JPS62500829A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 光検出装置 この発明は局部光強度状態に感じる光検出装置に関係撮影される情景の露出時間 を決定するために感光装置を使用することは技術上矧られでいる。一般に、その ような装置は反射情景光の平均強度に応じて電気的出力を発生する光電池、及び 所与の時間にわたってその電気的出力を積分するための付加的回路部を備えてい る。

前述の装置はその意図された目的に役立つが、それは反射情景光の平均強度全測 定することに限らｎている。

露出が平均情景間るさに従って制御される場合には、平均強度よりも大きい照明 量を反射する物体は許容できないほどに過剰露出となることがある。

米国特許第３９４５７３２号及び第４２８５５８３号は、情景の局部的な又は植 種の部分から反射した光に応答するように配列された光導電性素子の配列体を備 えた装置を開示している。各光電池は最大又は最小の明るさを持った情景の部分 を検出するのに使用される。しかしながら、この形式の装置は、各感光性素子の 出力を積分するための付加的な回路部を使用しているので、比較的複雑である。

更に、個別の光導電性素子を利用した装置は分解能が限られているので、情景の ある部分から反射した光を情景の他の部分から反射した光と区別する能力が制限 されている。

発明の要約 前述の事柄を考慮して、この発明の目的は、局部露出条件を高分解能で検出する ための簡単な設計及び小形の一元的構造の光検出装置全与えることである。

この発明のこの目的は、半導体基板内に集積化されたＰＭ接合ダイオードの配列 体の上に置かれた光導電層からなる光検出装置によって達成される。これらのダ イオードに逆バイアスを与えるように光検出装置ｒ電位を加えると、この印加電 圧は光導電層によって形成された容量性素子の配列体のキャパシタンス及び対応 するダイオードの配列体の接合キャパシタンスに従って光導電層と半導体基板と の間で分割される。この装置に元が入射する。と、入射光の局部強度に直接従属 した速度で光導電層から下にあるＰＭ接合部へと電荷が転送される。ＰＭ接合部 が十分な電荷を蓄積して、対応するダイオードの逆降伏電圧に等しい接合部電圧 が生じると、このダイオードはオンになる。このために光検出装置を通る電流が 増大し、これにより所望の局部露光が行われたことが指示される。

この発明及びこれのその他の利点は以下に述べられる採択実施例の詳ＭＢな説明 において一層明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 採択実施例の詳細な説明においては添付の諸図面が参照されるが、この諸図面中 、 図１は光検出装置の三つの光検出素子を示す光検出装置の簡単化された断面図で あり、 図２Ｆｉ図１の光検出装置の一つの素子の等価回路であり、 図３（α）及び図３（ｂ）はそれぞれ光検出装置の一つの素子に対する電圧及び 電流の波形図であり、１９４ｉｌｔ図１の光検出装置と共に使用され得る信号検 出回路の概略図であり、又 図５はこの発明の光検出装置を組み込んだ写真カメラの構成図である。

採択実施例の詳細な説明 この発明による光検出装置１０は一つ以上の光検出素子１１からなっていて、こ れのそれぞれは情景の局部的部分から反射した光を受けるように配列さｎている 。諸図面中の図１？′１１行に配列された素子１１のうちの三つを示しているが 、素子１１を行及び列に配置して光検出素子の面積配列体を形成することが望ま しいことは理解されるであろう。

各素子１１はフイオード１２を備えていて、これの上方に光導電材料の１１３が 形成されている。開示された実施例では、各ダイオード１２はＰ形半導体基板１ ６゜例えばシリコン、の上面に拡散されたＮ影領域１４を備えている。各ダイオ ード１２のＰＮ接合部１７は基板１６の上面に広がっている。米国特許第３０６ ４１６７号は半導体基板における拡散接合ダイオードの製造法を開示している。

技術上知られていることであるが、ＰＭ接合の深さ及び面積並びにＮ形及びＰ形 不純物の濃度レベルは接合部“イオードの逆降伏電圧特性並びに接合部のキヤ、 ＮＯンタンス全決定する。例えば、米国特許第３４３４０１５号は接合キャパシ タンスと接合面積との関係を開示している。

Ｎ形不純物の基板１６中への拡散の期間中、基板１６の酸化物の絶縁層１８が生 成される。層１８の部分部分は通常の写真食刻及びエツチング技術により除去さ れてそれぞれＮ影領域１４を露出させるが、対応するＰＭ接合部１７と基板１６ の上面とはなお絶縁層１８によって覆われている。アルミニウムのようなオーム 接触部２０が各領域１４の露出した上方面に施されて一連の導電性端子が形成さ れるが、これらはそれぞれ夕゛イオード１２のＮ影領域を光４電層１３に直列に 接続する。図１に示されたように、層１８は光導電層１３を接合部１７及び基板 １６から絶縁し且つ接触部２０を基板１６のＰ領域から絶縁している。

光導電層１３の上面に形成された透明導体２２．及び基板１６の裏側に形成され た金属層２４は装置１０に電ｑ！ｆλ昭６２−５００８２９　（３）体２２、光 導電層１３及び一連の接触部２０の組合せけｌ性素子の配列体を形成しており、 これらの素子はそれぞれ下にあるダイオード１２に直列に接続されている。

装＠１０の素子１１に対する等何回路は図２に示されている。Ｒｐｅは各素子１ １と関係した光導電層１３の抵抗である。技術上知られているように、Ｒｐ、け 層１３に入射する光の強度とは逆に変化する。従って、Ｒ７，は光導電体に入射 する局部光の強度に従って光導電層１３全側方へ横切って変化する。

Ｃｐ、はダイオード１２に接続された各容量性素子のキャパシタンスである。や はり技術上よく知らレテイルヨうに、Ｃｐ、は光導電層１３の幅、それの誘電率 、及び接触部２０の面積の関係である。

Ｃｄ１−ｔダイオード接合部キャパシタンスである。前述の米国特許第３４３４ ０１５号に更に詳細に開示されているように、ｃｄは接合部１７の面積及びそｎ の電荷空乏領域の幅に関係してｐす、この幅はドーピング特性、形不純物の濃度 レベルとに関係している。

Ｖｐ、及びＶｄは装置１０に電位が加えられたときの、光導電層１３及び対応す るダイオード１２におけるそれぞれの電圧である。

光が（例えば、関連の写真カメラにおける閉じたシャッタによって）装置１０に 入射するのを阻止されているとさには、抵抗Ｒ７ｃの大きさは非常に高い。この 状態においては、電位Ｖが装置ＩＯに接続されてダイオード１２に逆バイアスに 与えると、各ＰＮ接合部１７、及び光導電層１３の対応する部分には電荷が蓄積 する。印加電圧ＶけＰＭ接合部１７のキャパシタンス及び光導電層１３によって 形成された対応する容量性素子のキャパシタンスに従って次のように分割される 。

この発明の採択実施例においては、装置１０は各ダイオード１２の接合キャパシ タンスがそれの対応する容量性素子のキャパシタンスよりも高くなるように製作 されている。そｎゆえ、電圧Ｔ／は装置１０において、光導電層１３における電 圧が対応するダイオード１２に２ける電圧よりも太きくなるように分割される。

更に、この発明に従って、各キャパシタンスは、電圧Ｖがダイオード１２に逆バ イアスを与えるような極性で加えら九たときに、各ダイオードにおける電圧が前 述のダイオード逆降伏電圧よりも小さくなるように選択されている。従って、図 ３（α）に示されたように、光が最初に装置１０に入射する時点ｔ。の前におい ては、ダイオード１２における電圧Ｖ、１は電圧Ｖｐ、より小さく、且つＶ、１ はダイオード逆降伏電圧Ｖ２　より小さい。

装置１０は外部の情景又はその他の光学的入力を透明導体２２」二に結像させる ことによって動作させられる。

＋Ｑ３ｔα）及び図３（ｂ）は代表的な素子１１に対する、結果として生じる電 圧及び電流を示している。

時点ｔ。において、光が（例えば、図示されていない関連のカメラにおけるシャ ッタの開放によって）素子１１に最初に入射すると、Ｒア、は非常に高い暗抵抗 値から局部光強度に対応する領まで急速に減小する。キャパシタＣｐ、ばそのと きＲア、全通して放電し始める。Ｖｐ　ｃの放電率はＲゆに逆に従属しており、 従って、入射光の強度に直接従属している。素子ＩＩへの正味電流Ｉにより電荷 がＰＭ接合部１７に蓄積する。そ１ゆえ、キャパシタＣ，１は充′ｒｔＬされ、 これによってＶ、１はＶ７．が減小する率で増大する。Ｖ、１が時点ｔ８　にお いてダイオード１２の逆降伏電圧Ｖ２　に等しくなると、ダイオードは直ちにオ フからオン状態に切り換わる。それゆえＶ、１はＶ２　にクランプされ且つ光導 電体１３における電圧はＶ　−Ｖ２にクランプされる。このために装置１０全通 る電流は図３（ｂ）に示されたように定常状態値Ｉｔｓ　’！で急激に増大する 。

時間ｔ８〜１ｏ及びＶｄが増大する速度は光導電層１３の抵抗Ｒｐｃの大きσに 関数的に関係している。素子１１′に入射する光の強度が比較的小さい場合に対 しては、Ｒ，ｐ、の値はそれに対応して比較的大きくなる。それゆえ、Ｖ、１は 一層ゆっくりと増大し、時間１ｓ−１ｏ　は一層長くなる。

所有の装置１０及びＶの所与の１℃に対してｔま、露出光の所望量、すなわち時 間ｔ、ｇ−ｔ。全乗算された光強度は、光導電層１３が光強度に反比例する抵抗 Ｒ，，に持っている場合には光強度が変イヒ１−１でも一足のままである。所望 量の露出光に対しては、Ｃ３−ｔｏ　が測足されると、局部光強度は容易に計算 することができる。更に、技術に通じた者には明らかなはずであるが、所望の露 出レベルは接合部１７のキャパシタンス、印加電圧Ｖ１又は光導電層１３によっ て形成されるキャパシタンスを変えることによって変えることができる。

各素子１１は互いに電気的に並列になっているので、装置１０によって取り出さ れる全電流Ｃｒｔ）＃ｉ各素子電流の和である。従って、素子】１の一つに対す るダイオード１２がオンに切り換わるとＩｔ　の増大が生じる。この最初のＩＩ 　の増大は、いずれかの素子１１が最も明るい光によって照射されることに起因 しており、その素子にお、ける時間的に積分された元が所望の露出レベルに達し た時に発生する。すべての素子１１について時間１ｓ−１ｏ　を監視することに よって、全情景についての局部化された強度の統計的分布を監視することができ る。

前述の開示事項から技術に通じた者には明らかなことであろうが、装置１０の各 素子１１は単一の集積回路チップ内で集積化して、高分解能で局部光状態を検出 するための一元的礪造を形成することができる。

装置１０を通る１ｒ、流における変化を検出するための回１６情昭〔に−５００ ８２９（４） 路２６１ｄ図４に溝成図で部分的（Ｆ′、示さｔしＶ−いる。回路２６の特別の 利点は％装置１０と共に単一のチップに組み込めろように集積回路形ウ−で容易 に製作され得る電気的構成部品でその回路が形成さオＩＣいることである１゜装 置１０とその電圧源Ｖとの間には電流検出用抵抗２０が直列に接続さ）］−でい る。この抵抗２８は又演算増幅器回路３２の両入力端子間に接続されており、こ の回路は微分器と１．下溝成、５れているので、この増幅器回路３２の出力は抵 抗２８における電圧の変化率に比例する。

素子１１の切り換わりて応答して電流Ｉｔ　の増大が生じると、対応する出力パ ルスが増幅器回路３２の出力に発前述の事柄から明らかなことであるがｓ　ｈ” Ｊ部化された露出状態を高分解能で検出するという見地から有利である簡単ｌ設 計の小形の〜元的ｒ４造ゲ持った新し、い光検出装置が開示された。

装置１０は、任意の局部化された情景光強度が所与のレベルより上にあるか又は 下にあるか全露出の前に決足するためにカメラにおける光監視装置として使用す ることができる。例えば、装置１０は、情景光強度が低いときにカメラを自動的 にフラッシュ露出モードに切り換えるために使用することができる。

装置１０は又、露出制御が局部化されたピーク露出と全情景の最適露出との間の 統計的関係に基づいている写Ｘ１ｆｌｔにおいて、カメラのシャッタの閉鎖を制 御するために又は電子式フラッシュ装置の消光を制御するために実時間で使用す ることができる。

装置１０を後者の様式においてカメラに使用した例は図５に示されている。この カメラはレンズ３３、シャッタ３４、半反射鏡３６・、及び写真フィルム−のよ うな画像記録媒体３８に備えている。シャッタ３４の開口部は多くのカメラに見 られる通常の電子式シャッタ制御機構４４によって制御される。半反射鏡３６は 反射した情景光の一部分を光検出装置１０へそらす。所望のピーク露出値に達す ると、装置電流の増大が図４に示されたような形式の検出器回路４２によって検 出される。検出器回路４２はシャッタ制御機構４４に出力信号を出力し、そして この機ｍはシャッタ３４を閉じて露出を終了させる。

この発明は丑にその採択実施例に関して詳細に説明されてきたが、植種の変形及 び変更がこの発明の精神及び範・凹円において行われ得ることは理解されるであ ろう。

例えば、Ｎ形基板に入れ込筐れたＰ影領域、又はＰ形エピタキシャル層における Ｎ影領域のような別の講造物が可能であることは技術に通じた者には明らかであ ろう。

ＦＩＧ、２ ｔ□　、を聞　− ＦＩＧ、４ 国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　’ｈｄＦ、ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＩ ＪＯＲ丁ＯＮ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）接合ダイオードを規定するＰＮ接合部を備えていてこのダイオードが所 定の逆降伏電圧を持ち且つ前記の接合部に関数的に関係したキヤパシタンスを持 つている半導体基板、 ｂ）前記のダイオードの電極と透明電極との間に介在している光導電材料の層で あつて、この光導電層の厚さに関数的に関係したキヤパシタンスを持つている、 前記のダイオードに直列に接続された容量性素子を規定している前記の光静電層 、 ｃ）前記のＰＮ接合部及び前記の容量性素子に電圧を加えるための電圧源装置で あつて、この電圧が前記の接合部及び前記の容量性素子のそれぞれのキヤパシタ ンスに従つて分割され、この両キヤパシタンスを、前記の接合部に蓄積された電 荷の量が前記のダイオードの所定の降伏電圧に対応する電圧を発生するまで前記 の光導電材料への光の入射に応答して前記の光導電材料から前記の接合部内電荷 が転送されるように選択してある、前記の電圧源装置、並びに ｄ）ＰＮ接合部の電荷蓄積がダイオード逆降伏電圧に達したことに応答して、所 定量の光が前記の光導電層に入射したことを示す出力信号を発生することのでき る検出器装置、 を備えている光検出装置。
2. ２．前記のＰＮ接合部が第２の導電形式の半導体領域内に入れ込まれた第１の導 電形式の半導体領域によつて規定されており、且つ前記のＰＮ接合部が前記の基 板の表面まで延びている、請求の範囲第１項に記載の光検出装置。
3. ３．前記のＰＮ接合部及び前記の容量性素子に加えられる電荷の量が前記の電圧 源によつて加えられる電圧の大きさに従つて変化する、請求の範囲第１項に記載 の光検出装置。
4. ４．前記の光導電層に入射する光の強度に直接従属した率で前記の光導電材料か ら前記の接合部へ電荷が転送される、請求の範囲第１項に記載の光検出装置。
5. ５．情景から反射した光の局部化された強度を検出するための光検出装置であつ て、 ａ）表面内に集積化された第２導電形式の半導体領域の配列を備えた第１導電形 式の半導体基板であつて、この基板内に集積化されたＰＮ接合部の対応する配列 を形成することができ、この各ＰＮ接合部から、所定の逆降伏電圧を持ち且つ対 応する接合部に関数的に関係したキヤパシタンスを持つた接合ダイオードを規定 している前記の半導体基板、 ｂ）前記の第２導電形式の前記の半導体領域の異なつたものとそれぞれ接触して いる導電性端子の配列体、ｃ）前記の導電性端子の配列体の上にある光導電材料 の層、 ｄ）前記の光導電材料の層の上にある透明な導電材料の層であつて、前記の誘電 性端子の配列体、前記の導電材料及び前記の透明材料が容量性素子の配列体を成 していて、この各素子が前記のＰＮ接合部配列体の対応するダイオードに直列に 接続されており且つ前記の光導電材料の関連部分の厚さに対応するキヤパシタン スを持つている、前記の透明な導電材料の層、 ｅ）前記の容量性素子の配列体及び前記のＰＮ接合部の配列体に電圧を加えて前 記の接合部に逆バイアスを与えるようにするための電圧印加装置であつて、この 電圧が前記のＰＮ接合部のキヤパシタンス及び前記の光導電材料の対応する部分 のキヤパシタンスに従つて分割され、前記の容量性素子の前記の配列体のキヤパ シタンス及び前記のＰＮ接合部のキヤパシタンスが適当に選択されていて前記の 光導電材料の対応する部分に入射する局部光の強度に従つて前記の光導電層から 前記のＰＮ接合部へ電荷が転送され、前記の対応するＰＮ接合部に蓄積した電荷 の量が前記の対応するダイオードの所定の降伏電圧に等しくなるまでそのような 電荷の転送が行われるようにする、前記の電圧印加装置、並びに ｆ）ＰＮ接合部の電荷蓄積がダイオード逆降伏電圧に達したことに応答して、所 定量の局部光が前記の光導電材料の対応する部分に入射したことを示す出力信号 を発生することのできる検出器装置、 を備えている前記の光検出装置。