JP2013138174A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換装置は、光電変換により電流を第1の端子に出力する第1の光電変換素子(10)と、前記第1の光電変換素子の第1の端子の電位を検出する第1の検出手段(30)と、前記第1の検出手段により検出された電位に基づく信号を前記第1の光電変換素子の第1の端子にフィードバックし、前記第1の光電変換素子の第1の端子の電位に基づく電流を第1の電流出力端子に出力する第1のフィードバック手段(40)と、前記第1の光電変換素子の第1の端子へ電流を供給する電流供給手段(50)とを有することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
図2は、本発明の第1の実施形態に係る光電変換装置(センサ)の構成例を示す図である。光電変換装置は、第1の光電変換素子10と、第1の光電変換素子10で発生した光電流が入力される第1の端子20と、第1の検出手段30と、第1のフィードバック手段40と、電流供給手段50と、第1の電流出力端子60とを有する。光電変換素子10は、光電変換により電流を端子20に出力する。検出手段30は、光電変換素子10の端子20の電位を検出する。フィードバック手段40は、検出手段30により検出された電位に基づくフィードバック信号を光電変換素子10の端子20にフィードバックし、光電変換素子10の端子20の電位に基づく電流を電流出力端子60に出力する。電流供給手段50は、光電変換素子10の端子20へ電流を供給する。図2において、光電流が入力される端子20の電位を検出手段30で検出し、フィードバック手段40を用いてフィードバックをかけることによって、光電流が変化した際の端子20の電位変動を低減することができる。
図5及び図6を用いて、本発明の第2の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。電流供給手段50は、ダイオード121を有する。ダイオード121は、リーク電流により端子20に電流を供給する。また、図6に光電変換素子10とダイオード121の断面構造の例を示す。図6において、N型領域122中に、P型領域123、コンタクト部124、N型コンタクト部125が設けられている。また、126は層間絶縁膜、127は遮光膜である。図6において、N型領域122とP型領域123で光電変換素子10が構成されている。また、コンタクト部124とN型コンタクト部125でダイオード121が構成されている。コンタクト部124は端子20に接続されており、N型コンタクト部125は電源電圧端子120に接続されている。図6のように、コンタクト部124とN型コンタクト部125でダイオード121を構成することにより、電流供給手段50を簡便に追加することができ、省スペース化の効果が得られる。
図7を用いて、本発明の第3の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図7においては、電流供給手段50として、MOSFET130を用いている。電流出力端子60からの出力電流を用いて、センサ照度の検出を行う場合は、MOSFET130をオフにする、もしくは流れる電流値を小さくすることで、MOSFET130により光電変換素子10の光電流に重畳される誤差電流の影響を低減することができる。更に述べると、センサを用いるシステムにおいて、特定のタイミングでのみセンサ照度がセンサの光量検出範囲より低下する場合(例えば、遮光される場合)は、その時のみ、MOSFET130から所定の電流が供給されるようにゲート電位を駆動すればよい。
図7を用いて、本発明の第4の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。本実施形態は、電源投入時の駆動方法に関する。図7において、電源を投入した際、すなわち電源電圧端子120の電圧を0Vから電源電圧Vccに設定した際に、バイポーラトランジスタ80のベース電位が0Vから定常電位に達するまでに長い時間を要してしまう。これは、光電流によるベースに付随する寄生容量の充電に時間がかかるためであり、低輝度時ほど光電流が小さいため、時間を要する。よって、電源投入後の一定期間にベース電位を所定の電位に持ち上げる手段を設けることが望ましい。図7において、電源投入後の一定期間に、MOSFET130のゲート電位を下げて、より大きな電流を供給することで、その役割を果たすことができる。よって、素子を追加することなく、ベース電位を持ち上げる手段を設けることができるので、省スペース化の効果が得られる。
図8を用いて、本発明の第5の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第1の実施形態と異なる点についてのみ説明する。本実施形態は、深さ方向に複数の光電変換素子10及び11を積層した構成に関する。図8において、N+領域135上に、N型領域140、P型領域150、N型領域160、P型領域170、表面N+領域180と、N型領域とP型領域が交互に積層されており、P型領域150及び170はそれぞれ異なる深さに形成されている。シリコンに入射した光は波長の長いものほど深く侵入するので、P型領域150及び170からは異なる波長帯域の光に対する光信号を得ることができる。このように図8においては、N型領域140、P型領域150、N型領域160から光電変換素子10が、N型領域160、P型領域170、表面N+領域180から光電変換素子11が形成されており、深さ方向に複数の光電変換素子10及び11が積層されている。P型領域150及び170のそれぞれにコンタクト部190及び200を設けて、それぞれの光電変換素子10及び11から光電流を読み出す構成となっており、それぞれの光電変換素子10及び11に対して、それぞれの読み出し回路220及び221を設けている。読み出し回路220及び221は、それぞれ、図3の光電変換装置において光電変換素子10を除く構成と同じ構成を有する。それぞれの読み出し回路220及び221は、それぞれの検出手段30及び31を有しており、それぞれの定電流源90及び91、及びそれぞれのMOSFET100及び101を有する。また、それぞれのフィードバック手段40及び41を有しており、それぞれのMOSFET70及び71、及びそれぞれのバイポーラトランジスタ80及び81を有する。また、それぞれの電流供給手段50及び51として、それぞれの定電流源110及び111を有する。また、それぞれの電流出力端子60及び61を有する。また、図8においては、N型領域140及び160、表面N+型領域180中にN型コンタクト部210を設けて、電源端子120に接続している。このように、図8においては、光電変換素子10及び11のそれぞれに対して読み出し回路220及び221を設けて、それぞれ電流源110及び111を設けている。これにより、それぞれの光電変換素子10及び11の光応答性とS/Nについて最適化を行うことが可能となる。
図10を用いて、本発明の第6の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第3の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図10において、電流低下検出手段(電流検出手段)230を設けている。電流低下検出手段230は、バイポーラトランジスタ240、250、電流源260、コンパレータ270、MOSFET280、290、及び電流源300を有する。また、バイポーラトランジスタ301及び電流出力端子305を有する。電流低下検出手段230によりMOSFET130のゲート電位を制御することにより、光電変換装置の駆動を簡便化することが可能となる。
図11を用いて、本発明の第7の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第6の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図11においては、複数の画素310及び311を有している。画素310及び311は、それぞれ、図7の光電変換装置と同じ構成を有する。それぞれの画素310及び311は、それぞれの光電変換素子10及び11を有している。また、それぞれの検出手段30及び31を有しており、それぞれの定電流源90及び91、及びそれぞれのMOSFET100及び101を有する。また、それぞれのフィードバック手段40及び41を有しており、それぞれのMOSFET70及び71、及び、それぞれのバイポーラトランジスタ80及び81を有する。また、それぞれの電流供給手段50及び51として、それぞれのMOSFET130及び131を有する。また、それぞれの電流出力端子60及び61を有する。また、図11において、最小電流検出手段315が設けられている。最小電流検出手段315は、図10の電流低下検出手段230と同様の構成を有し、バイポーラトランジスタ240及び241を有している。また、バイポーラトランジスタ301及び302を有している。また、電流出力端子305及び306を有している。また、MOSFET320及び321を有している。また、電流源330を有している。また、MOSFET340及び電流源350を有している。図11においては、複数の電流供給手段50及び51を同一の最小電流検出手段315によって制御することにより、省スペース化の効果が得られる。
図12を用いて、本発明の第8の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第1の実施形態及び図8と異なる点についてのみ説明する。図12においては、電流供給手段50は、図8と同様に、第2の光電変換素子11と、第2の端子21と、第2の検出手段31と、第2のフィードバック手段41と、MOSFET500,510とを有する。第2の光電変換素子11は、例えば第2のダイオードであり、光電変換により電流を第2の端子21に出力可能である。第2の検出手段31は、第3の電界効果トランジスタ(MOSFET)101及び第3の電流源(定電流源)91を有し、第2の端子21の電位を検出する。第2のフィードバック手段41は、第2のバイポーラトランジスタ81及び第4の電界効果トランジスタ(MOSFET)71を有する。また、第2のフィードバック手段41は、第2の検出手段31より検出された電位に基づく信号を第2の端子21にフィードバックし、第2の端子21の電位に基づく電流を第2の電流出力端子61に出力する。第2の端子21は、MOSFET101のゲート及び第2のバイポーラトランジスタ81のベースに接続される。MOSFET101は、ドレインが第3の電流源91に接続される。MOSFET71は、ソースが第2のバイポーラトランジスタ81のエミッタに接続され、ゲートがMOSFET101のドレインに接続され、ドレインが第2の電流出力端子61に接続される。第5の電界効果トランジスタ(MOSFET)500は、ドレインが第2の端子21に接続され、ソースが第2の光電変換素子(第2のフォトダイオード)のアノードに接続される。第6の電界効果トランジスタ(MOSFET)510は、ドレインが第1の光電変換素子(第1のフォトダイオード)10のアノードに接続され、ソースが第2の光電変換素子(第2のフォトダイオード)11のアノードに接続される。MOSFET500及び510は、電流加算手段であり、第2の光電変換素子11で発生する電流を用いて第1の光電変換素子10の第1の端子20へ電流を出力する。
図14を用いて、本発明の第9の実施形態に係る光電変換装置について説明する。本実施形態は、第5及び第8の実施形態を組み合わせたものである。以下、本実施形態が第5及び第8の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図14においては、図8と同様に、光電変換素子10及び11が深さ方向に積層されている。
図15を用いて、本発明の第10の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第8の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図15においては、電流供給手段50は、さらに、MOSFET520及び530を有する。MOSFET520は、ソースが電源端子120に接続され、ゲート及びドレインがバイポーラトランジスタ81のコレクタに接続される。MOSFET530は、ソースが電源端子120に接続され、ゲートがMOSFET520のゲートに接続され、ドレインが端子20に接続される。MOSFET520及び530は、カレントミラー回路を構成する。
図16を用いて、本発明の第11の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第10の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図16においては、電流供給手段50は、図15のMOSFET520及び530の代わりに、MOSFET540、550、560、570、580を有する。MOSFET540は、ソースがバイポーラトランジスタ81のエミッタに接続され、ゲートがMOSFET71のゲートに接続される。MOSFET550は、ドレイン及びゲートがMOSFET540のドレインに接続され、ソースがグランド端子に接続される。MOSFET570は、ソースが電源端子120に接続され、ゲート及びドレインがMOSFET560のドレインに接続される。MOSFET580は、ソースが電源端子120に接続され、ゲートがMOSFET570のゲートに接続され、ドレインが端子20に接続される。MOSFET560は、ゲートがMOSFET550のゲートに接続され、ソースがグランド端子に接続される。MOSFET550及び560はカレントミラー回路を構成し、MOSFET570及び580もカレントミラー回路を構成する。
図17を用いて、本発明の第12の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第11の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図17においては、フィードバック手段40及び41は、それぞれ、バイポーラトランジスタ80及び81を有していない。また、電流供給手段50は、さらに電圧バッファ590及び600を有する。電圧バッファ590は、入力端子がMOSFET550のドレインに接続され、出力端子がMOSFET550のゲートに接続される。電圧バッファ600は、入力端子がMOSFET570のドレインに接続され、出力端子がMOSFET570のゲートに接続される。これらの電圧バッファ590及び600により、MOSFET550、560、570、580のゲートに付随する容量の充電にかかる時間を短縮し、光応答性を改善することが可能となる。
図18を用いて、本発明の第13の実施形態に係る光電変換装置について説明する。以下、本実施形態が第9及び第12の実施形態と異なる点についてのみ説明する。図18においては、図17と比較して、図8と同様に、光電変換素子10、11が深さ方向に積層されている点が異なる。
Claims (19)
- 光電変換により電流を第1の端子に出力する第1の光電変換素子と、
前記第1の光電変換素子の第1の端子の電位を検出する第1の検出手段と、
前記第1の検出手段により検出された電位に基づく信号を前記第1の光電変換素子の第1の端子にフィードバックし、前記第1の光電変換素子の第1の端子の電位に基づく電流を第1の電流出力端子に出力する第1のフィードバック手段と、
前記第1の光電変換素子の第1の端子へ電流を供給する電流供給手段と
を有することを特徴とする光電変換装置。 - 前記第1の光電変換素子は、第1のフォトダイオードであり、
前記第1の光電変換素子の第1の端子は、前記第1のフォトダイオードのアノードであり、
前記第1の検出手段は、第1の電界効果トランジスタ及び第1の電流源を有し、
前記第1のフィードバック手段は、第1のバイポーラトランジスタ及び第2の電界効果トランジスタを有し、
前記第1のフォトダイオードのアノードは、前記第1の電界効果トランジスタのゲート及び前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、
前記第1の電界効果トランジスタは、ドレインが前記第1の電流源に接続され、
前記第2の電界効果トランジスタは、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ゲートが前記第1の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインが前記第1の電流出力端子に接続されることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記電流供給手段は、第1の期間には第1の電流値の電流を前記第1の光電変換素子の第1の端子に供給し、第2の期間には前記第1の電流値より小さい第2の電流値の電流を前記第1の光電変換素子の第1の端子に供給する又は電流を供給しないことを特徴とする請求項1又は2記載の光電変換装置。
- 前記第1の期間は、画素信号を生成する期間であり、
前記第2の期間は、照度の検出を行う期間であることを特徴とする請求項3記載の光電変換装置。 - 前記第1の期間は、電源投入後の一定期間であり、
前記第2の期間は、前記第1の期間の後の期間であることを特徴とする請求項3記載の光電変換装置。 - 前記第1の光電変換素子、前記第1の検出手段、前記第1のフィードバック手段及び前記電流供給手段の組みが複数設けられ、
複数の前記第1の光電変換素子は、第1の導電型の光電変換領域と、前記第1の導電型と逆の導電型である第2の導電型の領域を交互に複数積層することにより、深さ方向に積層されることを特徴とする請求項1又は2記載の光電変換装置。 - 複数の前記電流供給手段のうちの一の電流供給手段は、少なくとも他の一の電流供給手段とは異なる電流値の電流を供給することを特徴とする請求項6記載の光電変換装置。
- さらに、前記第1の電流出力端子の電流を検出する電流検出手段を有し、
前記電流供給手段は、前記電流検出手段により検出される電流に応じて供給する電流値が変わることを特徴とする請求項1又は2記載の光電変換装置。 - 前記第1の光電変換素子、前記第1の検出手段、前記第1のフィードバック手段及び前記電流供給手段の組みが複数設けられ、
さらに、複数の前記第1の電流出力端子の電流のうちの最小値の電流を検出する最小電流検出手段を有し、
複数の前記電流供給手段は、前記最小電流検出手段により検出される最小値の電流に応じて供給する電流値が変わることを特徴とする請求項1又は2記載の光電変換装置。 - 前記電流供給手段は、
第2の端子と、
光電変換により電流を前記第2の端子に出力可能な第2の光電変換素子と、
前記第2の端子の電位を検出する第2の検出手段と、
前記第2の検出手段により検出された電位に基づく信号を前記第2の端子にフィードバックし、前記第2の端子の電位に基づく電流を第2の電流出力端子に出力する第2のフィードバック手段と、
前記第2の光電変換素子で発生する電流を用いて前記第1の光電変換素子の前記第1の端子へ電流を出力する電流加算手段と
を有することを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記第2の光電変換素子は、第2のフォトダイオードであり、
前記第2の検出手段は、第3の電界効果トランジスタ及び第3の電流源を有し、
前記第2のフィードバック手段は、第2のバイポーラトランジスタ及び第4の電界効果トランジスタを有し、
前記第2の端子は、前記第3の電界効果トランジスタのゲート及び前記第2のバイポーラトランジスタのベースに接続され、
前記第3の電界効果トランジスタは、ドレインが前記第3の電流源に接続され、
前記第4の電界効果トランジスタは、ソースが前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ゲートが前記第3の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインが前記第2の電流出力端子に接続されることを特徴とする請求項10記載の光電変換装置。 - 前記第2の光電変換素子は、第2のフォトダイオードであり、
前記第2の検出手段は、第3の電界効果トランジスタ及び第3の電流源を有し、
前記第2のフィードバック手段は、第4の電界効果トランジスタを有し、
前記第2の端子は、前記第3の電界効果トランジスタのゲート及び前記第4の電界効果トランジスタのソースに接続され、
前記第3の電界効果トランジスタは、ドレインが前記第3の電流源に接続され、
前記第4の電界効果トランジスタは、ゲートが前記第3の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインが前記第2の電流出力端子に接続されることを特徴とする請求項10記載の光電変換装置。 - 前記電流加算手段は、第5の電界効果トランジスタ及び第6の電界効果トランジスタを有し、
前記第5の電界効果トランジスタは、ドレインが前記第2の端子に接続され、ソースが前記第2のフォトダイオードのアノードに接続され、
前記第6の電界効果トランジスタは、ドレインが前記第1の光電変換素子である第1のフォトダイオードのアノードに接続され、ソースが前記第2のフォトダイオードのアノードに接続されることを特徴とする請求項10記載の光電変換装置。 - 前記電流加算手段は、前記第2の光電変換素子で発生する電流を増幅して、前記第1の光電変換素子の第1の端子へ電流を出力する電流を生成する電流増幅手段を有することを特徴とする請求項11記載の光電変換装置。
- 前記電流増幅手段は、カレントミラー回路を有し、前記カレントミラー回路は、電圧バッファを有することを特徴とする請求項14記載の光電変換装置。
- 前記第1及び第2の光電変換素子は、第1の導電型の光電変換領域と、前記第1の導電型と逆の導電型である第2の導電型の領域を交互に複数積層することにより、深さ方向に積層されることを特徴とする請求項13〜15のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記第2の光電変換素子の感度は、前記第1の光電変換素子の感度よりも高いことを特徴とする請求項14又は15記載の光電変換装置。
- 前記第2の端子に付随する容量は、前記第1の端子に付随する容量より小さいことを特徴とする請求項14又は15記載の光電変換装置。
- 前記第1の電流出力端子から得られる電流に基づいた信号と前記第2の電流出力端子から得られる電流に基づいた信号を用いて、差分処理を行うことを特徴とする請求項14又は15記載の光電変換装置。
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