JP3453993B2 - 光電変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置に関
し、例えば顕微鏡写真撮影装置その他の写真撮影装置の
露光量測定などに使用され、素子の暗電流の影響を除去
して微弱光にも対応可能にした半導体光電変換装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡写真撮影装置その他の写真
撮影装置において露光量を測定するには、例えばフォト
マルチプライヤを使用し、画面全体の光量を測定する
か、あるいは画面中心またはそれ以外の固定された単一
のスポットで測定を行っていた。

【０００３】また、半導体素子であるフォトダイオード
を使用して露光量の測定を行うこともでき、この場合は
測定画面内を複数の受光部に区切ることにより測定範囲
を分割して複数ポイントで測光を行い、より適切な露光
量の決定を行うことが可能であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記フォト
マルチプライヤによる測光では微弱光の測定は可能であ
るが、受光面をいくつかに分割して測光を行うことがで
きないため、測定位置を変更したり、測定領域を自由に
設定することは困難であり、必ずしも適切な露光量測定
を行うことができなかった。また、高電圧の電源が必要
となるため、装置が大掛かりになりかつコストも上昇す
るという不都合もあった。

【０００５】一方、フォトダイオードなどの半導体光電
変換素子を使用する場合には、測定画面内の領域を複数
の受光部に区切ることにより測定範囲を分割することは
可能であり、測定領域の設定も自由に行うことが可能で
あったが、微弱光の測定を行おうとした場合に受光部拡
散領域と半導体基板との間の逆バイアスにより発生する
暗電流のため適切に測定を行うことができないという不
都合があった。

【０００６】したがって、本発明の目的は、上述の従来
技術における問題点に鑑み、光電変換装置において、簡
単な装置構成で受光面上の選択された任意の場所の光量
を、暗電流の影響を受けることなくかつ微弱な領域まで
測定できるようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係わる光電変換装置では、第１の導電型の
半導体基板と、それぞれ前記第１の導電型と逆の第２の
導電型を有し、前記半導体基板との間でｐｎ接合ダイオ
ードを形成する複数の受光部拡散領域と、該複数の受光
部拡散領域の内から任意の所望の受光部拡散領域の信号
を選択的に出力するための信号出力用スイッチ手段とを
備え、前記複数の受光部拡散領域と前記半導体基板との
間の接合バイアス電圧をゼロボルトとして暗電流の発生
を防止する。

【０００８】このような構成では、前記半導体基板と受
光部拡散領域との間で形成されたｐｎ接合ダイオード
は、それぞれ入射光に応じた大きさの光電流を発生す
る。そして、これらの光電流の内、所望の受光部拡散領
域からの光電流すなわち信号を前記信号出力用スイッチ
手段によって選択して出力する。これによって、複数の
受光部拡散領域の内の任意の所望の受光部拡散領域の光
量測定を行うことができる。この場合、前記複数の受光
部拡散領域と前記半導体基板との間の接合バイアス電圧
はゼロボルトに設定されているから、受光部拡散領域と
半導体基板との間のｐｎ接合ダイオードが逆バイアスさ
れて暗電流が発生することがなくなり、微弱光の測定も
適切に行うことができるようになる。

【０００９】さらに、非選択時に前記受光部拡散領域か
ら光電流を捨て流すための光電流排除用スイッチ手段を
設けたから、無用の光電流を的確に除去することができ
る。これによって、非選択時に受光部拡散領域などに蓄
積された電荷がその後の光量測定に悪影響を与えること
もなくなる。

【００１０】また、前記信号出力用スイッチ手段および
前記光電流排除用スイッチ手段は、それぞれ、前記半導
体基板上に形成した第２の導電型のドレインおよびソー
ス拡散領域を有するＭＯＳトランジスタから構成し、こ
れらＭＯＳトランジスタのドレイン拡散領域は前記基板
電位源に接続すると好都合である。

【００１１】このような構成によって、前記信号出力用
スイッチ手段および前記光電流排除用スイッチ手段を構
成するＭＯＳトランジスタのドレインおよびソース拡散
領域と前記半導体基板との間のｐｎ接合が逆バイアスさ
れて暗電流が発生することがなくなり、暗電流による光
量測定への悪影響が的確に除去できる。

【００１２】さらに前記信号出力用スイッチ手段と前記
光電流排除用スイッチ手段とを互いに相補的にオンオフ
制御するための制御部を設けることにより、前記受光部
拡散領域が常に前記信号出力用スイッチ手段または前記
光電流排除用スイッチ手段のいずれか一方を介して光電
流を排出することができ、無用の電荷の蓄積によってそ
の後の光量測定に悪影響を与えることがなくなる。ま
た、前記信号出力用スイッチ手段あるいは前記光電流排
除用スイッチ手段を介して前記受光部拡散領域のバイア
ス電圧を常に前記半導体基板のバイアス電圧と同じ値に
設定することができ、前記各々の拡散領域と前記半導体
基板との間の接合バイアス電圧を常にゼロボルトに保つ
ことができ、暗電流の発生を的確に防止できる。

【００１３】次に、本発明の別の態様に係わる光電変換
装置では、基板バイアス電位源に接続された第１の導電
型の半導体基板と、それぞれ前記第１の導電型と逆の第
２の導電型を有し、前記半導体基板との間でフォトダイ
オードを構成するｐｎ接合を形成する複数の受光部拡散
領域と、各々の受光部拡散領域に対応して設けられ、主
電流経路が前記受光部拡散領域と前記半導体基板との間
で形成されるフォトダイオードの一方の電極と出力線と
の間に接続され、前記複数の受光部拡散領域の内から任
意の所望の受光部拡散領域の信号を選択的に出力端子に
出力するための複数の信号出力用ＭＯＳトランジスタ
と、各々の受光部拡散領域に対応して設けられ、主電流
経路が前記受光部拡散領域と前記半導体基板との間で形
成されるフォトダイオードの前記一方の電極と前記基板
バイアス電位源との間に接続され、非選択時に前記受光
部拡散領域から光電流を捨て流すための複数の光電流排
除用ＭＯＳトランジスタと、前記各々の受光部拡散領域
に対応する前記信号出力用ＭＯＳトランジスタと前記光
電流排除用ＭＯＳトランジスタのゲートに相補的な制御
信号を供給し、前記各々の受光部拡散領域が常に前記出
力線または前記基板バイアス電位源のいずれか一方に接
続されるよう制御する制御用論理回路とを備え、前記出
力端子は前記出力線を前記基板バイアス電位にするため
の外部回路に接続され、前記信号出力用ＭＯＳトランジ
スタおよび前記光電流排除用ＭＯＳトランジスタのドレ
イン拡散は前記基板バイアス電位源が接続されて暗電流
の発生を防止する。

【００１４】このような構成に係わる光電変換装置にお
いても、前記複数の受光部拡散領域の内のそれぞれの受
光部拡散領域は入射光に応じた光電流を発生する。そし
て、前記制御用論理回路によって選択された所望の受光
部拡散領域からの信号を出力するために前記信号出力用
ＭＯＳトランジスタがオンとされる。また、選択された
受光部拡散領域以外の非選択受光部拡散領域に接続され
た光電流排除用ＭＯＳトランジスタをオンとする。これ
によって、選択された受光部拡散領域からは前記信号出
力用ＭＯＳトランジスタを介して入射光に対応する光電
流信号が前記出力線に出力される。また、非選択受光部
拡散領域からの無用の光電流は前記光電流排除用ＭＯＳ
トランジスタを介して前記基板バイアス電位源に捨て流
される。これによって、任意の所望の受光部拡散領域に
よって的確に光量測定を行うことが可能になる。

【００１５】この場合、前記信号出力用ＭＯＳトランジ
スタおよび前記光電流排除用ＭＯＳトランジスタのソー
スおよびドレイン拡散と前記半導体基板との間、および
前記受光部拡散領域と前記半導体基板との間の接合バイ
アス電圧はゼロボルトとされているから、それぞれのｐ
ｎ接合部分に逆バイアス電圧が掛かることはなくなり暗
電流の発生が防止される。これによって、微弱光まで的
確に光量測定を行うことが可能になる。

【００１６】また、前記出力線は抵抗素子のようなイン
ピーダンス素子を介して前記基板バイアス電位源に接続
しておくことにより、前記信号出力用ＭＯＳトランジス
タを介して選択された受光部拡散領域の電位を基板バイ
アス電位と同じにすることができ、選択された受光部拡
散領域の逆バイアス電圧による暗電流を防止できる。な
お、この場合非選択受光部拡散領域は前記光電流排除用
ＭＯＳトランジスタを介して基板バイアス電位源に接続
されているから、前記半導体基板との間のｐｎ接合が逆
バイアスとなることはなくなり、したがって、非選択受
光部拡散領域における暗電流の発生も的確に防止でき
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
わる光電変換装置につき説明する。図１は、本発明の一
実施形態に係わる光電変換装置の概略の構成を示す。図
１の光電変換装置は、例えば２行３列のマトリクス状に
配置された６個の受光部、すなわちフォトダイオードＰ
Ｄ１１，ＰＤ１２，ＰＤ１３，ＰＤ２１，ＰＤ２２，Ｐ
Ｄ２３を備えている。なお、これらフォトダイオードＰ
Ｄ１１，…，ＰＤ２３の配置はマトリクス状のみならず
必要に応じて任意の配列とすることができる。

【００１８】図１の光電変換装置は、さらにそれぞれの
フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３の
アノードにそれぞれソースが接続された６個の光電流排
除用ＭＯＳトランジスタＱ１ａ，Ｑ２ａ，…，Ｑ６ａを
備えている。これらのＭＯＳトランジスタＱ１ａ，Ｑ２
ａ，…，Ｑ６ａのドレインは共通に基板電位配線３を介
して基板電位源７に接続されている。基板電位源７の生
成する電位は、例えば、グランド電位とすることがで
き、したがってこの場合は基板電位配線３はグランド配
線となる。

【００１９】各フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，
…，ＰＤ２３のアノードにはそれぞれ、信号出力用ＭＯ
ＳトランジスタＱ１ｂ，Ｑ２ｂ，…，Ｑ６ｂのソースが
接続されている。これらＭＯＳトランジスタＱ１ｂ，Ｑ
２ｂ，…，Ｑ６ｂのドレインは共通に出力配線５を介し
て出力端子９に接続されている。

【００２０】上記電流排除用ＭＯＳトランジスタＱ１
ａ，Ｑ２ａ，…，Ｑ６ａおよび信号出力用ＭＯＳトラン
ジスタＱ１ｂ，Ｑ２ｂ，…，Ｑ６ｂのゲートは、それぞ
れ制御用論理回路１１に接続されている。制御用論理回
路１１は、１つのフォトダイオードに接続された電流排
除用ＭＯＳトランジスタと信号出力用ＭＯＳトランジス
タとのゲートに常に逆極性の制御信号を供給する。すな
わち、同じフォトダイオードに接続された電流排除用Ｍ
ＯＳトランジスタと信号出力用ＭＯＳトランジスタとは
相補的にオンオフ制御される。

【００２１】また、各フォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ
１２，…，ＰＤ２３のカソードは共通に前記基板電位配
線３を介して基板電位源７、例えばグランド、に接続さ
れている。また、前記出力配線５は、図示しない抵抗素
子またはインピーダンス素子を介して基板電位源に接続
されている。あるいは、出力配線５は、出力端子９に接
続された外部回路において何らかの回路、例えば抵抗素
子、インピーダンス素子、トランジスタ回路、によって
基板電位にされるように構成することができ、この場合
は図１の回路内で出力配線５を抵抗素子またはインピー
ダンス素子で基板電位に接続する必要はない。

【００２２】図１の光電変換装置においては、各フォト
ダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３に図示し
ない被写体からの画像光が入射すると、それぞれのフォ
トダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３は入射
した画像光に対応する光電流を生成する。そして、制御
用論理回路１１はこれらのフォトダイオードＰＤ１１，
ＰＤ１２，…，ＰＤ２３の内例えば１つを選択してその
選択されたフォトダイオードの光電流を出力端子９から
外部に出力することができる。すなわち、制御用論理回
路１１は、選択されたフォトダイオードのアノードに接
続された信号出力用ＭＯＳトランジスタをオンとし、同
じフォトダイオードのアノードに接続された光電流排除
用ＭＯＳトランジスタをオフにする。これによって、出
力端子９から、出力配線５およびオンとなった信号出力
用ＭＯＳトランジスタを介して選択されたフォトダイオ
ードを通り入射光に対応する光電流が流れ、入射光量を
測定することが可能になる。

【００２３】このような動作において、制御用論理回路
１１は選択されなかったフォトダイオードにつながる信
号出力用ＭＯＳトランジスタをカットオフし、かつ電流
排除用ＭＯＳトランジスタをオンとする。これによっ
て、非選択のフォトダイオードを流れる光電流が電流排
除用ＭＯＳトランジスタを介して排除され、無用の蓄積
電荷を除去する。このようにして、制御用論理回路１１
からの制御信号により、任意のフォトダイオードを選択
し、該フォトダイオードを流れる光電流に対応する信号
を出力することができる。

【００２４】なお、制御用論理回路１１は、フォトダイ
オードＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３の内任意の個
数のフォトダイオードを選択してもよく、あるいは特定
の組合わせでフォトダイオードを選択することもでき
る。これによって、所望の受光領域に形成されたフォト
ダイオードの中から、露光量測定に必要なフォトダイオ
ードの光電流を出力端子９から的確に出力することがで
きる。

【００２５】図１の光電変換装置においては、それぞれ
のフォトダイオードのアノードは常に電流排除用ＭＯＳ
トランジスタまたは信号出力用ＭＯＳトランジスタによ
って基板電位配線３または出力配線５のいずれか一方に
電気的に接続される。したがって、各フォトダイオード
ＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３のアノードは常に基
板電位となる。また、各フォトダイオードＰＤ１１，Ｐ
Ｄ１２，…，ＰＤ２３のカソードは基板電位配線３を介
して基板電位源７に接続されているから、常に基板電位
となっている。したがって、各フォトダイオードＰＤ１
１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３のｐｎ接合はほぼゼロボル
トのバイアス状態とされる。したがって、ｐｎ接合の逆
バイアスによる暗電流は的確に除去され、微弱光領域に
おいても暗電流の影響を受けることなく的確に光量測定
を行うことができる。

【００２６】図２は、図１の光電変換装置の内の１個の
フォトダイオードおよび１個の信号出力用ＭＯＳトラン
ジスタを含む具体的な装置構成を部分的に示す。図２の
装置では、ｎ型半導体基板１３上にフォトダイオードを
形成するためのｐ型拡散領域１５が形成されている。ま
た、信号出力用ＭＯＳトランジスタとしてのｐ型ＭＯＳ
トランジスタを形成するためにｎ型半導体基板１１上に
ｐ型ソース拡散領域１７およびｐ型ドレイン拡散領域１
９が形成されている。また、ｎ型拡散によるチャネルカ
ット領域２９が受光部領域とｐ型ＭＯＳトランジスタ領
域との間に形成されて各素子を互いに分離している。実
際には例えば図１に示されるように６個の型拡散領域お
よび１２個のｐ型ＭＯＳトランジスタが形成されるた
め、これらのチャネルカット領域２９は、それぞれの素
子間を分離するよう形成される。

【００２７】また、２１は絶縁層であり、必要な部分に
コンタクト開口を有する。また、２３はｐ型拡散領域を
ｐ型ＭＯＳトランジスタのソース拡散１７に接続するた
めのアルミ配線、２５はｐ型ＭＯＳトランジスタのドレ
イン拡散１９を出力配線に接続するためのアルミ配線を
示す。さらに、２７はｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート
電極を構成する導電層であり、制御用論理回路１１（図
１）に接続される。なお、チャネルカット領域２９も基
板電位配線に接続されている。

【００２８】なお、受光領域を構成するｐ型拡散領域１
５の形状および配置は、光電変換装置の用途に応じて任
意に選択できることは言うまでもない。また、図２で
は、ｐ型拡散領域１５に信号出力用ｐ型ＭＯＳトランジ
スタのみが接続されているものとして示されているが、
実際には、ｐ型拡散領域１５には図示しない光電流排除
用ｐ型ＭＯＳトランジスタが接続配置されている。光電
流排除用ｐ型ＭＯＳトランジスタの構成も、図２に示さ
れた信号出力用ｐ型ＭＯＳトランジスタと同様のもので
よい。

【００２９】図２の構造において、ｎ型半導体基板１３
とｐ型受光部拡散１５およびｐ型ＭＯＳトランジスタの
ソースおよびドレイン拡散１７，１９とは、通常の場合
であればｎ型半導体１３側の電位が高くなるようにバイ
アスされるべきである。しかしながら、図２の構成で
は、受光部拡散１５およびｐ型ＭＯＳトランジスタのソ
ースおよびドレイン拡散１７，１９の電位をｎ型半導体
基板１３の電位と同電位としている。これによって、ｎ
型半導体基板１３から受光部拡散１５およびＭＯＳトラ
ンジスタのソースおよびドレイン拡散１７，１９へ流れ
るリーク電流、すなわち暗電流を低減することができ
る。

【００３０】実際には、ｎ型半導体基板１３、ｐ型受光
部拡散１５、ｐ型ＭＯＳトランジスタのソース拡散１７
およびドレイン拡散１９、そして出力配線５の電位をグ
ランド電位、すなわち０ｖとする。また、ＣＭＯＳ回路
で構成された制御用論理回路１１を構成するｐウェル拡
散の電位、すなわちローレベル電源側の電位、を−５
ｖ、ハイレベル電源側の基板電位を０ｖとし、制御用論
理信号のレベルを−５ｖおよび０ｖとすることで、光電
変換装置からの出力電位を０ｖとなるようにして出力後
の信号電流の処理を容易にすることができる。もちろ
ん、このような電位設定の他に、前述のように受光部拡
散１５と半導体基板の間などのｐｎ接合のバイアス電圧
をほぼ０ｖとすることができれば、他の電位配分にする
ことも可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、簡単な装
置構成により、受光面上の任意の場所における光量を選
択的に測定することが可能になると共に、ｐｎ接合の暗
電流の発生が押さえられるから、極めて微弱な光の領域
までも的確に光量測定を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる光電変換装置の概
略の回路構成を示すブロック回路図である。

【図２】図１の光電変換装置を構成する一部の半導体素
子の構成を示す部分的断面図である。

【符号の説明】

ＰＤ１１，ＰＤ１２，…，ＰＤ２３ フォトダイオード Ｑ１ａ，Ｑ２ａ，…，Ｑ６ａ 電流排除用ＭＯＳトラン
ジスタ Ｑ１ｂ，Ｑ２ｂ，…，Ｑ６ｂ 信号出力用ＭＯＳトラン
ジスタ ３ 基板電位配線 ５ 出力配線 ７ 基板電位源 ９ 出力端子 １１ 制御用論理回路 １３ ｎ型半導体基板 １５ ｐ型受光部拡散領域 １７ ソース拡散領域 １９ ドレイン拡散領域 ２１ 絶縁層 ２３，２５ アルミ配線 ２７ ゲート導電膜 ２９ チャネルカット領域

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の導電型の半導体基板と、 それぞれ前記第１の導電型と逆の第２の導電型を有し、
   前記半導体基板との間でｐｎ接合ダイオードを形成する
   複数の受光部拡散領域と、 前記複数の受光部拡散領域の内から任意の所望の受光部
   拡散領域の信号を選択的に出力するための信号出力用ス
   イッチ手段と、 非選択時に前記受光部拡散領域から光電流を捨て流すた
   めの光電流排除用スイッチ手段と、 を具備し、前記複数の受光部拡散領域と前記半導体基板
   との間の接合バイアス電圧をゼロボルトとして暗電流の
   発生を防止したことを特徴とする光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記信号出力用スイッチ手段および前記
   光電流排除用スイッチ手段は、それぞれ、前記半導体基
   板上に形成した第２の導電型のドレインおよびソース拡
   散領域を有するＭＯＳトランジスタからなり、 これらＭＯＳトランジスタのドレイン拡散領域は、前記
   基板電位源が接続されることを特徴とする請求項１に記
   載の光電変換装置。
3. 【請求項３】 さらに、前記信号出力用スイッチ手段と
   前記光電流排除用スイッチ手段とを互いに相補的にオン
   オフ制御するための制御部を備えたことを特徴とする請
   求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 基板バイアス電位源に接続された第１の
   導電型の半導体基板と、 それぞれ前記第１の導電型と逆の第２の導電型を有し、
   前記半導体基板との間でフォトダイオードを構成するｐ
   ｎ接合を形成する複数の受光部拡散領域と、 各々の受光部拡散領域に対応して設けられ、主電流経路
   が前記受光部拡散領域と前記半導体基板との間で形成さ
   れるフォトダイオードの一方の電極と出力線との間に接
   続され、前記複数の受光部拡散領域の内から任意の所望
   の受光部拡散領域の信号を選択的に出力端子に出力する
   ための複数の信号出力用ＭＯＳトランジスタと、 各々の受光部拡散領域に対応して設けられ、主電流経路
   が前記受光部拡散領域と前記半導体基板との間で形成さ
   れるフォトダイオードの前記一方の電極と前記基板バイ
   アス電位源との間に接続され、非選択時に前記受光部拡
   散領域から光電流を捨て流すための複数の光電流排除用
   ＭＯＳトランジスタと、 前記各々の受光部拡散領域に対応する前記信号出力用Ｍ
   ＯＳトランジスタと前記光電流排除用ＭＯＳトランジス
   タのゲートに相補的な制御信号を供給し、前記各々の受
   光部拡散領域が常に前記出力線または前記基板バイアス
   電位源のいずれか一方に接続されるよう制御する制御用
   論理回路と、 を具備し、 前記出力端子は、前記出力線を前記基板バイアス電位に
   するための外部回路に接続され、前記信号出力用ＭＯＳ
   トランジスタおよび前記光電流排除用ＭＯＳトランジス
   タのドレイン拡散領域は、前記基板バイアス電位源が接
   続されて暗電流の発生を防止したことを特徴とする光電
   変換装置。