JPS5858716B2 - 自己走査型光感知回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は増幅手段を有する光感知素子信号転送回路に関
する。

この回路は光感動素子の直線アレイの１つおきの素子が
２つのビデオ出力線のうちの１つに結合されるようなス
キャナーの環境で使用されても良い。

このアレイは半導体基板に於ける集積回路として形成さ
れる。

半導体集積回路に於いて、例えば光ダイオードのアレイ
として形成される光感知装置のアレイはｎ型又はｐ型の
シリコン基板に於て夫々ｐ型又はｎ型領域となる拡散領
域を利用し該拡散領域上又はその周囲の電磁放射によっ
て発生される正孔又は電子を集める。

そのようにして集められた電荷量は放射の強さ及び放射
に該拡散領域を露した時間によって決まる。

充電量が拡散領域の面積と正比例して変化するので拡散
領域の大きさは適当なアレイを与える際にしばしば制限
的な要素となる。

露出時間が短い場合従って蓄積時間が少ない場合、例え
ば光ダイオード上で所与の電圧振幅を維持するには拡散
領域の面積を増やさなければならない。

電荷量の変動幅は光ダイオードの容量に電圧振幅を乗じ
たものに等しく、且つ放射強度、露出時間、拡散領域の
面積及び光学的定数を掛は合わせたものに等しい。

周知の通り、光ダイオードの容量は拡散容量に従って決
まり、また実効拡散領域の面積は拡散領域の光学的な窓
の面積である。

光ダイオードからの信号を信号処理回路に転送する為に
帯電量の十分な幅の変化が発生されなければならない。

従って大きな光ダイオードと長い露出時間とが必要とさ
れた。

１９６７年５月１日号の「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｊ
第７５頁〜第７８頁には、比較的短い時間に読出しが行
われ乍ら拡散領域又は接合部に入る光又は放射量を合計
する記憶モードで動作する装置を利用する光感知アレイ
が説明されている。

本出願人による米国特許第３７７０９６７号明細書には
適当な信号処理回路に信号を転送する為増幅回路に結合
された光感動素子が開示されている。

この回路構成は光の検知には適するが、直流結合を用い
ている為光の集積、即ち電荷量の累積を行えない。

米国特許第３８１４．８４６号明細書には光感知装置が
１行に配列され、１つおきの装置が２本のビデオ出力線
のうちの１本に直接結合され、逐次感知されるものが開
示されている。

このアレイの２本のビデオ線で発生される信号は比較的
低い信号であり、従って信号対雑音比も低い。

論理回路の為の出力装置にまたがる閾値電圧降下を補償
するブートストラップ技法を用いたトランジスタ回路は
例えば米国特許第３５０６８５１号明細書及び同第３６
３１２６７号明細書で知られているが、光感知装置と協
働されるコンデンサ及び光ダイオードのようなアナログ
信号を含む光感知アレイに於ける閾値電圧損失を除去し
又は最小にする事の出来るアナログ回路用の回路は知ら
れていない。

本発明の目的は信号電荷増幅とともに電圧転送モードを
用いる改良された自己走査型光感知回路を提供する事に
ある。

本発明の他の目的は光ダイオードのようにより小さい光
感知装置を用いる改良された光感知回路を提供する事に
ある。

本発明の他の目的は１サイクル当りに短い蓄積時間しか
与えられないが短い露出時間しか要しない改良された光
感知回路を提供する事にある。

本発明の他の目的は改良された線型の光感知装置のアレ
イを提供する事にある。

本発明の他の目的は少ない光の強さで以って動作する光
感知回路を提供する事にある。

本発明の他の目的はビデオ信号の損失をなくすか少なく
とも最小限にし、また信号の歪みが１％以下の光感知回
路を提供する事にある。

本発明の他の目的は一定の照射が各装置から実質的に同
じ出力信号を提供するように、光感知装置が改良された
高密度の長い線型アレイを提供する事にある。

本発明の技法によれば、電磁放射を表わす小さい電荷信
号はソースフォロワとして接続された他側の電界効果ト
ランジスタを介し共通母線上に見掛は上は信号損失を生
じずに増幅される。

適当な所与の電圧により逆バ哨アスされた光ダイオード
のような光感知装置はソースフォロワの制御用ゲート電
極に結合され、更に光ダイオードに印加される所与の電
圧にほぼ等しい大きさの定電圧に加えてソースフォロワ
の閾値電圧にほぼ等しい電圧を制御用ゲート電極に印加
する手段が提供される。

本発明の１実施例に於て、本発明の自己走査型光感知回
路は光信号を増幅するための光ダイオード電荷増幅回路
より成り、これは第１及び第２の電界効果トランジスタ
及びコンデンサを含み、該コンデンサは第１トランジス
タのゲート電極から第１トランジスタのソース電極を介
し第２トランジスタに結合され、また第２トランジスタ
６Ｊダイオードとして接続されそのゲート電極がそのド
レイン電極及び第１トランジスタのソース電極に結合さ
れる。

コンデンサを第１トランジスタ及び第２トランジスタの
ほぼ閾値電圧に予じめ充電するとともにコンデンサと第
２電界効果トランジスタとの間の共通点に所定の大きさ
の電圧を更に印加しそのトランジスタをその直線領域で
動作させる手段が設けられる。

光ダイオードのような容量性源からの光信号が第１トラ
ンジスタのゲート電極に印加される。

好適な実施例では信号源の容量が共通点と第１トランジ
スタのゲート電極との間に接続された容量に等しい。

これらの回路の好適なアレイでは、回路の光感知装置又
は光ダイオードが線型に配列され、１つおきの回路が個
々のゲート用トランジスタを介し２本の共通母線のうち
の一力に結合される。

第１図には、直線的に配列された光ダイオードＰＤ１
、ＰＤ２ 、Ｐ、Ｄ３ 、ＰＤ４ 、ＰＤＮ、−１及び
ＰＤＮを有する本発明の自己走査型光感知アレイが詳細
に図示される。

これらの光ダイオードは夫夫光ダイオード充電量増幅回
路１０，１２，１４゜１６．１８及び２０のうちの１つ
に接続される。

各光ダイオードは半導体基板に拡散により形成されたｐ
−’−ｎ接合から戒り、図面では普通のダイオード記
号により表わされており、電流源りとともに第１コンデ
ンサＣ１として働くよう逆バイアスされる。

各光ダイオード電荷増幅回路１０ 、１２ 、１４゜１
６．１８及び２０は第１電界効果トランジスタ２２を含
み、該トランジスタのゲート電極が接続点Ａで光ダイオ
ードＰＤ１の一力の端子に接続され、またＰＤｌの他力
の端子が負の電源−■に接続されている。

第２電界効果トランジスタ２４及びコンデンサＣ１と等
しい容量を有する事が望ましい第２コンデンサＣ２とは
トランジスタ２２のソース電極接続点Ｂとそのゲート電
極接続点Ａとの間に直列に接続される。

トランジスタ２２のドレイン電極は正の電源＋■に接続
され、そのソース電極は導線２２′に接続される。

トランジスタ２４はそのソース電極を接続点Ｃでコンデ
ンサＣ２に、またそのゲート電極をそのドレインに接続
点Ｂで接続させる事によってダイオードの形態で配列さ
れる。

第３の電界効果トランジスタ２６が正の電源＋■と接続
点Ａとの間に接続され、第４の電界効果トランジスタ２
８が電源＋■と接続点Ｃとの間に接続される。

増幅回路の接続点Ｂから引出される各出力信号は夫々電
界効果トランジスタ３４，３６，３８゜４０．４２及び
４４を介し共通ビデオ出力線３０及び３２に与えられる
。

トランジスタ３４．３８及び４２は線３０に、トランジ
スタ３６，４０及び４４は線３２に接続されている出力
線３０及び３２は共通出力端子４８を有しても良い任意
の適当な増幅器４６へか又は任意の所望の別の出力回路
へ接続される。

転送トランジスタ３４．３８及び４２のゲート電極は第
１リングカウンタ５０の出力端子１，３及びｎ−１に接
続され、転送トランジスタ３６．４０及び４４のゲート
電極は第２リングカウンタ５２の出力端子２，４及びｎ
に接続される。

リングカウンタ５０及び５２は開始パルス及び所与の周
波数の適当なりロックパルスの制御の下、異なる出力端
子のところで逐次出力パルスを発生する任意の普通のカ
ウンタ又はシフトレジスタであっても良い。

カウンタ５０及び５２は光感知アレイと同じ基板又はチ
ップ上に形成されるのが望ましい。

第１図のクロック５４は、同じ周波数ではあるが異なる
位相の２組のクロックパルス即ちタイミング信号をリン
グカウンタ５０及び５２に発生する。

リングカウンタ５０に与えられるクロックパルスは所与
の位相φを有していると考えても良く、この場合リング
カウンタ５２に与えられるクロックパルスは該所与の位
相と１８０°位相がずれ、従って位相φを有していると
考えても良い。

ＰＤｌのような光ダイオードに結合される光ダイオード
電荷増幅回路は夫々下記の態様で動作する。

リングカウンタ５０の端子１からの転送パルスは、前の
サイクルから接続点Ｂに存在する信号を共通ビデオ出力
線３０に与えるためトランジスタ３４のゲート電極に与
えられる。

新しいサイクルを開始する為充電開始パルスが、リング
カウンタ５２の端子２からトランジスタ２６のゲート電
極に導体２６′を介して与えられる。

この結果、大きさ＋■のパルスをトランジスタ２２のゲ
ート電極に印加する。

トランジスタ２２はオンになり接続点Ｂの電圧は＋■か
らトランジスタ２２の閾値電圧ＶＴ２□を減じた電圧に
等しくなる。

トランジスタ２４がダイオードとして接続されているの
で、接続点Ｃの電圧は＋■からトランジスタ２２の閾値
電圧■Ｔ２２とトランジスタ２４の閾値電圧ＶＴ２４と
を減じた電圧に等しくなる。

斯して、第２コンデンサＣ２に印加される電圧はトラン
ジスタ２２及び２４の閾値電圧の合計値、即ちＶ Ｔ
２２＋ＶＴ２４に等しくなる。

コンデンサＣ２を充電した後、接続点Ｃに電圧＋■を与
える為ブースト（電圧押上げ）パルスがリングカウンタ
５０の端子３から導体２８′を介しトランジスタ２８の
ゲート電極に与えられ、これが接続点Ａの電圧を＋■＋
■Ｔ２□＋ＶＴ２４の合計値まで上昇させようとする。

しかし乍ら、コンデンサＣ１はコンデンサＣ２と同じ容
量を有し、これも接続点Ａに接続されているので、接続
点Ａの電位は＋■＋ ■＋■ −一つ、−一の合計値までしか上昇しない。

もしもトランジスタ２２及び２４の閾値電圧が等しい値
であれば、接続点Ａの電位は＋■＋■Ｔ２４の合計値に
等しくなろう。

従って、コンデンサＣ２に印加される電圧が光ダイオー
ドＰＤＩによって発生される信号のための増幅装置であ
るトランジスタ２２のゲートのオフセット電圧を排除す
るので、光ダイオードＰＤ１からの信号の最小増分でも
トランジスタ２２によって増幅され得る。

集積回路基板に於てトランジスタ２２の近くにトランジ
スタ２４を形成する事により、トランジスタ２２及び２
４の閾値電圧は１１等しくされるか又はもしも現在知ら
れている集積工程を利用するならば、１００ｍＶよりも
少ない差を有するようにされ得る。

この電位差は接続点Ａの信号に５０ｍＶ以下の誤差しか
生じないだろう。

アレイのそれぞれの増幅ｌ・ランジスタ２２の閾値電圧
の大きさは同じではないが、本発明の回路は個々のトラ
ンジスタ毎にこの相違を補償する。

何故ならばアレイに沿う各増幅トランジスタ２２が夫々
ダイオード接続されたトランジスタ２４をその近くに設
けているからである。

従って、例えば増幅回路１０及び増幅回路２０中の夫々
のトランジスタ２２の閾値電位差は少なくとも２５０ｍ
Ｖ位の差があるかもしれないが、それでもダイオド接続
されたトランジスタ２４が、対応するトランジスタ２２
と同様な閾値電圧、例えば１００ｍ’Ｖ以内の閾値電圧
を有するのでアレイ内の任意の感知点で最大でも５０ｍ
Ｖの誤差しか生じない。

もしも＋■の供給電位が８■に等しければ、全アレイの
任意の接続点Ａの誤差信号の不均一な度合は５０／８０
００即ち０．６２５％よりも少なくなるだろう。

光ダイオードでの光蓄積時間が任意の所定の期間毎にセ
ットされても良い。

この期間は、例えばリングカウンタ５２の端子２からの
充電開始パルスがトランジスタ２６のゲート電極に与え
られた後開始し、リングカウンタ５０の端子１からの次
の転送パルスがトランジスタ３４のゲート電極に与えら
れるとき終了する。

適当な蓄積時間は例えば約５００乃至４００μｓである
。

転送パルスがトランジスタ３４をオンに切換えた後、接
続点Ｂにある増幅信号が共通ビデオ線３０に与えられ、
増幅器４６によって更に増幅され端子４８で強いビデオ
出力信号を生じる。

説明を分り易くする為に、コンデンサＣ１及びＣ２のみ
が表示されているが、良く知られているように、半導体
集積回路が例えば接続点Ａ、Ｂ及びＣとアースとの間に
図示しない多くの固有の容量を有する事は理解されたい
。

互いに等しい容量を有するようコンデンサＣ１及びＣ２
を設計する事が一般的には望ましいが、これらの容量を
異なる値にするのが望ましい場合もある。

一般的には、ブースト・パルスは合計値２ ＋■＋（■Ｔ２□＋ＶＴ２４ ） に等しい
値まＣ１＋Ｃ２ でトランジスタ２２のゲート電極をブートストラップす
る。

＋■が＋８に等しく且つ転送用電圧、充電開始電圧及び
ブースト電圧が夫々９．５■に等しいと仮定すると、動
作サイクルの各時点での接続点Ａ。

Ｂ及びＣの電圧は下記の通りである。

即ち、充電開始パルスがトランジスタ２６のゲート電極
に与えられ、接続点Ａの電位が８■になると、ＶＴ２２
が１．５■とすれば接続点Ｂの電位は６，５■に、また
、ＶＴ２４も１．５■とすれば接続点Ｃの電位は５、
ＯＶになる。

従って、コンデンサＣ２に印加される電圧は３■に等し
くなる。

ブースト・パルスがトランジスタ２８のゲート電極に与
えられると、コンデンサＣ１及びＣ２が等しい容量値を
有すると仮定すれば第２図に示される通り接続点Ａの電
圧は９．５■に増加し接続点Ｂ及びＣでの電圧が８■に
なる。

接続点Ａの電圧が光ダイオードＰＤ１の電荷蓄積により
減少すると、接続点Ｂの電圧は接続点Ａでの減少分に正
比例して減少する。

蓄積期間終了時に転送パルスは接続点Ｂに生じた全ビデ
オ信号を出力線３０に与えるようトランジスタ３４をオ
ンに切換える。

但しその信号はそのときの光ダイオードＰＤＩ上の光の
強度に従って８■よりも幾分少ない大きさを有する。

増幅回路１２の接続点Ｂからのビデオ信号が共通ビデオ
出力線３２に与えられている事を除けば、光ダイオード
電荷増幅回路１２も増幅回路１０に類似しており、これ
にはリングカウンタ５２の端子２からトランジスタ３６
に転送パルスが与えられ、更にリングカウンタ５０の端
子３から充電開始パルスが与えられ、リングカウンタ５
２の端子４からブーストパルスが与えられる。

光ダイオード電荷増幅回路１４及び１８も転送パルス、
充電開始パルス及びブーストパルスが端子３，４及び例
えばｎ−１と、ｎ−１，ｎ及びｎ ＋ １とから夫夫与
えられる事を除けば増幅回路１０と同様に配列され、ま
た光ダイオード電荷増幅回路１６及び２０も、転送パル
ス、充電開始パルス及びブーストパルスが端子４、例え
ばｎ−ｉ及びｎと、ｎ１ｎ ＋ １及びｎ ＋ ２とか
ら夫々与えられる事を除けば増幅回路１２と同様に配列
される。

増幅回路１４及び１８からのビデオ信号は夫々トランジ
スタ３８及び４２を介して出力線３０に与えられ、増幅
回路１６及び２０からのビデオ信号は夫々トランジスタ
４０及び４４を介して出力線３２に与えられる。

第２図からも判るように、端子１ 、２ 、３ 、４゜
ｎ１ｒｎＨｎ＋１及びｎ ＋ ２からのパルスはすング
カウンタ５０及び５２の上部端子から下部端子へと端子
に付けられた順番通り逐次発生される。

従って、ビデオ信号が出力線３０及び出力線３２から交
互に増幅器４６に与えられる事が理解されよう。

もしも必要であれば、両増幅回路１０及び１２からのビ
デオ信号が共通増幅器に同時に与えられ、光ダイオード
ＰＤ１又はＰＤ２のいずれかの領域の２倍の面積を有す
る実効上単一の光ダイオード又は光素子に入射する光の
表示を与えるようにしても良い。

光ダイオードＰＤ１乃至ＰＤｎの線型アレイを含む自己
走査型光感知回路を作動する為に、クロック５４はリン
グカウンタ５０及び５２に夫々与えられるパルスφ及び
φを発生するようオンに切換えられる。

これらのパルスは上記で表示されるように、単なる位相
ではあるが同じ周波数の２組のタイミング信号であって
も良い。

−力、同じ組の信号パルスが両リングカウンタ５０及び
５２に与えられても良いが、リングカウンタ５０が第２
図に示されるように正のクロックパルスに応答するよう
設計され且つリングカウンタ５２が負のクロックパルス
に応答するよう設計されても良い。

両リングカウンタ５０及び５２の動作は開始端子に適当
なパルスを与えると同時に開始する。

リングカウンタ５２の端子ｎのパルスは必要であれば開
始端子にフィードバックされ、両リングカウンタ５０及
び５２の為の開始パルスとして使用されても良い。

リングカウンタ５２の端子ｎのパルスがトランジスタ４
４の制御電極に与えられると走査は終了されるが、光ダ
イオードＰＤｎの為の次の蓄積期間を開始させるよう増
幅回路２０を働かせる為、夫々カウンタ５０の端子ｎ
＋ １及びカウンタ５２の端子ｎ ＋ ２から充電開始
パルス及びブーストパルスが必要である。

このように特に一様性が改良され、且つ短かい蓄積時間
又は強度の弱い光で作動され得るよう改良された自己走
査型光感知回路が本発明により提供される事が理解され
よう。

文書及び光感知アレイを相対移動させる事によって、文
書上に含まれる文字又は情報を表わす信号が容易に発生
され得る。

これらの信号は原文書の位置で又は遠隔位置で文書を再
生するよう使用され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回路を一部、ブ冶ツク型式で表わす回
路図であり、第２図は第１図に図示される回路の動作に
関連して使用されるパルスのプログラムである。 ＰＤ１〜ＰＤｎ・・・・・・線型配列された光ダイオー
ド（光感釦装置）、１０ 、１２ 、１４ 、１６．１
８２０・・・・・・光ダイオード電荷増幅回路、２２・
・・・・・第１電界効果トランジスタ、２４・・・・・
・第２電界効果トランジスタ、３０ 、３２・・・・・
・共通ビデオ出力線、４８・・・・・・ビデオ出力、５
０．５２・・・・・・リングカウンタ、５４・・・・・
・クロック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 受光量に応じた電荷量を生じ得る複数個の光感知装
   置からなるアレイと、 このアレイの上記光感知装置にそれぜれ結合されて上記
   光感知装置に生成された電荷量に応じた電圧をそれぞれ
   ほぼ線形に増幅する複数個の増幅回路と、 上記各増幅回路に結合された共通の出力線と、上記光感
   知装置の電荷量に対応するアナログ信号を上記出力線に
   逐次生じるよう上記各増幅回路にパルスを与える手段と
   を有し、 さらに上記増幅回路は上記光感知装置の１つに制御電極
   を結合させたソース・フォロワと、このソース・フォロ
   ワをなす電界効果トランジスタの閾値電圧損失を検出し
   、この検出電圧を上記光感知装置に生成された電荷量に
   応じた電圧に重畳して上記閾値電圧損失を補償する手段
   とを含むことを特徴とする自己走査型光感知回路。