JP2019096786A - 光検出回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮する。【解決手段】光検出回路１は、アノード２１及びカソード２２を有し、入射光量に応じて生じた光起電力によってアノード２１とカソード２２との間に電圧が発生する光検出素子２と、非反転入力端子３１、反転入力端子３２及び出力端子３３を有する演算増幅器３と、を備える。非反転入力端子３１は、固定電位に接続され、アノード２１及びカソード２２のうちの一方は反転入力端子３２に接続され、アノード２１及びカソード２２のうちの他方は出力端子３３に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出回路に関する。
Ｐ型半導体及びＮ型半導体から構成されるＰＮ接合部に入射光の光量（入射光量）に応じた数の電子及び正孔が生成されるフォトダイオードを備える光検出回路が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。例えば特許文献１に記載の光検出回路では、フォトダイオードのアノードが演算増幅器の反転入力端子に接続されており、演算増幅器の反転入力端子及び出力端子の間には、並列に設けられた帰還抵抗及び帰還容量が接続されている。フォトダイオードに入射光が入射することで、入射光量に応じた光電流が演算増幅器、帰還抵抗及び帰還容量から構成される増幅回路（トランスインピーダンスアンプ；Trans Impedance Amplifier）に入力され、光電流が増幅されて電圧信号として出力される。
特開２００２−１３４７６１号公報 特開２００５−２１６９８４号公報
上述の光検出回路において、例えば入射光量１Ｗあたりに生成される光電流が数ｍＡであるような受光感度を有するフォトダイオードが用いられる場合、入射光量に応じた適切な電圧信号を得るためには数ＭΩ程度の大きい抵抗値を有する帰還抵抗を設ける必要がある。このため、トランスインピーダンスアンプの時定数が大きくなり、フォトダイオードに入射光が入射してから光検出回路が入射光量に応じた電圧信号（出力電圧）を出力するまでに時間を要するおそれがある。
本発明は、入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮することが可能な光検出回路を提供する。
本発明の一側面に係る光検出回路は、第１アノード及び第１カソードを有し、入射光量に応じて生じた光起電力によって第１アノードと第１カソードとの間に電圧が発生する第１光検出素子と、第１非反転入力端子、第１反転入力端子及び第１出力端子を有する第１演算増幅器と、を備える。第１非反転入力端子は固定電位に接続され、第１アノード及び第１カソードのうちの一方は第１反転入力端子に接続され、第１アノード及び第１カソードのうちの他方は第１出力端子に接続される。
この光検出回路では、第１演算増幅器の第１非反転入力端子は固定電位に接続され、第１光検出素子の第１アノード及び第１カソードのうちの一方は第１演算増幅器の第１反転入力端子に接続され、第１光検出素子の第１アノード及び第１カソードのうちの他方は第１演算増幅器の第１出力端子に接続される。例えば、第１光検出素子で発生した入射光量に応じた光電流が、第１光検出素子の内部に含まれる並列抵抗成分に流れる場合、第１アノードと第１カソードとの間には入射光量に応じた電圧が発生する。第１反転入力端子の電位は固定電位に略等しくなるので、第１出力端子の出力電圧は第１アノードと第１カソードとの間に発生する電圧に基づいた値となる。これにより、第１光検出素子において発生した入射光量に応じた電圧が、そのまま第１演算増幅器から出力される出力電圧となるので、入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮することが可能となる。
光検出回路は、第１出力端子に発生する出力電圧を増幅する増幅回路をさらに備えてもよい。
この場合、第１出力端子の出力電圧が増幅回路によって増幅される。これにより、第１光検出素子の第１アノードと第１カソードとの間に発生する電圧を増幅することで得られる第２出力端子の出力電圧に基づいて、入射光量を検出することが可能となる。
増幅回路は、第２演算増幅器、第１抵抗素子及び第２抵抗素子を有してもよい。第２演算増幅器は、第２非反転入力端子、第２反転入力端子及び第２出力端子を有してもよい。第１抵抗素子の一端は第２反転入力端子に接続されてもよく、第１抵抗素子の他端は第１出力端子に接続されてもよい。第２抵抗素子の一端は第２反転入力端子に接続されてもよく、第２抵抗素子の他端は第２出力端子に接続されてもよい。第２非反転入力端子は固定電位に接続されてもよい。
この場合、第２抵抗素子の抵抗値を第１抵抗素子の抵抗値で除算することで得られる増幅率で、第１出力端子の出力電圧を増幅することが可能となる。
第１抵抗素子は、第２アノード及び第２カソードを有する第２光検出素子であってもよい。第２光検出素子では、入射光量に応じて生じた光起電力によって第２アノードと第２カソードとの間に電圧が発生してもよい。
第１光検出素子の第１アノードと第１カソードとの間に発生する電圧は、第１光検出素子に含まれる並列抵抗成分の抵抗値に略比例した値となる。増幅回路の増幅率は、第２光検出素子に含まれる並列抵抗成分の抵抗値に基づいて決まる。上記構成では、例えば、光検出回路の周囲温度が高くなると、第１光検出素子に含まれる並列抵抗成分の抵抗値が減少するので、第１出力端子の出力電圧は減少する。一方、光検出回路の周囲温度が高くなると、第２光検出素子に含まれる並列抵抗成分の抵抗値も減少するので、増幅回路の増幅率は増加する。このため、周囲温度に基づいて第１出力端子の出力電圧が減少しても、増幅回路の増幅率は増加する。また周囲温度に基づいて第１出力端子の出力電圧が増加しても、増幅回路の増幅率は減少する。これにより、周囲温度に基づいた第２出力端子の出力電圧の変動を低減することが可能となる。
第２光検出素子は、第１光検出素子と同一のチップに構成されてもよい。
この場合、第１光検出素子における並列抵抗成分の温度特性と、第２光検出素子における並列抵抗成分の温度特性とが略同一となるので、周囲温度に基づいた第２出力端子の出力電圧の変動をより低減することが可能となる。
第１光検出素子は、単一又は直列に接続された複数の第１フォトダイオードで構成されてもよい。第２光検出素子は、単一又は直列に接続された複数の第２フォトダイオードで構成されてもよい。
この場合、第１フォトダイオードのＰ型半導体の層及びＮ型半導体の層に入射光量に応じた数の正孔及び電子が生成されるので、入射光量に応じた出力電圧を検出することが可能となる。
第２フォトダイオードの個数は、第１フォトダイオードの個数よりも少なくてもよい。
第１出力端子の出力電圧は、第１フォトダイオードの並列抵抗成分の抵抗値と第１フォトダイオードの個数とを乗算した値に略比例する。例えば、増幅回路が反転増幅回路の場合、増幅率は第２フォトダイオードの並列抵抗成分の抵抗値と第２フォトダイオードの個数とを乗算した値に略反比例する。このため、上記構成では、第２出力端子の出力電圧は、第１フォトダイオードの個数を第２フォトダイオードの個数で除算した値に略比例することになる。従って、第２フォトダイオードの個数を第１フォトダイオードの個数よりも少なくすることで、周囲温度に基づく第２出力端子の出力電圧の変動を低減しつつ、高い電圧値を有する第２出力端子の出力電圧を出力することが可能となる。
第１アノードは第１反転入力端子に接続されてもよく、第１カソードは第１出力端子に接続されてもよい。
この場合、第１アノードと第１カソードとの間に発生する電圧が第１出力端子の出力電圧となるので、入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮することが可能となる。
第１カソードは第１反転入力端子に接続されてもよく、第１アノードは第１出力端子に接続されてもよい。
この場合、第１アノードと第１カソードとの間に発生する電圧が第１出力端子の出力電圧となるので、入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮することが可能となる。
光検出回路は、容量素子をさらに備えてもよい。容量素子の一端は第１アノードに接続されてもよく、容量素子の他端は第１カソードに接続されてもよい。
この場合、容量素子によって第１演算増幅器の動作を安定させることが可能となる。また、第１光検出素子に含まれる並列抵抗成分と容量素子とによってローパスフィルタが構成され、第１出力端子の出力電圧に含まれる高周波成分を除去することが可能となる。
光検出回路は、第３抵抗素子をさらに備えてもよい。第３抵抗素子の一端は第１アノードに接続されてもよく、第３抵抗素子の他端は第１カソードに接続されてもよい。
この場合、第３抵抗素子によって第１演算増幅器の利得に対する周囲温度の影響を緩和することが可能となる。
本発明によれば、入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧が出力されるまでの応答時間を短縮することが可能となる。
図１は、第１実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。 図２は、フォトダイオードの等価回路を示す図である。 図３の（ａ）は、図１に示される光検出回路における入射光量と出力電圧との関係の一例を示す図である。図３の（ｂ）は、比較例の光検出回路における入射光量と出力電圧との関係の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る光検出回路の第１変形例を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る光検出回路の第２変形例を示す図である。 図６は、第１実施形態に係る光検出回路の第３変形例を示す図である。 図７は、第２実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。 図８は、第３実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。 図９は、光検出素子の周囲温度と並列抵抗成分との関係の一例を示す図である。 図１０は、第３実施形態に係る光検出回路の第１変形例を示す図である。 図１１は、第３実施形態に係る光検出回路の第２変形例を示す図である。 図１２は、第３実施形態に係る光検出回路の第３変形例を示す図である。
以下、図面を参照しながら、実施形態に係る光検出回路を説明する。各図において同一又は相当の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明において、「接続」とは、特に説明がない場合には、電気的な接続を意味する。例えば、一の要素が他の要素に接続される態様には、一の要素が抵抗素子等の他の回路素子を介して他の要素に接続されることが含まれ得る。
図１は、第１実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。光検出回路１は、入射光量を検出するための回路である。具体的には、光検出回路１は、入射光量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔ１を生成し、出力電圧Ｖｏｕｔ１を外部に出力する。光検出回路１は、光検出素子２（第１光検出素子）と、演算増幅器３（第１演算増幅器）と、を備える。
光検出素子２は、入射光量に応じた電気信号を生成する光電変換素子である。光検出素子２は、複数のフォトダイオード２０（複数の第１フォトダイオード）で構成される。各フォトダイオード２０は、Ｐ型半導体及びＮ型半導体から構成されるＰＮ接合部を有するＰＮ型フォトダイオードである。フォトダイオード２０は、例えば、半絶縁性基板上に化合物半導体であるＩｎＡｓＳｂ（インジウムヒ素アンチモン）で構成されるＰＮ接合部が設けられたＩｎＡｓＳｂフォトダイオードである。半絶縁性基板は、例えば、化合物半導体であるＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）で構成される。ＩｎＡｓＳｂフォトダイオードは、例えば３μｍ〜５μｍ付近の波長を有する赤外線の検出に適している。なお、光検出素子２は光起電力素子とも称される。
各フォトダイオード２０は、ＰＮ接合部におけるＰ型半導体に接続されたアノード（正電極）と、ＰＮ接合部におけるＮ型半導体に接続されたカソード（負電極）とを有する。各フォトダイオード２０のＰＮ接合部において、入射光量に略比例した数の電子及び正孔（キャリア）が生成されることで、各フォトダイオード２０のＰＮ接合部におけるＰ型半導体の層とＮ型半導体の層との間に光起電力が生成される。このため、フォトダイオード２０のアノードとカソードとの間が電気的に接続されることで、入射光量に応じた光電流Ｉｐが流れる。
図２は、フォトダイオードの等価回路を示す図である。各フォトダイオード２０は、入射光量に略比例した光電流Ｉｐを流す電流源１２と、電流源１２に対して並列に接続されるダイオード１３と、電流源１２に対して並列に接続される容量成分１４と、電流源１２に対して並列に接続される抵抗値Ｒｓｈ０を有する並列抵抗成分（シャント抵抗）１５と、電流源１２に対して直列に接続される直列抵抗成分１６と、を備える等価的な回路（等価回路）１１で表すことができる。各フォトダイオード２０の並列抵抗成分１５は、ＰＮ接合部のリーク電流によって生じる抵抗であり、その抵抗値Ｒｓｈ０は、ＰＮ接合部におけるバンドギャップの大きさに依存する。ＰＮ接合部におけるバンドギャップが広くなると、抵抗値Ｒｓｈ０は大きくなり、ＰＮ接合部におけるバンドギャップが狭くなると、抵抗値Ｒｓｈ０は小さくなる。
図１では４つのフォトダイオード２０が示されているが、光検出回路１では、例えば２００個のフォトダイオード２０が直列に接続されることで、光検出素子２が構成される。光検出素子２では、互いに隣り合うフォトダイオード２０の一方が有するアノードが、他方が有するカソードに接続されるように、複数のフォトダイオード２０が直列に接続される。光検出素子２において一端に配置されるフォトダイオード２０のアノード２１は、他のフォトダイオード２０のカソードに接続されておらず、光検出素子２のアノード２１を構成する。光検出素子２において他端に配置されるフォトダイオード２０のカソード２２は、他のフォトダイオード２０のアノードに接続されておらず、光検出素子２のカソード２２を構成する。つまり、光検出素子２は、アノード２１（第１アノード）及びカソード２２（第１カソード）を有する。
複数のフォトダイオード２０が直列に接続されて構成される光検出素子２も、各フォトダイオード２０と同様の等価回路で表すことができる。各フォトダイオード２０のバンドギャップが狭い場合、略全ての光電流Ｉｐが並列抵抗成分１５に流れるので、光検出素子２に含まれる並列抵抗成分の抵抗値Ｒｓｈ１は、抵抗値Ｒｓｈ０にフォトダイオード２０の個数を乗算した値に略等しくなる。この抵抗値Ｒｓｈ１は、アノード２１とカソード２２との間の抵抗値となる。なお、直列抵抗成分１６の抵抗値は、抵抗値Ｒｓｈ０に比べて非常に小さいので、直列抵抗成分１６の影響を無視することができる。
演算増幅器３は、非反転入力端子３１（第１非反転入力端子）と、反転入力端子３２（第１反転入力端子）と、出力端子３３（第１出力端子）とを有するオペアンプである。非反転入力端子３１は接地電位（固定電位）に接続される。反転入力端子３２にはアノード２１が接続され、出力端子３３にはカソード２２が接続される。光検出回路１は、出力端子３３における出力電圧Ｖｏｕｔ１を検出結果として外部に出力する。なお、非反転入力端子３１は一定値を有する固定電位に接続されてもよい。この場合、固定電位は正負いずれの値を有していてもよい。
以上のように構成された光検出回路１において、光検出素子２に入射光が入射すると、入射光量に略比例した数の電子及び正孔が光検出素子２に生成される。各フォトダイオード２０がＩｎＡｓＳｂフォトダイオードである場合、ＩｎＡｓＳｂフォトダイオードのバンドギャップは狭いので、抵抗値Ｒｓｈ１は小さい。例えば、２００〜３００個のＩｎＡｓＳｂフォトダイオードを直列に接続した場合における抵抗値Ｒｓｈ１は数百ｋΩである。また、演算増幅器３の反転入力端子３２に入力可能な電流は非常に小さいので、アノード２１から外部に光電流Ｉｐが流れることができない。このため、光検出素子２に生成された電子及び正孔によって光電流Ｉｐが生成され、光検出素子２に含まれる並列抵抗成分に略全ての光電流Ｉｐが流れる。その結果、光検出素子２のアノード２１とカソード２２との間には、抵抗値Ｒｓｈ１と光電流Ｉｐとを乗算した値に略等しい電圧が発生する。アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧は、アノード２１の電位とカソード２２の電位との電位差である。
非反転入力端子３１は接地電位に接続されており、反転入力端子３２の電位と非反転入力端子３１の電位とは略同一となるので、反転入力端子３２の電位は略０Ｖとなる。このため、出力端子３３の出力電圧Ｖｏｕｔ１は、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧となる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔ１は入射光量に応じた値となり、出力電圧Ｖｏｕｔ１を計測することによって入射光量を検出することができる。なお、非反転入力端子３１が固定電位に接続される場合、出力端子３３の出力電圧Ｖｏｕｔ１は、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧に固定電位を加えた値となる。
次に、図３の（ａ）及び図３の（ｂ）を用いて入射光量と出力電圧との関係を説明する。図３の（ａ）は、図１に示される光検出回路における入射光量と出力電圧との関係の一例を示す図である。図３の（ａ）では、横軸は入射光量を示しており、その単位は任意単位（arbitrary unit）である。縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔ１を示しており、その単位はミリボルト（ｍＶ）である。図３の（ｂ）は、比較例の光検出回路における入射光量と出力電圧との関係の一例を示す図である。比較例の光検出回路では、トランスインピーダンスアンプによってフォトダイオードから出力される光電流が出力電圧に変換される。このトランスインピーダンスアンプでは、光検出素子のアノードが演算増幅器の反転入力端子に接続され、互いに並列に接続された帰還容量及び帰還抵抗の一端が演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が演算増幅器の出力端子に接続される。図３の（ｂ）では、横軸は入射光量を示しており、その単位は任意単位（arbitrary unit）である。縦軸は出力電圧を示しており、その単位はミリボルト（ｍＶ）である。
図３の（ａ）に示されるように、入射光量が増加すると出力電圧Ｖｏｕｔ１は増加する。また、出力電圧Ｖｏｕｔ１は、図３の（ｂ）における比較例の光検出回路と同様に、入射光量に略比例しており、入射光量と出力電圧Ｖｏｕｔ１とは線形な関係を有する。なお、光検出回路１ではアノード２１とカソード２２との間に発生する電圧に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔ１が検出されるので、光検出回路１は電圧読出し型（電圧モード）と称される。一方、比較例の光検出回路は、光検出素子のアノード及びカソード間の電位差を変化させないように動作するので、光電流がアノードからトランスインピーダンスアンプに流れる。このため、比較例の光検出回路では光検出素子のアノードから帰還抵抗に流れる電流に基づいて出力電圧が検出されるので、比較例の光検出回路は電流読出し型（電流モード）と称される。
光検出回路１では、光検出素子２で発生した入射光量に略比例した光電流Ｉｐが、光検出素子２の内部に含まれる並列抵抗成分に流れるので、アノード２１とカソード２２との間には入射光量に応じた電圧が発生する。反転入力端子３２の電位は接地電位に略等しくなるので、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧が出力端子３３において発生する出力電圧Ｖｏｕｔ１となる。これにより、光検出素子２において発生した入射光量に応じた電圧が、そのまま演算増幅器３から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ１となるので、入射光が光検出素子２に入射してから入射光量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力するまでの応答時間を短縮することが可能となる。
演算増幅器３の反転入力端子３２と出力端子３３との間に、並列接続された帰還抵抗及び帰還容量が設けられる光検出回路の場合、光検出回路の応答時間は、光電流Ｉｐを電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプの時定数の影響を受ける。これに対して、光検出回路１では、反転入力端子３２と出力端子３３との間には光検出素子２のみが設けられる。このため、光検出素子２に入射光が入射してから入射光量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔ１が出力されるまでの応答時間は、光検出素子２そのものの応答時間及び演算増幅器３の応答時間のいずれか遅い方によって決まる。
入射光量に応じた出力電圧を検出する光検出回路として、インピーダンス変換を行うバッファ回路（ボルテージフォロワ）を用いることが考えられる。具体的には、バッファ回路では、カソード２２が接地電位に接続され、アノード２１が演算増幅器の非反転入力端子に接続され、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間が短絡される。しかしながら、このバッファ回路では、反転入力端子及び非反転入力端子のいずれにも一定値を有する固定電圧が入力されず、演算増幅器に入力されるノイズ又は演算増幅器で発生するノイズによって演算増幅器の動作が安定しないおそれがある。これに対して、光検出回路１では、非反転入力端子３１は接地電位に接続されるので、演算増幅器３の動作の安定性を向上することが可能となる。
図４は、第１実施形態に係る光検出回路の第１変形例を示す図である。図４に示された光検出回路１Ａは、図１に示された光検出回路１と比較して、光検出素子２の接続形態において相違する。具体的には、アノード２１が出力端子３３に接続され、カソード２２が反転入力端子３２に接続される。
光検出回路１Ａにおいても光検出回路１と同様の効果が奏される。光検出回路１Ａにおける出力電圧Ｖｏｕｔ１の極性（正負）は、光検出回路１における出力電圧Ｖｏｕｔ１の極性と反対になるが、出力電圧Ｖｏｕｔ１の電圧値（絶対値）は同一となる。つまり、光検出回路１Ａにおける出力電圧Ｖｏｕｔ１は、光検出回路１における出力電圧Ｖｏｕｔ１と反対の極性を有するが、光検出回路１と同様に、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧が出力端子３３の出力電圧Ｖｏｕｔ１となる。このように、光検出回路１，１Ａでは、アノード２１及びカソード２２のうちの一方が反転入力端子３２に接続され、アノード２１及びカソード２２のうちの他方が出力端子３３に接続される。
図５は、第１実施形態に係る光検出回路の第２変形例を示す図である。図５に示された光検出回路１Ｂは、図１に示された光検出回路１と比較して、容量素子（キャパシタ）２３をさらに備える点において相違する。容量素子２３は、光検出素子２に並列に接続されており、容量素子２３の一端はアノード２１（反転入力端子３２）に接続され、容量素子２３の他端はカソード２２（出力端子３３）に接続される。
光検出回路１Ｂにおいても光検出回路１と同様の効果が奏される。光検出回路１Ｂでは、容量素子２３によって、位相余裕が小さい場合に演算増幅器３の発振を抑制できるので、演算増幅器３の動作が安定する。また、光検出素子２に含まれる並列抵抗成分と容量素子２３とによってローパスフィルタが構成され、光検出回路１Ｂにおける出力電圧Ｖｏｕｔ１に含まれる高周波成分が除去される。なお、第２変形例において、第１変形例と同様に、カソード２２が反転入力端子３２に接続され、アノード２１が出力端子３３に接続されてもよい。
図６は、第１実施形態に係る光検出回路の第３変形例を示す図である。図６に示された光検出回路１Ｃは、図１に示された光検出回路１と比較して、抵抗素子２４（第３抵抗素子）をさらに備える点において相違する。抵抗素子２４は、光検出素子２に並列に接続されており、抵抗素子２４の一端はアノード２１（反転入力端子３２）に接続され、抵抗素子２４の他端はカソード２２（出力端子３３）に接続される。
光検出回路１Ｃにおいても光検出回路１と同様の効果が奏される。光検出回路１Ｃでは、周囲温度に基づく抵抗素子２４の特性の変動が小さければ、並列に接続された抵抗素子２４及び光検出素子２の並列抵抗成分から構成される合成抵抗の抵抗値の周囲温度に基づく変動は、光検出素子２の並列抵抗成分のみの抵抗値Ｒｓｈ１の変動よりも小さい。このため、抵抗素子２４によって出力電圧Ｖｏｕｔ１に対する周囲温度の影響が緩和される。なお、第３変形例において、第１変形例と同様に、カソード２２が反転入力端子３２に接続され、アノード２１が出力端子３３に接続されてもよい。第３変形例に係る光検出回路１Ｃに第２変形例が適用されてもよい。つまり、互いに並列に接続された容量素子２３及び抵抗素子２４の一端がアノード２１（反転入力端子３２）に接続され、他端がカソード２２（出力端子３３）に接続される。
次に、図７を用いて第２実施形態に係る光検出回路を説明する。図７は、第２実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。第２実施形態に係る光検出回路１０は、第１実施形態に係る光検出回路１と比較して、反転増幅回路４（増幅回路）をさらに備える点において相違する。反転増幅回路４は、出力電圧Ｖｏｕｔ１を反転増幅する回路である。反転増幅回路４は、演算増幅器４０（第２演算増幅器）と、抵抗値Ｒ１を有する抵抗素子４４（第１抵抗素子）と、抵抗値Ｒ２を有する抵抗素子４５（第２抵抗素子）と、を備える。
演算増幅器４０は、非反転入力端子４１（第２非反転入力端子）と、反転入力端子４２（第２反転入力端子）と、出力端子４３（第２出力端子）と、を有する。演算増幅器３の出力端子３３は、抵抗素子４４を介して演算増幅器４０の反転入力端子４２に接続される。具体的には、抵抗素子４４の一端が反転入力端子４２に接続され、抵抗素子４４の他端が出力端子３３に接続される。このため、反転増幅回路４に出力電圧Ｖｏｕｔ１が入力される。抵抗素子４５の一端は反転入力端子４２（抵抗素子４４の一端）に接続され、抵抗素子４５の他端は出力端子４３に接続される。非反転入力端子４１は接地電位（固定電位）に接続される。なお、非反転入力端子４１は一定値を有する固定電位に接続されてもよい。この場合、固定電位は正負いずれの値を有していてもよい。非反転入力端子４１に接続される固定電位は、演算増幅器３の非反転入力端子３１に接続される固定電位と異なっていてもよく、同一であってもよい。
反転増幅回路４の増幅率は、抵抗値Ｒ１に対する抵抗値Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）であるので、反転増幅回路４は出力電圧Ｖｏｕｔ１を−（Ｒ２／Ｒ１）倍に増幅した出力電圧Ｖｏｕｔ２を生成する。例えば、出力電圧Ｖｏｕｔ１を−１００倍に増幅した出力電圧Ｖｏｕｔ２を得たい場合、増幅率が１００となるような抵抗値Ｒ１及び抵抗値Ｒ２が設定される。光検出回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔ２を検出結果として外部に出力する。
以上のように構成された光検出回路１０では、出力電圧Ｖｏｕｔ１が反転増幅回路４によって増幅される。これにより、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧を増幅することで得られる出力電圧Ｖｏｕｔ２に基づいて、入射光量を検出することが可能となる。
光検出回路１０は、反転増幅回路４に代えて、不図示の非反転増幅回路（増幅回路）を備えていてもよい。非反転増幅回路は、反転増幅回路４と同様に、演算増幅器４０と、抵抗素子４４と、抵抗素子４５と、を備える。演算増幅器３の出力端子３３は、演算増幅器４０の非反転入力端子４１に接続される。抵抗素子４４の一端は反転入力端子４２に接続され、抵抗素子４４の他端は接地電位に接続される。抵抗素子４５の一端は反転入力端子４２（抵抗素子４４の一端）に接続され、抵抗素子４５の他端は出力端子４３に接続される。非反転増幅回路は、出力電圧Ｖｏｕｔ１を（１＋Ｒ２／Ｒ１）倍に増幅した出力電圧Ｖｏｕｔ２を生成する。なお、第２実施形態に係る光検出回路１０に第１実施形態の第１変形例〜第３変形例及びその組み合わせが適用されてもよい。
次に、図８を用いて第３実施形態に係る光検出回路を説明する。図８は、第３実施形態に係る光検出回路の構成を示す図である。第３実施形態に係る光検出回路１００は、第２実施形態に係る光検出回路１０と比較して、反転増幅回路４に代えて反転増幅回路４Ａを備える点において相違する。反転増幅回路４Ａは、反転増幅回路４と比較して、抵抗素子４４に代えて光検出素子５０（第２光検出素子）を備える点において相違する。図８では、光検出素子５０のアノード５２（第２アノード）が出力端子３３に接続され、光検出素子５０のカソード５３（第２カソード）が反転入力端子４２に接続される。
光検出素子５０は、直列に接続された複数のフォトダイオード５１（複数の第２フォトダイオード）を有する。例えば、光検出素子５０は２個のフォトダイオード５１で構成される。各フォトダイオード５１は、例えばＩｎＡｓＳｂフォトダイオードであり、フォトダイオード２０と同一の材料で構成されてもよい。光検出素子５０には、抵抗値Ｒｓｈ２を有する並列抵抗成分が含まれる。光検出素子５０の並列抵抗成分は、アノード５２とカソード５３との間に生じる抵抗成分である。つまり、光検出素子５０の並列抵抗成分は、演算増幅器３の出力端子３３と演算増幅器４０の反転入力端子４２との間に接続される抵抗素子（第１抵抗素子）を構成する。このため、反転増幅回路４Ａの増幅率は、抵抗値Ｒｓｈ２に対する抵抗値Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒｓｈ２）となるので、光検出回路１００では、出力電圧Ｖｏｕｔ１が−（Ｒ２／Ｒｓｈ２）倍に増幅される。なお、フォトダイオード５１（光検出素子５０）の直列抵抗成分の抵抗値は、フォトダイオード５１（光検出素子５０）の並列抵抗成分の抵抗値に比べて非常に小さいので、直列抵抗成分の影響を無視することができる。
図９は、光検出素子の周囲温度と並列抵抗成分との関係の一例を示す図である。図９では、直列に接続された２４５個のＩｎＡｓＳｂフォトダイオードを有する光検出素子２の並列抵抗成分の抵抗値Ｒｓｈ１（Ω）と周囲温度（℃）との関係が示されている。図９に示されるように、光検出素子２の周囲温度が高くなると抵抗値Ｒｓｈ１は減少し、光検出素子２の周囲温度が低くなると抵抗値Ｒｓｈ１は増加する。このように、光検出素子２の周囲温度によって、抵抗値Ｒｓｈ１は異なる値となるので、入射光量が同じであったとしても出力電圧Ｖｏｕｔ１が異なる値となるおそれがある。
光検出素子２が直列に接続されたｎ１個（ｎ１は２以上の整数）のフォトダイオード２０を有する場合、光電流Ｉｐが光検出素子２の並列抵抗成分に全て流れるとすると、抵抗値Ｒｓｈ１はｎ１×Ｒｓｈ０となる。光検出素子５０が直列に接続されたｎ２個（ｎ２は２以上の整数）のフォトダイオード５１を有する場合、フォトダイオード５１に含まれる並列抵抗の抵抗値がフォトダイオード２０の抵抗値Ｒｓｈ０と同一であるとすると、抵抗値Ｒｓｈ２はｎ２×Ｒｓｈ０となる。このとき、出力電圧Ｖｏｕｔ２は下記の式（１）によって求められる。さらに式（１）を整理することにより、下記の式（２）が得られる。
Figure 2019096786
Figure 2019096786
式（２）に示されるように、各フォトダイオード５１に含まれる並列抵抗成分の抵抗値が光検出素子２を構成するフォトダイオード２０の抵抗値Ｒｓｈ０と同一であるとすると、出力電圧Ｖｏｕｔ２は、各フォトダイオード５１及び各フォトダイオード２０の抵抗値に影響されない。このため、周囲温度によって抵抗値Ｒｓｈ０（Ｒｓｈ１）が異なる値を有していたとしても、入射光量が同一であれば、出力電圧Ｖｏｕｔ２は略同一となる。
一例として、光検出素子２が２００個（ｎ１＝２００）のフォトダイオード２０で構成され、光検出素子５０が２個（ｎ２＝２）のフォトダイオード５１で構成される場合における出力電圧Ｖｏｕｔ１の計算結果を示す。周囲温度が１５℃のとき、抵抗値Ｒｓｈ１は２００ｋΩ（Ｒｓｈ０は１ｋΩ）であり、抵抗値Ｒｓｈ２は２ｋΩである。光電流Ｉｐが１０ｎＡであるとすると、このときの出力電圧Ｖｏｕｔ１は２ｍＶとなる。抵抗値Ｒ２が１０ｋΩであるとすると、反転増幅回路４の増幅率は５倍となり出力電圧Ｖｏｕｔ２は１０ｍＶとなる。一方、周囲温度が３５℃のとき、抵抗値Ｒｓｈ１は１００ｋΩ（Ｒｓｈ０は０．５ｋΩ）であり、抵抗値Ｒｓｈ２は１ｋΩである。このときの出力電圧Ｖｏｕｔ１は１ｍＶとなり、反転増幅回路４の増幅率は１０倍であり出力電圧Ｖｏｕｔ２は１０ｍＶとなる。このように、周囲温度に基づく抵抗素子４５及び演算増幅器３，４０の特性の変動が小さければ、周囲温度が異なったとしても、入射光量が同一のときの出力電圧Ｖｏｕｔ２は略同一となり、光検出素子５０によって温度補償を行うことが可能となる。
光検出素子２及び光検出素子５０では、それぞれの並列抵抗成分の温度特性が略同一となるように、光検出素子５０は光検出素子２と同一のチップに構成されることが望ましい。具体的には、同じ半絶縁性基板上に各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１のＰＮ接合部が設けられる。この場合、カソード２２とアノード５２とが半絶縁性基板上で互いに接続され、光検出素子２及び光検出素子５０が構成された半絶縁性基板上に、アノード２１と、カソード５３と、カソード２２及びアノード５２が互いに接続された電極と、から成る３つの外部接続用の端子が設けられてもよい。また、各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１は、同一構造のＰＮ接合部を有していてもよい。なお、光検出素子５０は遮光されてもよく、光検出素子５０には光検出素子２と同様に入射光が入射されてもよい。
以上のように構成された光検出回路１００では、アノード２１とカソード２２との間に発生する電圧は、抵抗値Ｒｓｈ１に光電流Ｉｐを乗算した値と略等しい。光検出回路１の周囲温度が高くなると、抵抗値Ｒｓｈ１が減少するので出力電圧Ｖｏｕｔ１は減少する。一方、光検出回路１の周囲温度が高くなると、抵抗値Ｒｓｈ２も減少するので反転増幅回路４の増幅率は増加する。このため、たとえ周囲温度に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔ１が減少したとしても、反転増幅回路４の増幅率は増加するので、周囲温度による抵抗値Ｒｓｈ１の変動の影響が低減（相殺）される。同様に、光検出回路１の周囲温度が低くなると、抵抗値Ｒｓｈ１が増加するので出力電圧Ｖｏｕｔ１は増加する。一方、光検出回路１の周囲温度が低くなると、抵抗値Ｒｓｈ２も増加するので反転増幅回路４の増幅率は減少する。このため、たとえ周囲温度に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔ１が増加したとしても、反転増幅回路４の増幅率は減少するので、周囲温度による抵抗値Ｒｓｈ１の変動の影響が低減（相殺）される。これにより、周囲温度に基づいた出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動を低減することが可能となる。
光検出素子５０が光検出素子２と同一のチップに構成されるので、各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１の並列抵抗成分が同一の値である抵抗値Ｒｓｈ０を有する。このため、各フォトダイオード２０の並列抵抗成分と各フォトダイオード５１の並列抵抗成分とは、略同一の温度特性を有する。これにより、式（２）に示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔ２は各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１の並列抵抗成分に影響されないので、周囲温度に基づいた出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動をより低減することが可能となる。
式（２）に示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔ２は、フォトダイオード２０の個数ｎ１をフォトダイオード５１の個数ｎ２で除算した値（ｎ１／ｎ２）に略比例する。従って、フォトダイオード５１の個数ｎ２をフォトダイオード２０の個数ｎ１よりも少なくすることで、周囲温度に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動を低減しつつ、高い電圧値を有する出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力することが可能となる。
光検出素子２が生成する光電流Ｉｐは、入射光量に応じて生成される電子又は正孔の数を入射光の光子数で除算した値である量子効率によって決まるので、光検出素子２，５０の固体差に基づく光電流Ｉｐの変動は小さい。一方、抵抗値Ｒｓｈ１，Ｒｓｈ２は、光検出素子２，５０の個体差によって変動する。同一のチップに光検出素子２及び光検出素子５０が構成される場合、各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１の並列抵抗成分の抵抗値は互いに同一の値（抵抗値Ｒｓｈ０）となる。このため、上述の式（２）に示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔ２は各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１の並列抵抗成分の影響を受けなくなり、個体差に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動を低減することが可能となる。なお、各フォトダイオード５１の並列抵抗成分が、各フォトダイオード２０と同様に周囲温度の増加に伴い抵抗値が減少し、周囲温度の減少に伴い抵抗値が増加するような温度特性を有していれば、光検出素子２及び光検出素子５０は異なるチップで構成されてもよい。
図１０は、第３実施形態に係る光検出回路の第１変形例を示す図である。光検出回路１００Ａは、図８に示された光検出回路１００と比較して、反転増幅回路４Ａに代えて反転増幅回路４Ｂを備える点において相違する。反転増幅回路４Ｂは、反転増幅回路４Ａと比較して、光検出素子５０の接続形態において相違する。反転増幅回路４Ｂでは、カソード５３が出力端子３３に接続され、アノード５２が反転入力端子４２に接続される。
光検出回路１００Ａにおいても光検出回路１００と同様の効果が奏される。つまり、光検出回路１００Ａにおける光検出素子５０の極性が、光検出回路１００における光検出素子５０の極性と反対であっても、光検出回路１００と同様の効果が奏される。
図１１は、第３実施形態に係る光検出回路の第２変形例を示す図である。光検出回路１００Ｂは、図８に示された光検出回路１００と比較して、光検出素子２の接続形態において相違する。光検出回路１００Ｂでは、カソード２２が反転入力端子３２に接続され、アノード２１が出力端子３３に接続される。
光検出回路１００Ｂにおいても光検出回路１００と同様の効果が奏される。つまり、光検出回路１００Ｂにおける光検出素子２の極性が、光検出回路１００における光検出素子２の極性と反対であっても、光検出回路１００と同様の効果が奏される。
図１２は、第３実施形態に係る光検出回路の第３変形例を示す図である。光検出回路１００Ｃは、図１０に示された光検出回路１００Ａと比較して、光検出素子２の接続形態において相違する。光検出回路１００Ｃでは、カソード２２が反転入力端子３２に接続され、アノード２１が出力端子３３に接続される。
光検出回路１００Ｃにおいても光検出回路１００と同様の効果が奏される。つまり、光検出回路１００Ｃにおける光検出素子５０の極性と光検出素子２の極性とが、ともに光検出回路１００における光検出素子５０及び光検出素子２の極性と反対であっても、光検出回路１００と同様の効果が奏される。
なお、第３実施形態に係る光検出回路１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃに、第１実施形態の第２変形例及び第３変形例並びにその組み合わせが適用されてもよい。
上述の第１実施形態から第３実施形態において、光検出素子２の並列抵抗成分が演算増幅器３の動作が可能である抵抗値Ｒｓｈ１を有していれば、各フォトダイオード２０のＰＮ接合部は、ＩｎＡｓＳｂ以外の半導体材料で構成されてもよい。例えば、各フォトダイオード２０のＰＮ接合部は、単一元素半導体であるＳｉ（シリコン）又はＧｅ（ゲルマニウム）で構成されもよい。各フォトダイオード２０のＰＮ接合部は、化合物半導体であるＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ヒ化アルミニウムガリウム）、又はＩｎＰ（リン化インジウム）で構成されてもよい。各フォトダイオード５１のＰＮ接合部は、各フォトダイオード２０のＰＮ接合部と異なる半導体材料で構成されてもよい。
光検出素子２に含まれるフォトダイオード２０の個数は１個（ｎ１＝１）であってもよい。光検出素子５０に含まれるフォトダイオード５１の個数は１個（ｎ２＝１）であってもよい。フォトダイオード５１の個数ｎ２は、フォトダイオード２０の個数ｎ１以上であってもよい。
各フォトダイオード２０及び各フォトダイオード５１は、ＰＩＮ接合部を有するＰＩＮ型フォトダイオードであってもよい。
出力電圧Ｖｏｕｔ１を増幅する回路として、反転増幅回路４及び非反転増幅回路以外の増幅回路が用いられてもよい。出力電圧Ｖｏｕｔ１を増幅する回路は、演算増幅器４０を備えていなくてもよい。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１０，１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…光検出回路、２…光検出素子、２１…アノード、２２…カソード、３…演算増幅器、４，４Ａ，４Ｂ…反転増幅回路、５０…光検出素子。

Claims (11)

  1. 第１アノード及び第１カソードを有し、入射光量に応じて生じた光起電力によって前記第１アノードと前記第１カソードとの間に電圧が発生する第１光検出素子と、
    第１非反転入力端子、第１反転入力端子及び第１出力端子を有する第１演算増幅器と、
    を備え、
    前記第１非反転入力端子は固定電位に接続され、
    前記第１アノード及び前記第１カソードのうちの一方は前記第１反転入力端子に接続され、前記第１アノード及び前記第１カソードのうちの他方は前記第１出力端子に接続される、
    光検出回路。
  2. 前記第１出力端子に発生する出力電圧を増幅する増幅回路をさらに備える、
    請求項１に記載の光検出回路。
  3. 前記増幅回路は、第２演算増幅器、第１抵抗素子及び第２抵抗素子を有し、
    前記第２演算増幅器は、第２非反転入力端子、第２反転入力端子及び第２出力端子を有し、
    前記第１抵抗素子の一端は前記第２反転入力端子に接続され、前記第１抵抗素子の他端は前記第１出力端子に接続され、
    前記第２抵抗素子の一端は前記第２反転入力端子に接続され、前記第２抵抗素子の他端は前記第２出力端子に接続され、
    前記第２非反転入力端子は固定電位に接続される、
    請求項２に記載の光検出回路。
  4. 前記第１抵抗素子は、第２アノード及び第２カソードを有する第２光検出素子であり、
    前記第２光検出素子では、入射光量に応じて生じた光起電力によって前記第２アノードと前記第２カソードとの間に電圧が発生する、
    請求項３に記載の光検出回路。
  5. 前記第２光検出素子は、前記第１光検出素子と同一のチップに構成される、
    請求項４に記載の光検出回路。
  6. 前記第１光検出素子は、単一又は直列に接続された複数の第１フォトダイオードで構成され、
    前記第２光検出素子は、単一又は直列に接続された複数の第２フォトダイオードで構成される、
    請求項４又は請求項５に記載の光検出回路。
  7. 前記第２フォトダイオードの個数は、前記第１フォトダイオードの個数よりも少ない、
    請求項６に記載の光検出回路。
  8. 前記第１アノードは前記第１反転入力端子に接続され、前記第１カソードは前記第１出力端子に接続される、
    請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光検出回路。
  9. 前記第１カソードは前記第１反転入力端子に接続され、前記第１アノードは前記第１出力端子に接続される、
    請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光検出回路。
  10. 容量素子をさらに備え、
    前記容量素子の一端は前記第１アノードに接続され、前記容量素子の他端は前記第１カソードに接続される、
    請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の光検出回路。
  11. 第３抵抗素子をさらに備え、
    前記第３抵抗素子の一端は前記第１アノードに接続され、前記第３抵抗素子の他端は前記第１カソードに接続される、
    請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の光検出回路。
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