JPH08116491A - 光電変換装置 - Google Patents

光電変換装置

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JPH08116491A
JPH08116491A JP6253385A JP25338594A JPH08116491A JP H08116491 A JPH08116491 A JP H08116491A JP 6253385 A JP6253385 A JP 6253385A JP 25338594 A JP25338594 A JP 25338594A JP H08116491 A JPH08116491 A JP H08116491A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高S/Nで大きな出力を得、メモリを使用せ
ずに画素出力の不要成分の減算を行なうことのできる光
電変換装置を提供することである。 【構成】 光を電気信号に変換して信号出力線5、9に
出力する光電変換画素1から成る光電変換装置におい
て、光電変換画素1の信号出力線5に、アンプの入力部
が容量結合し、該アンプ出力部がスイッチを介して該信
号出力線と接続することを特徴とする。また、アンプは
エミッタフォロワ、又はソースフォロワないしは演算増
幅器であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体上に形成される光
電変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、光電変換画素がその出力線を有す
るような光電変換装置は、何種類かのタイプがあり、画
素の構成により、MOS型、SIT型、FET型、CM
D型、バイポーラ型などに区別される。
【0003】図6は、このうちバイポーラ型で、バイポ
ーラトランジスタで画素が形成され、そのベース領域に
光により発生したキャリアを蓄積するタイプの2次元光
電変換装置を表わす。
【0004】図6において、1は光電変換画素であり、
npn型バイポーラ・トランジスタ2、そのベースに接
続するベースリセットのためのP型MOSトランジスタ
3、ベース電位制御のための画素容量4で構成される。
5はバイポーラトランジスタ2のエミッタに接続する画
素の蓄積信号出力線、6は出力線5をリセットするため
のMOSトランジスタ、7は光電変換画素1の出力電圧
を保持転送するための転送容量、8は出力線5と蓄積容
量7とをスイッチするためのMOSトランジスタ、9は
転送蓄積容量7からの信号が転送される水平出力線、1
0は水平シフトレジスタ33の出力に応じて、蓄積容量
7と水平出力線9とをスイッチするMOSトランジス
タ、11は水平出力線9に表われる信号を増幅するため
のプリアンプ、12はプリアンプ11の出力端子であ
る。
【0005】また、13は水平出力線9をリセットする
ためのMOSトランジスタ、14は画素を駆動するため
の駆動線、15は駆動パルス入力線、16は垂直シフト
レジスタ34の出力に応じて選択された垂直行の駆動線
14と駆動パルス入力線15とをスイッチするためのM
OSトランジスタ、17は本光電変換装置の基準電位V
VCの電源端子、18はMOSトランジスタ6のゲートに
パルスφVCを印加するための入力端子、19はMOSト
ランジスタ8のゲートにパルスφTを印加するための入
力端子、20はMOSトランジスタ13のゲートにパル
スφHCを印加するための入力端子、21は駆動パルスφ
Rの入力端子である。
【0006】図6においては、簡単のため2×2の光電
変換画素のエリアセンサを表わしており、垂直シフトレ
ジスタの出力はV1、V2、水平シフトレジスタの出力
はH1、H2としている。現実には、256×256以
上の画素が配置される例が多い。
【0007】図7は、図6に示した2次元光電変換装置
の動作を説明するためのパルスタイミングチャートであ
る。図7におけるパルスは全般的にHighレベル、L
owレベルで示すが、駆動パルスφRには中間レベルと
して基準電位VVCが存在する。
【0008】まず、垂直シフトレジスタ34からのV1
がHighとなり、入力端子21の駆動パルスφRが基
準電位VVCからHighとなると、2次元光電変換画素
の第1行目が駆動される。光電変換画素1では、P型M
OSトランジスタ(以下、PMOSと称する)3がOF
Fで、画素容量4を通してバイポーラトランジスタ2の
ベース電位が立ち上がり、エミッタ電流が流れ、画素の
ベースに蓄積された信号電圧が、パルスφVCがLowな
ので、浮遊状態の出力線5に表われる。水平シフトレジ
スタ33の出力H1、H2共にLowでパルスφTがH
ighであるので、この浮遊信号出力線5の出力信号は
蓄積容量7に蓄積された後、水平シフトレジスタ33出
力H1、H2が順次Highとなって、蓄積容量7のキ
ャリアは出力線9、プリアンプ11を通して出力端子1
2より出力される。なお、出力H1がHighとなっ
て、出力H1の列が駆動状態となり、蓄積容量7のキャ
リアを放電すれば、出力H1がLowとなり、パルスφ
HCがHighとなって信号線9をリセットし、次に出力
H2の列が駆動状態となって順次信号線9からキャリア
信号が読み出されていく。
【0009】また各行の画素においては、垂直シフトレ
ジスタV1がHighのままで、駆動パルスφRがLo
wレベルになることによってPMOS3がONし、第1
行目におけるバイポーラトランジスタ2のベース電位は
基準電位VVCとなる。次に、信号出力線5が、パルスφ
VCがHighとなり、MOSトランジスタ6のONによ
って、基準電位VVCに固定されている状態で、駆動パル
スφRがHighとなると、PMOS3がOFFすると
共に、第1行目のバイポーラトランジスタ2はON状態
となって、エミッタ電流、ベース電流が流れるため、そ
のベース電位は下降して行き、数μSでベース電位はV
VC+0.6V程度となり、画素容量4はリセットされ
る。こうなった時に、駆動パルスφRが中間レベルVVC
に戻ると、画素容量4を通して、ベース電位が下がり、
エミッタ電位VVCに対して逆バイアスになる。そうして
出力V1がLowとなってこの行の駆動は終了する。こ
こから、第1行目の画素は、次に再び第1行目が選択さ
れるまで、光キャリアをベース領域に蓄積する蓄積動作
に入る。
【0010】次に、出力V2がHighとなって第2行
目が選択、駆動され、キャリア信号を出力し、画素をリ
セットする時の動作は第1行目の時と同様である。
【0011】以上説明したバイポーラ型光電変換装置に
おいて、画素容量4でほぼ規定される画素容量に蓄積さ
れた信号電圧は、蓄積容量7にほぼそのまま表われる。
蓄積容量7は画素容量4に対して十分大きくとれば、信
号電荷量は、上記容量の比だけ増幅されることになり、
信号出力の経路、出力線5、蓄積容量7、出力線9、プ
リアンプ11からのノイズの影響を小さくすることがで
きる。
【0012】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例では、図6における蓄積容量7から水平出力線
9へ信号が転送される時に、水平出力線9の浮遊容量の
ため、信号が容量分割されて、信号電位が下がる。ま
た、各画素の特性ばらつきのために暗時であっても、そ
の暗時出力がばらつき、S/N比が低下するという欠点
を有していた。特に受光画素にバイポーラトランジスタ
を使う図6に示したような従来例では、蓄積容量7は大
きくとる場合が多く、画素から信号を読み出す時に蓄積
容量7に充電するためのエミッタ電流を流す時、画素ベ
ースにある信号電荷が破壊される。この破壊量が大きい
程ノイズが大きくなり、S/N比の低下が顕著になる。
【0013】さらに、一般的な従来の光電変換画素は、
リセット→蓄積→読み出しという単純な光電変換機能を
持つだけであり、画素出力の信号処理は光電変換画素以
外の領域で行なわなければならず、そのためのフィール
ドメモリを必要とするなどの制約を有していた。
【0014】従って、本出願に係る第1の発明の目的
は、高S/N比で大きな出力を得る光電変換装置を提供
することである。また、本出願に係る第2の発明の目的
は、メモリを使用せずに画素出力の不要成分の減算を行
なうことのできる光電変換装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するため、本出願に係る第1の発明は、画素の出力線と
アンプのエミッタフォロワの入力部とを容量結合させ、
エミッタフォロワの出力部と画素出力線とをスイッチ手
段で接続したことを特徴とする。この構成において、エ
ミッタフォロワの出力電位変化がエミッタフォロワ自身
の入力部へ正にフィードバックされ、画素出力を増幅す
る。
【0016】本発明に係る第2の発明は、第1の発明に
おけるアンプのエミッタフォロワのフィードバック動作
後の出力電位に対して画素のリセットを行なうことを特
徴とする。すなわち、トランジスタの制御電極のベース
に光信号により発生したキャリアを蓄積し、前記光信号
に応じた出力を前記トランジスタの主電極のエミッタか
ら出力する光電変換画素を含む光電変換装置において、
光電変換画素の各画素の出力線に接続する負のゲインを
持つエミッタフォロワやソースフォロワのアンプ手段
と、該アンプ手段の出力を画素の出力線と接続する接続
手段とを有し、アンプ手段の出力に対してトランジスタ
画素の制御電極をリセットする手段を有することを特徴
とする。この動作により、測光などにおける外光成分除
去をメモリを使わずに実現することができる。
【0017】
【実施例】
[第1実施例]図1は本発明の特徴を最もよく表わす2
×2画素を例とし、2次元光電変換装置の等価回路図で
ある。同図において、図6と同一符号の素子は同一番号
で示し同等機能を有するものとし、説明を省略する。
【0018】図1において、22はアンプのダーリント
ン型バイポーラトランジスタ、23は定電流ソース用の
MOSトランジスタであり、ダーリントン型バイポーラ
トランジスタ22とMOSトランジスタ23とでエミッ
タフォロワ35を形成している。図1では23のゲート
は基準の中間電位VVCとしている。24は上記エミッタ
フォロワの入力ベース部と出力線5とを容量結合するた
めの結合容量、25はダーリントン型バイポーラトラン
ジスタ22のベースの容量、26はそのベース電位を制
御するためのP型MOSトランジスタ、27はスイッチ
としての上記エミッタフォロワの出力部と、出力部5と
をスイッチして接続するためのMOSトランジスタ、2
8はMOSトランジスタ26のゲートにパルスφBRを印
加するための端子、29はMOSトランジスタ27のゲ
ートに負帰還用パルスφFBを印加するための端子、30
は電位VBRの電源端子である。
【0019】また、図2は、図1に示した第1実施例に
よる2次元光電変換装置の動作を説明するためのパルス
タイミング図である。各行の素子が光キャリアを蓄積し
順次選択されていく行程は図6で示した場合と同様であ
り、図2では1つの行の駆動によるタイミングチャート
を示す。
【0020】まず、駆動パルスφRが中間レベルVVC
らHighとなって、垂直シフトレジスタ34の出力V
1がHighで、選択行の画素の出力が浮遊状態にある
出力線5に読み出される。この時、端子28のパルスφ
BRはLowとなっているので、PMOSトランジスタ2
6をONして、バイポーラトランジスタ22のベースは
BRに固定されており、ダーリントン型バイポーラトラ
ンジスタ22とMOSトランジスタ23とで構成される
エミッタフォロワ35の出力も(VBR−1.2V)程度
の電位値となるが、簡単のため、このエミッタフォロワ
35出力は、基準電位VVCであるとする。駆動パルスφ
Rが中間レベルに戻り、画素の読み出しが終わった時、
出力線5の電圧はVVC+V1だったとし、次に、パルス
φBRをHighとして、バイポーラトランジスタ22の
ベースを浮遊状態とし、次に端子29のパルスφFBをL
owからHighとして、上記エミッタフォロワ35の
出力部と、出力線5とを導通する。出力線5の電位は、
VC+V1からVVC+V2に変化するが、このV2は次の
ような値となる。
【0021】結合容量24の値をC0、寄生容量25の
値をC1とすると、エミッタフォロワ35の出力値は出
力線5の電位変化を結合容量24の結合を通して受ける
ため、VVCから、[C0/(C0+C1)]・(V2
1)だけ変化する。変化後の値はVVC+V2であるか
ら、 VVC+[C0/(C0+C1)]・(V2−V1)=VVC+V2 より、 V2=ー(C0/C1)・V1 となる。
【0022】V1は画素の出力電位であるから、上記の
動作を行なうことにより、エミッタフォロワ35から
は、ー(C0/C1)のゲイン倍された出力が表われる。
このエミッタフォロワ35出力を、端子19のパルスφ
TがHighの間に、トランジスタ8を通して蓄積容量
7に蓄積し、水平シフトレジスタ33の出力H1をHi
ghとする間に、MOS10をONして順次プリアンプ
11に転送する。
【0023】ここで、水平出力線9の寄生容量をCHと
し、蓄積容量7の容量をCTとすると、従来通りプリア
ンプ11への転送時にCT/(CH+CT)の容量分割を
受けるが、たとえばC0/C1の値を(CH+CT)/CT
となるように設定しておけば、容量分割による信号低下
をちょうど補うことができる。また、蓄積容量7の容量
CTは通常、数pFの容量となるが、C0は数百fF程度
に設定できるので、1つの画素について、読み出し時に
流れる電荷量を従来よりも小さくすることができ、画素
信号の破壊が小さくなるため画素出力時点でのS/N比
を高くすることができる。
【0024】[第2実施例]図3は、図1の2次元光電
変換装置を用いて、本発明による第2の実施例を説明す
るための駆動タイミングチャートである。本第2の実施
例では、図3に示す通り、第1の実施例に対して画素の
動作において、リセット、外光ノイズN蓄積、外光ノイ
ズーNを画素に蓄積、LED光と外光ノイズとを画素に
蓄積、画素キャリア信号を読み出し、を時系列的に順次
実行する。
【0025】当該2次元光電変換装置をイメージセンサ
として測光用に使用する場合、ある特定の必要な光信号
と、外光など不必要な信号とが混在する場合がある。例
えば、外光が入る条件下で、LED光の光量やスペクト
ラムを測光する場合である。
【0026】外光成分を除きたい時、従来は、まず外光
成分だけを受光して読み出し、各画素毎の出力を別に用
意したメモリに書き込む。次に外光にLED光が加わっ
た光を受光して読み出し、先のメモリに書き込んでおい
た外光成分との差分をとるという方法をとっていた。
【0027】本発明による第2の実施例においては、メ
モリを用いない外光成分除去方法であり、図3を参照し
つつ詳細に説明する。
【0028】図において、最初に垂直シフトレジスタ3
4の出力V1で選択された第1行目の画素トランジスタ
2のベースを、従来と同様に、駆動パルスφRがLow
の時にVVCとし、駆動パルスφRがHighの時リセッ
トする。第2行目以降も同様に行なわれる。
【0029】次に、外光のみを画素トランジスタ2のベ
ースに蓄積する。次が本発明第2実施例の特徴となる動
作であり、第1行目選択時、図2によって説明した第1
実施例の読み出し動作と同様に、外光分出力電位をVN
として、パルスφBRを一時Lowとし、その後パルスφ
FBを一時Highとして、外光によるベース蓄積電位を
−C0/C1倍したエミッタフォロワ35出力を出力線5
に出力させる。ただし、本第2実施例ではほぼC0=C1
となるように設定する。よって出力線5の電位は(VVC
−VN)となる。この出力はエミッタフォロワ35によ
る低インピーダンス出力であるので、この電位に対し
て、駆動パルスφRをHighとして画素のリセットを
行なうと、画素のベース電位は−VNで規定される電位
となる。
【0030】次に、測光するLED光を含んだ光の蓄積
に入る。画素のベース電位は、外光に相当する電圧分V
NとLED光に相当する電圧分VLとの和だけ上昇する
が、電圧分VNは蓄積前の画素電位−VNをちょうど打ち
消すので、次の画素読み出しにおいて、画素から出力さ
れるのはLED光に相当する電圧分VLとなり、外光成
分VNは入ってこない。このLED光に相当する電圧分
Lの読み出し、転送は第1実施例と同様に行なわれ
る。
【0031】この第2実施例の動作においては、外光成
分VNが除去されるだけでなく、各画素出力のばらつき
成分も同時に除去されるので、外光がない場合でも、高
S/N比の信号を得ることができる。
【0032】[第3実施例]以下、第3の実施例につい
て説明する。図4は、本発明による第3の実施例の構成
を示す等価回路図である。図4において、図1と同等な
部分については同一の番号を符し、詳細な説明を省略す
る。
【0033】図4において、31はMOSトランジス
タ、ないしは接合型トランジスタであり、トランジスタ
23による定電流源とトランジスタ31とでソースフォ
ロワ36を形成する。図4に示す第3の実施例は、図1
におけるダーリントン型エミッタフォロワ35をソース
フォロワ36に置き換えたものであり、駆動動作は第
1、第2実施例と同様である。本第3の実施例では、ダ
ーリントン型エミッタフォロワ35に対して、入力イン
ピーダンスが高く、トランジスタ素子の温度ドリフトが
少ないというメリットがあり、またIC化する場合に製
造工程を減少できる効果がある。反面、信号線5との結
合容量24とバラツキの多い寄生容量25の容量値の比
を一定にする必要性から、第1の実施例よりも第2の実
施例に従った動作に適している。
【0034】[第4実施例]以下、第4の実施例につい
て説明する。図5は、本発明による第4の実施例を実施
できる等価回路図である。図1又は図4と同等な部分に
ついては同一の番号を符し、詳細な説明を省略する。
【0035】図5において、32はオペレーショナル・
アンプの演算増幅器である。図5に示す第4の実施例
は、図1におけるダーリントン型エミッタフォロワ35
を電圧(ボルテージ)フォロワ37に置き換えたもので
あり、駆動動作は第2、第3実施例と同じである。ボル
テージフォロワ37は入力電圧と出力電圧とがほぼ同一
であるので、光量に応じたキャリア蓄積電位を減圧する
ことなく、そのまま蓄積容量7に転送できる。
【0036】上記第1から第4までの実施例において、
本発明による光電変換画素はバイポーラトランジスタに
よる増幅型を使っているが、必ずしもこの型に限る必要
はなく、MOS型、ないしはSIT、JFET、MOS
トランジスタを使った増幅型画素であっても、画素出力
後に出力線5を浮遊状態にできれば本発明による各出力
線電圧の増幅は、同じように実施できる。
【0037】また、出力線電位により、画素のリセット
レベルを規定できるものであれば、本発明による外光成
分等の除去動作をメモリなしで実施することができる。
MOSトランジスタや、JFETを使う画素では、図4
に示したような本発明による第3の実施例を適用するほ
うが、光電変換装置の製造を簡単にすることができる。
【0038】さらに、上記実施例では、2行×2列の光
電変換画素の例について説明したが、本発明はイメージ
センサ、ラインセンサに適用できるもので、特に第2の
実施例の場合は、外光成分を蓄積、書き込みする時間だ
け、余分に走査回路のスピード及び画素の蓄積切替を速
くする必要がある。ただし、この外光例だけではなく、
光電変換装置の内部雑音やバラツキの校正、測光の場合
の2つ光量の比較時に増分だけを検出する場合等にも適
用できる。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光電変換画素が出力時に充電する負荷容量を小さくする
ことができるので、S/N比を高くでき、またゲインを
高く設定することで、最終プリアンプへの転送前に信号
を大きくし転送に伴う容量分割による信号減少を補うこ
とができる。
【0040】また、本出願に係る第2の実施例によれ
ば、各画素出力に対して(−1)のゲインをかけた出力
を各出力線に出し、その電位に対して画素をリセットす
ることで、画素出力の反転成分を画素に書き込むことが
できるため、測光時の外光成分除去などを、従来方法で
使っていたフィールドメモリなしに行なうことができ
る。 さらに外光除去動作時に各画素のばらつき成分も
除去することができ、高機能、高S/Nの光電変換装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光電変換装置の等価回路図であ
る。
【図2】本発明による第1の実施例に係る動作を説明す
るためのタイミングチャートである。
【図3】本発明による第2の実施例に係る動作を説明す
るためのタイミングチャートである。
【図4】本発明による第3の実施例の光電変換装置を表
わす等価回路図である。
【図5】本発明による第4の実施例の光電変換装置を表
わす等価回路図である。
【図6】従来の光電変換装置の等価回路図である。
【図7】従来の光電変換装置の動作を説明するタイミン
グチャートである。
【符号の説明】
1 画素 2 バイポーラトランジスタ 3 PMOSトランジスタ 4 容量 5 出力線 6 MOSトランジスタ 7 容量 8 MOSトランジスタ 9 出力線 10 MOSトランジスタ 11 アンプ 12 出力端子 13 MOSトランジスタ 14 駆動線 15 駆動パルス線 16 MOSトランジスタ 17、18、19、20、21 パルス入力端子 22 ダーリントン型バイポーラトランジスタ 23 MOSトランジスタ 24 容量 25 容量 26 PMOSトランジスタ 27 MOSトランジスタ 28、29、30 パルス入力端子 31 MOSないしは接合型FET 32 演算増幅器

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を電気信号に変換して信号出力線に出
    力する光電変換画素からなる光電変換装置において、 前記光電変換画素の前記信号出力線にアンプの入力部が
    容量結合し、該アンプの出力部がスイッチを介して前記
    信号出力線と接続することを特徴とする光電変換装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光電変換装置におい
    て、前記アンプはエミッタフォロワ、又はソースフォロ
    ワないしは演算増幅器であることを特徴とする光電変換
    装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の光電変換装置におい
    て、前記アンプの入力部に入力電位を制御するためのス
    イッチを接続したことを特徴とする光電変換装置。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の光電変換装置におい
    て、前記光電変換画素はバイポーラトランジスタのベー
    スと画素容量4とを含むことを特徴とする光電変換装
    置。
  5. 【請求項5】 トランジスタの制御電極に光信号により
    発生したキャリアを蓄積し、前記光信号に応じた出力を
    前記トランジスタの主電極から出力する光電変換画素を
    含む光電変換装置において、 前記光電変換画素の各画素の出力線に接続する負のゲイ
    ンを持つアンプ手段と、該アンプ手段の出力を前記画素
    の前記出力線と接続する接続手段とを有し、前記アンプ
    手段の出力に対して前記トランジスタ画素の制御電極を
    リセットする手段を有することを特徴とする光電変換装
    置。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の光電変換装置におい
    て、前記アンプはエミッタフォロワ、又はソースフォロ
    ワないしは演算増幅器であることを特徴とする光電変換
    装置。
  7. 【請求項7】 請求項5に記載の光電変換装置におい
    て、前記接続手段は負帰還パルスにより制御されるMO
    Sトランジスタであることを特徴とする光電変換装置。
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