JPH109954A - 光検出器及びイメージセンサ - Google Patents
光検出器及びイメージセンサInfo
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- JPH109954A JPH109954A JP16706196A JP16706196A JPH109954A JP H109954 A JPH109954 A JP H109954A JP 16706196 A JP16706196 A JP 16706196A JP 16706196 A JP16706196 A JP 16706196A JP H109954 A JPH109954 A JP H109954A
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- Japan
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- voltage
- photoelectric conversion
- photodiode
- signal
- circuit
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ホトダイオードに流れる暗電流成分の光電変換
信号への影響を低減する。 【解決手段】逆バイアス直流電圧ＶＢ０と変調電圧Ａ・
ｓｉｎ（ωｔ）とを重畳したものをホトダイオード１０
に印加し、ホトダイオード１０に流れる電流の交流成分
の振幅に比例した信号、すなわちホトダイオードの微分
コンダクタンスを、光電変換信号ＶＯとして検出する。
この検出は、ホトダイオード１０に直列接続された抵抗
１１の端子間電圧を増幅し、その交流成分を同期検波
し、さらに平滑回路１８に通すことにより行われる。
信号への影響を低減する。 【解決手段】逆バイアス直流電圧ＶＢ０と変調電圧Ａ・
ｓｉｎ（ωｔ）とを重畳したものをホトダイオード１０
に印加し、ホトダイオード１０に流れる電流の交流成分
の振幅に比例した信号、すなわちホトダイオードの微分
コンダクタンスを、光電変換信号ＶＯとして検出する。
この検出は、ホトダイオード１０に直列接続された抵抗
１１の端子間電圧を増幅し、その交流成分を同期検波
し、さらに平滑回路１８に通すことにより行われる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に赤外線波長域
に好適な光検出器及びイメージセンサに関する。
に好適な光検出器及びイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の赤外線検出器では、光電変換素子
としてＨｇＣｄＴｅ等の微小エネルギーギャップ半導体
のＰＮ接合に、逆バイアス直流電圧を印加しておき、こ
のＰＮ接合に赤外線を照射したときに発生する光電流
を、光電変換信号として取り出していた。
としてＨｇＣｄＴｅ等の微小エネルギーギャップ半導体
のＰＮ接合に、逆バイアス直流電圧を印加しておき、こ
のＰＮ接合に赤外線を照射したときに発生する光電流
を、光電変換信号として取り出していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この光電変換信号に
は、光電流成分の他に暗電流成分が多く含まれている。
暗電流成分は、ＰＮ接合の温度変動や逆バイアス電圧や
製造プロセスによるばらつきに大きく依存する。暗電流
発生原因となる結晶欠陥の低減対策が研究されている
が、結晶欠陥発生原因が充分に解明されておらず、ま
た、結晶欠陥低減技術において課題が多いことから、未
だ充分な結晶欠陥低減効果が得られていない。
は、光電流成分の他に暗電流成分が多く含まれている。
暗電流成分は、ＰＮ接合の温度変動や逆バイアス電圧や
製造プロセスによるばらつきに大きく依存する。暗電流
発生原因となる結晶欠陥の低減対策が研究されている
が、結晶欠陥発生原因が充分に解明されておらず、ま
た、結晶欠陥低減技術において課題が多いことから、未
だ充分な結晶欠陥低減効果が得られていない。
【０００４】本発明の目的は、このような問題点に鑑
み、光電変換素子に流れる暗電流成分の光電変換信号へ
の影響を低減することができる光検出器及びイメージセ
ンサを提供することにある。
み、光電変換素子に流れる暗電流成分の光電変換信号へ
の影響を低減することができる光検出器及びイメージセ
ンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及びその作用効果】第１発
明に係る光検出器では、光電変換素子、例えばホトダイ
オードと、逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳した
ものを該光電変換素子に印加する電源回路と、該光電変
換素子に流れる電流の交流成分の振幅に比例した信号を
光電変換信号として検出する検出回路と、を有する。
明に係る光検出器では、光電変換素子、例えばホトダイ
オードと、逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳した
ものを該光電変換素子に印加する電源回路と、該光電変
換素子に流れる電流の交流成分の振幅に比例した信号を
光電変換信号として検出する検出回路と、を有する。
【０００６】この第１発明によれば、光電変換素子の微
分コンダクタンスを光電変換信号として用いているの
で、光電変換素子に流れる電流を光電変換信号とした従
来よりも、暗電流成分の影響が小さい光電変換信号を得
ることができるという効果を奏する。第１発明の第１態
様では、上記検出回路は、上記光電変換素子に直列接続
され、流れる電流を電圧に変換する電流／電圧変換素子
と、該電流／電圧変換素子の出力電圧を増幅する増幅回
路と、上記変調電圧と同一周期のレファランス信号に同
期して該増幅回路の出力を検波する同期検波回路と、該
同期検波回路の出力が供給されて上記光電変換信号を出
力する平滑回路と、を有する。
分コンダクタンスを光電変換信号として用いているの
で、光電変換素子に流れる電流を光電変換信号とした従
来よりも、暗電流成分の影響が小さい光電変換信号を得
ることができるという効果を奏する。第１発明の第１態
様では、上記検出回路は、上記光電変換素子に直列接続
され、流れる電流を電圧に変換する電流／電圧変換素子
と、該電流／電圧変換素子の出力電圧を増幅する増幅回
路と、上記変調電圧と同一周期のレファランス信号に同
期して該増幅回路の出力を検波する同期検波回路と、該
同期検波回路の出力が供給されて上記光電変換信号を出
力する平滑回路と、を有する。
【０００７】この第１態様によれば、同期検波回路を用
いているので、変調周波数から外れた周波数のノイズ成
分とレファランス信号との積の時間平均が略０となり、
光電変換信号のＳＮ比が従来よりも向上するという効果
を奏する。第２発明に係るイメージセンサでは、複数の
ホトダイオードが配列されたホトダイオードアレイと、
逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳したものを該複
数のホトダイオードの各々に印加する電源回路と、該複
数のホトダイオードの各々に流れる電流の交流成分の振
幅に比例した信号を光電変換信号として検出する検出回
路と、を有する。
いているので、変調周波数から外れた周波数のノイズ成
分とレファランス信号との積の時間平均が略０となり、
光電変換信号のＳＮ比が従来よりも向上するという効果
を奏する。第２発明に係るイメージセンサでは、複数の
ホトダイオードが配列されたホトダイオードアレイと、
逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳したものを該複
数のホトダイオードの各々に印加する電源回路と、該複
数のホトダイオードの各々に流れる電流の交流成分の振
幅に比例した信号を光電変換信号として検出する検出回
路と、を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態を説明する。最初に、本発明の原理を図３及び図
４に基づいて説明する。赤外線検出用ホトダイオード
は、ＨｇＣｄＴｅ等の微小エネルギーギャップ半導体の
ＰＮ接合で形成されている。このホトダイオードに流れ
る電流には、光電流成分の他に暗電流成分が多く含まれ
ている。この暗電流成分は、ホトダイオードの温度変動
や逆バイアス電圧に大きく依存する。
施形態を説明する。最初に、本発明の原理を図３及び図
４に基づいて説明する。赤外線検出用ホトダイオード
は、ＨｇＣｄＴｅ等の微小エネルギーギャップ半導体の
ＰＮ接合で形成されている。このホトダイオードに流れ
る電流には、光電流成分の他に暗電流成分が多く含まれ
ている。この暗電流成分は、ホトダイオードの温度変動
や逆バイアス電圧に大きく依存する。
【０００９】図３（Ａ）は、赤外線検出用ホトダイオー
ドの、逆バイアス電圧一定の下での、温度の逆数に対す
る微分抵抗を示す。この微分抵抗Ｒには、光電流による
成分ＲＬと暗電流による成分ＲＤとが含まれている。光
電流による成分ＲＬは、入射光量の増加とともに、雪崩
増幅現象により減少する。図中、光電流による成分ＲＬ
１〜ＲＬ５はそれぞれ入射光量が一定であり、ＲＬ１〜
ＲＬ５の順に入射光量が大きくなっている。これに対
し、暗電流による成分ＲＤは、入射光量によらず、温度
のみに依存している。
ドの、逆バイアス電圧一定の下での、温度の逆数に対す
る微分抵抗を示す。この微分抵抗Ｒには、光電流による
成分ＲＬと暗電流による成分ＲＤとが含まれている。光
電流による成分ＲＬは、入射光量の増加とともに、雪崩
増幅現象により減少する。図中、光電流による成分ＲＬ
１〜ＲＬ５はそれぞれ入射光量が一定であり、ＲＬ１〜
ＲＬ５の順に入射光量が大きくなっている。これに対
し、暗電流による成分ＲＤは、入射光量によらず、温度
のみに依存している。
【００１０】微分抵抗Ｒの逆数である微分コンダクタン
スＧについては、（微分コンダクタンスＧの光電流によ
る成分ＧＬ）／（微分コンダクタンスの暗電流による成
分ＧＤ）＝ＲＤ／ＲＬが１より大きく、入射光量の増大
とともにこの比が大きくなる。また、光電流による成分
ＧＬは、逆バイアス電圧が一定の場合、入射光量と略線
形の関係になっている。このような関係から、微分コン
ダクタンスＧを、暗電流成分の影響が小さい光電変換信
号として用いることが可能となる。
スＧについては、（微分コンダクタンスＧの光電流によ
る成分ＧＬ）／（微分コンダクタンスの暗電流による成
分ＧＤ）＝ＲＤ／ＲＬが１より大きく、入射光量の増大
とともにこの比が大きくなる。また、光電流による成分
ＧＬは、逆バイアス電圧が一定の場合、入射光量と略線
形の関係になっている。このような関係から、微分コン
ダクタンスＧを、暗電流成分の影響が小さい光電変換信
号として用いることが可能となる。
【００１１】暗電流成分は、ホトダイオードに印加する
逆バイアス直流電圧ＶＢによっても変化するので、前記
関係を利用するには、上記比が最も大きくなる逆バイア
ス直流電圧ＶＢを用いたほうが好ましい。図３（Ｂ）
は、入射光量一定の下での逆バイアス直流電圧ＶＢに対
する微分抵抗Ｒを示す。縦軸はログスケールである。点
線は、微分抵抗Ｒの暗電流による成分ＲＤであり、一点
鎖線は、微分抵抗Ｒの光電流による成分ＲＬであり、実
線は両成分を含むホトダイオードの微分抵抗Ｒである。
これらの間には、並列接続の関係式１／Ｒ＝１／ＲＬ＋
１／ＲＤが成立している。ＶＢ０は、上記比の値が最も
大きくなる逆バイアス直流電圧ＶＢの値である。
逆バイアス直流電圧ＶＢによっても変化するので、前記
関係を利用するには、上記比が最も大きくなる逆バイア
ス直流電圧ＶＢを用いたほうが好ましい。図３（Ｂ）
は、入射光量一定の下での逆バイアス直流電圧ＶＢに対
する微分抵抗Ｒを示す。縦軸はログスケールである。点
線は、微分抵抗Ｒの暗電流による成分ＲＤであり、一点
鎖線は、微分抵抗Ｒの光電流による成分ＲＬであり、実
線は両成分を含むホトダイオードの微分抵抗Ｒである。
これらの間には、並列接続の関係式１／Ｒ＝１／ＲＬ＋
１／ＲＤが成立している。ＶＢ０は、上記比の値が最も
大きくなる逆バイアス直流電圧ＶＢの値である。
【００１２】図４は、ホトダイオードの電圧電流特性と
微分コンダクタンス検出原理を示す。Ｆは、入射光量一
定の下での赤外線ホトダイオードの電圧・電流特性曲線
である。このホトダイオードに、逆バイアス直流電圧Ｖ
Ｂ＝ＶＢ０＋Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）を印加する。ここに、
Ａは定数、ωは変調角周波数、ｔは時間である。このと
き、ホトダイオードに流れる電流がａ・ｓｉｎ（ωｔ）
と変化する。この振幅ａは、ＶＢ＝ＶＢ０でのＦの傾
き、すなわち微分コンダクタンスａ／Ａに比例してい
る。上述のように、振幅ａは、入射光量と略線形の関係
にあり、これに比例した値を光電変換信号として用いる
ことができる。
微分コンダクタンス検出原理を示す。Ｆは、入射光量一
定の下での赤外線ホトダイオードの電圧・電流特性曲線
である。このホトダイオードに、逆バイアス直流電圧Ｖ
Ｂ＝ＶＢ０＋Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）を印加する。ここに、
Ａは定数、ωは変調角周波数、ｔは時間である。このと
き、ホトダイオードに流れる電流がａ・ｓｉｎ（ωｔ）
と変化する。この振幅ａは、ＶＢ＝ＶＢ０でのＦの傾
き、すなわち微分コンダクタンスａ／Ａに比例してい
る。上述のように、振幅ａは、入射光量と略線形の関係
にあり、これに比例した値を光電変換信号として用いる
ことができる。
【００１３】図１は、上記のような検出原理を用いた赤
外線検出器の回路を示す。光電変換素子としてのホトダ
イオード１０は、上述のようなＰＮ接合で形成されてい
る。このホトダイオード１０は、電流／電圧変換用抵抗
１１、変調用電源１２及び逆バイアス直流電源１３と直
列に接続されている。逆バイアス直流電源１３の出力電
圧を図３（Ｂ）のＶＢ０、変調用電源１２の出力電圧を
Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）とする。
外線検出器の回路を示す。光電変換素子としてのホトダ
イオード１０は、上述のようなＰＮ接合で形成されてい
る。このホトダイオード１０は、電流／電圧変換用抵抗
１１、変調用電源１２及び逆バイアス直流電源１３と直
列に接続されている。逆バイアス直流電源１３の出力電
圧を図３（Ｂ）のＶＢ０、変調用電源１２の出力電圧を
Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）とする。
【００１４】抵抗１１の端子間電圧は、増幅回路１４で
増幅され、その交流成分がコンデンサ１５を通過し、図
２（Ａ）に示すような信号ＶＳ＝ＶＳ０・ｓｉｎω（ω
ｔ）が同期検波回路１６に供給される。他方、変調用電
源１２の出力電圧に同期して、方形波発生回路１７によ
り図２（Ｂ）に示すような方形波が生成され、レファラ
ンス信号として同期検波回路１６に供給される。 同期
検波回路１６は、信号ＶＳとレファランス信号ＶＲとの
積ＶＳ・ＶＲを出力する。積信号ＶＳ・ＶＲは、ローパ
スフィルタ又は積分回路などの平滑回路１８に供給さ
れ、積信号ＶＳ・ＶＲの振幅に比例した光電変換信号Ｖ
Ｏが平滑回路１８から取り出される。この光電変換信号
ＶＯは、信号ＶＳの振幅に比例し、信号ＶＳの振幅は図
４の振幅ａに比例している。抵抗１１に流れる電流に応
じて図４の逆バイアス電圧ＶＢ０が少し変化するが、こ
れによる振幅ａの変化が無視できる程度に小さい抵抗値
の抵抗１１を用いることができるので、問題ない。
増幅され、その交流成分がコンデンサ１５を通過し、図
２（Ａ）に示すような信号ＶＳ＝ＶＳ０・ｓｉｎω（ω
ｔ）が同期検波回路１６に供給される。他方、変調用電
源１２の出力電圧に同期して、方形波発生回路１７によ
り図２（Ｂ）に示すような方形波が生成され、レファラ
ンス信号として同期検波回路１６に供給される。 同期
検波回路１６は、信号ＶＳとレファランス信号ＶＲとの
積ＶＳ・ＶＲを出力する。積信号ＶＳ・ＶＲは、ローパ
スフィルタ又は積分回路などの平滑回路１８に供給さ
れ、積信号ＶＳ・ＶＲの振幅に比例した光電変換信号Ｖ
Ｏが平滑回路１８から取り出される。この光電変換信号
ＶＯは、信号ＶＳの振幅に比例し、信号ＶＳの振幅は図
４の振幅ａに比例している。抵抗１１に流れる電流に応
じて図４の逆バイアス電圧ＶＢ０が少し変化するが、こ
れによる振幅ａの変化が無視できる程度に小さい抵抗値
の抵抗１１を用いることができるので、問題ない。
【００１５】図４に示す上述の関係から、光電変換信号
ＶＯは、ホトダイオード１０への入射光量と略線形の関
係にあり、かつ、ホトダイオード１０に流れる電流を光
電変換信号ＶＯとした従来よりも、暗電流成分の影響が
小さい光電変換信号として用いることができる。また、
本実施形態では同期検波回路１６を用いているので、変
調周波数から外れた周波数のノイズ成分とレファランス
信号ＶＲとの積の時間平均が略０となり、光電変換信号
ＶＯのＳＮ比が従来よりも向上する。
ＶＯは、ホトダイオード１０への入射光量と略線形の関
係にあり、かつ、ホトダイオード１０に流れる電流を光
電変換信号ＶＯとした従来よりも、暗電流成分の影響が
小さい光電変換信号として用いることができる。また、
本実施形態では同期検波回路１６を用いているので、変
調周波数から外れた周波数のノイズ成分とレファランス
信号ＶＲとの積の時間平均が略０となり、光電変換信号
ＶＯのＳＮ比が従来よりも向上する。
【００１６】図５は、図１の赤外線検出器の変形例を示
す。この回路では、変調用電源１２の一方の出力電位が
コンデンサ１９を介しレファランス信号Ｖｒとして同期
検波回路１６に供給される。レファランス信号ＶｒはＡ
・ｓｉｎ（ωｔ）に比例しており、同期検波回路１６か
ら出力される信号ＶＳ・Ｖｒは、信号ＶＳとレファラン
ス信号Ｖｒの位相差をφとすると、２ａ・Ａ・ｓｉｎ
（ωｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＝ａ・Ａ｛ｃｏｓφ−ｃｏ
ｓ（２ωｔ＋φ）｝に比例する。このうち、周波数２ω
ｔの成分が平滑回路１８で除去され、ａに比例した光電
変換信号ＶＯが平滑回路１８から取り出される。
す。この回路では、変調用電源１２の一方の出力電位が
コンデンサ１９を介しレファランス信号Ｖｒとして同期
検波回路１６に供給される。レファランス信号ＶｒはＡ
・ｓｉｎ（ωｔ）に比例しており、同期検波回路１６か
ら出力される信号ＶＳ・Ｖｒは、信号ＶＳとレファラン
ス信号Ｖｒの位相差をφとすると、２ａ・Ａ・ｓｉｎ
（ωｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＝ａ・Ａ｛ｃｏｓφ−ｃｏ
ｓ（２ωｔ＋φ）｝に比例する。このうち、周波数２ω
ｔの成分が平滑回路１８で除去され、ａに比例した光電
変換信号ＶＯが平滑回路１８から取り出される。
【００１７】なお、本発明には外にも種々の変形例が含
まれる。例えば、直列接続されたホトダイオード１０、
抵抗１１、変調用電源１２及び逆バイアス直流電源１３
の接続順は任意である。直流カット用コンデンサ１５の
接続位置は増幅回路１４の各入力端子であってもよい。
また、同期検波以外の方法で検波を行う構成であっても
よい。
まれる。例えば、直列接続されたホトダイオード１０、
抵抗１１、変調用電源１２及び逆バイアス直流電源１３
の接続順は任意である。直流カット用コンデンサ１５の
接続位置は増幅回路１４の各入力端子であってもよい。
また、同期検波以外の方法で検波を行う構成であっても
よい。
【００１８】また、本発明は、赤外線検出器以外の、暗
電流成分が比較的大きい光検出器に適用しても、本発明
の上記効果が得られる。さらに、本発明は原理的に、ホ
トダイオード１０が複数個配列された１次元又は２次元
のイメージセンサにも適用可能である。
電流成分が比較的大きい光検出器に適用しても、本発明
の上記効果が得られる。さらに、本発明は原理的に、ホ
トダイオード１０が複数個配列された１次元又は２次元
のイメージセンサにも適用可能である。
【図１】本発明の一実施形態の赤外線検出器を示す回路
図である。
図である。
【図２】図１の回路の動作を示す波形図である。
【図３】（Ａ）は逆バイアス直流電圧ＶＢ一定の下での
赤外線検出用ホトダイオードの、温度の逆数に対する微
分抵抗の関係を示す線図であり、（Ｂ）は入射光量一定
の下での逆バイアス直流電圧ＶＢに対する微分抵抗の関
係を示す線図である。
赤外線検出用ホトダイオードの、温度の逆数に対する微
分抵抗の関係を示す線図であり、（Ｂ）は入射光量一定
の下での逆バイアス直流電圧ＶＢに対する微分抵抗の関
係を示す線図である。
【図４】赤外線検出用ホトダイオードの電圧・電流特性
と微分コンダクタンス検出原理を示す線図である。
と微分コンダクタンス検出原理を示す線図である。
【図５】図１の赤外線検出器の変形例を示す回路図であ
る。
る。
１０ ホトダイオード １１ 抵抗 １２ 変調用電源 １３ 逆バイアス直流電源 １４ 増幅回路 １５、１９ コンデンサ １６ 同期検波回路 １７ 方形波発生回路 １８ 平滑回路
Claims (3)
- 【請求項１】 光電変換素子と、 逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳したものを該光
電変換素子に印加する電源回路と、 該光電変換素子に流れる電流の交流成分の振幅に比例し
た信号を光電変換信号として検出する検出回路と、 を有することを特徴とする光検出器。 - 【請求項２】 上記検出回路は、 上記光電変換素子に直列接続され、流れる電流を電圧に
変換する電流／電圧変換素子と、 該電流／電圧変換素子の出力電圧を増幅する増幅回路
と、 上記変調電圧と同一周期のレファランス信号に同期して
該増幅回路の出力を検波する同期検波回路と、 該同期検波回路の出力が供給されて上記光電変換信号を
出力する平滑回路と、 を有することを特徴とする請求項１記載の光検出器。 - 【請求項３】 複数のホトダイオードが配列されたホト
ダイオードアレイと、 逆バイアス直流電圧と変調電圧とを重畳したものを該複
数のホトダイオードの各々に印加する電源回路と、 該複数のホトダイオードの各々に流れる電流の交流成分
の振幅に比例した信号を光電変換信号として検出する検
出回路と、 を有することを特徴とするイメージセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16706196A JPH109954A (ja) | 1996-06-27 | 1996-06-27 | 光検出器及びイメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16706196A JPH109954A (ja) | 1996-06-27 | 1996-06-27 | 光検出器及びイメージセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH109954A true JPH109954A (ja) | 1998-01-16 |
Family
ID=15842682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16706196A Withdrawn JPH109954A (ja) | 1996-06-27 | 1996-06-27 | 光検出器及びイメージセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH109954A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4668363A (en) * | 1984-03-16 | 1987-05-26 | Beckman Instruments, Inc. | Immunofixation electrophoresis process |
-
1996
- 1996-06-27 JP JP16706196A patent/JPH109954A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4668363A (en) * | 1984-03-16 | 1987-05-26 | Beckman Instruments, Inc. | Immunofixation electrophoresis process |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030902 |