JP2013225847A - 増幅形光電変換素子のゲイン可変方法、およびゲイン可変光電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度での信号処理と光強度が大きくなった場合の大電流処理が両立でき、大きなダイナミックレンジを確保できる、増幅形光電変換素子のゲイン可変方法、およびゲイン可変光電変換素子を提供する。
【解決手段】増幅形光電変換部分は、光電変換要素１０１と、ダーリントン回路を構成する増幅用トランジスタ１００−１，１００−２とを含む。各増幅用トランジスタのベースには電界効果トランジスタ１０−１，１０−２の各ソースが、エミッタには各ドレインがそれぞれ接続される。電界効果トランジスタ１０−１，１０−２の各ゲートはゲイン制御部として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光入力情報を電気信号へ変換する増幅形光電変換素子、増幅形光電変換セルのゲイン可変方法とゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セル等に関する。

光電流を増幅して取り出す光電変換素子、光電変換セル、光電変換アレイとして、フォトトランジスタを用いた光電変換セルがある。また、低照度での感度をあげるため複数の増幅用トランジスタを接続したダーリントン形の光電変換セルから構成される１次元アレイ、複数のトランジスタ構造を有する２次元フォトセンサアレイが知られている（例えば、特許文献１等）。

特開平１−２８８１８１号公報

これらの光電変換用の素子、セル、アレイの光電流のゲイン（増幅度）を大きくしてゆくと、低照度での電気出力（たとえば、出力電流等）は増加するので、信号処理が容易となる。しかしながら、低照度での感度が良いという利点がある反面、照度が大きくなるに連れて電気出力が大きくなるため、光電変換アレイにおけるピクセル番地選択トランジスタの抵抗が問題となって、光強度に対する光電流が比例関係からはずれ正確な信号の読み出しが難しくなる。実際に、星明りから真夏の晴天時の環境下では6桁ほどの光強度が変化する。その結果、従来の技術では、ゲインを大きくする一方で、検出できる光の強度のダイナミックレンジを大きくすることはできなかった。そこで、入射する光強度に対応して増幅度を正確に調整することが課題となった。

たとえば、増幅用トランジスタの増幅度が小さい場合には感度の制御は容易となるが増幅用トランジスタを多段に接続しなくてはならず光電変換素子が大きくなる、また増幅度が大きい場合には感度の調整が粗くなり感度の制御が難しくなる。

また、同時に科学実験及び特殊撮影等において、画像の明るさを部分的に修正することが必要とされている。従来の技術では、画像の明るさを部分的に修正することは、ソフトウェア処理によって実現される。しかしながら、ソフトウェア処理では、撮像アレイそのものからリアルタイムに信号出力が得られない場合、情報処理時間分だけ遅れがでてしまう。更に、撮像アレイのダイナミックレンジが制限されるため、得られる情報量に限度がある。

本発明の目的は、低照度での高感度化の信号処理と光強度が大きくなった場合の大電流処理が両立でき、大きなダイナミックレンジを確保することである。

本発明では、光強度、光の波長、光の変調周波数等の光入力情報は、光電変換要素により電気量に変換されて増幅部へ供給される。

光電変換要素は、光強度、光の波長、もしくは光の変調周波数によって電流値、電圧値が変化もしくは電流値、電圧値が変調されるフォトダイオード等である。

また、電気量とは、電流、電圧、蓄積電荷、周波数等の電気単位を有するものである。

本発明では、フォトダイオードあるいはフォトトランジスタの光電変換要素とその出力を増幅する要素として１つまたは複数のトランジスタで構成される。

本発明では、この変換された電気量が、増幅部によって、増幅、または、変換及び増幅（convert & amplify）されて電気信号として出力される。本発明は、このような増幅部を有する増幅形光電変換素子、増幅形光電変換セルのゲインを可変とする方法等に関する。

本明細書では、電気量である電流を増幅して電気信号（電流または蓄積電荷）として出力する例、電気量である電荷またはその結果として発生した電圧変化を変換増幅して電気信号（電流、電荷、または電圧）として出力する例が示されている。

以下、本発明により提供されるゲイン可変方法、ゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルについて詳述する。

（１）光電変換要素とコレクタ・ベース・エミッタを有する複数のトランジスタから構成される増幅形光電変換部分と、ソース・ドレイン・ゲートを有する複数の電界効果トランジスタとを備え、各トランジスタのエミッタとベース間には電界効果トランジスタのソースとドレインが接続され、
前記光電変換要素は、前記、複数のトランジスタの中から選択されたトランジスタのベースに接続され、
前記光電変換要素は、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧の電気量に光電変換する素子であり、
前記、複数のトランジスタのコレクタの少なくとも１つが第１出力部であり、
前記、複数のトランジスタのエミッタの１つが第２出力部であり、
前記、複数のトランジスタの第２出力部ではない他のエミッタは、光電変換要素がベースに接続されている前記選択されたトランジスタ以外の前記、複数のトランジスタのベースに接続され、
前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られるように構成された増幅形光電変換素子において、
各ゲートにゲイン制御電位を与えることにより、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
ことを特徴とする増幅形光電変換素子のゲイン可変方法。

（２）光電変換要素とコレクタ・ベース・エミッタを有する複数のトランジスタから構成される増幅形光電変換部分と、ソース・ドレイン・ゲートを有する複数の電界効果トランジスタとを備え、各トランジスタのエミッタとベース間には電界効果トランジスタのソースとドレインが接続され、
前記光電変換要素は、前記、複数のトランジスタの中から選択されたトランジスタのベースに接続され、
前記光電変換要素は、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧の電気量に光電変換する素子であり、
前記、複数のトランジスタのコレクタの少なくとも１つが第１出力部であり、
前記、複数のトランジスタのエミッタの１つが第２出力部であり、
前記、複数のトランジスタの第２出力部ではない他のエミッタは、光電変換要素がベースに接続されている前記選択されたトランジスタ以外の前記、複数のトランジスタのベースに接続され、
前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られるように構成された増幅形光電変換素子において、
各ゲートにゲイン制御電位を与えることにより、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
ことを特徴とするゲイン可変光電変換素子。

（３）前記光電変換要素がフォトダイオードであることを特徴とする（２）記載のゲイン可変光電変換素子。

（４）前記光電変換要素が、前記選択されたトランジスタのコレクタとベースを含むフォトダイオードであることを特徴とする（２）記載のゲイン可変光電変換素子。

前記光電変換要素のうち、フォトダイオードは、前記トランジスタと同じ基板上に要すれば絶縁膜を介して設けられたゲルマニウム、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂの清流接合、前記トランジスタのコレクタ−ベース接合に光を導入する構造としたものを用いることが出来る。

なお、入力する光にスペクトル分布があり、光電変換要素にもスペクトル感度特性があれば、光強度が同一でも光電変換された電気量には差があり、光の波長情報も電気量に変換できる。また、入力光の強度または波長がある周波数で変調されていれば、光電変換された電気量にも、出力する電気信号にも変調周波数の信号が得られる。

（５）前記のゲイン可変光電変換素子において複数のトランジスタの増幅度が異なり、任意のゲートにゲイン制御電位を与えることにより前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化することを特徴とする増幅形光電変換素子のゲイン可変方法。

（６）前記のゲイン可変光電変換素子において各増幅用トランジスタの増幅度が２倍以上異なり、任意のゲートにゲイン制御電位を与えることにより前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化することを特徴とするゲイン可変光電変換素子。

（７）連続したまたは相互接続されたコレクタにそれぞれ設けられた複数のベース、該複数のベースにそれぞれ設けられた複数のエミッタを有する増幅形光電変換部分と、
ソース・ドレイン・ゲートが設けられた複数の電界効果トランジスタとを備え、
前記コレクタが、第１出力部であり、
前記複数のエミッタの１つが第２出力部であり、
前記複数のベースの１つのベースと前記コレクタは、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧変換の電気量に光電変換し、前記光電変換に係るベースと前記第２出力部に係るエミッタを除いた、前記複数のベースと前記複数のエミッタがそれぞれ相互接続され、前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られ、
前記ソースおよび前記ドレインの一方は、前記ベースまたはエミッタと接続され、
前記ソースおよび前記ドレインの他方は、前記ベースまたはエミッタと接続され、
前記ゲートにゲイン制御電位を与えることで、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
ことを特徴とするゲイン可変光電変換素子。

（８）前記（１）〜（７）のゲイン可変光電素子を用いて、前記ゲイン可変用電界効果トランジスタ以外にソース・ドレイン・ゲートを有する第２電界効果トランジスタを更に備え、
前記第２出力部は、前記第２電界効果トランジスタのソースおよびドレインの一方と接続され、
前記第２電界効果トランジスタのソースおよびドレインの他方は、セル出力部であり、
前記第２電界効果トランジスタのゲートは、セル選択部であり、
前記第２電界効果トランジスタが遮断される電位である第１選択電位から、前記第２電界効果トランジスタが導通する電位である第２選択電位を前記セル選択部に印加することにより当該ゲイン可変光電変換セルの選択を行う、
ことを特徴とするゲイン可変光電変換セル。

（９）前記（１）〜（８）のゲイン可変方法、ゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルに関して、前記第１出力部または前記第２出力部から出力された電気信号を監視し、監視結果に基づいて各ゲートへの印加電圧を制御する事により適切なゲイン調整を行うゲイン可変光電変換セル。

（１０）前記（９）のゲイン可変光電変換セルに関して、前記第1出力部または前記第2出力部から出力された電気信号を参照電圧と比較し、その差分をデジタル信号に変換し、差分がなくなる方向のゲイン制御電位を供給することによりゲイン調整を行う事を特徴とするゲイン可変光電変換セル。

（１１）前記（９）のゲイン可変光電変換セルに関して、前記第1出力部または前記第2出力部から出力された電気信号が複数のコンパレータに入力され、そのコンパレータ出力をゲイン制御電位として各ゲートへ供給することによりゲイン調整を行う事を特徴とするゲイン可変光電変換セル。

本発明によれば、低照度での信号処理と光強度が大きくなった場合の大電流処理が両立でき、大きなダイナミックレンジを確保できる。

図１は、（２）記載のゲイン可変方法およびゲイン可変光電変換素子の１実施例の回路図である。 図２は、（２）記載のゲイン可変方法およびゲイン可変光電変換素子の他の１実施例の回路図である。 図３は、（６）記載のゲイン可変方法およびゲイン可変光電変換素子に係る１実施例の回路図である。 図４は、（８）記載のゲイン可変光電変換セルの１実施例の回路図である。 図５は、（９）記載のゲイン可変光電変換セルの１実施例のブロック図である。 図６は、（１０）記載のゲイン可変光電変換セルの１実施例を示すブロック図である。 図７は、（１１）記載のゲイン可変光電変換セルの１実施例を示すブロック図である。

図１は、本発明の（２）に記載したゲイン可変光電変換素子の１実施例を示す回路図である。

図１では、２つの増幅用トランジスタ１００−１、１００−２を使用した場合を例示する。増幅用トランジスタ１００−１のベースには、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの光電変換要素１０１の一端が接続されている。なお、図中１０２は、入力光を模式的に表したものである（以後の図でも同様）。光電変換要素１０１の他端は、独立して一定電位に接続されていてもよく、図１の例では、接続手段により２つのトランジスタ１００−１、１００−２のコレクタに接続されている。２つのトランジスタのコレクタは、本発明のゲイン可変光電変換素子の出力部１として機能している。

この回路では、増幅用トランジスタ１００−１のエミッタは、更に増幅用トランジスタ１００−２のベースに接続され、２段のダーリントン回路を構成している。また、増幅用トランジスタ１００−１、１００−２は、ゲイン可変光電変換素子の増幅部分を形成している。該増幅部分とそれに接続された該光電変換要素とを統合して増幅形光電変換部分と呼ぶ。

更に、電界効果トランジスタ１０−１のソースが増幅用トランジスタ１００−１のベースに接続され、電界効果トランジスタ１０−１のドレインが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−２のソースが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−２のドレインが増幅用トランジスタ１００−２のエミッタに接続されている。第１電界効果トランジスタ１０−１、１０−２の各ゲートはゲイン制御部９−１、９−２として機能する。増幅用トランジスタ１００−２のエミッタは、出力部２として機能している。

図１に示した具体例を参照して、上記（１）で記載したゲイン可変方法を説明する。

光電変換要素１０１を流れる光電流、または光電変換要素１０１によって放電、蓄積された電荷が読み出し時に充放電されて流れる電流、または光電変換要素１０１に発生した電圧が、増幅用トランジスタ１００−１、１００−２により増幅されて、出力部１または出力部２を流出入する。その流出入する信号電流または信号電荷は、ゲイン制御部９−１、９−２の電位により増減する。本明細書ではこれらの信号電流、信号電荷、信号電圧を総合して電気信号と呼ぶ。

ゲイン制御部９−１の電位（ゲイン制御電位）を、電界効果トランジスタ１０−１のチャネルが誘起する方向（オンする方向）へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−１のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流をバイパスしてしまうので、そのベース・エミッタ間に電界効果トランジスタ１０−１が接続された増幅用トランジスタ１００−１の増幅度（ゲイン）は減少する。すなわち、ゲイン制御部９−１の電位により、増幅用トランジスタ１００−１のゲインが可変となる。

次に、ゲイン制御部９−２の電位を、電界効果トランジスタ１０−２のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−２のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−２の増幅度（ゲイン）は減少する。すなわち、ゲイン制御部９−２の電位により、増幅用トランジスタ１００−２のゲインが可変となる。

図１の構成全体を光電変換素子としてみた場合、入力光１０２の光入力情報に対して出力部１または出力部２に入出力する信号電流または信号電荷、すなわち電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２の電位により変化する。すなわちゲイン可変光電変換素子が得られたことになる。

なお、本発明では、トランジスタの増幅作用を強調する場合は増幅用トランジスタと記述するが、再記述する場合や、簡単化のために単にトランジスタと記述する場合が多い。なお、単にトランジスタと記述する場合はバイポーラトランジスタを指すことが多い。

図２は、本発明の（２）に記載したゲイン可変光電変換素子の他の１実施例を示す回路図である。図２では、３つの増幅用トランジスタ１００−１、１００−２、１００−３および３つの電界効果トランジスタ１０−１、１０−２、１０−３を使用した場合を例示する。増幅用トランジスタ１００−１のベースには、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの光電変換要素１０１の一端が接続されている。光電変換要素１０１の他端は、独立して一定電位に接続されていてもよく、ここでは、接続手段により３つのトランジスタ１００−１、１００−２、１００−３のコレクタに接続されている。３つのトランジスタのコレクタは、本発明のゲイン可変光電変換素子の出力部１として機能している。

この回路では、３つの増幅用トランジスタ１００−１、１００−２、１００−３は、３段のダーリントン回路を構成し、ゲイン可変光電変換素子の増幅部分を形成している。該増幅部分とそれに接続された該光電変換要素とを統合して増幅形光電変換部分と呼ぶ。

更に、電界効果トランジスタ１０−１のソースが光電変換要素１０１の一端に接続され、電界効果トランジスタ１０−１のドレインが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−２のソースが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−２のドレインが増幅用トランジスタ１００−２のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−３のソースが増幅用トランジスタ１００−２のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−３のドレインが増幅用トランジスタ１００−３のエミッタに接続されている。第１電界効果トランジスタ１０−１、１０−２、１０−３の各ゲートはゲイン制御部９−１、９−２、９−３として機能する。増幅用トランジスタ１００−３のエミッタは、出力部２として機能している。

図２に示した具体例を参照して、上記（１）で記載したゲイン可変方法を説明する。ゲイン制御部９−１の電位（ゲイン制御電位）を、電界効果トランジスタ１０−１のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−１のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−１の増幅度（ゲイン）は減少する。

次に、ゲイン制御部９−２の電位を、電界効果トランジスタ１０−２のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−２のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−２の増幅度（ゲイン）は減少する。

次に、ゲイン制御部９−３の電位を、電界効果トランジスタ１０−３のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−３のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−３の増幅度（ゲイン）は減少する。

図２の構成全体を光電変換素子としてみた場合、入力光１０２の光入力情報に対して出力部１または出力部２に入出力する信号電流または信号電荷、すなわち電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２、９−３の電位により変化する。すなわちゲイン可変光電変換素子が得られたことになる。

このように、増幅用トランジスタとゲイン制御用電界トランジスタが対をなしているので、いずれのゲイン制御部を選択しても増幅用トランジスタがバイパスされ、増幅作用がなくなる。したがって、ゲイン制御部を任意に選択することで、増幅用トランジスタが任意にバイパスされる。また、精度をあげるためにはこれら増幅用トランジスタとゲイン可変電界トランジスタは光の影響をうけないように遮光されることが望ましい。

図３は、本発明の（６）に記載したゲイン可変光電変換素子の１実施例を示す回路図である。

図１、２は同じ増幅度を持つトランジスタであったが、図３では増幅度の異なる増幅用トランジスタ１０３、１０４、１０５および３つの電界効果トランジスタ１０−１、１０−２、１０−３を使用した場合を例示する。増幅用トランジスタ１０３のベースには、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの光電変換要素１０１の一端が接続されている。光電変換要素１０１の他端は、独立して一定電位に接続されていてもよく、ここでは、接続手段により３つのトランジスタ１０３、１０４、１０５のコレクタに接続されている。３つのトランジスタのコレクタは、本発明のゲイン可変光電変換素子の出力部１として機能している。

この回路では、３つの増幅用トランジスタ１０３、１０４、１０５は、３段のダーリントン回路を構成し、ゲイン可変光電変換素子の増幅部分を形成している。該増幅部分とそれに接続された該光電変換要素とを統合して増幅形光電変換部分と呼ぶ。

更に、電界効果トランジスタ１０−１のソースが光電変換要素１０３の一端に接続され、電界効果トランジスタ１０−１のドレインが増幅用トランジスタ１００−３のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−２のソースが増幅用トランジスタ１０３のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−２のドレインが増幅用トランジスタ１０４のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−３のソースが増幅用トランジスタ１０４のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−３のドレインが増幅用トランジスタ１０５のエミッタに接続されている。第１電界効果トランジスタ１０−１、１０−２、１０−３の各ゲートはゲイン制御部９−１、９−２、９−３として機能する。増幅用トランジスタ１０５のエミッタは、出力部２として機能している。

図３に示した具体例を参照して、上記（６）で記載したゲイン可変方法を説明する。ゲイン制御部９−１の電位（ゲイン制御電位）を、電界効果トランジスタ１０−１のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１０３のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１０３の増幅度（ゲイン）は減少する。

次に、ゲイン制御部９−２の電位を、電界効果トランジスタ１０−２のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１０４のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１０４の増幅度（ゲイン）は減少する。

次に、ゲイン制御部９−３の電位を、電界効果トランジスタ１０−３のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１０５のベース・エミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１０５の増幅度（ゲイン）は減少する。

図３の構成全体を光電変換素子としてみた場合、入力光１０２の光入力情報に対して出力部１または出力部２に入出力する信号電流または信号電荷、すなわち電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２、９−３の電位により変化する。更に、増幅度の異なるトランジスタで回路を構成しており、各ゲイン制御部の電位により変化するゲインは一様ではないため、全体としてより細かなゲイン調整が可能なゲイン可変光電変換素子が得られたことになる。

一般的に増幅用トランジスタのバイポーラトランジスタは製造上、ベース不純物注入量を変えてベース不純物濃度を調整することにより電流増幅度を可変でき、電流増幅度１０〜１０００程度のトランジスタは製造できる。しかし、同じ増幅度を持つ構成では、増幅度が１０の場合、６桁の増幅度を達成しようとしたとき６段のトランジスタが必要となり、光電変換素子の面積が大きくなる。また、面積の増大を避けるために増幅度が１００と大きいトランジスタを選択した場合には３段で良いが、ゲイン可変時の増幅度が荒くなり調整が難しくなる。本発明では、増幅度が１０，１００，１０００の増幅用トランジスタを用意し、任意の電界効果トランジスタを選択することで３段のトランジスタで６桁の増幅度を設定でき、面積を拡大させることなく細かな増幅度の調整が可能となる。

図４は、本発明の（８）に記載したゲイン可変光電変換セルの１実施例を示す回路図である。図４では、図３と同様に、トランジスタ１００−１のベース・コレクタが光電変換要素として機能するため、光電変換要素１０１の図示を省略している。

図４では、２つの増幅用トランジスタ１００−１、１００−２および３つの電界効果トランジスタ１０−１、１０−２、１１を使用した場合を例示する。なお、電界効果トランジスタ１１は、セル選択トランジスタとして動作する。

増幅用トランジスタ１００−１のベースでは、光入力１０２による光電流、または光電流により放電または蓄積した電荷の充放電電流が増幅されて読み出される。増幅用トランジスタ１００−１のベースは光電変換要素（不図示）と共用されており、他のベース、エミッタは接続されていない。４つのトランジスタ１００−１、１００−２のコレクタは共通接続され、本発明のゲイン可変光電変換素子の出力部１として機能している。

この回路では、図１と同様に、２つの増幅用トランジスタ１００−１、１００−２は、２段のダーリントン回路を構成し、ゲイン可変光電変換素子の増幅部分を形成している。該増幅部分と、増幅用トランジスタ１００−１の光電変換要素として使用されているベース、コレクタとを統合して増幅形光電変換部分と呼ぶ。

更に、電界効果トランジスタ１０−１のソースが増幅用トランジスタ１００−１のベースに接続され、電界効果トランジスタ１０−１のドレインが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続されている。また、電界効果トランジスタ１０−２のソースが増幅用トランジスタ１００−１のエミッタに接続され、電界効果トランジスタ１０−２のドレインが増幅用トランジスタ１００−２のエミッタに接続されている。第１電界効果トランジスタ１０−１、１０−２の各ゲートはゲイン制御部９−１、９−２として機能する。増幅用トランジスタ１００−２のエミッタは、電界効果トランジスタ１１のソースおよびドレインの一方と接続される。電界効果トランジスタ１１のソースおよびドレインの他方は、図１〜図３の出力部２と同様に、出力部２３として機能する。電界効果トランジスタ１１のゲートは、セル選択部３２として機能する。

次に動作に関して、電界効果トランジスタ１１がオンした場合、光電変換要素として機能するトランジスタ１００−１のベース・コレクタ接合を流れる光電流が、増幅用トランジスタ１００−１〜１００−２により増幅されて、出力部１、出力部２を信号電流、信号電荷として流出入する。または、当該ベース・コレクタ接合（接合容量または接合に並列に接続されたキャパシタ）に蓄積された電荷が該光電流により放電された分を読み出し時に充電するために流れる電流が、増幅用トランジスタ１００−１〜１００−２により増幅されて、出力部１、出力部２を信号電流、信号電荷として流出入する。それら電気信号の大きさは、ゲイン制御部９−１，９−２の電位により増減する。

ゲイン制御部９−１の電位（ゲイン制御電位）を、電界効果トランジスタ１０−１のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−１のベースとエミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−１の増幅度（ゲイン）は減少する。

次に、ゲイン制御部９−２の電位を、電界効果トランジスタ１０−２のチャネルが誘起する方向へ変化させた場合、対応した増幅用トランジスタ１００−２のベースとエミッタ間をバイパスする電流路が形成される。その結果、そのベース・エミッタ間に流れて増幅されるべき電流がバイパスされ、上述と同様に、増幅用トランジスタ１００−２の増幅度（ゲイン）は減少する。

図４の構成全体を光電変換素子としてみた場合、入力光１０２の光入力情報に対して出力部１または出力部２３に入出力する信号電流または信号電荷、すなわち電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１，９−２の電位により変化する。すなわちゲイン可変光電変換素子が得られたことになる。

また、図４の構成では、電界効果トランジスタ１１がセル選択素子として機能するので、セル面積は増加するが、アレイを構成するときに行または列ごとにトランジスタのコレクタを分離する必要がなくなり、ＭＯＳＬＳＩ製造工程との親和性(compatibility)が高くなる。

図５は、本発明の（９）に記載したゲイン可変光電変換セルの１実施例を示すブロック図である。（１）〜（８）記載のゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルはセンサーセル１０６としてブロック図に記述している。

このブロック図は、センサーセル１０６およびフィードバック回路１０７から構成されており、図１と同様に、センサーセル内に２つのゲイン制御部９−１、９−２を持つセンサーセルとそのフィードバック回路のブロック図を例示している。フィードバック回路は内部に１または複数のアンプを備えており、センサーセル出力２４を任意の電圧と比較することにより、センサーセル内部の電界効果トランジスタのゲート制御部９−１、９−２を制御する電圧を出力する。

センサーセルから出力される電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２の電位により変化するため、全体としてフィードバック回路でセンサーセル出力を制御することによりゲイン調整が可能なゲイン可変光電変換セルが得られたことになる。

図６は、本発明の（１０）に記載したゲイン可変光電変換セルの１実施例を示すブロック図である。（１）〜（８）記載のゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルはセンサーセル１０６としてブロック図に記述している。

このブロック図は、センサーセル１０６およびＩＶ変換部１０８、差動アンプ１０９、ＡＤコンバーター１１０で構成されており、センサーセルは３つのゲイン制御部９−１、９−２、９−３を持つものを例示している。

この回路では、センサーセルの出力電流がＩＶ変換部１０８で電圧に変換され、その出力電圧が差動アンプ１０９で参照電圧と比較されており、その差分がＡＤコンバーター１１０に入力されている。このＡＤコンバーターは、例えば表１のようなデータテーブルを持ち、入力された差動アンプの出力に応じて任意のデジタル信号をゲイン制御部９−１、９−２、９−３に出力する。データテーブルは、センサーセルの出力電圧が所望の電圧範囲より大きい場合はゲインを減少、小さい場合はゲインを増加させるデジタル信号が出力されるように設定されている。

センサーセルから出力される電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２、９−３の電位により変化するため、全体として前記回路でセンサーセル出力を制御することによりゲイン調整が可能なゲイン可変光電変換セルが得られたことになる。

図７は、本発明の（１１）に記載したゲイン可変光電変換セルの１実施例を示すブロック図である。（１）〜（８）記載のゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルはセンサーセル１０６としてブロック図に記述している。

このブロック図は、センサーセル１０６およびＩＶ変換部１０８、コンパレータ１１１−１、１１１−２で構成されており、センサーセルは２つのゲイン制御部９−１、９−２を持つものを例示している。

この回路では、センサーセルの出力電流がＩＶ変換部１０８で電圧に変換され、その出力電圧が異なる基準電圧を持つコンパレータ１１１−１、１１１−２に入力されており、コンパレータ出力はゲイン制御部９−１、９−２に与えられている。それぞれの基準電圧は所望の電圧範囲の上限／下限に設定されており、コンパレータ入力が上限値を超える場合はゲインを減少、下回る場合はゲインを増加させる信号がコンパレータから出力されゲインを変化させる。

センサーセルから出力される電気信号の増幅度（ゲイン）は、ゲイン制御部９−１、９−２の電位により変化するため、全体として前記回路でセンサーセル出力を制御することによりゲイン調整が可能なゲイン可変光電変換セルが得られたことになる。

上述のように、複数の前記電界効果トランジスタのソースまたはドレインの一方がベースとその他方がエミッタに接続された増幅用トランジスタを複数設けることで、可変ゲインの間隔がより細かくなり微妙な画像の調整が可能となる。究極的にはすべての増幅用トランジスタのベース、エミッタに必ずソースまたはドレインが接続された形がもっとも細やかなゲイン変化を実現できる。

本発明により、高感度、高ダイナミックレンジ、ゲイン可変の光電変換素子、光電変換セルとアレイがシリコンＬＳＩ技術で実現できる。このため、一般のディジタルカメラの高性能化だけでなく、明暗比の大きい対象物の撮像、部分的に暗部を明視化した撮像がリアルタイムで可能となるので、科学技術開発過程で従来、明暗比、暗部の暗部明視化を必要とされていた観測手段、安心安全のための監視カメラ等を低価格で実現できる。

１，２：出力部
９−１、９−２、９−３：ゲイン制御部
１０−１、１０−２、１０−３、１１：電界効果トランジスタ
２３、２４：セル出力部
３２：セル選択部
１００−１、１００−２、１００−３：増幅用トランジスタ
１０１：光電変換要素
１０２：入力光
１０３：増幅用トランジスタ（増幅度Ａ）
１０４：増幅用トランジスタ（増幅度Ｂ）
１０５：増幅用トランジスタ（増幅度Ｃ）
１０６：センサーセル
１０７：フィードバック回路
１０８：ＩＶ変換回路
１０９：差動アンプ
１１０：ＡＤコンバーター
１１１−１、１１１−２：コンパレータ

Claims (11)

1. 光電変換要素とコレクタ・ベース・エミッタを有する複数のトランジスタから構成される増幅形光電変換部分と、ソース・ドレイン・ゲートを有する複数の電界効果トランジスタとを備え、前記複数のトランジスタは、各々のトランジスタのエミッタとベース間には電界効果トランジスタのソースとドレインが接続され、
   前記光電変換要素は、前記、複数のトランジスタの中から選択されたトランジスタのベースに接続され、
   前記光電変換要素は、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧の電気量に光電変換する素子であり、
   前記、複数のトランジスタのコレクタの少なくとも１つが第１出力部であり、
   前記、複数のトランジスタのエミッタの１つが第２出力部であり、
   前記、複数のトランジスタの第２出力部ではない他のエミッタは、光電変換要素がベースに接続されている前記選択されたトランジスタ以外の前記、複数のトランジスタのベースに接続され、
   前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られるように構成された増幅形光電変換素子において、
   各ゲートにゲイン制御電位を与えることにより、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
   ことを特徴とする増幅形光電変換素子のゲイン可変方法。
2. 光電変換要素とコレクタ・ベース・エミッタを有する複数のトランジスタから構成される増幅形光電変換部分と、ソース・ドレイン・ゲートを有する複数の電界効果トランジスタとを備え、各トランジスタのエミッタとベース間には電界効果トランジスタのソースとドレインが接続され、
   前記光電変換要素は、前記、複数のトランジスタの中から選択されたトランジスタのベースに接続され、
   前記光電変換要素は、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧の電気量に光電変換する素子であり、
   前記、複数のトランジスタのコレクタの少なくとも１つが第１出力部であり、
   前記、複数のトランジスタのエミッタの１つが第２出力部であり、
   前記、複数のトランジスタの第２出力部ではない他のエミッタは、光電変換要素がベースに接続されている前記選択されたトランジスタ以外の前記、複数のトランジスタのベースに接続され、
   前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られるように構成された増幅形光電変換素子において、
   各ゲートにゲイン制御電位を与えることにより、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
   ことを特徴とするゲイン可変光電変換素子。
3. 前記光電変換要素がフォトダイオードであることを特徴とする請求項２記載のゲイン可変光電変換素子。
4. 前記光電変換要素が、前記選択されたトランジスタのコレクタとベースを含むフォトダイオードであることを特徴とする請求項２記載のゲイン可変光電変換素子。
5. 前記のゲイン可変光電変換素子において各トランジスタの増幅度が異なり、任意のゲートにゲイン制御電位を与えることにより前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化することを特徴とする請求項１記載のゲイン可変方法。
6. 前記のゲイン可変光電変換素子において各トランジスタの増幅度が異なり、任意のゲートにゲイン制御電位を与えることにより前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化することを特徴とする請求項２記載のゲイン可変光電変換素子。
7. 連続したまたは相互接続されたコレクタにそれぞれ設けられた複数のベース、該複数のベースにそれぞれ設けられた複数のエミッタを有する増幅形光電変換部分と、
   ソース・ドレイン・ゲートが設けられた複数の電界効果トランジスタとを備え、
   前記コレクタが、第１出力部であり、
   前記複数のエミッタの１つが第２出力部であり、
   前記複数のベースの１つのベースと前記コレクタは、光強度または光波長の光入力情報を、電流、電荷、電圧変換の電気量に光電変換し、前記光電変換に係るベースと前記第２出力部に係るエミッタを除いた、前記複数のベースと前記複数のエミッタがそれぞれ相互接続され、前記光電変換された電気量が、増幅された電流または電荷からなる電気信号として、前記第１出力部または第２出力部から得られ、
   前記ソースおよび前記ドレインの一方は、前記ベースまたはエミッタと接続され、
   前記ソースおよび前記ドレインの他方は、前記ベースまたはエミッタと接続され、
   前記ゲートにゲイン制御電位を与えることで、前記第１出力部または前記第２出力部から得られる前記電気信号のゲインが変化する、
   ことを特徴とするゲイン可変光電変換素子。
8. 請求項１〜７のゲイン可変光電素子を用いて、前記ゲイン可変用電界効果トランジスタ以外にソース・ドレイン・ゲートを有する第２電界効果トランジスタを更に備え、
   前記第２出力部は、前記第２電界効果トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの一方と接続され、
   前記第２電界効果トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方は、セル出力部であり、
   前記第２電界効果トランジスタの前記ゲートは、セル選択部であり、
   前記第２電界効果トランジスタが遮断される電位である第１選択電位から、前記第２電界効果トランジスタが導通する電位である第２選択電位を前記セル選択部に印加することにより当該ゲイン可変光電変換セルの選択を行う、
   ことを特徴とするゲイン可変光電変換セル。
9. 請求項１〜８のゲイン可変方法、ゲイン可変光電変換素子、ゲイン可変光電変換セルに関して、前記第１出力部または前記第２出力部から出力された電気信号を監視し、監視結果に基づいて各ゲートへの印加電圧を制御する事により適切なゲイン調整を行うゲイン可変光電変換セル。
10. 前記第1出力部または前記第2出力部から出力された電気信号を参照電圧と比較し、その差分をデジタル信号に変換し、差分がなくなる方向のゲイン制御電位を供給することによりゲイン調整を行う事を特徴とする請求項９記載のゲイン可変光電変換セル。
11. 前記第1出力部または前記第2出力部から出力された電気信号が複数のコンパレータに入力され、そのコンパレータ出力をゲイン制御電位として各ゲートへ供給することによりゲイン調整を行う事を特徴とする請求項９の記載のゲイン可変光電変換セル。

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