JP4198047B2 - 光検出装置、固体撮像装置およびカメラシステム - Google Patents
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Description
Ids=Io exp((φg−Vs)q/kT) (1)
ここで、Ioは比例定数であり、qは電子1個あたりの電荷量、kはボルツマン定数、Tは絶対温度を表す。φgはゲート下部のサーフェスポテンシャル、Vsはソース電位である。
Vg=mφg+a (2)
ここで、m=dVg/dφg=1+Cd/Cox〜1.1(Cox:酸化膜容量、Cd:ゲート下部の空乏層容量)、
aは定数である。これより以下の式(3)が得られる。
Ids=Io exp(((Vg−a)/m−Vs)q/kT) (3)
ここで、図10よりIds=Ipd、Vg=Vddとすると、Vout(=Vs)は以下の式(4)のように表される。
Vout=(Vdd−a)/m−(kT/q)ln(Ipd/Io) (4)
以上から、光電流Ipdに対して出力Voutが対数特性をもつことがわかる。さらに異なる光量での光電流をIpd1とIpd2とし、そのときの出力電圧をVout1、Vout2とすれば、以下の式(5)が得られる。
Vout2−Vout1=−(kT/q)ln(Ipd2/Ipd1) (5)
例えば常温の時に光量が10倍に変化する時(すなわちIpd2=Ipd1×10)、
Vout2−Vout1=−(kT/q)ln(10) 〜 −60mV (6)
となる。これは、光量変化率に対する出力電圧変化量が絶対温度以外に依存せず、一定値であることを示している。今、光量変化率をαとすれば、その時の出力電圧変化量は
ΔVout=−(kT/q)ln(α) (7)
と表される。
図1は、本発明の実施の形態1における光検出装置100を示す。
Ipd=Io exp(((Vg−a)/m−Vout)q/kT) (8)
光量がα倍に変化した場合、式(8)は下記式(9)に変形される。
α×Ipd=Io exp(((Vg+ΔVg−a)/m−(Vout+ΔVout))
q/kT) (9)
ここで、ΔVoutはVoutの変化量を示し、ΔVgはVgの変化量を示す。
+Cgs+Cgb)、0<β<1とすると、ΔVg=ΔVout×βであるので、式(8)および式(9)より下記式(10)が得られる。
ΔVout=−(kT/q)ln(α)/(1−β/m) (10)
上述した式(7)に比べ、式(10)には1/(1−β/m)の項が乗されている。通常、サブスレッシュド領域ではCgd=Cgs、Cgb<<Cgsであるからβ〜0.5、m=1.1となる。このとき、ΔVoutは下記式(11)で表される。
ΔVout=−(kT/q)ln(α)×1.8 (11)
式(11)より、光検出装置100は、出力信号の電圧変化量を1.8倍にすることができる。従って、光量の変化範囲が、160dB(=10の8乗)の場合、出力信号の電圧変化量は60mV×1.8×8=860mV程度になり、従来の線形変換型イメージセンサの出力信号の電圧変化量(約1V)とほぼ同等の値が得ることができる。同時に光の変化量に対する出力信号の電圧変化量が1.8倍になっているため、感度も1.8倍に向上する。
ΔVout=−(kT/q)ln(α)×2.5 (13)
式(13)より、光の変化範囲が160dB(=10の8乗)の場合における出力信号の電圧変化量を、60mV×2.5×8=1200mVと更に大きくできるとともに、感度は2.5倍に向上する。
、(15)で表される。
β〜Cgs/(Cgd+Cgs)=0.75 (14)
ΔVout=−(kT/q)ln(α)×3.1 (15)
式(15)より、光の変化範囲が160dB(=10の8乗)の場合の出力信号の電圧変化量を60mV×3.1×8=1490mVとかなり大きくすることができる。この時の感度向上率は3.1倍である。
図4に、本発明の実施の形態2における固体撮像装置200を示す。固体撮像装置200は、2次元に配列された複数の光検出装置400と、垂直走査回路部201と、水平走査回路部202とを備える。図4では、説明を簡単にするために4つの光検出装置400を示しているが、光検出装置400の個数は任意である。例えば、固体撮像装置200の画素数が500万画素である場合には、固体撮像装置200は光検出装置400を約500万個備える。
図6に、本発明の実施の形態3における固体撮像装置300を示す。固体撮像装置300は、2次元に配列された複数の光検出装置600と、垂直走査回路部201aと、水平走査回路部202とを備える。図6では、説明を簡単にするために4つの光検出装置600を示しているが、光検出装置600の個数は任意である。例えば、固体撮像装置300の画素数が500万画素である場合には、固体撮像装置300は、光検出装置600を約500万個備える。
図9に、本発明の実施の形態4におけるカメラシステム700を示す。カメラシステム700は、例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯端末装置、スキャナ、ファクシミリ等であり得る。
102 対数変換用トランジスタ
Claims (13)
- 入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、
前記対数変換用トランジスタは、ソース領域およびドレイン領域のうちの一方である第1領域と、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方である第2領域と、ゲート電極とを備え、
前記第1領域は前記フォトダイオードに接続されており、
前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第2領域には第1電圧が印加されており、
前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、
前記第1領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスは、前記第2領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスよりも大きい、光検出装置。 - 前記ゲート電極と前記第1領域とが重複しているゲート幅は、前記ゲート電極と前記第2領域とが重複しているゲート幅よりも大きいかまたは、前記ゲート電極と前記第1領域とが重複しているゲート幅に直交する方向の長さは、前記ゲート電極と前記第2領域とが重複しているゲート幅に直交する方向の長さよりも長い、請求項1に記載の光検出装置。
- 前記第1領域の前記ゲート電極下に拡散している面積は、前記第2領域の前記ゲート電極下に拡散している面積よりも広い、請求項1に記載の光検出装置。
- 前記第1領域の前記ゲート電極下に拡散している面積は、前記第2領域の前記ゲート電極下に拡散している面積よりも広い、請求項2に記載の光検出装置。
- 前記対数変換用トランジスタによって対数変換された電圧値を有する電気信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部に接続された第1スイッチ部とをさらに備え、
前記増幅部は増幅した電気信号を前記第1スイッチ部を介して出力する、請求項1に記載の光検出装置。 - 前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段は、前記ゲート電極に接続された第2スイッチ部であり、
前記第2スイッチ部がオン状態のときは前記ゲート電極に第2電圧が印加され、前記第2スイッチ部がオフ状態のときは前記ゲート電極の電圧はフローティング状態にされる、請求項1に記載の光検出装置。 - 定電流を発生する定電流電源部と、
前記第1領域と前記定電流電源部とに接続された第3スイッチ部とをさらに備え、
前記第3スイッチ部がオン状態のときに前記第1領域に前記定電流が入力される、請求項6に記載の光検出装置。 - 前記第2スイッチ部および前記第3スイッチ部がオン状態のときに前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項7に記載の光検出装置。
- 前記第2スイッチ部がオン状態であって前記第1電圧がローレベルに下がった後にハイレベルにした後に前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項6に記載の光検出装置。
- 前記第1領域と前記フォトダイオードとに接続された第4スイッチ部をさらに備え、
前記第4スイッチ部がオン状態のときに前記第1領域に前記電気信号が入力される、請求項6に記載の光検出装置。 - 前記第4スイッチ部がオフ状態のときに前記対数変換用トランジスタはリセット信号を発生する、請求項10に記載の光検出装置。
- 複数の光検出装置を備えた固体撮像装置であって、
前記複数の光検出装置のそれぞれは、
入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、
前記対数変換用トランジスタは、ソース領域およびドレイン領域のうちの一方である第1領域と、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方である第2領域と、ゲート電極とを備え、
前記第1領域は前記フォトダイオードに接続されており、
前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第2領域には所定の電圧が印加されており、
前記複数の光検出装置のそれぞれは、前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、
前記第1領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスは、前記第2領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスよりも大きい、固体撮像装置。 - 固体撮像装置を備えたカメラシステムであって、
前記固体撮像装置は複数の光検出装置を備え、
前記複数の光検出装置のそれぞれは、
入射光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオードと、
前記電気信号の電圧値を対数変換する対数変換用トランジスタとを備え、
前記対数変換用トランジスタは、ソース領域およびドレイン領域のうちの一方である第1領域と、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方である第2領域と、ゲート電極とを備え、
前記第1領域は前記フォトダイオードに接続されており、
前記対数変換用トランジスタがサブスレッシュド領域で動作するように、前記第2領域には所定の電圧が印加されており、
前記複数の光検出装置のそれぞれは、前記対数変換用トランジスタが前記電気信号の電圧値を対数変換するときに、前記ゲート電極の電圧をフローティング状態にする手段をさらに備え、
前記第1領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスは、前記第2領域と前記ゲート電極との間のキャパシタンスよりも大きい、カメラシステム。
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