JP5495864B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す概略図である。図1の光電変換装置は、光電変換素子10と、電流増幅手段20と、電流モニタ手段30と、電流出力端子40と、バイアス電圧設定手段50とを有する。バイアス電圧設定手段50は、ゲイン手段60を有する。光電変換素子10は、光電変換により光を電流に変換する。電流増幅手段20は、光電変換素子10により変換された電流を増幅する。電流モニタ手段30は、電流増幅手段20により増幅された電流をモニタしたモニタ信号を出力する。電流出力端子40は、電流モニタ手段30によりモニタされた出力電流を出力する。ゲイン手段60は、電流モニタ手段30によりモニタされたモニタ信号に対して1より小さいゲインをかける。ゲイン手段60の信号ゲインは、1/A(A>1)である。バイアス電圧設定手段50は、ゲイン手段60によりゲインをかけられたモニタ信号に応じた逆バイアス電圧を光電変換素子10に印加する。光電変換素子10で発生する光電流が変化すると、電流増幅手段20から出力される電流、すなわち電流モニタ手段30を流れる電流が変化する。この時、光電変換素子10の逆バイアス電圧の設定値を変動させる出力電流モニタ信号がバイアス電圧設定手段50に入力される。バイアス電圧設定手段50は、信号ゲイン1/A(A>1)のゲイン手段60を有していることにより、逆バイアス電圧の変動を抑制することができる。これにより、光量変動による光電変換素子10の逆バイアス電圧の変動を抑えることが可能となり、光応答特性の良い光電変換装置を提供することができる。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す回路図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。図3において、図2と異なる点は、ゲイン手段60をPチャネルMOSFET(第3の電界効果トランジスタ)170を用いて実現していることである。MOSFET170は、ゲートが定電位のバイアス端子180に接続され、ソースがMOSFET120のドレインに接続され、ドレインがMOSFET140のゲート及び定電流源130に接続されている。また、MOSFET170のトランスコンダクタンスをgm、出力抵抗をr0とする。この時、第1のMOSFET140のゲート電位がΔVgだけ変動すると、MOSFET120のドレイン電位変動ΔVdは、いわゆるゲート接地回路の特性より、次式(8)となる。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す回路図である。但し、ここでは上述した第2の実施形態との相違点についてのみ説明する。図4において、図3と異なる点は、ゲイン手段60をMOSFET170に加えて、反転増幅器190を用いて実現していることである。反転増幅器190は、入力端子がMOSFET120のドレインに接続され、出力端子がMOSFET170のゲートに接続され、入力信号を反転増幅して出力する。これにより、更に逆バイアス電圧の変動を抑制し、光応答特性を向上することができる。反転増幅器190の電圧ゲインを−B(B>1)とすると、第1のMOSFET140のゲート電位がΔVgだけ変動した時、MOSFET120のドレイン電位変動ΔVdは、反転増幅器190を付け加えたゲート接地回路の特性より、次式(10)となる。
図5は、本発明の第4の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す回路図である。但し、ここでは上述した第2の実施形態との相違点についてのみ説明する。図5において、図3と異なる点は、ゲイン手段60をオペアンプ200及び第1の抵抗素子210及び第2の抵抗素子220を用いて実現していることである。MOSFET120のドレインは、定電流源130を介して基準電位端子に接続される。オペアンプ200は、正転入力端子がMOSFET120のドレインに接続され、反転入力端子が第2の抵抗素子220を介して定電圧端子230に接続され、出力端子がMOSFET140のゲートに接続される。第1の抵抗素子210は、MOSFET140のゲート及びオペアンプ200の反転入力端子間に接続される。第2の抵抗素子220は、オペアンプ200の反転入力端子及び定電圧端子230間に接続される。第1の抵抗素子210の抵抗値はR1であり、第2の抵抗素子220の抵抗値はR2である。これにより、逆バイアス電圧の変動を抑えつつ、プロセスばらつきの影響も抑えることが可能となる。図5において、第2の抵抗素子220の一端は定電圧端子230に接続されている。図5において、MOSFET120のドレイン電位の変動分ΔVdと第1のMOSFET140のゲート電位変動分ΔVgとの間に次式(12)が成り立つ。
図6は、本発明の第5の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す回路図である。但し、ここでは上述した第2の実施形態との相違点についてのみ説明する。図6において、図3と異なる点は、PチャネルMOSFET(第4の電界効果トランジスタ)240を設けて、そのソースバイアス電圧とMOSFET170のゲートバイアス電圧のバイアス端子180を共有化していることである。MOSFET240は、ドレインがバイポーラトランジスタ110のベースに接続され、ゲートがリセット信号入力端子250に接続され、ソースがMOSFET170のゲート及びバイアス端子180に接続されている。これにより、光量変動による光電変換素子10の逆バイアス電圧の変動を抑えて、光応答特性の向上を図りつつ、バイアス端子180のバイアス電圧制御配線を共有化することで、省スペース化を行うことが可能となる。MOSFET240を設ける理由は、例えば電源投入時、すなわち電源電圧及びバイポーラトランジスタ110のベース電位が0Vの状態から電源電圧を印加する時に素早くバイポーラトランジスタ110のベース電位を持ち上げる為である。MOSFET240が無い場合は、光電変換素子10で発生する光電流でバイポーラトランジスタ110のベースに付随する寄生容量を充電することで、ベース電位を定常値に持ち上げるが、暗い状況下では光電流が小さい為、非常に時間を要してしまう。そこで、電源投入直後などは、リセット信号入力端子250にローレベル信号を入力することにより、ベース電位を持ち上げるという動作を行う。ベース電位のリセット電圧は、ベース電位の定常値、すなわちVccから式(3)のVgs1を引いた程度が望ましい。よって、図6において、バイアス端子180の電圧Vbiasには、次式(15)という条件が必要となる。
図7は、本発明の第6の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示す回路図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。光電変換部255は、P型シリコン基板260上にN型領域270、P型領域280、N型領域271、P型領域281、表面N+領域272と、N型領域とP型領域が交互に積層されてなり、P型領域280、281はそれぞれ異なる深さに形成されている。シリコン半導体層に入射した光は波長の長いものほど深く侵入するので、P型領域280、281からは異なる波長帯域の光に対する信号を得ることができる。第1の光電変換素子10は、N型領域270、P型領域280及びN型領域271を有する。第2の光電変換素子11は、N型領域271、P型領域281及び表面N+領域272を有する。光電変換素子10及び11は、深さ方向に積層されている。第1のN型領域270、第1のP型領域280、第2のN型領域271、第2のP型領域281及び第3のN型領域272が積層される。第1の光電変換素子10は、第1のN型領域270、第1のP型領域280及び第2のN型領域271を有する。第2の光電変換素子11は、第2のN型領域271、第2のP型領域281及び第3のN型領域272を有する。
Claims (9)
- 光電変換により光を電流に変換する第1の光電変換素子と、
前記第1の光電変換素子により変換された電流を増幅する第1の電流増幅手段と、
前記第1の電流増幅手段により増幅された電流をモニタし、モニタ信号を出力する第1の電流モニタ手段と、
前記第1の電流モニタ手段から出力される前記モニタ信号に対して1より小さいゲインをかけ、前記ゲインをかけられたモニタ信号に応じた逆バイアス電圧を前記第1の光電変換素子に印加する第1のバイアス電圧設定手段と
を有することを特徴とする光電変換装置。 - 前記第1の電流増幅手段は、ベースが前記第1の光電変換素子のアノードに接続され、コレクタが電源端子に接続され、エミッタから前記増幅された電流を出力する第1のバイポーラトランジスタを有し、
前記第1の電流モニタ手段は、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ドレインから前記増幅された電流を出力し、ゲートの電位を前記モニタ信号として出力する第1の電界効果トランジスタを有し、
前記第1のバイアス電圧設定手段は、
前記モニタ信号に対して1より小さいゲインをかける第1のゲイン手段と、
前記第1のMOSFETと同一の極性であり、ソースが電源端子に接続され、ゲートが前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、ドレインが前記第1のゲイン手段に接続された第2の電界効果トランジスタと、
前記第2の電界効果トランジスタのドレイン及び基準電位端子間に接続された第1の定電流源とを有することを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記第1のゲイン手段は、ゲートが定電位のバイアス端子に接続され、ソースが前記第2の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインが第1の電界効果トランジスタのゲートに接続された第3の電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項2記載の光電変換装置。
- 前記第1のゲイン手段は、
ソースが前記第2の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインが第1の電界効果トランジスタのゲートに接続された第3の電界効果トランジスタと、
入力端子が前記第2の電界効果トランジスタのドレインに接続され、出力端子が前記第3の電界効果トランジスタのゲートに接続された反転増幅器とを有することを特徴とする請求項2記載の光電変換装置。 - 前記第1のゲイン手段は、
正転入力端子が前記第2の電界効果トランジスタのドレインに接続され、出力端子が前記第1の電界効果トランジスタのゲートに接続されたオペアンプと、
前記第1の電界効果トランジスタのゲート及び前記オペアンプの反転入力端子間に接続された第1の抵抗素子と、
前記オペアンプの反転入力端子及び定電圧端子間に接続された第2の抵抗素子とを有することを特徴とする請求項2記載の光電変換装置。 - さらに、ドレインが前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、ソースが前記第3の電界効果トランジスタのゲートに接続され、ゲートがリセット信号入力端子に接続された第4の電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項3記載の光電変換装置。
- さらに、光電変換により光を電流に変換する第2の光電変換素子と、
前記第2の光電変換素子により変換された電流を増幅する第2の電流増幅手段と、
前記第2の電流増幅手段により増幅された電流をモニタし、第2のモニタ信号を出力する第2の電流モニタ手段と、
前記第2の電流モニタ手段から出力される前記第2のモニタ信号に応じた逆バイアス電圧を前記第2の光電変換素子に印加する第2のバイアス電圧設定手段とを有し、
第1のN型領域、第1のP型領域、第2のN型領域、第2のP型領域及び第3のN型領域が積層され、前記第1の光電変換素子は前記第1のN型領域、前記第1のP型領域及び前記第2のN型領域を有し、前記第2の光電変換素子は前記第2のN型領域、前記第2のP型領域及び前記第3のN型領域を有することを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。 - 前記第1のバイアス電圧設定手段は、前記第1の電流モニタ手段から出力される前記モニタ信号に対して1より小さいゲインをかける第1のゲイン手段を有することを特徴とする請求項7記載の光電変換装置。
- 前記第2のバイアス電圧設定手段は、前記第2の電流モニタ手段から出力される前記第2のモニタ信号に対して1より小さいゲインをかける第2のゲイン手段を有し、前記第2のゲイン手段によりゲインをかけられた第2のモニタ信号に応じた逆バイアス電圧を前記第2の光電変換素子に印加することを特徴とする請求項8記載の光電変換装置。
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