JP5223756B2 - 光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、光検出器に関する。

フォトトランジスタは、入射光の照度変化に応じてフォトトランジスタのドレイン電流が変化する光−電気特性（図６参照）を有するので、入射光の照度を検出するためのフォトセンサとして利用されている。
ここで、フォトトランジスタのドレイン電流は電流信号であるため、その取り扱いを容易にすべく、フォトトランジスタのドレイン電流の信号を、電流−電圧変換器によって電圧信号に変換し、この電圧信号を出力信号として用いるように構成されているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−３１１６６３号公報

しかしながら、フォトトランジスタは、駆動時に各端子に電圧が印加されることにより、その電気的特性が経時的に次第に劣化することがある。そのため、入射光の照度が一定であっても、入射光に対するドレイン電流の値が減少してしまう場合があった。
また、上記従来技術の場合、フォトトランジスタの光−電気特性の変化が反映された電流信号を電圧信号に変換する手順を踏むため、その電流−電圧変換処理に要する分、光検出の応答速度が遅くなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、好適な光検出を可能にする光検出器を提供することである。

以上の課題を解決するため、本発明の一の態様は、光検出器であって、
受光用のフォトトランジスタと、
遮光された又は一定の照度の光が照射された参照用トランジスタと、
前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート−ソース間電圧を等電圧に維持し、前記フォトトランジスタに一定の電流値の第１の電流を流し、前記参照用トランジスタに一定の電流値の第２の電流を流した状態で、前記フォトトランジスタのドレイン電位を検出する電圧検出回路と、
を備えることを特徴としている。
好ましくは、前記電圧検出回路は、
前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのソースに対して共通に接続される第一の電圧源と、
前記参照用トランジスタのドレイン電圧を指定するとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電圧を制御するための第二の電圧源と、
第三の電圧源と、
前記第三の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインの間に接続された負荷抵抗と、
前記フォトトランジスタのドレインに接続され、前記フォトトランジスタに前記第１の電流を供給する電流源と、を備える。
また、好ましくは、前記電圧検出回路は、前記第二の電圧源が反転入力端子に接続され、前記参照用トランジスタのドレインが非反転入力端子に接続され、出力端子が前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲートに接続されて、前記第二の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインをイマジナリーショートさせるとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電位を定めるオペアンプを備える。
また、好ましくは、前記電圧検出回路は、
前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのソースに対して共通に接続される第一の電圧源と、
前記参照用トランジスタのドレイン電圧を指定するとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電圧を制御するための第二の電圧源と、
第三の電圧源と、
第四の電圧源と、
前記第三の電圧源にそれぞれのソースが接続され、前記第四の電圧源にそれぞれのゲートが接続されて、一方のドレインが前記参照用トランジスタのドレインに接続され、他方のドレインが前記フォトトランジスタのドレインに接続されている一対のトランジスタと、を備える。
また、好ましくは。前記電圧検出回路は、前記第二の電圧源が反転入力端子に接続され、前記参照用トランジスタのドレインが非反転入力端子に接続され、出力端子が前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲートに接続されて、前記第二の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインをイマジナリーショートさせるとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電位を定めるオペアンプを備える。

本発明によれば、光検出器におけるフォトトランジスタ及び参照用トランジスタのゲート−ソース間電圧が等電圧に維持されることで、フォトトランジスタと参照用トランジスタの電気的特性の劣化の程度を概ね揃えることができて、フォトトランジスタの電気的特性の劣化の影響を殆ど受けずに、好適な光検出を行うことができる。
更に、フォトトランジスタのドレイン電位を出力信号として直接的に検出することによって入射光の照度を検知することができるので、従来のように、フォトトランジスタの光−電気特性の変化が反映された電流信号を電圧信号に変換する手法に比べ、光検出の応答速度を速めることが可能となる。

本発明を適用した実施形態１における光検出器を示した回路図である。 遮光フォトトランジスタ（ａ）と、フォトトランジスタ（ｂ）の、動作に関し、ドレイン−ソース間電圧とドレイン電流との相関を示すグラフである。 本発明を適用した実施形態２における光検出器を示した回路図である。 本発明を適用した実施形態３における光検出器を示した回路図である。 本発明を適用した実施形態４における光検出器を示した回路図である。 各照度におけるフォトトランジスタのゲート−ソース間電圧とドレイン電流との関係を示したグラフである。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、光検出器１０を示した回路図である。
図１に示すように、光検出器１０は、参照用トランジスタである遮光フォトトランジスタＴ０と、フォトトランジスタＴ１と、第一の電圧源１と、第二の電圧源２と、第三の電圧源３と、オペアンプＡｍｐと、負荷抵抗Ｒｄと、電流源５等を有する。これらのうち、図中、点線で示された領域内の回路が電圧検出回路１０ａである。
そして、この電圧検出回路１０ａを構成する素子はＬＳＩ上に形成され、遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１がガラス基板又はプラスチック基板に形成されている。なお、遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１が、ガラス基板又はプラスチック基板ではなく、ＬＳＩに形成されていてもよい。

遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１はともにアモルファスシリコンのＴＦＴである。
遮光フォトトランジスタＴ０は参照用であって遮光されている。フォトトランジスタＴ１は受光用である。なお、フォトトランジスタＴ０が遮光されたものではなく、一定の照度の光が照射されたものとしてもよい。

遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１は、隣接して近傍に配置されている。
遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のゲートはともにオペアンプＡｍｐの出力端子に接続されている。
遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のソースは、第一の電圧源１に接続されている。第一の電圧源１はＶｓ［Ｖ］の電位を供給する。
また、フォトトランジスタＴ１のドレインは、電流源５に接続されている。電流源５はＩｒ１［Ａ］の電流を供給する。

負荷抵抗Ｒｄは、遮光フォトトランジスタＴ０のドレインと第三の電圧源３との間に接続されている。
第三の電圧源３はＶｄｄ［Ｖ］の電位を供給するものであり、その電位の値は特に限定するものではない。

オペアンプＡｍｐの反転入力端子が第二の電圧源２に接続され、オペアンプＡｍｐの非反転入力端子が遮光フォトトランジスタＴ０のドレインに接続されている。第二の電圧源２はＶｄ［Ｖ］の電位を供給する。

次に、光検出器１０の作用について説明する。

遮光フォトトランジスタＴ０のソース電位とフォトトランジスタＴ１のソース電位が等しくなっている。即ち、第一の電圧源１によって一定の電圧が遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のソースに印加され、その値はＶｓ［Ｖ］に固定されている。Ｖｓの具体的数値は特に限定するものではないが、例えば、Ｖｓ＝０［Ｖ］であるとする。

また、第二の電圧源２によって一定の電圧がオペアンプＡｍｐの反転入力端子に印加され、その値はＶｄ［Ｖ］に固定されている。Ｖｄの具体的数値は特に限定するものではないが、例えば、Ｖｄ＝３［Ｖ］であるとする。
そのオペアンプＡｍｐによって遮光フォトトランジスタＴ０のドレインが第二の電圧源２にイマジナリーショートし、遮光フォトトランジスタＴ０のドレイン電位がＶｄに固定されている。
また、オペアンプＡｍｐの出力電圧が遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のゲート電位となっている。
その結果、遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のゲート−ソース間電圧が常に等しくなる（Ｖｇｓ０＝Ｖｇｓ１）。

また、遮光フォトトランジスタＴ０のドレイン電位が、オペアンプＡｍｐによるイマジナリーショートによってＶｄに固定されることに対し、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位Ｖoutは、電流源５が供給する電流（Ｉｒ１［Ａ］）によりフォトトランジスタＴ１のドレイン−ソース間電流（Ｉｄｓ１）が一定になる電位に制御・固定される。
その結果、遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のドレイン−ソース間電圧は常に等しくはならない（Ｖｄｓ０≠Ｖｄｓ１）。

また、遮光フォトトランジスタＴ０のドレインに、負荷抵抗Ｒｄを介し、電位がＶｄｄ［Ｖ］である第三の電圧源３が接続されており、そのＶｄｄ［Ｖ］は、Ｖｓ＜Ｖｄ＜Ｖｄｄの関係が成り立つものである。

次に、図２（ａ）（ｂ）を参照して、遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１の動作例を示す。

まず、図２（ａ）に示すように、遮光フォトトランジスタＴ０では、Ｖｄｓが３［Ｖ］（＝Ｖｄ−Ｖｓ＝Ｖｄｓ０）に固定され、且つＩｄｓが常にＩｒ０（＝（Ｖｄｄ−Ｖｄ）／Ｒ_０＝Ｉｄｓ０；Ｒ_０は負荷抵抗Ｒｄの抵抗値［Ω］）となるように、Ｖｇｓ（＝（オペアンプＡｍｐの出力電位）−Ｖｓ＝Ｖｇｓ０）が制御されている。
このＶｇｓ０は、遮光フォトトランジスタＴ０の特性に応じたものであって、フォトトランジスタＴ１にも印加される。

そして、図２（ｂ）に示すように、フォトトランジスタＴ１では、遮光フォトトランジスタＴ０の特性に応じて決定されたＶｇｓ０にＶｇｓが固定され（Ｖｇｓ１＝Ｖｇｓ０）、且つＩｄｓが常に電流源５によるＩｒ１［Ａ］となるように、Ｖｄｓ（＝Ｖout−Ｖｓ＝Ｖｄｓ１）が制御される。このＶｄｓ１は、フォトトランジスタＴ１の特性である受光状況を反映したものである。つまり、フォトトランジスタＴ１の受光状況がＶｄｓ１に反映されているので、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）を検出することで、フォトトランジスタＴ１の受光状況が反映された出力信号（電圧信号）を検出することができる。
ここで、図２（ｂ）は、遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１とが同じトランジスタサイズを有し、電流源５から供給する電流Ｉｒ１の電流値がＩｒ０の電流値と同じである場合の特性を示すものであり、電位Ｖoutは、入射光の照度がゼロであるときＶｄ［Ｖ］と同じ電位になり、入射光の照度が増加するにつれてＶｄ［Ｖ］より電位が低下する特性を示す。遮光フォトトランジスタＴ０とフォトトランジスタＴ１とのトランジスタサイズが異なっている場合、あるいは、電流源５から供給する電流Ｉｒ１の電流値とＩｒ０の電流値とが異なっている場合には、電位Ｖoutはそれぞれの設定値に応じた値になるが、入射光の照度がゼロであるときの電位から、入射光の照度の増加に応じて電位が低下する傾向は同様である。

以上のように、光検出器１０におけるフォトトランジスタＴ１及び遮光フォトトランジスタＴ０のゲート−ソース間電圧を常に等しく（Ｖｇｓ１＝Ｖｇｓ０）することで、フォトトランジスタＴ１の電気的特性の劣化の程度と遮光フォトトランジスタＴ０の電気的特性の劣化の程度を概ね揃えることができる。また、フォトトランジスタＴ１と遮光フォトトランジスタＴ０とが互いに近傍に配置されているため、両者の温度は殆ど等しくなる。このため、フォトトランジスタＴ１と遮光フォトトランジスタＴ０の温度変化に伴う電気的特性の変化も概ね揃えることができる。
そして、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）は、フォトトランジスタＴ１の電気的特性の劣化や温度変化の影響を殆ど受けず、フォトトランジスタＴ１における受光状況に依存し、その受光状況を反映したものとなるので、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）を検出することによって、好適な光検出、照度検知を行うことができる。
更に、この光検出器１０は、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位である出力電圧値（Ｖout）を検出することによって、フォトトランジスタＴ１が受光した光の照度を検知することができるので、従来のように、フォトトランジスタの光−電気特性の変化が反映された電流信号を電圧信号に変換する手法に比べ、光検出の応答速度を速めることが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態における光検出器１０（電圧検出回路１０ａ）では、フォトトランジスタＴ０，Ｔ１がｎチャネル型のＴＦＴであったが、図３に示すように、実施形態２の光検出器１１（電圧検出回路１１ａ）におけるフォトトランジスタＴ０，Ｔ１は、ｐチャネル型のＴＦＴである。その場合、各電圧源の電位は、Ｖｄｄ＜Ｖｄ＜Ｖｓの関係が成り立ち、電流源５による電流Ｉｒ１の向きが逆になる。
このような光検出器１１（電圧検出回路１１ａ）であっても、光検出器１０（電圧検出回路１０ａ）と同様に、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）を検出することによって、上記第１の実施形態と同様に、電気的特性の劣化や温度変化の影響を殆ど受けずに光検出・照度検知を行うことができるとともに、応答速度を速めることができる。

（第３の実施形態）
次に本発明に係る光検出器の実施形態について説明する。なお、実施形態１と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。

図４は、光検出器１２を示した回路図である。
図４に示すように、光検出器１２は、参照用トランジスタである遮光フォトトランジスタＴ０と、受光用のフォトトランジスタＴ１と、第一の電圧源１と、第二の電圧源２と、第三の電圧源３と、第四の電圧源４と、オペアンプＡｍｐと、一対のトランジスタＴａ，Ｔｂ等を有する。これらのうち、図中、点線で示された領域内の回路が電圧検出回路１２ａである。

遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のゲートはともにオペアンプＡｍｐの出力端子に接続されている。
遮光フォトトランジスタＴ０及びフォトトランジスタＴ１のソースは、電位Ｖｓ［Ｖ］の第一の電圧源１に接続されている。
なお、遮光フォトトランジスタＴ０のドレインは、トランジスタＴａのドレインに接続されており、フォトトランジスタＴ１のドレインは、トランジスタＴｂのドレインに接続されている。
また、オペアンプＡｍｐの反転入力端子は、電位Ｖｄ［Ｖ］の第二の電圧源２に接続され、オペアンプＡｍｐの非反転入力端子は、遮光フォトトランジスタＴ０のドレインに接続されている。

一対のトランジスタＴａ，Ｔｂは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（MOS Field Effect Transistor）であり、それぞれのソースに電位がＶｄｄ［Ｖ］の第三の電圧源３が接続され、それぞれのゲートに電位がＶｒ［Ｖ］の第四の電圧源４が接続されている。
また、一方のトランジスタＴａのドレインに、遮光フォトトランジスタＴ０のドレインが接続され、他方のトランジスタＴｂのドレインに、フォトトランジスタＴ１のドレインが接続されている。
なお、各電圧源の電位には、Ｖｓ＜Ｖｄ＜Ｖｄｄの関係が成り立つ。

このように、光検出器１０（電圧検出回路１０ａ）における負荷抵抗Ｒｄと電流源５を、一対のトランジスタＴａ，Ｔｂと第四の電圧源４に置き換えた回路構成の光検出器１２（電圧検出回路１２ａ）であっても、光検出器１０（電圧検出回路１０ａ）と同様に、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）を検出することによって、上記第１、第２の実施形態と同様に、電気的特性の劣化や温度変化の影響を殆ど受けずに光検出・照度検知を行うことができるとともに、応答速度を速めることができる。

（第４の実施形態）
第３の実施形態における光検出器１２（電圧検出回路１２ａ）では、フォトトランジスタＴ０，Ｔ１がｎチャネル型のＴＦＴであり、一対のトランジスタＴａ，Ｔｂがｐチャネル型のトランジスタであったが、図５に示すように、実施形態４の光検出器１３（電圧検出回路１３ａ）におけるフォトトランジスタＴ０，Ｔ１はｐチャネル型のＴＦＴであり、一対のトランジスタＴａ，Ｔｂがｎチャネル型のトランジスタである。その場合、各電圧源の電位は、Ｖｄｄ＜Ｖｄ＜Ｖｓの関係が成り立つ。
このような光検出器１３（電圧検出回路１３ａ）であっても、フォトトランジスタＴ１のドレイン電位（Ｖout）を検出することによって、上記第３の実施形態と同様に、電気的特性の劣化や温度変化の影響を殆ど受けずに光検出・照度検知を行うことができるとともに、応答速度を速めることができる。

なお、本発明の適用は上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 第一の電圧源
２ 第二の電圧源
３ 第三の電圧源
４ 第四の電圧源
５ 電流源
１０、１１ 光検出器
１０ａ、１１ａ 電圧検出回路
１２、１３ 光検出器
１２ａ、１３ａ 電圧検出回路
Ｔ０ 遮光フォトトランジスタ（参照用トランジスタ）
Ｔ１ フォトトランジスタ
Ｔａ、Ｔｂ トランジスタ（一対のトランジスタ）
Ａｍｐ オペアンプ
Ｒｄ 負荷抵抗

Claims (5)

1. 受光用のフォトトランジスタと、
   遮光された又は一定の照度の光が照射された参照用トランジスタと、
   前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート−ソース間電圧を等電圧に維持し、前記フォトトランジスタに一定の電流値の第１の電流を流し、前記参照用トランジスタに一定の電流値の第２の電流を流した状態で、前記フォトトランジスタのドレイン電位を検出する電圧検出回路と、
   を備えることを特徴とする光検出器。
2. 前記電圧検出回路は、
   前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのソースに対して共通に接続される第一の電圧源と、
   前記参照用トランジスタのドレイン電圧を指定するとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電圧を制御するための第二の電圧源と、
   第三の電圧源と、
   前記第三の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインの間に接続された負荷抵抗と、
   前記フォトトランジスタのドレインに接続され、前記フォトトランジスタに前記第１の電流を供給する電流源と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記電圧検出回路は、前記第二の電圧源が反転入力端子に接続され、前記参照用トランジスタのドレインが非反転入力端子に接続され、出力端子が前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲートに接続されて、前記第二の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインをイマジナリーショートさせるとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電位を定めるオペアンプを備えることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
4. 前記電圧検出回路は、
   前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのソースに対して共通に接続される第一の電圧源と、
   前記参照用トランジスタのドレイン電圧を指定するとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電圧を制御するための第二の電圧源と、
   第三の電圧源と、
   第四の電圧源と、
   前記第三の電圧源にそれぞれのソースが接続され、前記第四の電圧源にそれぞれのゲートが接続されて、一方のドレインが前記参照用トランジスタのドレインに接続され、他方のドレインが前記フォトトランジスタのドレインに接続されている一対のトランジスタと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
5. 前記電圧検出回路は、前記第二の電圧源が反転入力端子に接続され、前記参照用トランジスタのドレインが非反転入力端子に接続され、出力端子が前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲートに接続されて、前記第二の電圧源と前記参照用トランジスタのドレインをイマジナリーショートさせるとともに、前記フォトトランジスタ及び前記参照用トランジスタのゲート電位を定めるオペアンプを備えることを特徴とする請求項４に記載の光検出器。

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