 In the system disclosed in Patent Document 1, a reverse bias breakdown voltage at a predetermined temperature, a temperature coefficient of the reverse bias breakdown voltage, and an APD element constant are stored in advance in a memory, and a multiplication factor is obtained based on actual temperature information and voltage information. A configuration for calculating is shown.
特許文献1では、増倍率の検出に5つの情報から演算している。それらは、「電流量」、「温度」、「印加電圧」、「入射光量」である。しかし、「任意の入射光」の、増倍率を求めるにはこれだけでは不十分である。これらの情報に加えて「入射光の波長」の情報が必要となる。もしくは、「入射光の波長」を限定して利用する必要がある。 In Patent Document 1, the multiplication factor is detected from five pieces of information. They are “current amount”, “temperature”, “applied voltage”, and “incident light amount”. However, this is not sufficient for obtaining the multiplication factor of “any incident light”. In addition to these pieces of information, information on “wavelength of incident light” is required. Alternatively, it is necessary to limit the “incident light wavelength”.
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、「任意の入射光」を入射光対象と出来、また、印加電圧、温度の情報検出、演算を必要としない、簡単な構成を持つ増倍率検出回路の提供である。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the purpose of which is that "arbitrary incident light" can be a target of incident light, and does not require detection and calculation of applied voltage and temperature information, A multiplication factor detection circuit having a simple configuration is provided.
本発明にかかるアバランシェフォトダイオードの増倍率検出回路によれば、アバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードと同一光量を受光するように設けられ、増倍作用を有しないフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードから出力された増倍電流とフォトダイオードから出力された電流との差分に対応する電流量を出力するように設けられた比較手段とを具備することを特徴とする。 According to the multiplication detection circuit of the avalanche photodiode according to the present invention, the avalanche photodiode is provided so as to receive the same amount of light as the avalanche photodiode, and the photodiode has no multiplication effect, and is output from the avalanche photodiode. And comparison means provided to output a current amount corresponding to the difference between the multiplied current and the current output from the photodiode.
また、前記比較手段は、アバランシェフォトダイオードから出力される増倍電流を蓄える第1のコンデンサを電界効果トランジスタのソースに接続し、フォトダイオードから出力される電流を蓄える第2のコンデンサを電界効果トランジスタのゲートに接続し、ゲートとソースの電位差により発生するドレイン電流に基づいて、前記「アバランシェフォトダイオードから出力される増倍電流」と「フォトダイオードから出力された電流」比較し増倍率を検出する手段を具備することを特徴とする。 In the comparison means, a first capacitor for storing a multiplication current output from the avalanche photodiode is connected to a source of the field effect transistor, and a second capacitor for storing the current output from the photodiode is connected to the field effect transistor. The "multiplier current output from the avalanche photodiode" and the "current output from the photodiode" are detected based on the drain current generated by the potential difference between the gate and the source. Means are provided.
これまで、増倍率は「入射光の波長」により変化するため「任意の光」を対象とした増倍率検出ができなかった。 Until now, since the multiplication factor varies depending on the “wavelength of incident light”, it has not been possible to detect the multiplication factor for “arbitrary light”.
本発明では、「任意の光」を入射光の対象とでき、またそればかりでなく「印加電圧」や「温度」の検出が不要となる。 In the present invention, “arbitrary light” can be a target of incident light, and not only that, detection of “applied voltage” and “temperature” is not required.
本発明では、各画素の増倍率を検出する手段を提案する。検出する手法は「増倍された信号(APDによる信号)」と「増倍されていない信号(PDによる信号)」を比較することによって行われる。「増倍された信号」は図1のA点の信号である。「増倍されていない信号」は図1のC点の信号である。 The present invention proposes means for detecting the multiplication factor of each pixel. The detection method is performed by comparing “multiplied signal (signal by APD)” and “non-multiplied signal (signal by PD)”. The “multiplied signal” is the signal at point A in FIG. The “signal that has not been multiplied” is the signal at point C in FIG.
図1のA点、C点の信号を比較するために、FET3を用いる。FET3を用いる事で、A点とC点の差分の信号がB点に転送される。B点に転送される信号は増倍率により変化する。ここで、全トランジスタの閾値電圧が0Vである状態であり、コンデンサ6、コンデンサ7の容量がCであるとする。
The FET 3 is used to compare the signals at points A and C in FIG. By using the
全素子の接続関係は、APD11のアノードは直流電源VAPDと接続されている。
APD11のカソードはA点と接続されている。A点は電界効果トランジスタ(以下FETと称することもある)1のソース、コンデンサ6の陽極、FET4のソース、FET3のソースに接続されている。コンデンサ6の陰極はGNDに接続されている。FET1のゲートはパルス電圧源Vres1に接続されている。FET1のドレインは電圧源Vr1に接続されている。FET4のゲートはパルス電圧源Vres2に接続されている。FET4のドレインはD点に接続されており、D点は電圧源Vr1に接続されている。FET3のゲートはC点に接続されている。FET3のドレインはB点に接続されている。C点は、PD12のカソードと、コンデンサ7の陽極、FET2のソースと接続されている。コンデンサ7の陰極はGNDと接続されている。PD12のアノードは直流電源VPDに接続されている。FET2のゲートはパルス電源Vres1に接続されている。
FET2のドレインは直流電源Vr1に接続されている。
B点は、コンデンサ8の陽極と、FET5のソースとVout端子に接続されている。
コンデンサ8の陰極はGNDに接続されている。FET5のゲートはパルス電圧源Vres3に接続されている。FET5のドレインは電圧源Vr2に接続されている。
As for the connection relationship of all elements, the anode of the
The cathode of
The drain of the FET2 is connected to the DC power supply Vr1.
The point B is connected to the anode of the
The cathode of the
FET1はA点の電位をVr1まで充電するために用いられる。コンデンサ6はAPD11により発生する光信号電流を蓄積するために用いられる。FET2はC点の電位をVr1まで充電するために用いられる。コンデンサ7はPD12により発生する光信号電流を蓄積するために用いられる。FET3はC点とA点の電位を比較し、A点の電位が大きい場合には、B点に電位差分の電荷を移動する役割を持っている。FET4は、A点からB点に行く電荷量を制限する役割がある。この制限によって、B点には増倍率に比例した信号電荷が蓄積されることになる。FET5はB点の電位をVr2まで充電するために用いられる。コンデンサ8はA点からB点に移動する電荷を蓄積するために用いられる。
The FET 1 is used to charge the potential at the point A to Vr1. The
「増倍率が1倍の場合」はB点に転送される信号電荷量は0となる。「増倍率が2倍の場合」はB点に転送される信号電荷量は(Vr1−Vres2)/Cである。「増倍率が3倍の場合」はB点に転送される信号電荷量は2×(Vr1−Vres2)/Cである。「増倍率が4倍の場合」はB点に転送される信号電荷量は3×(Vr1−Vres2)/Cである。このように、B点の信号電荷量は(増倍率−1)×(Vr1−Vres2)/Cとなり、増倍率を検出することが可能となる。 When “multiplier is 1”, the amount of signal charge transferred to point B is zero. In “when the multiplication factor is 2”, the signal charge amount transferred to the point B is (Vr1−Vres2) / C. In “when the multiplication factor is 3 times”, the signal charge amount transferred to the point B is 2 × (Vr1−Vres2) / C. In “when the multiplication factor is 4 times”, the signal charge amount transferred to the point B is 3 × (Vr1−Vres2) / C. Thus, the signal charge amount at point B is (multiplication factor-1) × (Vr1−Vres2) / C, and it becomes possible to detect the multiplication factor.
この動作を図2から図5により説明する。 This operation will be described with reference to FIGS.
図2は図1よりFET4、FET3とAPD11とPD12を含む回路を抜き出したものである。 FIG. 2 shows a circuit including FET4, FET3, APD11 and PD12 extracted from FIG.
全素子の接続関係を以下に示す。APD11のアノードが直流電圧源VAPDに接続されている。APD11のカソードはA点に接続されている。A点はコンデンサ6の陽極とFET4のソースとFET3のソースに接続されている。コンデンサ6の陰極はGNDに接続されている。FET4のゲートはパルス電圧源Vres2に接続されている。FET4のドレインはD点に接続されており、D点は電圧源Vr1に接続されている。FET3のゲートはC点に接続されている。FET3のドレインはB点に接続されている。C点は、PD12のカソードと接続されている。PD12のアノードは直流電源VPDに接続されている。B点は、コンデンサ8の陽極と、Voutの出力端子に接続されている。コンデンサ8の陰極はGNDに接続されている。
The connection relationship of all elements is shown below. The anode of the
コンデンサ6はAPD11により発生する光信号電流を蓄積するために用いられる。FET3はC点とA点の電位を比較し、A点の電位が大きい場合には、B点に電位差分の電荷を移動する役割を持っている。FET4は、A点からB点に行く電荷量を制限する役割がある。この制限によって、B点には増倍率に比例した信号電荷が蓄積されることになる。コンデンサ8はA点からB点に移動する電荷を蓄積するために用いられる。
The
図3に図2のポテンシャル図を示す。ADP11は、光からの信号をA点に蓄積される電荷として出力する。またPD12は、光からの信号をC点のゲート電圧として出力する。ここで、A点の電位をVA、C点の電位をVCとする。
FIG. 3 shows the potential diagram of FIG. The
ここで、A点とC点に同じ信号(マイナス電荷)が入力されれば、VAとVCの電圧は同じだけ減少する。しかし、APDは1以上の増倍率を取るため、|ΔVA|≧|ΔVC|となる。その際、|ΔVA|−|ΔVC|の電圧に相当する電荷((|ΔVA|−|ΔVB|)/C)はB点へ転送される。このときに転送された信号(|ΔVA|−|ΔVB|)/C が出力となる。 Here, if the same signal (negative charge) is input to the points A and C, the voltages of VA and VC decrease by the same amount. However, since APD takes a multiplication factor of 1 or more, | ΔVA | ≧ | ΔVC |. At that time, a charge ((| ΔVA | − | ΔVB |) / C) corresponding to the voltage of | ΔVA | − | ΔVC | is transferred to the point B. The signal (| ΔVA | − | ΔVB |) / C transferred at this time becomes an output.
VAはVBと共に減少する。VAがVres2より小さくなるまでは、図3と同様に、図4のようにA点からB点へ電荷の転送が行われる。 VA decreases with VB. Until VA becomes smaller than Vres2, charge is transferred from point A to point B as shown in FIG. 4 as in FIG.
VAがVres2より小さくなると、図5のようにA点の電荷はD点へ流れる。この状態になるとA点からB点への電荷の転送は終了する。これによりA点からB点へ転送された電荷の合計は段落番号0018で示したように、「増倍率が1倍の場合」は転送される信号は0となり、「増倍率が2倍の場合」は転送される信号は(Vr1−Vres2)/Cの電荷量である。「増倍率が3倍の場合」は2×(Vr1−Vres2)/Cとなり、「増倍率が4倍の場合」は3×(Vr1−Vres2)/Cの電荷量となる。要するに信号は(増倍率−1)×(Vr1−Vres2)/Cとなり、増倍率をVoutとして検出することが可能となる。 When VA becomes smaller than Vres2, the charge at point A flows to point D as shown in FIG. In this state, the transfer of charge from the point A to the point B ends. As a result, the total amount of charges transferred from point A to point B is 0 when “multiplier is 1” as shown in paragraph 0018, and “when multiplication is double”. The signal to be transferred is a charge amount of (Vr1-Vres2) / C. “When the multiplication factor is 3” is 2 × (Vr1−Vres2) / C, and “when the multiplication factor is 4” is 3 × (Vr1−Vres2) / C. In short, the signal becomes (multiplication factor-1) × (Vr1-Vres2) / C, and the multiplication factor can be detected as Vout.
以上本発明につき、好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。 While the present invention has been described in detail with reference to a preferred embodiment, the present invention is not limited to this embodiment and, of course, many modifications can be made without departing from the spirit of the invention. is there.
1,2、3、4、5 NチャネルMOSFET
6、7、8 コンデンサ
11 APD
12 PD
1, 2, 3, 4, 5 N-channel MOSFET
6, 7, 8
12 PD
Claims (2)
アバランシェフォトダイオードと同一光量を受光するように設けられ、増倍作用を有しないフォトダイオードと、
アバランシェフォトダイオードから出力された増倍電流とフォトダイオードから出力された電流との差分に対応する電流量を出力するように設けられた比較手段とを具備することを特徴とするアバランシェフォトダイオードの増倍率検出回路。 An avalanche photodiode,
A photodiode that is provided so as to receive the same amount of light as an avalanche photodiode and does not have a multiplication effect;
Comparing means provided to output a current amount corresponding to the difference between the multiplication current output from the avalanche photodiode and the current output from the photodiode, the amplification of the avalanche photodiode Magnification detection circuit.
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