JPS63175466A - 光電変換装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は開口部と遮光部とに分けられた複数個の光セン
サを有する光電変換装置に関する。

［従来技術］ 第６図は、暗出力補償機部を有する従来の光電変換装置
の概略的構成図である。

同図において、センサ部工は光電変換を行う開口部のセ
ル８１〜Ｓｎと暗基準出力を得るための遮光部のセルＳ
ｄとから構成されている。

各セルの信号は走査部２によって順次出力され、暗出力
補償部３に入力する。暗出力補償部３では、セル５１〜
Ｓｎの各信号からセルＳｄの暗基準信号分を差し引いて
出力する。

遮光部のセンサセルＳｄの出力はセンサセルの暗電流に
相当するために、セル５１〜Ｓｎの各信号からセルＳｄ
の暗基準信号分を差し引くことで、暗電流くよる雑音成
分が除去され、入射光に正確に対応した光電変換信号を
得ることができる。

なお、暗出力補償部３としては、クランプ回路を用いて
もよいし、セルＳｄの暗基準信号を保持するサンプルホ
ールド回路と、その暗基準信号とセルｓ１〜Ｓｎの信号
との差をとる差分回路を用いることもできる。

第７図は、上記従来例におけるセンサ部ｌの概略的断面
図である。

同図において、ｎ一層７０１にセンサセルｓｅｔ、ｓｉ
〜Ｓｎが素子分離領域７０２を挟んでライン状に形成さ
れている。

各セルは光励起によって発生したキャリアを蓄積するた
めのｐ領域７０３を有し、セルＳｄ上には遮光膜７０４
が形成され遮光部を構成している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の光電変換装置では。

開口部に強い光が入射すると、開口部から遮光部へキャ
リアが漏れ込み、暗基準出力に影響を与えるという問題
点を有していた。

すなわち、第７図に示すように、強い光が入射して開口
部のセルＳ１のＰ領域７０３に過剰なキャリア（ここで
はホール）が蓄積されると、過剰キャリア７０５がｎ一
層７０１側へ流出し、隣接する遮光部のセルＳｄのｐ領
域７０３に流入する。このために、セルＳｄの暗基準出
力が変化し、上述したように正確な暗出力補償ができな
くなる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による光電変換装置は、 開口部と遮光部とに分けられた複数個の光センサを有す
る光電変換装置において、 開口部からの光信号の流入を阻止するキャリア除去手段
を前記遮光部の光センサと開口部の光センサとの間に設
けたことを特徴とする。

［作用］ このようにキャリア除去手段を開口部と遮光部との間に
設けたことによって、開口部からの光信号の漏れ込みが
阻止され、遮光部のセンサから光に影響されない出力を
得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。

８１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の概略
的断面図、第２図は、そのＡ−Ａ線断面図である。

第１図および第２図において、ｎ型基板１０１上にエピ
タキシャル成長によってｎ一層が形成され、ｎ一層に素
子分離領域１１６によって相互に分離されたセル５ｄ、
３１．３２　・・・ＳｎとセルＳｄおよびＳｌの間に位
置する過剰キャリア除去セルＳｆとがライン状に形成さ
れている。各セルにおいてｎ一層はコレクタ領域１０２
となる。

さらに、各セル内にｐベース領域１０３、Ｐベース領域
１０３内にｎ十エミッタ領域１０４が形成され、ｎｐｎ
型バイポーラトランジスタが構成されている。

また、Ｐベース領域゛１０３にｐ十領域１０５が形成さ
れ、一定距離をおいてｎ一層１０２にｐ＋領域１０６が
形成されている。更に、酸化膜１０７を介してゲート電
極１０８が形成され、リセット用のｐチャネルＭＯＳト
ランジスタ（以下、「リセッ）ＴｒＪとする。）が構成
されている。勿論、リセットＴｒをｎチャネルＭＯ３）
ランジスタとしてもよい。

バイポーラトランジスタおよびリセットＴ　ｒ　」二に
は絶縁膜１０９が形成され、ｐ十領域１０６に接合した
電極１１０とｎ十エミッタ領域１０４に接合したエミッ
タ電極１１１とが各々形成されている。更に、その上に
絶縁膜１１２が形成され、開口部を除く部分は遮光膜１
１３に覆われている。セルＳｄおよびＳｆ上には遮光膜
１１３が形成されて遮光部を構成し、その他のセル８１
〜Ｓｎは開口部を構成している。

また、基板１０１の裏面にはコレクタ電極１１４が形成
されている。

ここでは、セル５１〜Ｓｎによって入射光が電気信号に
変換され、セルＳｄによって暗出力補償用の暗基準信号
が得られる。そして、開口部と暗基準セルＳｄとの間に
形成されたセルＳｆによって、暗基準セルＳｄへの過剰
キャリアの流入が阻止される。

本実施例における過剰キャリア除去セルＳｆのｐベース
領域１０３は、コレクタ電位Ｖｃｃ以下の電位Ｖｆｘに
固定されている。このために、セルｓｌ〜Ｓｎのｐベー
ス領域１０３にＮ桔された過剰なホールがあふれて流出
しても、セルＳｆのｐベース領域１０３に吸引されて暗
基準セルＳｄまで到達しない。すなわち、開口部の光電
変換セルに強い光が入射してＰベース領域１０３から過
剰なキャリアがコレクタ側へ流出しても、暗基準セルＳ
ｄからは常に正しい暗基準出力を得ることができる。

さらに本実施例では、過剰キャリア除去セルＳｆが、他
のセルと同一の構成を有しているために、何ら特別の製
造工程を必要とせず、また同一構成のセルが配列されて
いるために、ノイズに関しても有利である。

なお本実施例では、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタを
用いた光電変換セルの場合を説明したが、勿論、電界効
果トランジスタや静電誘導トランジスタを用いたもので
あっても、またその他の方式のものであっても、キャリ
アを蓄積するための領域を有するトランジスタを用いた
ものであれば、本発明が容易に適用可能であることは明
らかである。

次に、本実施例における光電変換セルの動作を説明する
。

第３図（Ａ）は、上記光電変換セルの基本動作を説明す
るための等価回路図、第３図（Ｂ）は、その動作を示す
電圧波形図である。

第３図（Ａ）において、上記光電変換セルは、ｎｐｎ型
バイポーラトランジスタｌのｐベース領域１０３がリセ
ッ）Ｔｒ５のドレインに接続された回路と等価である。

リセッ）Ｔｒ５のゲート電極１０８にはパルスφｒｅｓ
が入力し、そのソース電極１１０には一定電圧Ｖｂｇ　
（たとえば２Ｖ）が適時印加される。また、エミッタ電
極１１１はｎチャネルＭＯＳトランジスタ８を介して端
子１１５に接続され、そのゲート電極にはパルスφｖｒ
ｓが入力し、端子１１５には電圧Ｖｂｇより十分に低い
電圧又は接地電圧が適時印加される。

まず、蓄積動作において、ｐベース領域１０３の電位ｖ
ｂは初期の正電位で浮遊状態に、エミッタ領域１０４は
ゼロ電位の浮遊状態に、各々設定されている。なお、コ
レクタ電極１１４には正電圧Ｖｃｃが印加されている。

また、リセットＴｒ５のゲート電極１０８は正電位にあ
り、リセットＴｒ５はＯＦＦ状態となっている。

この状態で受光部に光が入射し、光量に対応したキャリ
ア（ここでは正孔）がｐベース領域１０３に蓄積される
。

その際、ｐベース領域１０３は初期の正電位に設定され
ているために、光励起によってキャリアがＨａされると
、その蓄積キャリアに応じた信号が同時に浮遊状態のエ
ミッタ側へ読出され、光電変検出力が得られる。すなわ
ち、本実施例では蓄積動作と同時に読出し動作が進行す
る。

次に、Ｐベース領域１０３に蓄積されたキャリアを消滅
させる動作について説明する。

第３図（Ｂ）に示すように、まず、リセットＴｒ５のゲ
ート電極１０８に負電圧のパルスφｒｅｓが印加される
ことで、リセッ）Ｔｒ５はＯＮ状態となる（期間Ｔ１）
、これによって、ｐベース領域１０３の電位ｖｂは、そ
れまでの蓄積電圧、に関係なく、すなわち入射光の照度
に関係なく、一定電圧Ｖｂｇとなる。

一定電圧Ｖｂｇは、キャリア消滅動作終了後のベース残
留電位Ｖｋよりも十分の高くなるように設定されている
。たとえば、Ｖｂｇ＝２Ｖである。

次に、正電圧のパルスφｖｒｓによってトランジスタ８
をＯＮ状態とし、端子１１５の接地電圧又はＶｂｇより
十分低い電圧をトランジスタ８を介してエミッタ電極１
１１に印加する（期間Ｔ２’）、勿論、正電圧のφｖｒ
ｓをパルスφｒｅｓの立上がりから継続して印加しても
よい（期間Ｔ２）。

これによって、ｐベース領域１０３に蓄積されたホール
は、ｎ十エミッタ領域１０４からｐペース領域１０３に
注入される電子と再結合し消滅する。すでに述べたよう
に、期間Ｔ１においてＰベース領域１０３の電位ｖｂは
、蓄積電位に関係なく、前記残留電位Ｖｋより十分高い
電位Ｖｂｇに設定されているために、期間Ｔ２又はＴ２
　　’が経過゛した時点で、ｐベース領域１０３の電位
ｖｂは、照度の高低に関係なく一定電位Ｖｋとなる。

また、期間Ｔ２又はＴ２　　’が経過した時点で、パル
スφｖｒｓは立下がり、トランジスタ８がＯＦＦ状態と
なって、エミッタ電極１１１は浮遊状態となる。そして
、上述した蓄積動作および読出し動作へ移行する。

このようにｐベース領域１０３の電位を一定電位とする
期間Ｔ１を設けることによって、期間Ｔ２又はＴ２　　
’での消滅動作を終了した時点で。

ｐベース領域１０３の電位ｖｂを一定にすることができ
、低照度状態での光電変換特性の非直線性および残像現
象を完全に防止することができる。

また、Ｐベース領域１０３の電位制御をキャパシタによ
って行わないために、キャパシタに起因する出力の低下
、バラツキの発生がない。

第４図は、上記光電変換セルを用いた本実施例の概略的
回路図である。

本実施例におけるセルＳｄ、Ｓｆ、ｓｉ〜Ｓｎは、第１
図に示すようにライン状に配列されている。

第４図において、各セルのリセットＴｒ５のゲート電極
１０８は端子７０に共通接続されパルスφｒｅｓが入力
する。またソース電極１１Ｏは端子７２に共通接続され
電圧Ｖｂｇが印加される。

ただし、過剰キャリア除去セルＳｆのｐベース領域１０
３の電位はＶｆｘに固定されている。これは、リセ−２
）Ｔｒ５を常にＯＮ状態にしておき、そのソース電極１
１０に電圧Ｖｆｘを印加してもよいし、ｐベース領域１
０３に直接電極を設けて電圧Ｖｆｘを印加してもよい。

また、各セルのエミッタ電極１１１はトランジスタ８を
介して接地されている。トランジスタ８のゲート電極は
端子７１に共通接続され、端子７１にはパルスφｖｒｓ
が入力する。

さらに、各セルのエミッタ電極１１１はトランジスタ１
１を介して蓄積用キャパシタＣｔに各々接続され、各キ
ャパシタＣｔは各々トランジスタ１２を介して出力ライ
ン２０に共通接続されている。

トランジスタ１１のゲート電極は端子７３に共通接続さ
れ、端子７３にはパルスφｔが入力する。

トランジスタ１２のゲート電極はシフトレジスタ１３の
出力端子に接続され、シフトレジスタ１３によってトラ
ンジスタ１２は順次ＯＮされる。またシフトレジスタ１
３は、端子７９から入力するシフトパルスφｓｈによっ
て動作し、ハイレベルの位置が順次シフトしていくよう
に構成されている。

出力ライン２０は出力アンプ１５を通して出力端子７６
に接続されている。また、出力アンプ１５の入力はトラ
ンジスタ１４を介して端子７４に接続され、端子７４に
は一定電圧ｖｂｈが印加されている。また、トランジス
タ１４のゲート電極７５にはパルスφｈｒｓが入力する
。

なお、上記各パルスφおよび定電圧Ｖｂｇ、Ｖｆｘおよ
びｖｂｈはドライバ７７から供給され、ドライバ７７は
発振器７８からのクロック信号に応じたタイミングで各
パルスを出力する。

以下、第５図を参照しながら、本実施例の動作を説明す
る。

第５図は、上記ドライバ７７から出力される各パルスの
タイミング例を示すタイミングチャートである。

なお、第５図におけるφｔ　（Ａ）　、　φｔ　（Ｂ）
は夫々異なる読出し方法のタイミングを示すものである
。

先ず、φｔ　（Ａ）の場合を説明する。

時刻ｔ１でφｔおよびφｖｒｓをハイレベルとることに
よって、全てのりセラ）Ｔｒ５　（この場Ｐ 合量チャネルＭＯ３）ランジスタである。）をＯＮにし
て各セルのｐベース領域１０３の電位を一定電位Ｖｂｇ
とする。

また、φｔがハイレベルであるから、トランジスター１
はＯＮであり、キャパシタＣｔ内の電荷はトランジスタ
ー１および８を通して除去される。

次に、時刻ｔ３でφｒｅｓが立下がると。

φｖｒｓが未だハイレベルであるから、既に述べたよう
にベースに蓄積されたキャリアが徐々に再結合して消滅
していく。そして時刻ｔ２以前にベースに残留していた
キャリアの多少に関係なく、時刻ｔ４でベースに残留す
るキャリアは、セルＳｆを除いて、どのセルについても
常に等しくなる。

時刻ｔ４でφｖｒｓが立下がると、各セルのエミッタ電
極１１１はトランジスター１を介してキャパシタＣｔに
接続された状態となる。そして時刻ｔ６でφｔが立下が
るまで、既に述べたように蓄積および読出し動作を行う
、すなわち、セル３１〜Ｓｎにおいて光励起されたキャ
リアがベースに８積されるに従って、その量に応じた本
ヤリアがキャパシタＣＬに各々蓄積されていく。その際
、強い光によって過剰キャリアがベースからコレクタ側
へ流出しても、過剰キャリア除去セルＳｆのｐベース領
域に吸引され、暗基準セルＳｄには到達しない。

こうして時刻計〇でφｔが立下がると、トランジスタ１
１がＯＦＦとなり、各セル３１〜Ｓｎで光電変換された
信号および暗基準セルＳｄの暗基準信号が各々キャパシ
タＣｔに蓄積され記憶されたことになる。なお、過剰キ
ャリア除去セルＳｆからの出力も当該キャパシタＣｔに
蓄積されるが、本実施例ではこの出力を後段で無視する
。

次に、キャパシタＣｔに各々蓄積された情報を順次取り
出し、シリアルに出力する動作を行う。

まず、時刻ｔ７でφｈｒｓを１パルス与えることでトラ
ンジスタ１４をＯＮにして出力ライン２０の浮遊容量←
残留していた電荷を除去する。

続いて、時刻計８でφｓｈを１パルス与えることにより
シフトレジスタ１３による各トランジスタ１２の走査を
開始する。

１つのトランジスタ１２がＯＮすると該当するキャパシ
タＣｔに蓄積された電荷は出力ライン２０に取り出され
アンプ１５を介して出力端子７６から外部へ出力される
。そして、その直後にΦｈｒｓによりトランジスタ１４
がＯＮとなり出力ライン２０がクリアされる。

以上の信号取り出し動作がシフトパルスφｓｈのタイミ
ングでセル５ｄ−３ｎまで順次行われ、時刻ｔ４〜七〇
の間に光電変換された信号および暗基準信号を順次出力
することができる。

こうしてキャパシタＣｔに蓄積された信号を全て取り出
すと、再びｔ１〜ｔ４のキャリア消滅動作、ｔ４〜七〇
の蓄積および読出し動作、ｔ７以降の信号取り出し動作
をこの順番に繰り返す。

なお、φｔ　（Ｂ）の場合の読出し動作はφｔ　（Ａ）
の場合を更に改良したものである。

すなわち、時刻ｔ４〜ｔ５にかけてφｔをローレベルに
しておく、これにより各セルのヘーステ光励起により発
生したキャリアはキャパシタＣｔに蓄積されず、各セル
に蓄積される。そして、時刻ｔ５〜ｔ６のφｔにより各
セルに蓄積された信号がキャパシタＣｔに各々転送され
る。この方法であると、φｔ　（Ａ）の場合よりも、出
力が２０〜３０％向上し、感度のバラツキも大幅に軽減
することが実験的に確かめられた。

また、φｖｒｓは時刻ｔ１〜ｔ３の間ハイレベルとして
いるが、ローレベルであってもよく、その方が時刻ｔ　
１〜ｔ３にかけてセルのベース拳エミッタ間に流れる電
流を遮断でき、電源のロスを防ぐ効果を有する。

こうしてセルＳｄ、Ｓｆ、Ｓｌ〜Ｓｎの各信号はアンプ
１５の端子７６から出力信号Ｖｏｕｔとしてシリアルに
外部へ出力される。そして、第６図において説明した暗
出力補償部３によって、暗電流による雑音成分が除去さ
れる。ただし、暗出力補償部３において、セルＳｆの出
力は無視される。

なお、上記実施例ではラインセンサの場合を説明したが
、勿論エリアセンサであっても同様であり、上記ライン
センサ部を複数配列した構成にすればよい。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明による光電変換装置
は、キャリア除去手段を開口部と遮光部との間に設けた
ことによって、開口部からの光信号の漏れ込みが阻止さ
れ、遮光部のセンサから光　゛に影響されない出力を得
ることができる。

このために、たとえば遮光部のセンサから正確の暗基準
信号を得ることができ、光電変換出力やピーク検出出力
等の正確な暗出力補償を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の概略
的断面図、 第２図は、第１図に示す本実施例のＡ−Ａ線断面図、 第３図（Ａ）は、上記光電変換セルの基本動作を説明す
るための等価回路図、第３図（Ｂ）は、その動作を示す
電圧波形図、 第４図は、上記光電変換セルを用いた本実施例の概略的
回路図、 第５図は、上記ドライバ７７から出力される各パルスの
タイミング例を示すタイミングチャート、 第６図は、暗出力補償機能を有する従来の光電変換装置
の概略的構成図、 第７図は、上記従来例におけるセンサ部１の概略的断面
図である。 １０１・番・ｎ基板 １０２−・・コレクタ領域 １０３・Φ・Ｐベース領域 １０４・”ｎ＋エミッタ領域 ｉｔｔ争・・エミッタ電極 １１３・Φ・遮光膜 １１６・Ｏ・素子分離領域 Ｓ１〜Ｓｎ・Φ・開口部のセンサセル Ｓｆ・・拳キャリア除去用セル Ｓｄ・・・暗基準セル 代理人　　弁理士　山　下　積　子 箱１図 第２図 ｖｂ９ （Ｂ） ｋ 第４図 第６図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）開口部と遮光部とに分けられた複数個の光センサ
   を有する光電変換装置において、開口部からの光信号の
   流入を阻止する キャリア除去手段を前記遮光部の光センサと開口部の光
   センサとの間に設けたことを特徴とする光電変換装置。
2. （２）上記光センサは、光励起により発生したキャリア
   を蓄積する制御電極領域を有する光電変換トランジスタ
   からなり、 かつ、上記キャリア除去手段は、該光センサと同一構成
   を有し、その制御電極領域の電位を上記開口部からのキ
   ャリアを吸引する方向の一定電位に固定したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換装置。