KR100969905B1 - 공간 정보 검출 장치 및 이에 적합한 광검출 소자 - Google Patents

Abstract

환경광의 영향에 의해 포화 현상의 발생 가능성을 감소시킬 수 있는 공간 정보 검출 장치를 제공한다. 이 장치는, 대상 공간으로부터의 신호광을 수광하여 전하를 생성하는 광전 변환부, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 미리 정해진 일정량의 바이어스 성분에 상당하는 전하를 불필요한 전하로서 분리하는 전하 분리부, 나머지의 전하를 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 유효 전하로서 축적하는 전하 축적부, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽을 형성하기 위한 장벽 제어 전극, 및 상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 수광 출력으로서 출력하는 전하 인출부를 포함한다. 상기 장벽 제어 전극에 인가하는 전압을 제어하여 전위 장벽의 높이를 변화시킴으로써, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입하는 전하의 양을 조절할 수 있다.

Description

공간 정보 검출 장치 및 이에 적합한 광검출 소자 {SPATIAL INFORMATION DETECTING DEVICE AND PHOTODETECTOR SUITABLE THEREFOR}

본 발명은 공간 정보 검출 장치 및 이 장치에 바람직하게 사용되는 광검출 소자(photodetector)에 관한 것이다.

대상 공간으로부터 수광한 광량에 상당하는 전하를 생성하고, 대상 공간에 관한 정보를 수광 출력으로서 인출하는 종래의 광검출 소자에서는, 일반적으로 생성된 전하를 인출하는 부분(portion)의 치수에 의해 수광 출력의 최대값이 제한된다.

예를 들면, 일본 공개특허공보 평7-22436호와 평7-22437호에는, 생성된 전하를 인출하는 경로의 동적 범위(dynamic range)를 확대하기 위해, CCD를 사용하여 전하 전송 채널(charge transfer channel)에서 정보 신호 이외의 불필요한 전하를 제거하고, 나머지 전하를 유효 전하로서 사용하는 것이 제안되어 있다. 이 구성에 따르면, 불필요한 전하가 전송되지 않기 때문에, 전송 전하량의 감소에 의해 전하 전송 채널을 소형화할 수 있다.

그러나, 이 구성에서는, 전하 전송 채널에서 불필요한 전하의 제거를 수행하기 때문에, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 생성되는 불필요한 전하가 광전 변환 용량(photoelectric conversion capacity)을 초과하면, 이른바 포화 현상(saturation phenomenon)이 일어난다. 이 경우에, 전하 전송 채널로 전송되기 이전에 검출해야 할 정보가 소실될 가능성이 있다.

그러므로, 전술한 종래기술의 구성에 따르면, 전하 전송 채널을 소형화할 수 있다. 하지만, 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하는 광전 변화부를 소형화할 수 없다는 문제가 있다.

상기한 문제를 고려하여, 본 발명의 주요 관심사는 광전 변환부를 소형화할 수 있고, 대상 공간으로부터의 광을 수광함으로써 대량의 불필요한 전하가 생성되는 경우에도 포화 현상을 방지할 수 있는, 동작 신뢰성이 높은 공간 정보 검출 장치를 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 공간 정보 검출 장치는, 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광(signal light)을 대상 공간(target space)에 투광하도록 구성된 발광원(light emission source); 상기 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 상기 대상 공간으로부터 검출한 수광량에 상당하는 전하로부터, 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 및 상기 수광 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부를 포함한다. 상기 광검출부는, 상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부; 상기 신호광의 변동에 의존하지 않는 일정량의 바이어스 성분과 상기 신호광의 변동에 의존하여 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터, 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부; 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및 상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 바이어스 성분에 상당하는 일정량을 불필요한 전하로서 분리하고, 변동 성분에 상당하는 나머지 전하를 유효 전하로서 출력하기 때문에, 광전 변환부에 의해 생성된 전하의 증가 또는 감소를 반영하면서, 전하의 총량을 줄임으로써 포화의 발생 가능성을 감소시킬 수 있다. 다시 말해, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 생성되는 전하가 다량의 바이어스 성분을 포함하더라도, 바이어스 성분만을 제거함으로써 포화 현상의 발생을 방지하면서 유효 전하를 효율적으로 인출할 수 있다. 그 결과, 소형(compact)의 광전 변환부를 사용할 수 있게 된다.

종래의 구성에서는, 불필요한 전하로서 분리되는 전하의 양은 수광 출력으로서 인출되는 전하에 대해 결정된다. 한편, 본 발명에서는 불필요한 전하의 양은 광전 변화부로부터 전하 인출부에 제공되는 전하에 대해 결정된다. 그러므로, 불필요한 전하를 분리함으로써 포화의 가능성을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이 점에 있어, 전자 셔터(electrionic shutter)용의 오버플로 드레인(overflow drain)을 사용하여 포화를 방지하면, 수광량에 상응하는 전하가 일정 비율로 감소된다. 이는 변동 성분이 전체적으로 압축되고, 변동 성분에 상응하는 전하에 있어 감소가 발생한다는 것을 의미한다. 이에 반해, 본 발명에서는, 바이어스 성분이 불필요한 전하로서 분리되므로, 변동 성분에 상응하는 전하는 변화 없이 보존될 수 있다.

또, 대상 공간으로부터의 환경광(environmental light)을 수광하여 광전 변환부에서 생성되는 전하를 불필요한 전하로서 제거함으로써, 발광원으로부터 투광된 광이 수광 출력에 기여하는 비율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 발광원으로부터 투광된 광과 광검출부에서 수광된 광과의 관계에 따라 공간 정보를 검출하면, 발광원으로부터 투광된 광에서의 변화를 고감도로 검출할 수 있고, 공간 정보의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에서, 바이어스 성분에 상당하는 일정량의 전하는, 이하의 경우들에서의 전하를 의미한다. 첫째로, 의도된 기간 내에 광전 변환부에 의해 생성된 전하에 대해, 바이어스 성분은 의도된 기간 내에 시간에 따른 실질적인 변화가 없는 성분 또는 의도된 기간 내에 위치에 따른 실질적인 변화가 없는 성분을 의미한다. 즉, 시간이나 공간에 의존하지 않는 안정된 성분을 의미한다. 예를 들면, 능동형(active-type) 센서가 신호광을 투광하는 발광원과 조합하여 구성되는 경우에, 바이어스 성분은 신호광을 제외한 환경광의 수광량에 상당하는 전하에 포함되어 있다. 둘째로, 바이어스 성분은 환경광의 수광량에 상당하는 전하량과 일치하는 성분을 의미한다. 셋째로, 바이어스 성분은 환경광의 수광량에 상당하는 전하량보다 적은 성분을 의미한다. 넷째로, 신호광의 강도가 변조되고, 신호광의 최소 수광량이 영(0, zero)이 아닌 경우에, 바이어스 성분은 환경광의 수광량과 신호광의 최소 수광량을 합한 수광량에 상당하는 전하량과 같거나 그보다 적은 성분을 의미한다. 즉, 바이어스 성분은 대부분의 경우, 대상 공간 내에 존재하는 환경광과 같은 신호광 이외의 광에 의해 제공된다. 한편, 강도 변조된 신호광을 사용하는 경우와 같이, 신호광에 따라 변동되는 성분이 바이어스 성분에 포함되어 있는 경우도 있다. 또, 오프셋 전류 또는 암 전류(dark current)도 바이어스 성분에 포함될 수 있다. 변동 성분은 주로 시간에 따라 변화하는 변동 성분으로 가정한다. 하지만, 복수의 광전 변환부가 존재하는 경우에, 인접하는 광전 변환부들 사이의 수광량의 차이를 의미하는 경우도 있다.

전술한 발명에서, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는 반도체 기판에 형성된 전위 우물(potential well)이며, 상기 광검출부는, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽을 형성하고, 상기 광전 변환부에 의해 생선된 전하에 대하여, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입하는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전하량 조절 수단은, 상기 반도체 기판 상에 배치되어, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 상기 전위 장벽을 형성하는 장벽 제어 전극, 및 상기 장벽 제어 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전위 장벽의 높이를 변화시키도록 구성된 제어부를 포함하는 것이 바람직하다. 다르게는, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 반도체 기판 상의 상기 전하 분리부에 대응하는 위치에 배치된 분리 전극, 및 상기 분리 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전하 분리부로서 구성된 전위 우물의 깊이를 변화시키도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.

이 구성에서는, 종래의 반도체 제조 기술로 반도체 기판의 주표면(general surface)에 전극을 형성함으로써 전하량 조절 수단을 용이하게 실현할 수 있다. 또, 전위 장벽의 높이 또는 전하 분리부로서 사용되는 전위 우물의 깊이를 변화시키기 위해 장벽 제어 전극 또는 분리 전극에 인가하는 전압을 제어함으로써, 불필요한 전하의 양을 용이하게 조절할 수 있다. 그 결과, 전하 분리부와 전하 축적부 사이에 형성된 전위 장벽을 넘어 전하 축적부에 유입하는 전하가 유효 전하로서 축적될 수 있다.

또, 상기 공간 정보 검출 장치는, 강도 변조된 광이 조사되는 상기 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 상기 광전 변화부가 전하를 생성하는 수광 기간과, 상기 전하 분리부 및 상기 전하 축적부를 사용하여 상기 광전 변화부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하는 칭량 기간(weighing period)에 연관지어 상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부 및 상기 전하 축적부의 동작 타이밍을 결정하도록 구성된 타이밍 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따르면, 수광 기간에 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 칭량 기간에 분리할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 공간 정보 검출 장치는, 제1 도전형의 반도체층, 상기 반도체층의 주표면에 형성된 제2 도전형의 우물(well), 상기 전하 분리부로부터의 상기 불필요한 전하가 폐기되는 폐기부, 상기 우물의 주표면에 배치된 복수의 전극, 강도 변조된 광이 조사되는 상기 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 상기 광전 변화부가 전하를 생성하는 수광 기간과, 상기 광전 변화부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하는 칭량 기간에 연관지어, 상기 복수의 전극에 인가하는 전압을 제어하도록 구성된 제어부를 더 포함한다. 상기 복수의 전극은, 상기 우물 내에 상기 전하 분리부로서의 상기 전위 우물을 형성하기 위한 분리 전극, 상기 우물 내에 상기 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하기 위한 축적 전극, 및 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽을 형성하기 위한 장벽 제어 전극을 포함한다. 이 구성에 의하면, 수광 기간에 생성된 전하로부터 칭량 기간에 불필요한 전하를 분리하는 작업을 반도체 기판을 사용하여 용이하게 실현할 수 있다. 수광 기간에 생성된 전하로부터 제거된 불필요한 전하는, 폐기부에 의해 전하 분리부로부터 폐기된다. 또, 전압을 인가하는 타이밍을 제어함으로써 수광 기간과 칭량 기간을 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 분리 전극과 축적 전극을 사용하여 전하 분리부와 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하고, 장벽 제어 전극을 사용하여 전위 장벽을 형성하므로, 이들 제어 전극의 배열을 가지는 세련된 구조를 얻는다.

상기 제어부는, 상기 분리 전극과 상기 장벽 제어 전극 중 적어도 하나에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전위 장벽의 높이와 상기 전하 분리부로서 형성되는 상기 전위 우물의 깊이 중 적어도 하나를 변화시켜, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부로 유입하는 전하의 양을 조절하는 것이 특히 바람직하다.

전술한 본 발명의 공간 정보 검출 장치에서, 상기 발광원은, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 강도 변조된 광을 투광하는 점등 기간(lighting period)과 상기 대상 공간에 상기 강도 변조된 광을 투광하지 않는 소등 기간(rest period)을 가지도록, 상기 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 상기 대상 공간에 조사하고, 상기 광검출부는, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 상기 불필요한 전하로서 분리되는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량이 증가하면, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 분리되는 상기 불필요한 전하의 양을 증가시키는 것이 특히 바람직하다.

이 구성에 의하면, 소등 기간에 환경광을 수광함으로써 생성된 전하량에 따라 분리되는 불필요한 전하의 양이 자동으로 결정되기 때문에, 환경광의 영향을 감소시킬 수 있고, 발광원으로부터 투광된 광에 의해 대상 공간의 정보를 용이하게 검출할 수 있다.

또, 본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는 반도체 기판에 형성되는 전위 우물이며, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에는 전위 장벽을 형성하기 위한 장벽 제어 전극이 배치된다. 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라 상기 장벽 제어 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 전위 장벽의 높이를 변화시킴으로써, 상기 전하 분리부로부터 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입하는 전하의 량을 조절한다. 다르게는, 상기 반도체 기판의 상기 전하 분리부에 대응하는 위치에 분리 전극을 배치하고, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라 상기 분리 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전하 분리부로서 형성되는 전위 우물의 깊이를 변화시킴으로써, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입하는 전하의 양을 조절하는 것도 바람직하다.

이 구성에 의하면, 소등 기간에 수광된 환경광의 수광량에 따라 전위 장벽의 높이가 자동 조절되고, 이 전위 장벽을 이용하여 점등 기간에 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 제거하므로, 환경광의 영향을 감소시킬 수 있어, 발광원으로부터 투광된 광에 의해 대상 공간의 공간 정보를 용이하게 검출할 수 있다. 또한, 광검출부가 전위 장벽의 적절한 높이를 자동으로 결정하기 때문에, 광검출부와 조합하여 사용되는 외부 회로를 비교적 간단한 회로 구성으로 할 수 있다.

전위 장벽의 높이를 변화시키는 경우에, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록, 상기 반도체 기판에 형성되는 전위 우물인 전하 유지부를 가지고, 상기 전하량 조절 수단은 상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 결정된 전압을 상기 장벽 제어 전극에 인가하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 반도체 기판 상의 상기 전하 유지부에 대응하는 위치에, 절연층을 사이에 두고 형성되고, 상기 장벽 제어 전극에 전기적으로 접속되는 유지 전극을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 다르게는, 상기 장벽 제어 전극이, 상기 전하 유지부로서 구성된 전하 유지 우물에 대응하는 반도체 기판의 부분에 전기적으로 접속되는 것도 바람직하다.

한편, 상기 전하 분리부로서 형성되는 전위 우물의 깊이를 변화시키는 경우, 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록, 상기 반도체 기판에 형성되는 전위 우물인 전하 유지부를 가지고, 상기 전하량 조절 수단은 상기 전하 유지부에 유지된 전하량에 따라 결정된 전압을 상기 분리 전극에 인가하는 것이 바람직하다.

전위 장벽의 높이를 변화시키는 경우와 전위 우물의 깊이를 변화시키는 경우 중 어느 것이든, 게이트 전극이 상기 광전 변환부와 상기 전하 유지부 사이의 상기 반도체 기판의 주표면에 형성되고, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 상기 전하 유지부에 전송하는 타이밍을 제어하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 광전 변환부로부터 전하 유지부로의 전하 전송 타이밍을 게이트 전극에 의해 제어하므로, 원하는 타이밍에 전하를 전하 유지부에 전송할 수 있다.

전술한 공간 정보 검출 장치에서, 상기 신호 처리부는, 점등 기간에 생성된 전하량이 미리 결정된 포화 레벨에 도달한 경우, 다음 점등 기간에 분리되는 상기 불필요한 전하의 양을 증가시키는 것도 바람직하다. 이 구성에 의하면, 수광 출력이 포화 레벨에 도달한 경우에도, 다음 점등 기간에는 포화가 유발되기 어려워진다. 그러므로, 공간 정보의 검출 가능성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에 따른 공간 정보 검출 장치에서, 상기 광검출부는, 각각이 하나의 화소에 대응하는 복수의 광검출 셀을 가진다. 각각의 상기 광검출 셀은, 제1 도전형의 반도체층, 상기 반도체층의 주표면에 형성된 제2 도전형의 우물, 상기 제2 도전형의 우물의 미리 정해진 영역 상에, 절연층을 사이에 두고 형성되는 복수의 감도 제어 전극의 배열을 포함하는 상기 광전 변환부, 상기 우물 내에 상기 전하 분리부로서의 전위 우물을 형성하기 위해 사용되는 분리 전극, 상기 우물 내에 상기 전위 장벽을 형성하기 위해 사용되는 장벽 제어 전극, 상기 우물 내에 상기 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하기 위해 사용되는 축적 전극, 및 상기 전하 분리부로부터의 불필요한 전하가 폐기되는 폐기부를 포함한다. 상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하기 위한, 전위 우물인 전하 유지부를 가진다. 상기 전하량 조절 수단은, 상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 상기 장벽 제어 전극과 상기 분리 전극 중 적어도 하나에 전압을 인가한다.

이 경우, 상기 분리 전극, 상기 장벽 제어 전극, 및 상기 축적 전극은, 상기 감도 제어 전극의 상기 배열 내에 형성되고, 상기 전하 유지부는 상기 감도 제어 전극의 상기 배열에 직교하는 방향으로 인접하여 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 감도 제어 전극을 등간격으로 배열함으로써, 감도 제어 전극에 따라 전하를 전송하는 동작을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다. 다르게는, 상기 분리 전극, 상기 장벽 제어 전극, 상기 축적 전극 및 상기 전하 유지부는, 상기 감도 제어 전극의 상기 배열에 인접하는 열(column)에 있어, 상기 감도 제어 전극의 배열 방향으로 배치되는 것도 바람직하다. 감도 제어 전극에 따라 전하를 전송하는 방향과 같은 방향으로 불필요한 전하를 분리할 수 있으므로, 불필요한 전하의 분리 효율은 더 높아진다. 또, 감도 제어 전극의 배열 방향과 상이한 방향으로 전하를 전송하는 동작을 감소시키고, 제어 배선 및 제어 동작을 단순화하는 효과도 있다.

본 발명의 다른 관심사는 이하의 구성을 포함하는 공간 정보 검출 장치를 제공하는 것이다. 즉, 이 공간 정보 검출 장치는, 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 대상 공간에 조사하도록 구성된 발광원; 상기 대상 공간으로부터 수광한 광에 따라 전기 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 상기 전기 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부를 포함한다. 상기 광검출부는, 상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부; 상기 변조 신호의 위상 범위가 상이한 두 구간 중 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성되는 전하량에 따라 결정되는 불필요한 전하량을, 다른 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 분리하도록 구성된 전하 분리부; 상기 다른 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 상기 전하 축적부에 축적된 유효 전하를 상기 전기 출력으로서 출력하도록 구성된 전하 인출부를 포함한다.

이 구성에 의하면, 변조 신호의 위상 범위가 상이한 두 구간에 동기하여 얻은 수광량들간의 차이가 결정되기 때문에, 이 차이를 사용하여 환경광의 영향을 효과적으로 감소시킬 수 있으므로, 발광원으로부터 투광된 광에 의해 대상 공간의 공간 정보를 용이하게 검출할 수 있다. 또한, 변조 신호의 위상 범위가 상이한 두 구간 중 한 구간에서 얻은 수광량에 의해 불필요한 전하의 양이 결정되고, 유효 전하의 양은 두 구간 사이의 전하량의 차이에 상당한다. 즉, 두 구간 사이의 수광량의 차분에 상당하는 수광 출력을 얻을 수 있다.

전술한 바람직한 실시예의 공간 정보 검출 장치에서와 같이, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는 반도체 기판에 형성되는 전위 우물이다. 상기 공간 정보 검출 장치는, 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽을 형성하기 위해 상기 반도체 기판 상에 배치된 장벽 제어 전극, 및 상기 변조 신호의 상이한 위상 범위를 갖는 두 구간 중 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지부를 가진다. 상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 결정된 전압이, 상기 장벽 제어 전극에 인가되어 불필요한 전하의 양을 결정한다. 상기 전하 분리부에 의해 상기 변조 신호의 상이한 위상 범위를 갖는 두 구간 중 다른 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터, 상기 불필요한 전하의 양이 분리된다. 이 구성에 의하면, 변조 신호의 위상 범위가 상이한 두 구간 중 한 구간에서 얻은 수광량에 의해 불필요한 전하의 양이 자동으로 결정되고, 유효 전하의 양은 두 구간 사이의 전하량의 차이에 상당한다. 즉, 두 구간 사이의 수광량 차이에 상당하는 수광 출력을 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 관심사는, 전술한 공간 정보 검출 장치의 광검출부로서 바람직하게 사용되는 광검출 소자(photodetector)를 제공하는 것이다. 즉, 이 광검출 소자는, 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부; 일정량의 바이어스 성분과 수광량의 증가나 감소에 따라 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터, 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부; 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및 상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 광검출 소자는, 제1 도전형의 반도체로 이루어지는 소자 형성층, 상기 소자 형성층의 주표면에 형성된 제2 도전형의 우물 상기 전하 분리부로부터의 상기 불필요한 전하가 폐기되는 폐기부, 및 상기 우물의 주표면에 배치되는 복수의 전극을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 복수의 전극은, 상기 우물 내에 상기 전하 분리부로서의 전위 우물을 형성하기 위한 분리 전극, 상기 우물 내에 상기 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하기 위한 축적 전극, 및 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽을 형성하기 위한 장벽 제어 전극을 포함한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 2 (A) 내지(E)는 제1 실시예의 전위 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 3 (A) 내지 (C)는 제1 실시예의 전압 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 4는 제1 실시예에 따른 공간 정보 검출 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.

도 5 (A) 및 (B)는 제1 실시예의 동작예에 대한 설명도이다.

도 6 (A) 및 (B)는 제1 실시예의 다른 동작예에 대한 설명도이다.

도 7 (A) 및 (B)는 제1 실시예의 또 다른 동작예에 대한 설명도이다.

도 8은 제1 실시예의 또 다른 동작예에 대한 설명도이다.

도 9 (A)는 제2 실시예를 나타낸 단면도이고, 도 9 (B)는 제2 실시예의 변경 예를 나타낸 단면도이다.

도 10 (A) 내지 (D)는 제2 실시예의 전위 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 11 (A) 내지(C)는 제2 실시예의 전압 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 12 (A)는 제3 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 12 (B)는 도 12 (A)의 X-X선을 따른 단면도, 도 12 (C)는 도 12 (A)의 Y-Y선을 따른 단면도이다.

도 13은 제4 실시예를 나타낸 평면도다.

도 14는 제4 실시예의 동작을 설명하는 흐름도이다.

도 15는 제5 실시예를 나타낸 평면도다.

도 16는 제6 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 17 (A) 내지 (H)는, 제6 실시예의 전위 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 18은 제7 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 19 (A) 내지 (O)는 제7 실시예의 전위 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 20은 제8 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 21은 제9 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 22 (A) 내지 (E)는 제9 실시예의 전위 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

도 23 (A) 및 (B)는 제9 실시예의 전압 관계를 나타내는 동작 설명도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 따라 상세하게 설명한다.

(제1 실시예)

본 실시예의 공간 정보 검출 장치는, 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 신호광으로서 대상 공간에 투광하도록 구성된 발광원, 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 대상 공간으로부터 검출된 수광량에 상당하는 전하로부터 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부, 및 수광 출력을 사용하여 대상 공간의 공간 정보(예를 들면, 대상 공간 내의 대상물과의 거리)를 검출하도록 구성된 신호 처리부를 포함한다. 또, 본 발명의 설명이 복잡해지는 것을 피하기 위하여, 몇몇 경우에는 광검출 소자의 최소 유닛 셀과 그 동작에 대해서만 설명한다. 복수의 유닛 셀을 배치하면, 광검출 소자로서의 이미지 센서를 얻을 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 셀(1)에서, 기판(10) 상에 형성된 소자 형성층(11)은 제1 도전형(예를 들면, p형)의 반도체(예를 들면, 실리콘)로 이루어지고, 소자 형성층(11)의 주표면에 형성된 우물(12)은 제2 도전형(예를 들면, n형)의 반도체로 이루어진다. 우물(12)의 주표면에, 절연층(예를 들면, 산화 실리콘 또는 질화 실리콘)(13)을 사이에 두고 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)이 배치되어 있다. 장벽 제어 전극(14c)과 분리 전극(14b)은 불필요한 전하의 양을 조절하기 위한 수단으로서 기능한다. 장벽 제어 전극(14c)과 분리 전극(14b)에 인가되는 전압은 제어부(도시하지 않음)에 의해 결정된다. 기판(10)은 제2 도전형을 가진다. 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)은 투광성(translucency)을 가진다. 본 실시예에서는, 대상 공간으로부터 광을 수광하여 생성되는 전하가 전자인 경우에 대하여 설명한다. 이와는 달리, 반도체의 도전형과 후술하는 전압의 극성을 반대로 함으로써, 정공(hole)을 전하로서 이용할 수 있다.

도 1에서, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)은, 축적 전극(14b)이 분리 전극(14a) 및 장벽 제어 전극(14c)보다 폭이 넓도록, 서로 다른 폭으로 설계된다. 이와는 달리, 동일한 폭의 복수의 전극이 배치될 수도 있다. 이 경우에는, 인접하여 연속적으로 배치된 복수의 전극에 동일한 전압을 인가함으로써, 광폭의 하나의 전극처럼 등가로 사용될 수 있다. 예를 들면, 분리 전극(14a)이 인접하여 배치된 2개의 전극으로 제공되고, 축적 전극(14b)이 인접하여 연속적으로 배치된 3개의 전극에 의해 제공되며, 장벽 제어 전극(14c)이 하나의 전극에 의해 제공되는 경우에, 동일한 폭의 전극을 6개 사용함으로써 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)의 기능을 실현할 수 있다.

n형의 우물(12)은 p형의 소자 형성층(11)에 의해 둘러싸여 있다. 때문에, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c) 어디에도 전압이 인가되지 않은 경우, 전자에 대한 전위는, 우물(12)의 전위가 소자 형성층(11)의 전위보다 낮다. 즉, 우물(12)에 대응하는 영역은 전자에 대한 전위 우물을 제공한다. 도 1에서, 사선 영역은 전자를 나타낸다. 우물(12) 내의 전위는 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)에 인가하는 전압에 의해 제어될 수 있다.

여기서, 우물(12)이 전하가 없는 빈 상태(empty state)일 때 광이 조사되는 경우에 대해 설명한다. 우물(12)의 빈 상태를 얻기 위해, 우물(12)에 인접하여 형성된 드레인(도시하지 않음)을 통해 전자를 폐기한다. 다르게는, 우물(12) 내의 전자를 전하 인출부(도시하지 않음)를 통해 수광 출력으로서 외부로 인출할 수 있다. 전하 인출부는 종래의 CCD 이미지 센서의 수직 전송부 또는 수평 전송부와 동일한 구성을 가질 수 있다.

도 3 (A) 내지 (C)에서 기간 "Ta"로 나타낸 바와 같이, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)에 전압을 인가하지 않는 상태에서 대상 공간으로부터 광을 수광하면, 우물(12)을 포함하는 소자 형성층(11)에서 전자와 정공이 생성된다. 도 2 (A)에 나타낸 바와 같이, 생성된 전자는 우물(12)에 수집된다. 즉, 우물(12)은 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 그리고, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c) 중 어느 하나에, 소자 형성층(11)의 기준 전위보다 높은 전위의 전압(즉, 양(positive)의 전압)을 인가하면, 더욱 깊은 전위 우물을 얻을 수 있고, 전자의 수집 효율(collection efficiency)을 향상시킬 수 있다.

전자가 광전 변환부(D1)에 수집된 후, 도 3 (A) 내지 (C)에서 기간 "Tb"로 나타낸 바와 같이, 장벽 제어 전극(14c)에 음(negative)의 전압을 인가함으로써, 도 2 (B)에 나타낸 바와 같이, 우물(12) 내에 전위 장벽(B1)을 형성한다. 전위 장벽(B1)은, 우물(12)의 전위 우물을 분리 전극(14a)에 대응하는 영역인 전하 분리부(D2)와 축적 전극(14b)에 대응하는 영역인 전하 축적부(D3)의 두 개의 전위 우물로 분할한다.

전위 장벽(B1)이 형성되고, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)를 분리한 상태에서, 우물(12)에 근접하여 형성된 드레인(도시하지 않음)을 통해 전하 분리부(D2) 내의 전자를 폐기하면, 도 2 (C)에 나타낸 바와 같이, 전하 축적부(D3)에만 전자가 잔류한다. 전하 축적부(D3)에 잔류하는 전자의 양은, 도 3 (A) 내지 (C)에 나타낸 기간 "Ta"에서 얻은 수광량에 대응한다. 전하를 폐기하기 위해, 드레인과 전하 분리부(D2) 사이에 게이트를 형성하고, 전하 분리부(D2)로부터 드레인으로 전하를 폐기하기 위해 게이트를 개방하는 것이 바람직하다. 게이트 및 드레인의 구조는 종래의 MOSFET 또는 CCD의 구조와 동일한 구성을 가질 수 있다.

다음에, 도 3 (A) 내지 (C)의 기간 "Td"에 나타낸 바와 같이, 분리 전극(14a)에 양의 전압을 인가하고, 장벽 제어 전극(14c)에 인가된 전압을 제거한다. 이때, 도 2 (D)에 나타낸 바와 같이, 전하 분리부(D2)는 전하 축적부(D3)보다 깊은 전위 우물이 된다. 또, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3) 사이의 전위 장벽(B1)이 제거되기 때문에, 전하 축적부(D3)에 수집된 모든 전자가 전하 분리부(D2)로 유입된다. 즉, 전하 축적부(D3)에 수집된 모든 전자를 전하 분리부(D2)로 전송한다.

우물(12) 내의 모든 전자가 전하 분리부(D2)로 이동된 후, 도 3 (A) 내지 (C)에서 기간 Te로 나타낸 바와 같이, 장벽 제어 전극(14c)에 미리 결정된 음의 일정한 전압을 인가하고, 분리 전극(14a)에 인가된 전압을 제거한다. 즉, 도 2 (E)에 나타낸 바와 같이, 전위 장벽(B1)이 형성되어 전위 우물(12)을 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)로 다시 분할한다. 이때, 전하 분리부(D2)의 전위 우물은 얕은 깊이로 형성된다. 또, 여기서, 전하 분리부(D2)의 용량(용적)은 전위 장벽(B1)의 높이에 의해 결정된다. 즉, 장벽 제어 전극(14c)에 인가되는 전압에 따라 전하 분리부(D2)의 용량이 결정된다. 장벽 제어 전극(14c)에 인가되는 전압은, 전위 장벽(B1)의 전위가 소자 형성층(11)의 전위를 초과하지 않도록 설정된다.

도 2 (D)의 상태에서 전하 분리부(D2)에 유입된 전자의 양이, 도 2 (E)의 상태에서 전하 분리부(D2)의 용량을 초과하는 경우에, 전자의 일부는 전하 분리부(D2)로부터 전위 장벽(B1)을 넘어 전하 축적부(D3)에 유입된다. 도 2 (D)의 상태에서 전하 분리부(D2)에 유입되는 전자의 양은, 광 조사에 의해 생성된 전자의 양(실제로는 도 2 (C)에서의 전자의 양)에 상응하므로, 도 2 (E)의 상태에서 전하 축적부(D3)에 유입되는 전자의 양은, 광 조사에 의해 생성된 전자로부터 도 2 (E)의 상태에서 설정된 전하 분리부(D2)의 용량에 상응하는 전자를 감산하여 결정된 양과 같다.

이하의 설명에서는, 전하 분리부(D2)에 의해 분리된 전자를 불필요한 전하라고 하고, 전하 축적부(D3)에 유입된 전자를 유효 전하라고 한다. 통상, 불필요한 전하는 폐기되고, 유효 전하는 수광 출력으로서 인출된다. 즉, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자를, 환경광과 같은 일정량의 바이어스 성분과, 수광량의 증가나 감소에 따라 변동하는, 검출할 정보를포함하는 변동 성분의 총계로 간주할 수 있다. 바이어스 성분은 검출한 정보를 포함하지 않으므로, 불필요한 전하로서 폐기된다. 한편, 획득된 유효 전화는 수광량에 상당하는 양의 전자로부터 단순하게 일정량의 전자를 제거함으로써 획득된 전하에 상응한다. 그러므로, 수광량의 변동 성분은 유효 전하 내에 보존되고, 수광량에 포함된 정보량에는 변화가 없다.

그런데, 도 2 (A) 내지 도 2 (E)에 나타낸 기간들에 있어서, 우물(12) 내에서 전자를 이동하는 중에도 광을 수광하고, 생성된 전자를 우물(12)에 계속하여 수집한다. 따라서, 도 2 (A)에 나타낸 기간에서 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자의 양에 비하여, 도 2 (B) 내지 도 2 (E)에 나타낸 기간들에서 생성되는 전자의 양을 무시할 수 있는 정도로 감소시킬 필요가 있다. 오차의 발생을 최소화하기 위해, 예를 들면 도 2 (A)의 기간은 밀리초(ms) 오더(order)로 설정하고, 도 2 (B) 내지 도 2 (E)까지의 기간은 마이크로초(㎲) 오더로 설정하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 광전 변환부(D1)에서 생성된 전자에서, 규정된 일정량의 전자를 전하 분리부(D2)에 의해 분리한 다음, 나머지 전자를 유효 전하로서 전하 축적부(D3)에 전송한다. 이 경우에, 전하 축적부(D3)에 축적된 유효 전하의 양은, 수광량(= 수광 광속의 시간 적분)에 상응하는 전자의 양보다 적어진다. 하지만, 수광량에 포함된 정보량은 유효 전하에 반영되어 있다. 따라서, 수광량이 증가하는 경우라도, 생성된 전하 중 일정량이 전하 분리부(D2)에 의해 불필요한 전하로서 제거되기 때문에, 포화가 발생하기 어려워진다.

본 실시예에서는, 광전 변환부(D1)를 우물(12) 내에 형성한다. 이와는 달리, 광전 변환부(D1)는 우물(12)과 상이한 위치에 형성될 수 있다. 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자는 우물(12)로 전송되고, 그 후, 앞서 설명한 절차에 따라 전자 중 일부가 분리된다. 이 경우에, 우물(12)을 차광할 수 있으므로, 도 2의 (A) 내지 (E)까지의 기간에 생성되는 전하에 따른 오차의 발생을 감소시킬 수 있다.

또한, 위의 설명에서는, 도 2 (D)의 기간에 전자 축적부(D3)의 전위는 변화시키지 않고, 전하 분리부(D2) 및 전위 장벽(B1)의 전위를 낮춘다. 이와는 달리, 전하 분리부(D2)의 전위를 변화시키지 않고, 전위 장벽(B1)의 전위를 낮추어 도 2 (E)의 전위 장벽(B1)보다 높게 하고, 전하 축적부(D3)의 전위를 높여 전위 장벽(B1) 이상으로 함으로써, 전하 축적부(D3)로부터 전하 분리부(D2)로 전자를 이동시킬 수 있다.

그런데, 도 2 (E)의 상태에서 전하 분리부(D2)에 의해 일정량의 전자를 불필요한 전하로서 분리하기 위해서는, 전위 장벽(B1)을 넘어 이동되는 모든 전자가 전하 축적부(D3)로 유입되어야 한다. 만일, 전하 축적부(D3)로 이동되는 전자의 양이 전하 축적부(D3)의 용량을 초과하는 경우에는, 전하 분리부(D2)에 의해 일정량의 불필요한 전하를 분리할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위하여, 전하 축적부(D3)의 깊이를 변화시키지 않고 전하 축적부(D3)의 용량을 증가시키면, 소자 형성층(11)에 대한 우물(12)의 점유 면적이 증가한다. 그 결과, 광검출 소자의 크기가 증대된다. 따라서, 전술한 문제를 해결하기 위해서는, 전하 축적부(D3)의 깊이를 조절하는 기술을 사용하는 것이 바람직하다.

전하 축적부(D3)의 깊이는 전위 장벽(B1)의 높이로써 달라진다. 불필요한 전하의 양은 전하 분리부(D2)의 바닥의 전위에 대한 전위 장벽(B1)의 상대 높이에 의해 결정된다. 따라서, 전위 장벽(B1)의 높이를 변화시키지 않고 전하 분리부(D2)의 바닥의 전위를 조절함으로써, 수광량이 증가하거나 감소하여도 전하 분리부(D2)에 의해 일정량의 불필요한 전하를 측정 및 분리하는 것이 가능하게 된다.

전하 분리부(D2)의 바닥의 전위를 적정하게 설정하기 위해서는, 수광량을 평가하여야 한다. 수광량의 평가 시에는, 광전 변환부(D1)에 수집된 전자를 광검출 소자의 외부로 이동시킨 다음, 광검출 소자의 외부 회로로 평가하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 외부 회로로부터 제공된 평가 결과를 분리 전극(14a)에 인가되는 전압에 반영한다. 수광량의 평가 결과에 따라서는, 전하 분리부(D2)에서 불필요한 전하를 분리할 필요가 없는 경우도 있다. 그 경우에는, 도 2 (C)의 상태에서 전하 축적부(D3)에 잔류하는 전자를 수광 출력으로서 인출한다.

구체적으로는, 광검출 소자가, 수광량을 평가하기 위해 수광 출력을 인출하는 동작과 불필요한 전하를 분리한 후의 수광 출력을 인출하는 동작을 수행하도록, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)에 인가되는 전압을 제어부로서의 외부 회로(도시하지 않음)에 의해 제어한다. 수광량을 평가하기 위한 수광 출력을 얻는 기간에는, 광전 변환부(D1)에 축적된 전하를 직접 인출한다. 이 수광 출력을 사용하여, 전위 장벽(B1)의 높이와 전하 축적부(D3)의 깊이 중 하나를 조절하기 위해, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 및 장벽 제어 전극(14c)에 인가되는 전압을 결정한다. 다음에, 수광량에 상응하는 전하에 대하여, 전술한 절차에 따라 불필요한 전하를 분리하여, 잔류하는 전자를 수광 출력으로서 인출한다.

그런데, 불필요한 전하를 분리함으로써 얻은 수광 출력은 수광량에 포함되어 있는 정보를 유지하여야 한다. 따라서, 발광원이 없는 수동형(passive-type) 센서의 경우에는, 분리되는 불필요한 전하의 양을 일정하게 유지함으로써 수광량의 변동 성분을 수광 출력에 반영할 수 있다. 한편, 발광원을 사용하는 능동형 센서의 경우에는, 발광원을 점등하는 기간(이하, "점등 기간"이라고 함)과 소등하는 기간(이하, "소등 기간"이라고 함)을 설정한다. 소등 기간에 취득한 수광량을 평가하 고, 점등 기간에 얻은 전하로부터 불필요한 전하를 제거한다. 이 동작에 의해, 점등 기간에 얻은 전하로부터 자연광 및 조명광과 같은 환경광에 따라 결정되는 양(amount)의 불필요한 전하를 제거할 수 있고, 발광원으로부터 투광된 광에 대한 동적 범위(dynamic range)가 실질적으로 확대될 수 있다.

전술한 동작에서는, 불필요한 전하를 분리하는 동작을 한 번 수행하는 것으로 하고, 전위 장벽(B1)의 높이만을 조절함으로써 불필요한 전하의 양을 결정하는 것으로 한다. 다르게는, 불필요한 전하를 분리하는 동작의 횟수를 변경함으로써 불필요한 전하의 양을 조절할 수있다. 이 경우에, 전하 분리부(D2)의 용량은 일정하게 유지된다. 도 2 (E)의 상태에서 전하 분리부(D2)에 의해 불필요한 전하를 분리한 후, 전하 분리부(D2)로부터의 이 불필요한 전하를 폐기한다. 그 후, 도 2 (D)의 상태는 전하 축적부(D3)의 전하를 전하 분리부(D2)에 되돌려 주도록 재생되고, 도 2 (E)의 상태에서 전하 분리부(D2)에 의해 불필요한 전하는 다시 분리된다. 전술한 절차를 필요한 횟수만큼 반복함으로써, 불필요한 전하의 양을 조절할 수 있다.

도시한 동작에서는, 불필요한 전하를 분리하기 위해 전하 분리부(D2)로 전하를 이동시킨 후에, 장벽 제어 전극(14c)에 인가하는 전압 또는 분리 전극(14a)에 인가하는 전압을 조절한다. 다르게는, 장벽 제어 전극(14c)에 인가하는 전압 또는 분리 전극(14a)에 인가하는 전압을 조절함으로써 전하 분리부(D2)의 용량을 결정한 후에, 전하 분리부(D2)로 전하를 이동시킬 수도 있다.

이하의 설명에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 발광원(2)으로부터 대상 공간 에 광을 투광하여, 대상 공간으로부터의 결과광을 신호광으로서 광검출 소자(즉, 광검출부)(1)에 의해 수광한다. 이 구성에서, 광검출 소자(1)에 의해 수광되는 광에는 자연광과 조명광과 같은 환경광이 포함되어 있고, 환경광의 성분을 감소시킴으로써 수광 출력을 얻는 것으로 한다. 따라서, 불필요한 전하로서 분리되는 전자의 양은 환경광의 수광량을 반영하도록 결정된다. 광검출 소자(1)의 수광 출력은 수광 처리 회로(3)로 전송되어 수광 출력으로부터 원하는 정보를 추출한다. 광검출 소자(1), 발광원(2) 및 수광 처리 회로(3)의 동작은 타이밍 제어 회로(4)로부터 출력되는 타이밍 신호에 따라 제어된다.

즉, 불필요한 전하로서 분리되는 전하량을 조절하기 위한 수단으로서 사용되는 장벽 제어 전극(14c)과 분리 전극(14a)에 인가되는 전압은, 이 타이밍 제어 회로(4)에 의해 제어된다. 또, 타이밍 제어 회로(4)는, 점등 기간과 소등 기간이 교대로 반복되도록 발광원(2)에 타이밍 신호를 출력한다. 타이밍 제어 회로(4)는 또한 점등 기간과 소등 기간에 후술하는 동작이 수행되도록 광검출 소자(1) 및 수광 처리 회로(3)에 타이밍 신호를 제공한다. 즉, 도면에 나타낸 구성에서, 신호 처리부는 수광 처리 회로(3)와 타이밍 제어 회로(4)로 구성되어 있다. 신호 처리부는 적당한 프로그램을 실행하는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성될 수도 있다.

이하의 설명에서는, 전하 칭량 동작을 복수회 수행함으로써 원하는 양의 불필요한 전하를 분리한다. 이 동작에서는, 폐기되는 불필요한 전하의 양을 Qg라고 하면, 전하 칭량 동작을 복수회 "k"(k: 양의 정수) 반복함으로써 이를 폐기할 수 있다. 따라서, 매 전하 칭량 동작마다 폐기되는 불필요한 양의 전하는 Qg/k로 나 타낼 수 있다. 불필요한 전하를 폐기하기 위해, 미리 결정된 간격으로 전하 칭량 동작을 복수회 반복하는 방법과, 전하 칭량 동작을 복수회 연속적으로 반복하는 방법이 있다. 이하의 설명에서는, 두 가지 방법이 혼합되어 수행된다.

즉, 칭량 기간은, 불필요한 전하를 분리하고 폐기하는 동작이 복수회 "m회"(m: 2 이상의 양의 정수) 연속하여 반복되는 것으로 규정되고, 이 칭량 기간은 점등 기간에 복수회 "n"(n: 1이상의 양의 정수) 반복된다. 이 관계를 도 5 (A) 및 (B)에 나타낸다. 도 5의 (A) 및 (B) 각각에는, 하나의 소등 기간 "Pd"와 하나의 점등 기간 "Pb"를 나타낸다. 실제로, 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"는 복수회 교대로 반복된다. 또, 도 5 (A)에 나타내는 동작에서는, 점등 기간 "Pb"에 칭량 기간 "Pt"를 "n"회(이 도면에서는 2회) 수행하며, 각각의 칭량 기간 "Pt"에 불필요한 전하의 분리 및 폐기 동작(이하 칭량 동작 "W"이라고 함)을 "m"회(이 도면에서는 5회) 반복한다. 즉, 점등 기간 "Pb"에 수행되는 칭량 동작 "W"의 횟수는 "n" x "m"으로 나타낸다. 각각의 칭량 기간 "Pt"에서는, 신호광의 수광량에 상응하는 양의 전자만이 잔류하도록 불필요한 전하를 폐기한다. 따라서, 1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기하는 불필요한 전하의 양은 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양을 양의 정수 "m"으로 나눔으로써 결정된다. 또, 1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기되는 불필요한 전하의 양은 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량에 따라 설정된다. 즉, 이하에 설명하는 동작에서는 "k" = "m"이다.

먼저, 한 번의 칭량 동작에 의해 불필요한 전하를 한꺼번에 분리하는 경우에 비해, 복수회의 칭량 동작에 의해 조금씩 불필요한 전하를 분리하는 경우의 이점에 대하여 설명한다. 일반적으로, 광검출 소자의 수광량에 반응하여 축적되는 전하량(전자의 양) "Q"는, 광전 변환부(D1)(전하 축적부(D3))의 면적 "S"와 수광 시간 "t"에 비례한다. 단위 시간 및 단위 면적당 축적되는 전하량을 "q"로 하면, "Q" = "q" x "S" x "t"이다. 이 설명에서는, 소등 기간 "Pd"에 축적된 전하량에 따라 전위 장벽(B1)의 높이가 결정되기 때문에, 전위 장벽(B1)의 높이 ΔV는 소등 기간 "Pd"에 축적된 전하량 "Q"의 함수로 표현될 수 있다. 예를 들면, 전위 장벽(B1)의 높이 ΔV는 ΔV(Q) = "α" x "q" x "S" x "t"의 관계로부터 계산될 수 있으며, 여기서 "α"는 전하량 "Q"를 전위 장벽(B1)의 높이 ΔV(Q)로 변환하는 계수이다. 1회의 칭량 동작마다 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 전위 장벽(B1)의 높이 ΔV(Q)를 변화시킴으로써 조절할 수 있다.

전위 장벽(B1)의 높이 ΔV(Q)는 전술한 4개의 변수 중 어느 하나를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 전술한 바와 같이, 시간 "t"는 밀리초(ms) 오더로 설정되고, 칭량 동작에 필요한 시간은 마이크로초(㎲) 오더로 설정된다. 따라서, 불필요한 전하의 양을 결정하는 시간 "t"를 감소시킴으로써, 소등 기간 "Pd"를 단축하고 공간 정보의 수집에 이용되는 시간을 상당히 증가시킬 수 있다. 하지만, 시간 "t"를 짧게 하면, 1회의 칭량 동작마다 폐기되는 전하량 "Q"이 감소한다. 따라서, 원하는 양의 불필요한 전하를 폐기하기 위한 칭량 동작의 횟수는 증가한다.

1회의 칭량 동작마다 폐기되는 전하량 "Q"를 감소시키지 않으면서 시간 "t"를 짧게 하기 위해, 계수 "α", 전하량 "q", 및 면적 "S" 중 적어도 하나를 증가시키는 것이 고려된다. 하지만, 계수 "α"를 크게 하면, 숏 노이즈(shot noise)와 같은 노이즈 성분이 증가한다. 그 결과, 측정 오차(measurement error)가 초래된다. 또, 전하량 "q"는 광검출 소자의 사양(specification)과 수광 강도(received-light intensity)에 의존하기 때문에 조절이 곤란하다. 한편, 면적 "S"를 크게 하면, 디바이스 사이즈가 커져 문제가 생긴다. 따라서, 계수 "α", 전하량 "q" 및 면적 "S"는 변경하지 않는다.

1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 전술한 바와 같이 소등 기간 "Pd"에 축적된 전하량에 의해 결정된다. 이 전하량은 환경광의 수광 강도와 소등 기간 "Pd"의 길이(시간 "t")의 함수로서 표현된다. 즉, 1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 소등 기간 "Pd"가 길어질수록 많아지도록 규정된다. 실제는, 1차 함수 또는 3차 함수로 규정한다. 따라서, 전술한 바와 같이, 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양을 "Qg"라고 하고, 1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기되는 불필요한 전하의 양을 "Qg/m"라고 하면, 1회의 칭량 동작에 필요한 소등 기간 "Pd"의 길이는, 1회에 전하량 "Qg"를 폐기하기 위해 필요한 소등 기간의 1/m이다. 요컨대, 칭량 동작 "W"를 m회 반복하기 때문에, 불필요한 전하를 폐기하기 위해 1회의 칭량 동작에 필요한 소등 기간 "Pd"의 길이는 1/m로 감소될 수 있다.

전술한 동작에서, 소등 기간 "Pd"가 단축되는 한편, 칭량 동작 "W"의 반복 횟수에 상응하는 시간이 불필요한 전하의 폐기를 완료하기 위해 필요하다. 소등 기간의 시간 척도(time scale)는 밀리초(ms)의 오더이고, 칭량 동작 "W"의 시간 척도는 마이크로초(㎲) 오더이므로, 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"에 필요한 합계 시간은, 불필요한 전하를 한꺼번에 폐기하는 경우에 비해 단축될 수 있다. 예를 들면, 불필요한 전하를 한꺼번에 폐기하는 경우에 소등 기간에 필요한 시간은 7 밀리초(ms)이고, 칭량 동작을 7회 반복함으로써 불필요한 전하를 폐기하는 경우에 소등 기간에 필요한 시간은 1 밀리초(ms)로 줄어들 수 있다. 즉, 각각의 칭량 동작 "W"을 수행하는데 100 마이크로초(㎲)가 필요하더라도, 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"의 합계 시간은 2 밀리초(ms) 미만이다. 따라서, 대폭적인 시간 단축이 가능하다.

따라서, 신호 처리부는, 소등 기간에 얻은 수광량에 따라, 규정된 일정한 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 분리되는 불필요한 전하의 양을 결정한다. 또 신호 처리부는, 칭량 동작을 복수회 반복함으로써 불필요한 전하를 폐기하도록 광검출 소자를 제어한다. 1회의 칭량 동작마다 폐기되는 불필요한 전하의 양이 많아질수록 소등 기간의 계속 시간은 길어진다. 따라서, 불필요한 전하를 한꺼번에 폐기하는 경우와 비교하면, 소등 기간의 계속 시간을 단축할 수 있다. 즉 칭량 동작에 필요한 시간은 소등 기간보다 2 또는 3 자리수 정도 짧으므로, 소등 기간의 감소에 의해, 소등 기간과 점등 기간의 합계 시간에 상응하는 처리 시간을 효과적으로 단축할 수 있다. 그 결과, 점등 기간에서의 신호광의 정보를 효과적으로 수집할 수 있고, 단위 시간당 수집되는 공간 정보의 양을 증가시킬 수가 있다.

전술한 바와 같이, 소등 기간 "Pd"를 단축하고, 칭량 동작 "W"을 복수회 반복하여 불필요한 전하를 제거함으로써, 불필요한 전하를 한꺼번에 제거하는 경우에 비해, 수광 출력을 인출하는데 필요한 시간을 단축할 수 있다. 또, 소등 기간 "Pd"에 수광되는 환경광의 강도가 비교적 증가하는 경우에도, 소등 기간 "Pd"를 단축함으로써 광전 변환부(D1)에서 생성되는 전자의 양을 감소시킬 수 있으므로, 광검출 소자(1)의 포화를 방지할 수 있다.

전술한 동작에서는, 칭량 기간 "Pt"에 칭량 동작 "W"를 "m"회 수행하고, 점등 기간 "Pb"에 칭량 기간 "Pt"를 "n"회 수행한다. 이 경우에, 점등 기간 "Pb"는 매회 일정하다. 칭량 기간 "Pt"마다 복수회의 칭량 동작 "W"를 행함으로써, 소등 기간 "Pd"를 단축하는 효과가 높아진다. 점등 기간 "Pb"에 수행되는 칭량 동작 "W"의 횟수는 적절히 결정될 수 있다. 예를 들면, 점등 기간 "Pb"에 있어, 필요한 복수회의 칭량 동작 "W"이 수행되는, 1회의 칭량 기간 "Pt"이 설정될 수 있다. 다르게는, 각 칭량 기간 "Pt"에, 1회의 칭량 동작 "W"를 수행할 수 있다.

환경광의 수광 강도의 관점에서 보면, 점등 기간 "Pb"에 복수의 칭량 기간 "Pt"를 설정하는 것이 바람직하다. 특히, 소등 기간 "Pd"에서의 수광량이 많은 경우, 다시 말해, 즉 환경광의 수광 강도가 증대한 경우, 점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 증가시키는 것이 바람직하다. 이 이유에 대하여 도 6 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다.

예를 들면, 점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 4회로 설정하면, 도 6 (A)에 나타낸 바와 같이 시각 "t0"와 시각 "t2" 사이의 점등 기간 "Pb"에 4회의 칭량 기간 "Pt"에 의해 일정량의 불필요한 전하가 폐기된다. 이 경우에, 불필요한 전하는 칭량 기간 "Pt"마다 제거되지만, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자는 전 체적으로는 점차 증가한다.

위의 동작에서, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양과 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 적절하게 설정하면, 전하 축적부(D3)에 축적되는 전자의 양은 광검출 소자(1)의 포화 레벨 L1을 초과하지 않는다. 하지만, 환경광이 초기에 가정한 것보다 많은 경우, 점등 기간 "Pb"가 종료되기 전에, 즉 점등 기간 "Pb"의 시각 "t2" 이전에, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자의 양이 포화 레벨 L1를 초과하는 현상이 발생할 수 있다. 도 6 (A)에서는, 전하량이 시각 t3에서 포화 레벨 L1을 초과한다. 이러한 경우에, 광검출 소자(1)로부터 인출된 수광 출력으로부터 신호광의 정보 중 일부를 잃게 된다.

이러한 이유로, 점등 기간 "Pb" 중에 전하량이 포화 레벨 L1에 도달하였는지를 검출할 필요가 있다. 포화 레벨 L1에 도달하였는지를 검출하기 위해서는, 예를 들면, 점등 기간 "Pb"에서의 최후의 칭량 기간 "Pt"로부터 일정 시간이 경과한 후에 점등 기간 "Pb"가 종료하도록 칭량 기간 "Pt"를 설정하는 것이 바람직하다. 최후의 칭량 기간 "Pt"와 점등 기간 "Pb"의 종료 사이의 시간은, 인접하는 칭량 기간 "Pt"들 사이의 시간 간격과 동일하도록 설정된다.

여기서, 1회의 점등 기간 "Pb"에 4회의 칭량 기간 "Pt"를 설정하고, 포화는 3회째의 칭량 기간 "Pt"와 4회째의 칭량 기간 "Pt" 사이에 발생한다고 하자. 이 경우에, 4회째의 칭량 기간 "Pt"에 의해 불필요한 전하가 폐기되므로, 전하량은 포화 레벨 L1보다 적어, 최종(4회째) 칭량 기간 "Pt"의 종료시점에 수광 출력을 인출하면 포화를 검출할 수 없다. 한편, 전술한 바와 같이, 칭량 기간 "Pt"의 종료로 부터 일정 시간이 경과한 후에 점등 기간 "Pb"가 종료한 다음, 수광 출력을 인출하면, 수광 출력이 다시 포화 레벨 L1에 도달하기 때문에 점등 기간 "Pb"에서의 포화의 발생을 검출할 수 있게 된다.

또, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자의 양이, 시각 "t2" 이전에 포화 레벨 L1을 초과하는 경우에도, 점등 시간 Pb를 변경하지 않고 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 증가시킴으로써 포화 레벨 L1을 넘지 않도록 전하량을 조절할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면, 도 6 (A)에 나타낸 바와 같이, 시각 "t1"와 시각 "t2" 사이의 점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"를 4회로 설정하고, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자의 양이 4회째의 칭량 기간 "Pt" 직전에 포화 레벨 L1를 초과한다고 하면, 도 6 (B)에 나타낸 바와 같이, 점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 4회에서 5회로 증가시킴으로써, 전하 축적부(D3)에 축적된 전자의 양이 시각 "t2" 이전에 포화 레벨 L1를 초과하는 것을 방지할 수 있다. 다시 말해, 각각의 칭량 기간 "Pt"를 비교적 짧고 설정하면, 광검출 소자(1)가 포화되기 전에 불필요한 전하를 폐기할 수 있다. 그 결과, 환경광의 양이 많은 상태에서도 수광 출력에서의 신호광에 상응하는 전자의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 환경광의 수광 강도가 증대되는 경우라도, 신호광의 정보를 가진 수광 출력을 얻을 수 있다.

점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수는, 적어도 광검출 소자(1)로부터 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광 출력을 사용하여 결정된다. 필요한 경우, 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량을 사용할 수도 있다. 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 결정하는 절차에 대하여 이하에 설명한다. 칭량 기간 "Pt"에 칭량 동작 "W"가 복수회 수행 되기 때문에, 각각의 칭량 기간 "Pt"를 불필요한 전하를 폐기하는 동작으로 간주할 수 있다. 또, 점등 기간 "Pb"에 인접하는 칭량 기간 "Pt" 사이에 시간 간격을 두고서 칭량 기간 "Pt"를 복수회 수행하는 경우에는, 시간 간격을 두고 불필요한 전하를 폐기하는 칭량 동작을 복수회 수행한다는 것을 의미한다.

환경광의 수광 강도는 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량에 반영되어 있기 때문에, 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량으로부터 점등 기간 "Pb"에 축적되는 불필요한 전하의 양을 추정할 수 있다. 또, 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량에 의해 1회의 칭량 기간 "Pt"마다 폐기되는 전하량이 결정된다. 따라서, 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량을 결정함으로써, 점등 기간 "Pb"에 축적되는 전자의 양에 있어 시간에 따른 변화의 경향을 알 수 있다. 이 시점에서, 신호광에 상응하는 전자의 양은 분명하지 않다. 하지만, 신호광에 상응하는 전자의 양은 점등 기간 "Pb"에 있어 거의 균일하게 증가하는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 포화 레벨 L1를 고려하여 폐기되는 불요한 전하의 양을 추정할 수 있고, 칭량 기간 "Pt"의 횟수에 대한 후보값을 결정할 수 있다.

후보값이 정해지면, 수광 처리 회로(3)로 이 후보값을 사용한 경우에 얻어지는 수광 출력의 크기를 감시함으로써, 칭량 기간 "Pt"의 횟수가 적정한지 여부를 평가한다. 이 평가에는, 상한값과 하한값을 설정하고, 수광 출력과 이 상한값 및 하한값을 비교함으로써 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 조절한다.

예를 들면, 수광 출력이 상한값을 초과한 경우, 칭량 기간 "Pt"의 횟수에 대한 후보값에 "1"을 가산하여 새로운 후보값으로 한다. 한편 수광량이 하한값보다 작은 경우, 칭량 기간 "Pt"의 횟수에 대한 후보값에 "1"을 감산하여 새로운 후보값으로 한다. 이 처리를 반복함으로써, 수광량을 상한값과 하한값 사이의 적정한 값으로 유지할 수 있다. 수광 출력이 상한값과 하한값 사이에 없는 경우에는, 그 수광 출력은 채용되지 않는다. 즉, 그 기간의 수광 출력은, 다른 기간의 수광 출력으로 보간 또는 대용된다.

그리고, 칭량 기간 "Pt"의 횟수에 대한 후보값을 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량에 따라 결정하는 것이 아니라, 미리 결정된 디폴트값을 후보값으로 사용할 수도 있다. 이 경우, 소등 기간 "Pd"의 수광량은, 1회의 칭량 동작 "W"에 있어 폐기하는 불필요한 전하의 양의 결정에만 사용된다. 1회의 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수는 변경되지 않는다.

점등 기간 "Pb"에서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 결정하기 위하여, 수광 처리 회로(3)는 소등 기간 "Pd"에서의 수광량과 수광 출력에 따라 전술한 처리를 실행하고, 타이밍 제어 회로(4)는 수광 처리 회로(3)에 의해 결정된 칭량 기간 "Pt"의 횟수에 따라 광검출 소자(1)의 동작을 제어한다. 그리고, 수광 출력이 상한값과 하한값 사이에 들어가도록 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 조절하는 처리는, 점등 기간 "Pb"마다 행할 필요는 없다. 사용 환경에 따라, 적정한 횟수의 점등 기간 "Pb"에 상응하는 때마다 위의 처리를 실행하면 충분하다. 예를 들면, 표준 빈도를 디폴트값으로 설정할 수 있다. 환경광의 변화가 큰 경우에는, 빈도를 표준 빈도보다 증가시킨다. 반대로, 환경광의 변화가 작은 경우에는, 빈도를 표준 빈도보다 감소시킨다.

점등 기간 "Pb"에 수광 출력이 포화 레벨에 도달하였을 경우에는, 이 점등 기간 "Pb"에 얻은 수광 출력을 공간 정보의 검출에 사용할 수 없다. 따라서, 이 수광 출력은 폐기되고, 다음 회의 점등 기간 "Pb"에 분리되는 불필요한 전하의 양을 변경하여 다음 회 이후의 점등 기간 "Pb"에 적정한 수광 출력을 얻는다. 불필요한 전하의 양을 변경하는 기술로서는, 전술한 바와 같이, 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 적절히 변경하는 것이 바람직하다. 다르게는, 소등 기간 "Pd"를 길게 하면, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 전하량이 증가한다. 또 후술하는 바와 같이, 복수의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)(도 12)이 형성되어 있는 경우에는, 소등 기간 "Pd"에 광전 변환부(D1)로서 전하를 수집하는 전위 우물을 형성하기 위한 전압이 인가되는 감도 제어 전극의 개수를 변화시킴으로써, 수광 면적을 실질적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 소등 기간 "Pd"에서의 수광 면적을 증가시킴으로써, 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 전하량을 증가시킬 수가 있다.

전술한 원리로부터 알 수 있는 바와 같이, 수광 출력이 포화 레벨 L1을 초과하지 않도록 칭량 동작 "W"를 수행한다는 관점에서는, 칭량 동작 "W"를 칭량 기간 "Pt"에 일괄 수행하는 경우에 비해, 칭량 동작 "W"를 점등 기간 "Pb"에 있어 균일하게 분산시키는 것이 바람직하다. 즉, 도 5 (B)에 나타낸 바와 같이, 점등 기간 "Pb"에 있어 인접하는 칭량 동작 "W" 사이에 시간 간격을 설정하는 것이 바람직하다. 또, 시간 간격은 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광 출력이 클수록 짧아지도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 기술에 따르면, 전하 축적부(D3)에 축적되는 전하량의 증가 속도를 감소시킬 수 있고, 축적되는 전하량이 포화 레벨 L에 도달하기 어려워 지기 때문에 전하 축적부(D3)의 포화를 억제하는 효과가 향상된다.

그런데, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 신호광에 의해 생성된 전자 전부를 보존하도록 계산된다. 하지만, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 복수회의 칭량 동작 "W"를 수행하고, 또한 1회의 칭량 동작 "W"에 있어 폐기되는 불필요한 전하의 양은 소등 기간 "Pd"에서의 수광량에 의해 결정되기 때문에, 신호광에 상응하는 전자 전부만을 보존하는 것은 곤란할 수 있다. 따라서, 사실상 신호광에 상응하는 전자 전체보다 약간 많은 양의 전자가 보존된다. 이 경우에, 신호광에 대한 동적 범위를 확대시키려면, 과잉 전자를 최소화하는 것이 바람직하다.

1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양은 소등 기간 "Pd"의 수광량에 의해 결정되고, 수광량은 소등 기간 "Pd"의 길이(계속 시간)의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 총량을 계산하면, 소등 기간 "Pd"의 길이를 변화시킴으로써 과잉 전자가 최소가 되도록 1회의 칭량 동작 "W"에 폐기되는 불필요한 전하의 양을 결정할 수 있다.

또, 소등 기간 "Pd"를 짧게 하면 1회의 칭량 동작 "W"에 폐기되는 불필요한 전하의 양이 감소하므로, 과잉 전자를 줄일 수 있다. 다르게는, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 1회의 칭량 동작 "W"를 수행하도록, 소등 기간 "Pd"를 연장함으로써 과잉 전자를 감소시킬 수도 있다. 그러나, 전자의 경우에는, 칭량 동작 "W"의 횟수가 증가하는 것에 의해, 점등 기간 "Pb"에 있어 칭량 동작 "W"의 처리 비율이 커진다. 후자의 경우에는, 소등 기간 "Pd"가 길어진다. 따라서, 이 경우들에서는, 단위 시간당 신호광으로부터 얻어지는 정보량은 감소한다.

또, 1회의 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수에 대한 상한과 하한을 설정하고, 소등 기간 "Pd"의 길이에 대한 상한과 하한을 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 이들 상한과 하한 사이의 범위 내에서 과잉 전자가 최소가 되도록, 1회의 칭량 동작 "W"에 있어 폐기되는 불필요한 전하의 양과 1회의 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수를 각각 결정한다. 그 결과, 소등 기간 "Pd"를 비교적 짧게 하면서, 칭량 동작 "W"의 횟수가 극단적으로 증가하지 않도록 칭량 기간 "Pt"에 대한 조건을 설정할 수 있게 된다.

그런데, 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수와 1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양의 곱으로서 계산된다. 1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양은 소등 기간 "Pd"에서의 수광량에 의해 결정된다. 또, 소등 기간 "Pd"에서의 수광량은, 소등 기간 "Pd"의 길이(계속 시간)와 환경광의 수광 강도에 의해 결정된다.

칭량 기간 "Pt"의 조건을 설정하기 위해, 소등 기간 "Pd"의 길이에 대한 디폴트값이 설정된다. 디폴트값의 시간 길이를 가지는 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량을 사용하여 환경광의 수광 강도를 추정한 다음, 칭량 기간 "Pt"마다 폐기되는 불필요한 전하의 총량을 결정한다. 또, 디폴트값의 시간 길이를 가지는 소등 기간 "Pd"에서의 수광량을 사용하여 1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양을 결정한다.

다음에, 칭량 기간 "Pt"마다 폐기되는 불필요한 전하의 총량을 1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양으로 나누어 몫과 나머지를 구한다. 몫이 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수의 상한과 하한 사이에 있으면, 나머지가 감소하도록 1회의 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양을 결정한다. 이 양에 따라, 소등 기간 "Pd"의 길이를 역산한다. 역산에 의해 얻은 소등 기간 "Pd"의 길이가 상한과 하한 사이에 있으면, 소등 기간 "Pd"를 역산에 의해 결정된 길이로 설정한다.

소등 기간 "Pd"의 길이 또는 칭량 동작 "W"의 횟수가 상한과 하한 사이의 범위로부터 벗어나 있으면, 길이 또는 범위는 상한과 하한과의 범위 내에 들어가도록 조절된다.

복수의 광전 변환부(D1)를 가지는 이미지 센서에서는, 각각의 광전 변환부(D1)에서 전술한 처리를 수행하면, 처리 부하가 증가한다. 그러므로, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 분리되는 불필요한 전하의 양이 모든 광전 변환부(D1)에 대해 미리 결정된 값보다 작도록, 소등 기간 "Pd"를 짧게 설정하는 동시에, 칭량 동작 "W"의 횟수를 크게 설정하는 것이 바람직하다. 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양을 적게 하면, 칭량 동작 "W"의 횟수는 증가한다. 하지만, 1회의 칭량 동작 "W"에 필요한 시간은 매우 짧아진다. 따라서, 광전 변환부(D1)에 의해 수광하고, 불필요한 전하를 폐기한 다음, 수광 출력을 인출하기 위해 필요한 전체 시간의 증가는 적다. 한편, 소등 기간 "Pd"가 단축되므로, 점등 기간 "Pb"에 공간 정보를 검출하기 위해 사용되는 시간을 상대적으로 증가시킬 수 있다.

복수의 광전 변환부(D1)를 가지는 이미지 센서에서는, 타이밍 제어 회로(4)의 출력에 따라 동작 타이밍의 제어를 간단하게 하기 위해, 칭량 동작 "W"의 횟수를 모든 광전 변환부(D1)에 있어 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 전술한 바와 같이, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 분리되는 불필요한 전하의 양을 감시시키기 위해서는, 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수를 가능한 많이 설정하는 것이 바람직하다.

따라서, 모든 화소에 대해, 신호 처리부는, 1회의 칭량 동작에 의해 분리되는 불필요한 전하의 양으로 나누어 얻은 나머지가 규정된 값보다 작도록 소등 기간을 짧게 함으로써, 1회의 칭량 동작에 의해 분리되는 불필요한 전하의 양을 감소시키고, 또한 칭량 동작의 횟수를 증가시킨다. 이 구성에 따르면, 복수회의 칭량 동작을 수행함으로써 불필요한 전하를 분리하는 경우에, 소등 기간은 짧아지고, 칭량 동작의 횟수는 많아진다. 그 결과, 광검출 소자의 각각의 광전 변환부에 대해 같은 횟수의 칭량 동작을 반복하면서도, 각각의 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 분리되지 않고 남은 불필요한 전하의 양은 적어진다. 따라서, 수광 출력으로서 인출되는 전하에 혼입된 신호광 이외의 불필요한 성분의 양을 감소시킬 수 있다.

그런데, 전술한 바와 같이, 불필요한 전하를 분리하여 폐기하면, 수광 출력의 대부분은 신호광 성분에 상응한다. 하지만, 신호광의 수광 강도가 증대하면, 광검출 소자(1)가 포화될 수 있다. 한편, 신호광의 수광 강도가 낮아지면, 숏 노이즈(shot noise)와 같은 내부 잡음의 영향에 의해 S/N비가 저하될 수 있다. 전술한 동작예에서는, 점등 기간 "Pb"의 길이가 일정한 상태에서, 불필요한 전하의 양 을 조절한다. 수광 측에서의 신호광의 수광량을 조절하는 하는 경우에, 점등 기간 "Pb"의 길이를 조절하는 것도 또한 필요하다.

예를 들면, 도 7 (A)에 나타낸 바와 같이, 점등 기간의 길이는 복수의 길이(Pb1, Pb2, Pb3) 중에서 선택 가능한 것이 바람직하다. 적정한 수광 출력을 얻기 위해 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3) 중 하나를 선택함으로써, 신호광에 대한 동적 범위를 개선할 수 있다. 즉, 광검출 소자(1)가 포화되지 않는 상태에서 가능한 한 큰 수광 출력을 얻을 수 있도록, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이를 결정한다. 이 기술을 사용하는 경우, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이가 변화하기 때문에 불필요한 전하의 양이 변화한다.

환경광과 신호광이 같은 환경 하에서 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이를 변화시키는 경우에 대해 설명한다. 불필요한 전하를 폐기하지 않는 경우에, 점등 기간이 길수록 환경광에 상응하는 전하의 양과 신호광에 상응하는 전하의 양이 모두증가한다. 따라서, 전술한 바와 같이, 포화가 발생하지 않도록 불필요한 전하를 폐기할 필요가 있다.

1회의 칭량 동작 "W"마다 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)에 얻어지는 환경광의 수광량에 따라 증가되거나 감소된다. 그러므로, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 따라 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)의 길이를 변화시킴으로써, 1회의 칭량 동작에 의해 분리되는 불필요한 전하의 양을 조절할 수 있다.

즉, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)에 수집되는 불필요한 전하의 양은 점등 기 간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 비례한다. 또, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양은 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)에 얻어지는 수광량에 비례한다. 따라서, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 관계없이 각각의 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)에 동일한 횟수의 칭량 기간 "Pt"를 설정하는 경우에는, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이와 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)의 길이 사이에 비례 관계를 설정함으로써 폐기되는 불필요한 전하의 양을 적절하게 조절할 수 있다. 이 경우에, 길이가 상이한 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)에 있어서의 칭량 기간 "Pt"의 횟수는 동일하게 설정되어야 하므로, 칭량 기간 "Pt"의 시간 간격은 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이로써 조절된다.

전술한 동작에서는, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 따라서, 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)의 길이를 변화시킨다. 다르게는, 도 7 (B)에 나타낸 바와 같이, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 관계없이 소등 기간 "Pd"의 길이를 일정하게 유지하고, 1회의 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수를 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길에 따라서 변화시키는 것도 바람직하다. 칭량 동작 "W"에서 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량에 의해 결정되기 때문에,점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)에 의존하지 않는다. 그래서, 각각의 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)에 대해 칭량 기간 "Pt"에서의 칭량 동작 "W"의 횟수를 변화시킬 수 있다.

이 동작에서는, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이로써 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양을 조절한다. 따라서, 이는 실질적으로 소등 기 간(Pd1, Pd2, Pd3)의 길이를 조절하는 동작과 같다. 여기서, 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양이, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양의 정수 배이기 때문에, 점등 기간(Pb1, Pb2, Pb3)의 길이에 따라서 소등 기간(Pd1, Pd2, Pd3)의 길이를 조절하는 동작과 비교하면, 수광 출력에 있어 신호광 성분 이외의 불필요한 성분의 양이 약간 증가할 가능성이 있다.

점등 기간 "Pb"에 복수회의 칭량 동작 "W"를 반복하는 경우에, 점등 기간 "Pb"에 칭량 동작 "W"를 1회만 수행하는 경우와 비교하면, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 소등 기간 "Pd"가 단축되므로, 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"의 합계 시간을 감소시킬 수 있다. 또, 점등 기간 "Pb"에 있어 복수회의 칭량 기간 "Pt"를 설정함으로써, 환경광이 증가하는 경우라도 포화 레벨 L1를 초과하지 않는 상태를 유지하면서 신호광에 상응하는 전자를 축적하는 것이 가능하게 된다.

한편, 점등 기간 "Pb"에 있어 복수회의 칭량 기간 "Pt"를 설정하는 경우에는, 신호광에 상응하는 성분이 불필요한 전하로서 폐기되지 않도록 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양을 설정하기 때문에, 칭량 기간 "Pt"를 복수회 반복하는 동안에, 잔류하는 불필요한 전하가 축적될 가능성이 있다. 즉, 1회의 칭량 기간 "Pt"에 폐기되는 불필요한 전하의 양은, 이상적으로는 신호광에 상응하는 양의 전자만이 잔류하도록 규제된다. 하지만, 실제로는 신호광에 상응하는 전자 이외의 잔류 전자가 칭량 기간 "Pt"마다 생성되고 축적되기 때문에, 수광 출력에는, 신호광에 상응하는 성분은 물론 잔류 전자에 상응하는 성분도 포함되어 있 다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 점등 기간 "Pb"에 있어 칭량 기간 "Pt" 이전에 축적되는 전자의 양 V1은, 폐기되는 불필요한 전하의 양 V2와 신호광에 상응하는 전자의 양 V3을 합한 양보다 많다. 불필요한 전하를 폐기한 후의 전자에는, 신호광에 상응하는 전자 이외에 노이즈와 같은 잔류 전자(전하량 V4)가 존재한다. 잔류 전자의 대부분은 숏 노이즈와 같은 내부 노이즈에 의해 생성되기 때문에, 잔류 전자의 양은 소등 기간 "Pd"에 얻은 수광량으로부터 추정될 수 없다. 이점에 있어, 숏 노이즈 등에 기인한 1회의 칭량 기간 "Pt"마다의 잔류 전자의 양은 시간의 경과에 따라 변화하지만, 평균하면 거의 일정하게 된다.

전술한 바와 같은 잔류 전자는 칭량 기간 "Pt"마다 생성되고 점등 기간 "Pb" 동안에 누적된다. 따라서, 점등 기간 "Pb"에 칭량 기간 "Pt"를 반복하면, 잔류 전자의 양이 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양에 도달하는 경우가 있다. 전술한 바와 같이, 잔류 전자의 양의 평균값은 추정할 수 있으므로, 1회의 칭량 동작 "W"에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양에 상응하는 잔류 전하를 축적하기 위해 필요한 칭량 기간 "Pt"의 횟수를 결정할 수 있다.

이러한 견해로부터, 칭량 기간 "Pt"의 횟수가 추정된 횟수에 도달할 때마다 칭량 동작 "W"의 횟수를 단지 "1회" 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 잔류 전자를 현저하게 감소시킬 수 있다. 또, 이 동작에 따르면, 잔류 전자의 영향에 의한 신호광에 대한 동적 범위가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

점등 기간 "Pb"에 있어 복수회의 칭량 동작 "W"를 반복하는 경우에는, 소등 기간 "Pd"에서의 수광량을 사용하여 폐기되는 불필요한 전하의 양을 추정할 수 있기 때문에, 소등 기간 "Pd"에서의 수광량에 상응하는 전자를 광검출 소자(1)의 외부로 인출하는 것이 필요하다. 이러한 구성은 본 실시예에서 바람직하게 사용된다. 또, 이하의 실시예들에서도, 소등 기간 "Pd"에서의 수광량에 대응한 전자를 광검출 소자(1)의 외부로 인출할 수 있다.

또, 불필요한 전하의 양을 추정하기 위한 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"를 교대로 수행하는 것이 필수적인 것은 아니다. 1회의 소등 기간 "Pd"에 추정된 불필요한 전하의 양을 복수회의 점등 기간 "Pb"에 사용할 수 있다. 또, 인접하는점등 기간 "Pb"의 시간 간격은 소등 기간 "Pd"보다 짧게 설정될 수 있기 때문에, 단위 시간에 있어 신호광을 수광하는 기간의 비율을 증가시킬 수 있어, 결과적으로 대상 공간의 공간 정보를 검출하는 기간을 증가시킬 수 있다. 소등 기간 "Pd"와 점등 기간 "Pb"의 관계는, 이하에 설명하는 실시예들에서도 마찬가지로 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 신호 처리부가, 복수회의 칭량 기간 각각에 있어 소등 기간에 얻은 수광량에 따라 결정된 양만큼 불필요한 전하를 분리하도록 광검출 소자를 제어한다. 또, 각각의 칭량 기간에 칭량 동작을 복수회 반복한다. 규정된 횟수의 칭량 기간에 상응하는 타이밍마다 칭량 동작의 횟수를 증가시킨다. 규정된 횟수는 1회의 점등 기간에서의 노이즈 성분에 기인한 전하의 양과 1회의 칭량 동작에 의해 폐기되는 불필요한 전하의 양에 사용하여 결정될 수 있다. 따라서, 수광 출력에 있어 노이즈 성분에 기인한 불필요한 전하의 비율을 감소시킬 수 있고, 신호광에 대한 동적 범위를 증대시킬 수 있다.

또한, 신호 처리부가, 점등 기간에 있어 불필요한 전하를 폐기하는 동작의 횟수를 증가시켜 점등 기간에 있어 분리되는 불필요한 전하의 양을 증가시키는 경우에는, 불필요한 전하를 폐기하는 동작의 횟수를 관리하는 것만으로 폐기되는 불필요한 전하의 양을 쉽게 제어할 수 있다.

또, 신호 처리부가 점등 기간에 있어 불필요한 전하를 폐기하는 동작을 복수회 수행하도록 광검출 소자를 제어하고, 인접하는 동작들 사이의 시간 간격을 설정하고, 이 시간 간격이 소등 기간에 얻은 수광량에 따라 감소하는 상태 하에서, 점등 기간에 있어 광전 변환부에 의해 수집되는 전하가 증가하면, 불필요한 전하가 폐기된다. 따라서, 광전 변환부에 수집되는 전하의 증가 속도를 감소시킬 수 있고, 환경광의 수광 강도가 증가하는 상태 하에서도 수광 출력의 포화를 방지할 수 있다. 즉, 점등 기간 중에 불필요한 전하를 조금씩 폐기하기 때문에, 점등 기간의 종료 시점에서 불필요한 전하를 일괄하여 폐기하는 경우와 비교하면, 광전 변환부에 수집되는 전하의 양은 포화 레벨에 도달하기 어려워진다. 또한, 환경광이 증가하는 경우에는 칭량 동작의 시간 간격을 단축하기 때문에, 광전 변환부에 수집되는 전하의 증가 속도를 감소시켜 환경광에 의한 포화를 방지할 수 있다.

전술한 설명에서는, 1회의 칭량 동작과 연속하여 수행되는 복수회의 칭량 동작 중 어느 하나를 불필요한 전하를 폐기하기 위해 사용할 수 있다. 칭량 동작을 복수회 연속하여 수행하는 경우의 기간이 전술한 칭량 기간에 상당한다.

또, 신호 처리부가, 신호광의 수광 강도에 따라 상이한 계속 시간을 가지는 복수의 점등 기간 중 하나를 선택하고, 점등 기간의 계속 시간에 따라 칭량 동작의 횟수를 증가 또는 감소시키는 경우에는, 신호광에 대한 동적 범위를 확대할 수 있다. 또, 점등 기간의 계속 시간의 변화에 따라 칭량 동작의 횟수를 증가 또는 감소시킴으로써 폐기되는 불필요한 전하의 양을 조절하기 때문에, 점등 기간의 계속 시간에 관계없이 소등 기간의 계속 시간은 일정하게 유지된다. 그 결과, 소등 기간과 점등 기간의 합계 시간의 증가 또는 감소를 비교적 감소시킬 수 있다. 다시 말해, 소등 기간의 계속 시간을 비교적 짧게 설정함으로써, 소등 기간과 점등 기간의 합계 시간의 증가 또는 감소는 점등 기간의 계속 시간의 증가 또는 감소에만 의존한다. 따라서, 소등 기간과 점등 기간의 합계 시간의 최대값은, 소등 기간의 계속 시간을 변화시키는 경우에 비해 작아진다.

(제2 실시예)

본 실시예는, 전위 장벽(B1)을 제어하기 위한 외부 회로를 사용하지 않고 불필요한 전하로서 분리되는 전자의 양을 수광량에 따라 자동으로 변화시킬 수 있는 광검출 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.

즉, 불필요한 전하의 양을 자동으로 조절하기 위한 구성으로서, 본 실시예의 광검출 소자(1)는, 도 9 (A)에 나타낸 바와 같이, 소자 형성층(11)의 주표면에 우물(12)과는 상이한 위치에 형성된 유지 우물(holding well)(15)을 가진다. 이 유지 우물(15)은 우물(12)과 같은 도전형이고, 우물(12)보다 불순물 농도가 낮다. 즉, 유지 우물(15)의 도전형은 n+이다. 유지 우물(15)에 대응하는 위치에 절연층(13)을 사이에 두고 유지 전극(14d)이 배치되어 있고, 소자 형성층(11) 상의 우 물(12)과 유지 우물(15) 사이의 영역에 대응하는 위치에 절연층(13)을 사이에 두고 게이트 전극(14e)이 배치되어 있다. 유지 전극(14d)은 장벽 제어 전극(14c)과 전기적으로 접속되어 있다. 또, 유지 전극(14d) 및 게이트 전극(14e)에 대응하는 소자 형성층(11)의 영역은 차광막(light shielding film)(16)으로 차광된다.

그런데, n+형의 유지 우물(15)은 p형의 소자 형성층(11)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 유지 우물(15)에는 우물(12)과 마찬가지로 전자에 대한 전위 우물이 형성된다. 여기서, 유지 우물(15)은 우물(12)보다 불순물 농도가 낮기 때문에, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 장벽 제어 전극(14c) 및 유지 전극(14d)에 전압을 인가하지 않는 상태에서, 유지 우물(15)에는 우물(12)보다 깊은 전위 우물이 형성된다. 유지 우물(15)에 형성된 전위 우물은 전자를 유지하는 전자 유지부(D4)로서 기능한다.

유지 우물(15)에 유지되는 전자의 양이 증가하면, 유지 전극(14d)의 전위가 저하되고, 유지 전극(14d)에 접속된 장벽 제어 전극(14c)의 전위도 또한 저하된다. 장벽 제어 전극(14c)의 전위가 저하하면, 전위 장벽(B1)이 높아지고, 전하 분리부(D2)의 용량이 증가한다. 즉, 환경광이 증가함에 따라 유지 우물(15)에 유지되는 전자의 양을 증가시키면, 불필요한 전하로서 분리할 수 있는 전자의 양을 환경광에 따라 증가시킬 수 있다. 따라서, 환경광의 증가 또는 감소에 관계없이, 신호광에 대한 동적 범위를 거의 일정하게 유지할 수 있게 된다.

환경광의 증가 또는 감소에 따라 유지 우물(15)에 유지되는 전자의 양을 증가 또는 감소시키기 위하여, 환경광을 수광함으로써 광전 변환부(D1)에서 생성되는 전자를 유지 우물(15)에 전송하여 유지시키는 것이 필요해진다. 즉, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전하를 유지 우물(15)에 전송하는 기간을 설정한다. 유지 우물(15)은 차광막(16)에 의해 차광되어 있기 때문에, 소자 형성층(11)과 우물(12)에 광이 조사되어도 유지 우물(15)에 유지된 전자의 양은 변화하지 않는다.

그런데, 본 실시예에서는, 장벽 제어 전극(14c)이 유지 전극(14d)에 접속되어 있으므로, 장벽 제어 전극(14c)에 대응하는 영역에 형성되는 전위 장벽(B1)의 높이를 임의로 제어할 수 없다. 전위 장벽(B1)의 높이는, 유지 우물(15)에 유지된 전자의 양에 의해 결정된다.

이런 이유로, 제1 실시예에서 도 2 (A) 내지 (D)를 참조하여 설명한 바와 같이, 전위 장벽(B1)의 높이를 제어할 수 없다. 따라서, 본 실시예에서는 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)의 전위를 조절하는 기술을 사용한다. 이에 의해, 제1 실시예와 동일한 절차에 따라 전자를 이동시킬 수 있다.

본 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 제1 실시예와 마찬가지로, 분리 전극(14a)과 축적 전극(14b)에 전압을 인가하지 않은 상태에서 우물(12)에 형성되는 전위 우물을 광전 변환부(D1)로서 사용하는 것으로 한다. 또, 유지 우물(15)에 인접하여 드레인(도시하지 않음)을 형성하여 유지 우물(15)에 수집된 전자를 폐기한다. 먼저, 우물(12) 및 유지 우물(15)에 잔류하는 전자가 폐기된다. 이 상태에서는, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 장벽 제어 전극(14c), 유지 전극(14d) 및 게이트 전극(14e)에 전압이 인가되지 않는다. 우물(12)에는 도 2 (A)의 경우와 마찬가지로 전위 우물이 형성된다. 이 전위 우물이 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 이때, 발광원은 점등되지 않고, 환경광만이 광전 변환부(D1)에 입사된다. 따라서, 이 기간에 광전 변환부(D1)에 의해 생성되는 전자는 환경광의 수광량에 대응한다.

우물(12) 및 유지 우물(15) 내의 전자를 폐기한 후, 미리 결정된 기간 동안에 환경광의 수광량에 상응하는 양의 전자가 광전 변환부(D1)에 수집된 다음, 유지 우물(15)에 전송된다. 즉, 유지 우물(15)에는 발광원으로부터 광을 투광하지 않는 소등 기간에 얻은 환경광에 상응하는 양의 전자가 유지된다. 광전 변환부(D1)로부터 유지 우물(15)로 전자를 전송하는 경우에는, 게이트 전극(14e)에 양의 전압을 인가하여, 광전 변환부(D1)와 유지 우물(15) 사이에 형성되는 전위 장벽(B2)을 인하한다. 또, 분리 전극(14a)과 축적 전극(14b)에 음의 전압을 인가하여, 광전 변환부(D1)의 전위를 유지 우물(15)의 전위보다 높게 인상한다. 이 동작에 의해, 우물(12)로부터 유지 우물(15)로 전자를 이동시킬 수 있다.

따라서, 유지 우물(15)에 전송하는 전자의 양은 발광원의 소등 기간의 수광량에 상응한다. 때문에, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 모든 전자를 유지 우물(15)에 유입시킬 필요는 없다. 즉, 우물(12)로부터 유지 우물(15)로 이동되는 전자의 양이, 발광원의 소등 기간에 얻은 광전 변환부(D1)에서의 수광량에 연관되어 있으면 된다.

발광원의 소등 기간에 상응하는 전하를 유지 우물(15)에 유지시키면, 도 10 (A)과 같이, 장벽 제어 전극(14c)에 대응하는 영역에 형성되는 전위 장벽(B1)의 높이가 결정된다. 즉, 전하 분리부(D2)의 용량이 결정된다. 유지 우물(15)에 유입되는 전자의 양이 증가하면, 유지 우물(15)의 표면 전위가 감소한다. 표면 전위의 저하에 따라, 유지 전극(14d)의 전위도 저하된다. 그 결과, 장벽 제어 전극(14c)에 인가되는 전압이 저하되어, 전위 장벽(B1)이 높아진다. 도 11 (A) 내지 (C)에 나타낸 기간 "Ta"에서와 같이, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b) 및 게이트 전극(14e)에 전압을 인가하지 않으므로, 장벽 제어 전극(14c)과 유지 전극(14d)의 전위는 전하 유지부(D4)에 유지되어 있는 전자의 양에 의해 결정된다.

광전 변환부(D1)로부터 전하 유지부(D4)로 전자를 전송한 후에 광전 변환부(D1)에 잔류하는 전자는 불필요하다. 따라서, 우물(12)에 인접하여 형성된 드레인을 사용하여 잔류하는 전자를 폐기한다.

다음에, 발광원을 점등시키면, 환경광과 신호광이 모두 광전 변환부(D1)에 입사한다. 여기서, 광전 변환부(D1)에는 전하 유지부(D4)에 유지된 전자의 양에 따라 전위 장벽(B1)이 형성되기 때문에, 이 전위 장벽(B1)의 높이를 초과하지 않는 양의 전자가 수집된다. 즉, 우물(12)에 있어, 분리 전극(14a)에 대응하는 영역과 축적 전극(14b)에 대응하는 영역은 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 제1 실시예의 도 2 (B)에 나타낸 동작과 마찬가지로, 우물(12)은 전위 장벽(B1)의 형성에 의해 2개의 영역로 분할된다.

두 영역 중 하나, 즉 분리 전극(14a)에 대응하는 전하 분리부(D2)에 수집된 전자는 이용되지 않고 폐기되며, 축적 전극(14b)에 대응하는 전하 축적부(D3)에 수집된 전자가 이용된다. 따라서, 본 실시예에서, 발광원으로부터 광을 투광하는 점등 기간에는 우물(12) 내의 축적 전극(14b)에 대응하는 영역이 광전 변환부(D1)로서 실질적으로 기능한다. 따라서, 전하 축적부(D3)는 또한 광전 변환부(D1)로서 사용된다.

도 11 (A) 내지 (C)의 기간 "Tb"에 나타낸 바와 같이, 분리 전극(14a)에 전압을 인가하지 않는다. 도 10 (B)에 나타낸 바와 같이, 드레인을 사용하여 전하 분리부(D2) 내의 전자를 폐기한다. 그 후, 도 11 (A) 및 (B)의 기간 "Tc"로 나타낸 바와 같이, 분리 전극(14a)에 양의 전압을 인가하고, 축적 전극(14b)에 음의 전압을 인가한다. 이에 의해, 도 10 (C)에 나타낸 바와 같이, 전하 분리부(D2)의 전위가 인하된다. 또, 전하 분리부(D2)의 전위가 상당히 인하되면, 전위 장벽(B1)도 또한 인하된다. 그 결과, 전하 축적부(D3)(광전 변환부(D1)) 내의 전자를 전하 분리부(D2)로 유입시킬 수 있다.

그리고, 전하 분리부(D2)의 전위를 인하하는 대신에, 전하 축적부(D3)의 전위를 인상할 수도 있다. 이 경우에, 전하 축적부(D3)의 모든 전자를 전하 분리부(D2)로 이동시키려면, 전하 축적부(D3)의 전위를 전위 장벽(B1)의 전위 이상으로 설정할 필요가 있다. 또, 전하 분리부(D2)의 전위를 인하하는 동작과 전하 축적부(D3)의 전위를 인상하는 동작을 동시에 수행할 수도 있다.

전하 축적부(D3)의 모든 전자가 전하 분리부(D2)로 유입된 후에, 도 11 (A) 및 (B)에 기간 "Td"로 나타낸 바와 같이, 분리 전극(14a)과 축적 전극(14b)에 인가한 전압을 제거한다. 이때, 전하 분리부(D2)의 용량이 결정된다. 도 10 (D)에 나타낸 바와 같이, 전하 분리부(D2)에 수집된 전자가 전하 분리부(D2)의 용량을 초과하면, 과잉 전자(excessive electron)는 전위 장벽(B1)를 넘어 전하 축적부(D3)로 유입된다. 즉, 전하 분리부(D2)의 용량에 대응하고, 전하 유지부(D4)에 유지된 전 자의 양(즉, 발광원의 소등 기간에 상응하는 전자의 양)에 따라 결정되는 일정량의 전자가, 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자로부터 불필요한 전하로서 분리된다. 한편, 전하 축적부(D3)에 회수된 전자가 유효 전하로서 이용된다.

전술한 본 실시예에서는, 외부 회로를 사용하지 않고 광검출 소자의 내부에서 전위 장벽(B1)의 높이를 자동으로 조절한다. 또, 환경광의 수광량에 따라 불필요한 전하의 양이 결정되므로, 환경광의 수광량에 관계없이, 신호광에 대한 수광 출력의 동적 범위를 거의 일정하게 유지할 수 있다.

복수의 광전 변환부(D1)를 배열함으로써 촬상 소자(image pickup device)를 구성하는 경우에, 외부 회로를 이용하여 불필요한 전하의 양을 결정하는 전위를 화소마다 제어하면, 외부 회로의 구성이 매우 복잡하게 된다. 한편, 본 실시예에서 설명한 바와 같이, 불필요한 전하의 양을 환경광의 수광량에 따라 자동으로 조절하는 기술을 사용하면, 불필요한 전하의 양을 결정하기 위한 외부 회로는 실질적으로 불필요하게 된다. 또, 반도체 기판에 촬상 소자와 외부 소자를 일체화하는 경우에, 반도체 기판에 대한 광전 변환부(D1)의 면적비가 감소하여 S/N비가 저하된다. 하지만, 본 실시예에서는 외부 회로가 실질적으로 불필요하므로, 높은 S/N비를 얻을 수 있다. 다른 구성 및 동작은 제1 실시예와 같다.

따라서, 광전 변환부에 의해 전하가 생성된 후에 게이트 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써, 의도된 기간에서의 수광량에 상응하는 전하를 광전 변환부로부터 전하 유지부로 전송한다. 전하를 전송한 후, 어느 기간에서의 수광량에 상당하는 전하로부터 유지 전극의 전위에 따라 결정되는 양의 불필요한 전하가 분리된다. 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 전하 유지부에 전송하는 타이밍은, 게이트 전극에 인가하는 전압에 의해 제어된다. 그 결과, 전하 유지부에 전송되는 전하가 생성된 기간에서의 수광량과 그 후의 적당한 기간에서의 수광량의 차이를 반영하는 유효 전하를 수광 출력으로서 인출하는 것이 가능하게 된다.

본 실시예에서는, 우물(12)에 광전 변환부(D1)로서 형성되는 전위 우물로부터, 유지 우물(15)에 전하 유지부(D4)로서 형성되는 전위 우물에 전자를 전송하는 타이밍을 제어하는데 게이트 전극(14e)을 사용한다. 다르게는, 게이트 전극(14e)을 생략할 수도 있다. 이 경우에, 분리 전극(14a)과 축적 전극(14b)에 인가하는 전압을 제어함으로써 광전 변환부(D1)로부터 전하 유지부(D4)로 전자를 전송할 수 있다.

예를 들면, 분리 전극(14a) 및 축적 전극(14b)에 양의 전압을 인가하여 전위 우물을 형성한다. 광전 변환부(D1)에 전자가 수집된 후, 분리 전극(14a) 및 축적 전극(14b)에 음의 전압을 인가하여, 우물(12)에 수집된 전자를 유지 우물(15)을 향해 이동시킨다. 축적 전극(14b)에 음의 전압을 인가함으로써, 우물(12)과 유지 우물(15) 사이의 전위 장벽이 무너져, 우물(12)로부터 유지 우물(15)로의 전자의 이동이 용이해진다. 또, 분리 전극(14a)에 음의 전압이 인가되기 때문에, 우물(12)에 수집된 전자는 도 9의 왼쪽 방향에의 이동이 방지된다.

우물(12)로부터 유지 우물(15)로 전자가 이동한 후에는, 분리 전극(14a) 및 축적 전극(14b)에 양의 전압을 인가하여, 우물(12) 내에 전위 우물을 형성한다. 이와 같은 동작에 의해, 게이트 전극(14e)을 사용하지 않고, 광전 변환부(D1)로부 터 전하 유지부(D4)로의 전자의 이동이 가능하게 된다.

도 9 (A) 대신에, 전하 유지부로서 반도체 기판에 형성되는 유지 우물(15)에 장벽 제어 전극(14c)을 직접 전기적으로 접속하는 것도 바람직하다. 즉, 도 9 (A)에 나타낸 바와 같이, 유지 전극(14d)을 절연층(13) 상에 형성하는 경우에는, 유지 전극(14d)은 부유 전극(floating electrode)이 된다. 이 경우에, 시간이 경과함에 따라 유지 전극(14d)과 장벽 제어 전극(14c) 사이의 배선에 노이즈 전하의 축적이 용이해진다. 그러므로, 유지 전극(14d)과 장벽 제어 전극(14c) 사이의 배선으로부터 노이즈 전하를 제거(리셋)하기 위한 스위치를 설치하는 바람직하다. 한편, 화소마다 이러한 스위치를 설치하는 것은, 장치의 대형화와 제조 비용의 상승을 초래할 우려가 있다.

따라서, 유지 전극(14d)을 반도체 기판의 유지 우물(15)에 대응하는 영역에 절연층을 개재시키지 않고 형성한다. 다르게는, 장벽 제어 전극(14c)과 반도체 기판의 유지 우물(15)에 대응하는 영역 사이를 직접 전기 접속한다. 이 경우에, 유지 우물(15)을 리셋하는 경우, 인접하여 형성된 리셋 수단을 사용하여 배선 내의 노이즈 전하를 확실하게 제거할 수 있다. 도 9 (b)에 나타낸 리셋 수단은, 리셋 드레인(100), 유지 우물(15)과 리셋 드레인(100) 사이의 영역에 대응하는 위치에 형성된 리셋 전극(14r), 및 리셋 드레인(100)으로부터 전하를 폐기하기 위한 회로(110)로 구성된다. 리셋 전극(14r)에 미리 결정된 전압 Vr를 인가함으로써, 리셋 드레인(100)을 통하여 유지 우물(15) 내의 전하를 제거할 수 있다.

(제3 실시예)

본 실시예에서는, 제2 실시예와 마찬가지로 전하 유지부(D4)를 구성하고, 전하 분리부(D2)의 용량을 환경광의 수광량에 따라 자동으로 설정한다. 본 실시예는, 점등 기간에 발광원으로부터 투광되는 광의 강도를 일정 주파수의 변조 신호로 변조하고, 변조 신호의 위상이 상이한 두 구간에 동기하는 타이밍에서 얻은 수광량에 상응하는 수광 출력을 인출하는 것에 특징이 있다. 또, 사인파를 변조 신호의 파형으로서 사용하여, 0도 내지 180도의 위상 구간(이하, 위상 구간 "P0"이라고 함)에서 얻은 수광량과 180도 내지 360도의 위상 구간(이하, 구간 "P2"라고 함)의 수광량에 각각 상응하는 수광 출력을 인출한다. 변조 신호의 파형으로는, 직사각파, 삼각파, 또는 톱니파를 사용할 수도 있다. 또, 수광량을 얻기 위한 위상 구간은 전술한 위상 구간들로 한정되지 않는다.

본 실시예에서는 복수의 셀(1)을 배열하여 이미지 센서를 구성한다. 이미지 센서로부터 1 프레임의 수광 출력을 인출할 때마다, 전술한 두 위상 구간의 수광 출력을 동시에 인출할 수 있다. 1 프레임으로 두 위상 구간의 수광 출력을 인출하는 경우에는, 각각의 셀(1)에 대해, 각각의 구간에 대해 수광량을 검출하는 구성과, 각각의 구간에 대해 수광 출력을 축적하는 구성을 필요로 한다. 따라서, 광전 변환부(D1)를 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)와는 별도로 구성한다.

도 12 (A) 내지 (C)를 참조하여, 본 실시예에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 광전 변환부(D1)는, 소자 형성층(11)의 주표면에 형성된 우물(도시하지 않음), 및 우물 상에 절연층(13)을 사이에 두고 배열된 복수의 감도 제어 전극(예컨대, 8개의 감도 제어 전극(17a 내지 17h))을 가진다. 우물은 소자 형성층(11)과는 상이한 도 전형이다. 이 우물은 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)로서 기능하는 우물(12)과는 분리하여 형성되고, 게이트를 통해 우물(12)에 전하를 전송하는 것이 바람직다. ㄷ다르게는, 이 우물들은 연속으로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 전위를 제어함으로써 전하를 전할 수 있다. 8개의 감도 제어 전극(17a 내지 17h) 중 4개의 감도 제어 전극(17a 내지 17d)은 위상 구간 중 하나에 대한 그룹으로서 사용되고, 나머지 4개의 감도 제어 전극(17e 내지 17h)은 다른 위상 구간에 대한 그룹으로 사용된다. 따라서, 각각의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 인가되는 전압을 독립적으로 제어할 수 있다. 도면에서, 부호 "X"는 제어선(21a)과 각각의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)의 접속 지점을 가리킨다.

도 12 (A)의 길이 방향(longitudinal direction)은 이미지 센서의 수직 방향에 대응한다. 도면에는, 수직 방향에 하나의 셀(1)만을 나타내고 있다. 즉, 이 하나의 셀(1)은, 수직 방향으로 배열된 8개의 감도 제어 전극(7a 내지 17h)을 가진다. 도면에는 하나의 셀(1)에 인접하는 다른 셀(1)의 일부도 나타내고 있다. 각각의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)은, 수평 방향으로 인접하는 두 개의 셀(1)에 걸쳐 연장되어 있다. 도면부호 20은 수평 방향에서의 셀(1)들 사이의 크로스토크를 방지하기 위해 수평 방향으로 인접하는 셀(1)들 사이에 형성된 셀 분리부(20)를 가리킨다. 셀 분리부(20)는 소자 형성층(11)과 다른 도전형의 반도체를 사용하여 소자 형성층(11)의 주표면 측에 형성된다. 도면에서는, 4개의 제어선(21a)이 셀 분리부(20)의 양측에 각각 제공되어 있다. 따라서, 수평 방향으로 인접하여 형성된 두 개의 셀(1) 각각에 대해, 광전 변환부(D1) 내의 제어선(21a)의 면적을 동등 하게 결정할 수 있다. 때문에, 인접하는 두 개의 셀(1)에서의 광전 변환부(D1)는 동일한 감도를 가질 수 있다. 또, 수직 방향으로 배열된 복수의 셀(1) 중 같은 위치에 배치된 감도 제어 전극은 같은 제어선(21a)에 접속된다.

본 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 감도 제어 전극(17a 내지 17h)을 구비한 광전 변환부(D1)를 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)와 별도로 구성한다. 또한, 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)는 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 인접하여 수평 방향으로 배열되어 있다. 도면에 나타나 있지는 않지만, 수평 방향으로 인접하여 형성된 두 개의 셀(1) 중 오른쪽 셀(1)의 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)는 광전 변환부(D1)의 우측에 배치되어 있다. 한편, 수평 방향으로 인접하여 형성된 두 개의 셀(1) 중 왼쪽 셀의 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)는 광전 변환부(D1)의 좌측에 배치되어 있다. 또, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)는 감도 제어 전극(17a 내지 17h)의 그룹마다 형성된다. 전하 유지부(D4)는 환경광에 상당하는 양의 전자를 유지하는 것이며, 환경광은 두 그룹에서 변화하지 않는 것으로 간주할 수 있기 때문에, 전하 유지부(D4)는 하나의 셀(1)을 구성하는 두 그룹에 의해 공용된다. 이 구성에 의해, 두 그룹의 장벽 제어 전극(14c)에는 동일한 전압이 인가되고, 두 그룹에서 동일한 높이의 전위 장벽(B1)을 얻을 수 있다. 따라서, 복수 세트의 전하 분리부 및 전하 축적부가 형성되고, 연접하는 두 개의 장벽 제어 전극(14c)이 전하 유지부를 공용하면, 전하 유지부를 독립적으로 구성하는 경우에 비해, 소자 면적을 줄일 수 있는 이점이 있다.

각 그룹에서, 축적 전극(14b)은 감도 제어 전극(17c, 17f)에 인접하여 형성된다. 광전 변환부(D1)에 의해 생성된 전자는 감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역으로부터 전하 축적부(D3)로 전송될 수 있다. 여기서, 광전 변환부(D1)와 전하 축적부(D3)의 전위 관계를 조절함으로써, 전하 축적부(D3)로부터 광전 변환부(D1)로의 전자의 이동도 또한 가능하게 된다. 다르게는, 광전 변환부(D1)와 전하 축적부(D3) 사이의 전하의 흐름은, 그 사이에 게이트 전극(도시하지 않음)을 배치함으로써 제어될 수 있다.

또, 각 그룹에서, 분리 전극(14a)은 감도 제어 전극(17a, 17h)에 인접하여 배치된다. 한편, 두 그룹에 의해 공용되는 유지 전극(14d)은 감도 제어 전극(17d, 17e)들 사이에 걸쳐 있는 영역에 배치된다. 분리 전극(14a), 축적 전극(14b) 및 게이트 전극(14e)은 각각 제어선(21b)에 접속된다. 장벽 제어 전극(14c)은 접속선(22)을 통해 유지 전극(14d)에 접속된다. 즉, 제어선(21b)들은 그룹들의 분리 전극(14a)들 사이, 그룹들의 축적 전극(14b)들 사이, 그리고 그룹들의 게이트 전극(14e)들 사이의 접속을 위해 각각 사용된다. 따라서, 이 세 개의 제어선(21b)을 사용하여 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4) 사이의 전자의 이동을 제어할 수 있다. 도면에서, 부호 "X"는 제어선(21b) 또는 접속선(22)과 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 장벽 제어 전극(14c), 유지 전극(14d) 또는 게이트 전극(14e) 사이의 접속 지점을 가리킨다.

감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 인가되는 전압은, 발광원으로부터 투광되는 광의 강도를 변조하는데 사용되는 변조 신호에 동기하도록 제어된다. 예를 들면, 위상 구간 P0에서는, 감도 제어 전극(17a 내지 17d)과 감도 제어 전극(17f) 각각에 양의 전압을 인가한다. 한편, 위상 구간 P2에서는, 감도 제어 전극(17c)과 감도 제어 전극(17e 내지 17h) 각각에 양의 전압을 인가한다. 각각의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 양의 전압을 인가하면, 셀에 있어 각각의 감도 제어 전극에(17a 내지 17h)에 대응하는 영역에 전자를 수집하기 위한 전위 우물이 형성된다.

전술한 바와 같이, 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 인가하는 전압을 제어하면, 광 조사에 의해 위상 구간 P0에서 생성된 전자는 우물의 감도 제어 전극(17a 내지 17d)에 대응하는 영역에 수집되는 한편, 광 조사에 의해 위상 구간 P2에서 생성된 전자는 우물의 감도 제어 전극(17e 내지 17h)에 대응하는 영역에 수집된다. 즉, 광 조사에 의해 전자가 생성되는 면적을 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 대한 전압 인가 패턴을 제어함으로써 변화시킬 수 있다. 이것은 광검출 소자의 감도를 제어하는 것과 실질적으로 동등하다.

위상 구간 P0에서는, 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 영역에도 전위 우물이 형성되므로, 위상 구간 P2에 있어 수집된 전자가 이 전위 우물에 유지될 수 있다. 한편, 위상 구간 P2에서는, 감도 제어 전극(17c)에 대응하는 영역에 형성된 전위 우물에 위상 구간 P0에 있어 수집된 전자가 유지될 수 있다.

따라서, 변조 신호의 복수의 주기에 걸쳐 광 조사에 의해 생성된 전자를 각각의 구간에 대해 수집할 수 있다. 예를 들면, 변조 신호가 10 MHz이고, 광전 변환부(D1)에서 전자를 생성하는 기간이 15ms이면, 복수의 주기는 150000 주기에 대응한다. 감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역에 전자를 유지하는 기간에도, 감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역에서는 전자가 생성된다. 하지만, 전자를 수집하는 기간에 있어 전자를 수집하는 면적은 전자를 유지하는 기간에 있어 전자를 수집하는 면적보다 4배 크므로(즉, 면적비가 4:1), 유지된 전자의 양은 변조 신호의 각 위상 구간에서의 수광량을 반영하는 것으로 볼 수 있다. 요컨대, 각각의 위상 구간(P0, P2)에 상응하는 양의 전자를, 감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역에 각각 유지할 수 있다.

감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역에 유지된 전자는, 전하 축적부(D3)에 전송된다. 이 전송 단계에서는, 축적 전극(14b)에 양의 전압을 인가하고, 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 음의 전압을 인가한다. 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3), 및 전하 유지부(D4) 사이에서 전자를 이동시키는 경우에는, 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 음의 전압을 인가하여 광전 변환부(D1)로 전자가 이동되는 것을 방지한다. 이 점에 있어, 위상 구간 P2에 수집된 전자는 감도 제어 전극(17c)에 대응하는 영역에 유지되고, 위상 구간 P0에 수집된 전자는 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 영역에 유지되므로, 그룹 중 한쪽의 전하 축적부(D3)가 광전 변환부(D1)로부터 전자를 받는 타이밍은, 다른 그룹의 전하 축적부(D3)가 광전 변환부(D1)로부터 전자를 받는 타이밍과 상이하다.

발광원의 소등 기간에 광전 변환부(D1)에서 생성된 전자는, 전하 축적부(D3)로부터 게이트 전극(14e)에 대응하는 영역을 통해 전하 유지부(D4)에 전송된다. 이 점에 있어, 발광원의 소등 기간에는 변조 신호는 불필요하지만, 발광원의 점등 기간과 같은 타이밍에서 감도 제어 전극(17a 내지 17h)에 인가하는 전압을 제어하 여 광전 변환부(D1)에서의 환경광의 수광량에 상응하는 양의 전자를 생성한다. 따라서, 하나의 셀(1)에 대한 두 그룹에 있어, 환경광에 상응하는 전자가 전하 축적부(D3)에 전송된다. 이것은 그룹 중 한쪽의 전하 축적부(D3)로부터 전하 유지부(D4)로 전자를 전송하기에 충분하다. 다르게는, 두 그룹 모두의 양쪽 전하 축적부(D3)로부터 전자를 전송할 수도 있다. 환경광의 광량에 상응하는 양의 전자가 전송된 후, 접속선(22)을 통하여 유지 전극(14d)에 접속된 장벽 제어 전극(14c)에 전압이 인가되어, 각각의 우물(12)에는 환경광의 수광량에 따라 전위 장벽(B1)이 형성된다.

다음에, 발광원의 점등 기간에, 광전 변환부(D1)에 의해 그룹마다 전자를 수집한다. 그 결과, 위상 구간(P0, P2)에 수집된 전자를 각각 감도 제어 전극(17c, 17f)에 대응하는 영역에 유지한다. 그 후, 광전 변환부(D1)로부터 전하 축적부(D3)로 전자를 이동시킨다. 이후에 수행되는 동작은 제2 실시예의 동작과 같다. 즉, 전하 축적부(D3)로부터 전하 분리부(D2)로 전자를 이동시켜, 전하 분리부(D2)의 용량에 따라 결정된 양의 불필요한 전하를 폐기하고, 유효 전하를 전하 축적부(D3)에 되돌린다. 이 동작에 의해, 전하 축적부(D3)에서는 유효 전하를 취득할 수 있다. 유효 전하의 양은, 광전 변환부(D1)에 의해 발광원의 점등 기간에 수집된 전자로부터 발광원의 소등 기간에서의 수광량에 의해 결정되는 양의 불필요한 전하를 분리함으로써 얻은 전하량에 대응한다.

본 실시예는, 전하 축적부(D3) 내의 유효 전하를 광전 변환부(D1)에 되돌려 주는 구성을 사용한다. 즉, 축적 전극(14b)에 음의 전압을 인가하고, 감도 제어 전극(17c, 17f)에 양의 전압을 인가함으로써, 전하 축적부(D3)로부터 광전 변환부(D1)에 유효 전하인 전자를 전송한다. 광전 변환부(D1)에 전송된 전자는, 감도 제어 전극(17a 내지 17h)을 수직 전송용 전극으로 사용함으로써 수직 방향으로 또 전송되고, 그 후 종래의 CCD 이미지 센서와 마찬가지로 광검출 소자의 외부로 수광 출력으로서 인출된다.

본 실시예의 구성에서는, 광전 변환부(D1)를 제외한 부분을 차광하는 것이 바람직하다. 즉, 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)를 차광함으로써, 불필요한 전하를 분리하는 동작 중에 광 조사에 의해 생성된 전자가 오차 성분(error component)로서 유효 전하에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 전술한 실시예들과 같이, 불필요한 전하를 분리하여 유효 전하를 인출하는 칭량 기간은, 광 조사에 의해 광전 변환부(D1)에서 생성되는 전자를 수집하는 수광 기간에 비해, 충분히 짧으므로, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)를 차광하지 않아도 된다. 이 경우에도, 전하 유지부(D4)는 차광되어야 한다.

본 실시예에서는, 불필요한 전하를 분리하는 동작을 수행하는 동안에 광전 변환부(D1)는 광 조사에 의해 생성된 전자를 수집하지 않기 때문에, 전하 축적부(D3)가 광전 변환부(D1)로서도 사용되는 경우에 비해 오차를 줄일 수 있다. 다른 구성 및 동작은 제2 실시예와 같다.

그런데, 제2 실시예 및 제3 실시예에서는, 전하 유지부(D4)를 가지는 광검출 소자와 발광원을 조합하고, 발광원의 소등 기간에서의 수광량(즉, 환경광의 수광량)에 상응하는 양의 전자를 전하 유지부(D4)에 유지시키는 것을 특징으로 하는 공 간 정보 검출 장치의 경우에 대해 설명하였다. 이 장치에서는, 광검출 소자의 수광 출력과 발광원으로부터 투광되는 광의 관계를 사용함으로써, 발광원으로부터 광이 투광되는 대상 공간에 관한 정보를 얻을 수 있다. 대상 공간에 관한 공간 정보로서는, 예를 들면 물체의 존재 여부, 물체의 반사율, 및 물체까지의 거리 등이 있다. 대상 공간에 대해 필요한 정보에 따라서 수광 출력을 처리하는 회로(도시하지 않음)를 적절하게 설계할 수 있다.

예를 들면, 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 구하는 경우에, 발광원으로부터 투광되는 광의 강도를 미리 결정된 주파수의 변조 신호로 변조한다. 광검출 소자는 변조 신호에 동기한 복수의 타이밍에서 수광량을 검출한다. 이것은, 발광원으로부터 투광된 광이 광검출 소자에 입사하기까지의 비행 시간을, 변조된 광의 위상차로서 검출하는 기술이다. 위상차를 계산하기 위해, 변조 신호의 위상이 상이한 두 구간에서의 수광량의 차이를 사용한다.

제3 실시예에서는, 각각의 위상 구간(P0, P2)에서 유효 전하를 얻기 때문에, 위상 구간들에서의 유효 전하의 차이를 사용하여 거리를 계산할 수 있다. 한편, 제2 실시예에서는, 위상 구간(P0, P2) 중 한 구간에서 얻은 전자를 전하 유지부(D4)에 유지하면, 이 위상 구간에서의 수광량에 상응하는 양의 전자가 불필요한 전하로서 결정되고, 다른 위상 구간에서 얻은 전자로부터 이 불필요한 전하의 양을 감산한다. 즉, 얻어진 유효 전하의 양은 두 위상 구간(P0, P2)의 수광량의 차이에 상당한다. 따라서, 외부 회로를 사용하여 거리를 계산하면, 광검출 소자의 수광 출력에 대한 계산량을 감소시킬 수 있다.

유효 전하의 양이 두 위상 구간(P0, P2)에서의 수광량의 차이와 같은 구성에서는, 두 위상 구간(P0, P2)에서 수집된 전자를 전하 유지부(D4)에 교대로 유지시키면, 두 위상 구간의 수광량 중 어느 것을 유지하느냐에 따라 상이한 방향으로 오차가 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 두 수광 출력의 평균을 구하여, 불필요한 전하를 분리함으로써 발생하는 오차를 상쇄할 수 있다. 그 결과, 수광 출력에 따라 대상 공간의 정보를 정확하게 검출할 수 있다.

본 실시예와 같이, 복수의 광전 변환부가 배열되는 경우에는, 칭량 기간에 분리되는 불필요한 전하의 양을 각각의 광전 변환부에 대해 동일하게 설정할 수 있다. 이 경우에, 불필요한 전하의 양을 제어하기 위한 공통 전기 채널(electric channel)을 구성함으로써, 불필요한 전하의 양을 각각에 광전 변환부(D1)마다 별개로 결정하는 경우에 비해, 제어가 용이하게 된다.

또, 전하 분리부를 각각의 광전 변환부에 대해 형성하고, 신호 처리부가 1회의 칭량 동작에 있어 분리되는 불필요한 전하의 양을 각각의 전하 분리부에 대해 설정하는 경우에, 칭량 동작의 횟수를 모든 전하 분리부에 대해 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 이 광검출 소자에 의하면, 전하 칭량 동작의 타이밍을 일괄하여 제어할 수 있다는 이점이 있다.

(제4 실시예)

제3 실시예에서는, 변조 신호의 위상 범위가 0도 내지 180도에 동기하는 위상 구간 P0에서의 수광량과, 변조 신호의 위상 범위가 180도 내지 360도에 동기하는 위상 구간 P2에서 수광량 각각에 대해, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)를 형성한다. 본 실시예는 이들 위상 구간(P0, P2)에서의 수광량에 대해 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3)를 공용하는 것에 특징이 있다.

즉, 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는 광전 변환부(D1)의 각각의 셀(1)에 대하여 8개의 감도 제어 전극(17a 내지 17h)이 형성되어 있다는 점에서 제3 실시예와 같다. 제3 실시예에서, 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)는 수직 방향에 있어 대칭으로 배열되어 있다. 한편, 본 실시예의 전하 분리부(D2), 전하 축적부(D3) 및 전하 유지부(D4)는 수직 방향에 있어 비대칭으로 배열되어 있다. 광전 변환부(D1)에서, 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)를 형성하는 영역 E3가, 감도 제어 전극(17a 내지 17d)이 배열된 영역 E1의 측방에 배치되어 있다. 후술하는 바와 같이, 광전 변환부(D1)는 또한 전하 축적부(D3)로서도 사용된다. 또, 전하 유지부(D4)를 형성하는 영역 E4는, 감도 제어 전극(17e 내지 17h)이 배열된 영역 E2의 측방에 배치되어 있다.

전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)를 형성하는 영역 E3에는, 광전 변환부(D1)의 감도 제어 전극(17a)에 인접하는 수취 전극(acceptance electrode)(14f)가 형성된다. 수취 전극(14f) 아래에 형성되는 전위 우물을 감도 제어 전극(17a) 아래에 형성되는 전위 우물보다 깊게 하면, 감도 제어 전극(17a) 아래에 형성되는 전위 우물에 수집된 전하를 광전 변환부(D1)로부터 받을 수 있다.

영역 E3에는, 분리 전극(14a), 장벽 제어 전극(14c), 및 축적 전극(14b)이 감도 제어 전극(17b, 17c, 17d)의 일측에 배열되어 있다. 첨부된 도면에서는, 장벽 제어 전극(14c)만이 크기가 작은 것으로 나타나 있다. 하지만, 본 실시예는 이 치수 관계로 한정되는 것은 아니다.

한편, 전하 유지부(D4)를 형성하는 영역 E4에는, 광전 변환부(D1)의 감도 제어 전극(17e 내지 17g)에 인접하여 게이트 전극(14e)이 형성된다. 게이트 전극(14e) 아래에 형성되는 전위 우물이, 감도 제어 전극(17f) 아래에 형성되는 전위 우물보다 깊으면, 감도 제어 전극(17f) 아래에 형성되는 전위 우물에 수집된 전하를 광전 변환부(D1)로부터 받을 수 있다.

영역 E4에는, 게이트 전극(14e)의 일측에 광전 변환부(D1)가 배치되도록 유지 전극(14d)이 형성되고, 게이트 전극(14e)의 다른 측에 유지 전극(14d)가 배치된다. 따라서, 제2 실시예 및 제3 실시예와 같이, 유지 전극(14d) 아래에 전위 우물을 형성하고, 게이트 전극(14e) 아래의 전위를 적당히 조절하면, 감도 제어 전극(17f) 아래의 전위 우물에 수집된 전하를 유지 전극(14d) 아래의 전위 우물에 유입시킬 수 있다.

유지 전극(14d) 아래의 전위 우물, 즉 전하 유지부(D4)로 전하를 이동시킨 후에, 장벽 제어 전극(14c)의 전위는 전하 유지부(D4)에 유지되는 전하의 양에 의해 결정된다. 즉, 장벽 제어 전극(14c) 아래에 형성되는 전위 장벽의 높이가 결정된다. 소자 형성층(11)(도 1)에는 우물(12)에 인접하여 드레인(오버플로우 드레인)(23)이 형성된다.

도 14를 참조하여, 본 실시예의 동작을 설명한다. 제3 실시예에서와 같이, 발광원의 소등 기간을 설정한다. 본 실시예의 광검출 소자를 사용하는 경우에, 먼저, 소등 기간에 있어(S1), 광전 변환부(D1) 중 감도 제어 전극(17e 내지 17h)에 양의 전압을 인가하고, 감도 제어 전극(17a 내지 17d)은 기준 전위로 유지한다. 다르게는, 이들 감도 제어 전극(17a 내지 17d)에 음의 전압을 인가할 수도 있다. 이하, 기준 전위 상태는 음의 전압을 인가하는 상태와 치환할 수 있다. 또, 영역(E3, E4)에 형성된 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 유지 전극(14d), 게이트 전극(14e), 및 수취 전극(14f)도 또한 기준 전위로 유지된다.

전술한 절차에 의해, 광전 변환부(D1)의 감도 제어 전극(17e 내지 17h)에 대응하는 영역 E2에는, 환경광의 수광량에 상당하는 전자가 수집된다(S2). 그 후에, 감도 제어 전극(17f)에만 양의 전압을 인가하고, 다른 감도 제어 전극(17a 내지 7e, 17g, 17h)은 기준 전위로 유지한다. 이 동작에 의해, 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물에 환경광의 수광량에 상당하는 전자가 수집된다.

다음에, 게이트 전극(14e)에 양의 전압을 인가하여, 게이트 전극(14e) 아래에 채널을 형성한다. 이로써, 감도 제어 전극(17f) 아래의 전위 우물로부터 유지 전극(14d) 아래의 전하 유지부(D4)에 전자를 전송할 수 있다(S3). 전하 유지부(D4)에 전자가 전송되면, 유지 전극(14d)의 전위는 환경광의 수광량에 상응하는 전위가 되고, 장벽 제어 전극(14c)의 전위도 동일한 전위가 된다. 즉, 장벽 제어 전극(14c) 아래에 형성되는 전위 장벽의 높이가 결정된다.

다음에, 발광원으로부터 광을 투광하는 점등 기간을 개시한다(S4). 점등 기간에는, 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광을 투광하므로, 위상 구간(P0, P2)의 수광량에 상응하는 수광 출력을 개별적으로 인출하기 위해 이하의 동작들을 수행한다. 이 설명에서, 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자를 영역 E1에서 수집하 고, 위상 구간 P2의 수광량에 상응하는 전자를 영역 E2로에서 수집한다.

먼저, 영역 E1의 감도 제어 전극(17a 내지 17d)과 영역 E2의 감도 제어 전극(17f)에 양의 전압을 인가하고, 영역 E2의 나머지 감도 제어 전극(17e, 17g, 17h)을 기준 전위로 유지하는 동작(S5)과, 영역 E1의 감도 제어 전극(17b)과 영역 E2의 감도 제어 전극(17e 내지 17h)에 양의 전압을 인가하고, 영역 E1의 나머지의 감도 제어 전극(17a, 17c, 17d)을 기준 전위로 유지하는 동작(S6)을, 변조 신호에 동기하는 주기로 1회 또는 복수회 수행한다. 이로써, 감도 제어 전극(17b)에 대응하는 전위 우물에는 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자가 수집되고, 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물에는 위상 구간 P2의 수광량에 상응하는 전자가 수집된다.

다음에, 각각의 위상 구간(P0, P2)의 수광량에 상응하는 전자로부터 불필요한 전하를 분리하고, 유효 전하를 인출하는 동작을 수행한다. 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자는 감도 제어 전극(17b)에 대응하는 전위 우물에 수집되어 있으므로, 감도 제어 전극(17a)에 양의 전압을 인가하고 감도 제어 전극(17b)을 기준 전위로 유지함으로써, 감도 제어 전극(17a)에 대응하는 전위 우물에 전자를 전송한다. 또한, 수취 전극(14f)에 양의 전압을 인가하고 감도 제어 전극(17a)을 기준 전위로 유지함으로써, 수취 전극(14f) 아래의 전위 우물에 전자를 전송한다. 즉, 영역 E1에서 수집된 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자를 영역 E3에 전송한다(S7).

영역 E3에 전송된 전자는, 수취 전극(14f)에 대응하는 전위 우물로부터 분리 전극(14a)에 대응하는 영역에 형성된 전하 분리부(D2)로 유입된다. 여기서, 전하 분리부(D2)와 전하 축적부(D3) 사이의 전위 장벽의 높이는 이미 결정되어 있기 때문에, 일정량의 불필요한 전하가 전하 분리부(D2)에 남고, 나머지 전자가 전하 축적부(D3)에 유입된다. 전하 분리부(D2) 내의 불필요한 전하는 드레인(23)을 통해 폐기된다. 따라서, 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자로부터 불필요한 전하의 양이 제거되고, 유효 전하가 인출된다(S8).

전술한 바와 같이, 이렇게 얻은 유효 전하는, 축적 전극(14b)에 인접하는 감도 제어 전극(17d) 아래에 형성되는 전위 우물에 전송된다. 즉, 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자로부터 환경광의 수광량에 상응하는 불필요한 전하를 분리하여 얻은 유효 전하가 영역 E3로부터 영역 E1에 전송된다(S9).

마찬가지로, 영역 E2에 수집된 전자에 대해서도 불필요한 전하를 분리할 필요가 있다. 영역 E2에는, 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물에 위상 구간 P2의 수광량에 상응하는 전자가 수집된다. 이 전자를 영역 E3에 전송하기 위해, 전자는 먼저 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물로부터 감도 제어 전극(17a)에 대응하는 전위 우물에 전송된다. 이때 전송되는 전자가 위상 구간 P0의 수광량으로부터 얻은 유효 전하와 혼합되는 것을 방지하기 위해, 단계 S9에서 영역 E1에 전송된 전하도 수직 방향으로 전송된다. 즉, 감도 제어 전극(17d) 아래의 전위 우물로부터 인접하는 셀(1)의 감도 제어 전극(17g) 아래의 전위 우물에 전자(즉, 위상 구간 P0의 유효 전하)를 전송하고, 한편 감도 제어 전극(17f) 아래의 전위 우물로부터 감도 제어 전극(17a) 아래의 전위 우물에 전자(위상 구간 P2의 전 자)를 전송한다(S 10).

위상 구간 P2의 수광량에 상응하는 전자를 감도 제어 전극(17a) 아래의 전위 우물에 전송한 후, 영역 E1로부터 영역 E3에 전자를 또 전송한다. 이 전송된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하고 유효 전하를 전하 축적부(D3)에 축적한다(S11 내지 S13). 즉, 단계 S7 내지 S9와 동일한 동작을 수행함으로써, 위상 구간 P2의 유효 전하를 인출할 수 있다. 취득된 유효 전하는 감도 제어 전극(17d) 아래의 전위 우물에 전송된다. 따라서, 영역 E3으로부터 영역 E1에 유효 전하가 되돌려진다(S14).

전술한 절차에 따라, 각각의 위상 구간(P0, P2)의 유효 전하가 취득되며, 취득된 유효 전하는 수직 방향으로 전송되어 감도 제어 전극(17b, 17f)에 대응하는 영역에 일단 되돌려진다(S15). 이 동작을 점등 기간에 있어 규정된 횟수만큼 반복한(S16) 후, 감도 제어 전극(17b, 17f)에 대응하는 전위 우물에 남은 전자를 수광 출력으로서 최종적으로 인출한다(S17).

본 실시예에서, 분리 전극(14a)과 드레인(23) 사이에는 폐기 전극(14g)이 형성되어 있고, 유지 전극(14d)과 드레인(23) 사이에는 폐기 전극(14h)이 형성되어 있다. 영역 E1로부터 영역 E3에 전하를 전송할 때마다 폐기 전극(14g)에 인가하는 전압을 제어함으로써 불필요한 전하를 폐기할 수 있다. 또, 영역 E2로부터 영역 E4에 전하를 전송할 때마다 폐기 전극(14h)에 인가하는 전압을 제어함으로써 전하 유지부(D4)에 유지되어 있는 환경광의 수광량에 상응하는 전자를 폐기할 수 있다. 다른 구성 및 동작은 전술한 실시예들과 같다.

(제5 실시예)

도 15에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는, 불필요한 전하를 분리할 수 있는 영역 E3과 광전 변환부(D1)가 형성된 영역(E1, E2)이 수직 방향으로 배열되는 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 하나의 셀(1)에 대하여 6개의 감도 제어 전극(17a 내지 17f)이 형성되어 있다. 3개의 감도 제어 전극(17a 내지 17c)와 3개의 감도 제어 전극(17d 내지 17f)에 의해, 위상 구간(P0, P2)에 있어 수광량에 상응하는 전하를 수집하는 영역(E1, E2)이 제공된다. 또, 수직 방향에 있어 인접하는 셀(1) 사이에 불필요한 전하를 분리하는 영역 E3이 형성되어 있다. 영역 E3의 일측(즉, 수평 방향으로 영역 E3에 이격된 위치)에 환경광의 수광량에 상응하는 전하를 유지하는 영역 E4가 형성되어 있다.

즉, 셀(1)의 감도 제어 전극(17f)에 인접한 영역에 수취 전극(14f)가 배치되어 있다. 수직 방향으로 수취 전극(14f)에 인접하여 분리 전극(14a), 장벽 제어 전극(14c) 및 축적 전극(14b)이 차례로 배치되어 있다. 즉, 수취 전극(14f)은 감도 제어 전극(17f)과 분리 전극(14a) 사이에 배치되어 있고, 축적 전극(14b)은 장벽 제어 전극(14c)과 인접하는 다른 셀(1)의 감도 제어 전극(17a) 사이에 배치되어 있다.

또, 영역 E3의 수취 전극(14f), 분리 전극(14a) 및 장벽 제어 전극(14c)이 게이트 전극(14e)의 일측에 배치되도록, 게이트 전극(14e)이 형성되어 있다. 또, 게이트 전극(14e)의 다른 쪽에 유지 전극(14d)이 배치되어 있다. 여기서, 장벽 제 어 전극(14c)은 접속선(22)를 통하여 유지 전극(14d)에 전기적으로 접속되어 있다. 영역(E1, E2, E3, E4)의 주위를 따라 연장되도록 드레인(23)이 형성되어 있다. 또, 유지 전극(14d)에 대응하는 전하 유지부(D4)와 드레인(23) 사이에 폐기 전극(14g)이 배치되어 있다. 전술한 각각의 전극은 p형의 소자 형성층(11) 상에 형성된 n형의 우물(12)의 표면에 배치되어 있다.

본 실시예의 동작은 기본적으로는 제4 실시예의 동작과 동일하다. 즉, 소등 기간 동안에 광전 변환부(D1)의 영역 E2에 대응하는 감도 제어 전극(17d 내지 17f)에 양의 전압을 인가하고, 영역 E1의 감도 제어 전극(17a 내지 17c)은 기준 전위로 유지된다. 또, 분리 전극(14a), 축적 전극(14b), 장벽 제어 전극(14c), 유지 극(14d), 게이트 전극(14e) 및 수취 전극(14f)은 기준 전위로 유지된다. 따라서, 광전 변환부(D1)의 영역 E2에는 환경광의 수광량에 상당하는 전자가 수집된다. 그 후, 영역(E1, E2)의 감도 제어 전극(17a 내지 17f) 중 하나(즉, 감도 제어 전극(17f))에만 양의 전압을 인가하여, 수집된 전자를 감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물에 수집한다.

감도 제어 전극(17f)에 대응하는 전위 우물에 수집된 전자는, 수취 전극(14f) 및 게이트 전극(14e)을 통하여 유지 전극(14d) 아래의 전하 유지부(D4)에 전송된다. 이 단계에서, 장벽 제어 전극(14c) 아래에 형성되는 전위 장벽의 높이는 환경광에 따라 설정된다.

다음에, 발광원으로부터 광을 투광하는 점등 기간이 개시된다. 변조 신호에 동기한 위상 구간(PO, P2)에 연관되도록, 감도 제어 전극(17a 내지 17c, 17e)에 양 의 전압을 인가하고 감도 제어 전극(17d, 17f)을 기준 전위로 유지하는 동작과, 감도 제어 전극(17b, 17d 내지 17f)에 양의 전압을 인가하고 감도 제어 전극(17a, 17b)을 기준 전위로 유지하는 동작 중 적어도 한 세트를, 변조 신호에 동기하는 주기에 수행한다. 이 동작에 의해, 위상 구간 P0의 수광량에 상응하는 전자가 감도 제어 전극(17b) 아래의 전위 우물에 수집되고, 위상 구간 P2의 수광량에 상응하는 전자가 감도 제어 전극(17e) 아래의 전위 우물에 수집된다.

여기서, 감도 제어 전극(17e) 아래의 전위 우물에 수집된 전자를 수직 방향으로 전송하고, 또한 분리 전극(14a) 아래의 전하 분리부(D2)로서 형성된 전위 우물에 전송하면, 장벽 제어 전극(14c) 아래의 전위 장벽의 높이로써 불필요한 전하가 분리되고, 유효 전하만이 축적 전극(14b) 아래의 전하 축적부(D3)에 축적된다. 즉, 위상 구간 P2에 상응하는 유효 전하가 전하 축적부(D3)에 축적된다. 한편, 전하 분리부(D2)에 남은 불필요한 전하는 미리 결정된 경로(도시하지 않음)에 의해 드레인(23)을 통해 폐기된다.

도 15에서는, 분리 전극(14a)의 상류 측으로부터 하류 측으로 드레인(23)을 연속하여 형성하고 있다. 여기서, 전자는 도 15의 위쪽에서 아래쪽으로 전송되는 것으로 한다. 다르게는, 분리 전극(14a)의 상류측에 형성된 드레인(23)은 하류측에 형성된 드레인(23)으로 분리될 수 있다. 이 경우에는, 상류측의 드레인(23)에 인접하는 감도 제어 전극(17a 내지 17f) 중 하나의 감도 제어 전극(예컨대, 감도 제어 전극(17e)) 아래의 영역에 불필요한 전하를 전송한다. 그 후, 드레인(23)에 전자를 끌어들이기 위한 전압(예컨대, +15V)을 인가하고, 전송된 불필요한 전하가 있는 영역에 대응하는 감도 제어 전극(17e)에 전자를 밀어내기 위한 전압(예컨대, -5V)을 인가한다. 또한, 불필요한 전하를 전송받은 감도 제어 전극(17e)에 인접하는 감도 제어 전극(17c, 17d, 17f, 17g)에도 전자를 밀어내기 위한 전압을 인가한다. 이 동작들에 의해, 불필요한 전하는 감도 제어 전극(17c, 17d, 17f, 17g)으로 유입되지 않고 드레인(23)을 통해 흘러 폐기될 수 있다.

다음에, 감도 제어 전극(17b) 아래에 형성된 전위 우물에 수집되어 있는 위상 구간 P0의 수광량에 대응한 전자를 수직 방향으로 전송하고, 또한 분리 전극(14a) 아래의 전하 분리부(D2)로서 형성된 우물에도 전송한다. 이때, 축적 전극(14b) 아래의 전하 축적부(D3)에 축적되어 있는 위상 구간 P2의 유효 전하를 수직 방향으로 전송하여, 수직 방향으로 인접하는 셀(1)의 감도 제어 전극(17b) 아래에 형성되는 전위 우물에 일시적으로 유지한다.

전술한 바와 같이, 위상 구간 P0의 수광량에 대응한 전자를 전하 분리부(D2)에 전송하면, 불필요한 전하는 분리되고, 전하 축적부(D3)에는 위상 구간 P0의 유효 전하가 축적된다.

전하 축적부(D3)에 축적된 위상 구간 P0의 유효 전하 및 감도 제어 전극(17b) 아래에 형성된 전위 우물에 축적된 위상 구간 P2의 유효 전하는, 수직 방향에 있어 도 15의 위쪽으로 전송된다. 축적 전극(14b)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 전하 축적부(D3)에 축적된 유효 전하는 장벽 제어 전극(14c) 아래에 형성된 전위 장벽을 넘을 수 있다. 따라서, 유효 전하를 역방향으로 전송함으로써, 감도 제어 전극(14b, 14e) 아래의 전위 우물에 위상 구간(P0, P2)의 유효 전하를 각 각 축적할 수 있다.

점등 기간에 있어 전술한 동작을 미리 결정된 횟수 반복한 후에, 유효 전하는 수광 출력으로서 인출된다. 본 실시예에서는, 제4 실시예에 비해 동작의 수가 작아진다는 이점이 있다. 다른 구성 및 동작은 제1 실시예와 같다. 제2 실시예 내지 제5 실시예에서는 각각, 유지 우물(15)에 상에 절연층(13)을 사이에 두고 유지 전극(14d)을 배치하고 있다. 다르게는, 절연층(13)을 사이에 두지 않고 유지 전극(14d)을 오믹 접속(ohmic-connected)할 수도 있다.

(제6 실시예)

본 실시예는, 같은 폭을 가지는 복수의 전극을 배열하고, 이 같은 폭의 전극들을 적절히 조합하여 사용함으로써, 상이한 폭을 가지는 복수의 전극을 사용한 경우와 실질적으로 동등한 동작을 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또, 본 실시예에서는, 제3 실시예와 같이, 발광원으로부터 투광된 광의 강도를 정현파의 변조 신호에 의해 변조한다. 광전 변환부(D1)는 또한 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3)로서도 사용된다. 또, 전하 유지부(D4)는 형성되어 있지 않다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 하나 셀(1)은, 소자 형성층(11)의 주표면의 우물(12)에 절연층(13)을 사이에 두고 등간격으로 배치된, 동일한 폭의 복수의 제어 전극(18a 내지 18l)을 가진다. 즉, 하나의 셀(1)은 12개의 제어 전극(18a 내지 18l)으로 구성된다. 하나의 셀(1)에는, 제어 전극(18a 내지 18l)에 인가되는 전압을 개별적으로 제어할 수 있도록 배선이 형성되어 있다.

광전 변환부(D1)의 동작은, 다음의 점들을 제외하고는 제3 실시예의 감도 제 어 전극(17a 내지 17h)을 사용한 동작과 실질적으로 동일하다. 본 실시예에서는, 제어 전극(18a-18i)을 사용하여 위상 구간 P0에서의 수광량에 상응하는 전자를 수집하고, 제어 전극(18d-18l)을 사용하여 위상 구간 P2에서의 수광량에 상응하는 전자를 수집한다. 이 동작들을 도 17 (A) 내지 (H)를 참조하여 설명한다. 도 17 (A) 내지(H)에서는, 제어 전극(18a-18l)을 (a) 내지 (l)로 나타낸다.

수광 기간에 있어 광전 변환부(D1)가 동작하는 동안에는, 도 17 (A)에 나타낸 바와 같이, 위상 구간 P0에 대해서는 제어 전극(18a-18i)에 양의 전압을 인가하여, 9개의 제어 전극(18a-18i)에 대응하는 영역에 의해 전자를 수집한다. 또, 위상 구간 P2에 대해서는 도 17 (B)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18d-18l)에 양의 전압을 인가하여, 9개의 제어 전극(18d-18l)에 대응하는 영역에 의해 전자를 수집한다. 각각의 위상 구간(P0, P2)에 대해 수집된 전자는, 전자를 수집하는 영역 이외의 영역에서 유지된다. 즉, 제어 전극(18a-18i)에 대응하는 영역에 의해 전자를 수집하는 위상 구간 P0에서는, 위상 구간 P2에 대해 수집된 전자를 제어 전극(18k)에 대응하는 영역에 유지한다. 마찬가지로, 제어 전극(18d-18l)에 대응하는 영역에 전자가 수집되어 있는 위상 구간 P2에서는, 위상 구간 P0에 대해 수집된 전자를 제어 전극(18b)에 대응하는 영역에 유지한다. 위상 구간(P0, P2)에 대한 동작을 복수회 반복함으로써, 우물(12) 내의 제어 전극(18k, 18b)에 대응하는 영역에 수광량에 상응하는 양의 전자를 유지한다.

수광 기간이 종료되어, 위상 구간 P0에서의 수광량에 상응하는 양의 전자가 제어 전극(18b)에 대응하는 영역에 수집되거나, 위상 구간 P2에서의 수광량에 상응 하는 양의 전자가 제어 전극(18k)에 대응하는 영역에 수집되면, 칭량 기간이 개시되어 불필요한 전하를 분리하여 유효 전하를 얻는 동작이 수행된다.

예를 들면, 제어 전극(18b)에 대응하는 영역에 유지되어 있는 전자로부터 불필요한 전하를 분리하는 경우에는, 위상 구간 P0에 있어 수집된 전자를 제어 전 극(18b)에 대응하는 영역에 형성된 전위 우물에 유지한 상태에서 제어 전극(18a)에 음의 전압을 인가하여 전위 장벽을 형성한다. 또, 제어 전극(18d, 18e)에 대응하는 영역을 전하 축적부로서 이용하기 위해, 위상 구간 P2에 있어 수집된 전자를, 후술하는 바와 같이 전송한다. 즉, 도 17 (C)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18c, 18d)에 대응하는 전위 장벽을 형성한다. 이어서, 도 17 (D)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18c 내지 18e)에 대응하는 전위 장벽을 형성한다. 또한 도 17 (E)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18f 내지 18h)에 대응하는 전위 장벽을 형성한다. 따라서, 위상 구간 P2에 있어 수집된 전자를 전송할 수 있다.

또, 도 17 (E)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18d, 18e)에 양의 전압을 인가하여 전하 축적부(D3)로서 사용되는 전위 우물을 형성하는 동시에, 제어 전극(18c)에 인가하는 전압을 제어함으로써 미리 결정된 높이의 전위 장벽 B3을 형성한다. 이 동작에 의해, 제어 전극(18b)에 대응하는 전위 우물에는 불필요한 전하가 남고, 전위 장벽 B3을 넘어 제어 전극(18d, 18e)에 대응하는 전위 우물에 유입하는 전자는 유효 전하로서 이용된다.

다음에, 도 17 (F)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18c)에 대응하는 전위 장벽의 높이를 증가시켜, 위상 구간 P0에 상응하는 유효 전하의 누출을 방지한다. 동시에, 위상 기간 P2에 있어 수집된 전자를, 제어 전극(18k)에 대응하는 전위 우물에 수집한다. 이 상태에서는, 제어 전극(18g 내지 18i)에 대응하는 영역에 전하 축적부(D3)로서 전위 우물이 형성되고, 제어 전극(18j)에 대응하는 영역에 전위 장벽 B4가 형성된다.

제어 전극(18k)에 대응하는 전위 우물에 유지되어 있는 전하(전자)로부터 불필요한 전하를 분리하기 위해, 도 17 (G)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18j)에 인가되는 전압을 제어함으로써 전위 장벽 B4를 인하한다. 전위 장벽 B4의 높이에 의해 위상 구간 P2에 수집된 전자 중 불필요한 전하의 양이 결정된다. 즉, 제어 전극(18k)에 대응하는 영역이 전하 분리부(D2)로서 기능한다.

불필요한 전하를 분리한 후에는, 도 17 (H)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(18j)에 대응하는 전위 장벽을 높여서, 위상 구간 P2에 대해 제어 전극(18g-18i)에 대응하는 전위 우물에 수집된 유효 전하의 누출을 방지한다. 한편, 제어 전극(18b, 18k)에 대응하는 영역에 잔류하는 불필요한 전하는 폐기된다.

전술한 동작에 의해, 위상 구간(P0, P2)에서의 광 조사에 의해 생성된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하고, 유효 전하를 인출한다. 본 실시예에서는, 제어 전극(18a-18l)이 일렬로 배열되어 있기 때문에, CCD 이미지 센서의 수직 전송 레지스터의 경우와 같이, 제어 전극(18a-18l)에 적당한 타이밍에서 전압을 인가함으로써 유효 전하인 전자를 제어 전극(18a-18l)의 배열 방향으로 전송할 수 있다. 이 전자를 광검출 소자의 외부로 인출함으로써 수광 출력을 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예의 구성에서는, 광전 변환부(D1)가 또는 전하 분리부(D2) 및 전하 축적부(D3), 및 전하 인출부로서도 사용된다. 또, 두 위상 구간(P0, P2)에 있어 생성된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하는 동작은 동시에 수행할 수 있으므로, 불필요한 전하를 분리하는데 필요한 처리 시간을 단축할 수 있다.

전술한 구성에서는, 제1 실시예와 동일한 동작을 수행하는 경우에 대해 설명하였다. 다르게는, 제어 전극(18b, 18k)에 인가되는 전압을 별도로 형성된 전하 유지부(D4)에 유지되는 전자의 양에 따라 제어할 수도 있다.

이 경우에, 제2 실시예와 제3 실시예에서 설명한 바와 같이, 불필요한 전하의 양을 자동으로 조절하는 것이 가능하게 된다. 다른 구성 및 동작은 전술한 실시예들과 동일하다.

또, 광전 변환부에 의해 전하를 생성하는 동작과, 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하고, 유효 전하를 전하 축적부에 축적하는 동작을 복수회 반복한 후, 전하 축적부에 축적된 전하를 전하 인출부에 의해 수광 출력으로서 인출하는 것이 바람직하다. 이 경우는, 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 반복적으로 분리함으로써, 광전 변환부에서의 포화의 가능성을 감소시킬 수 있고, 광전 변환부의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 또, 광전 변환부가 소형화되면, 전하 인출부의 용량도 줄일 수 있다. 그 결과, 광검출 소자를 전체로서 소형화할 수 있다.

(제7 실시예)

본 실시예는, 같은 폭의 복수의 제어 전극이 배열되어 있는 점에서는 제6 실시예와 같다. 하지만, 도 18에 나타낸 바와 같이, 본 실시예는, 하나의 셀(1)이 9개의 제어 전극(19a 내지 19i)을 가지는 것에 특징이 있다. 제6 실시예에서 설명한 바와 같이, 6개의 제어 전극을 사용하여 변조 신호의 하나의 위상 구간에 상응하는 전자를 축적하고, 불필요한 전하를 분리한다. 따라서, 9개의 제어 전극(19a 내지 19i)를 사용하여, 변조 신호의 두 위상 구간에 상응하는 전자를 수집하는 동작과 불필요한 전하를 분리하는 동작은 상이한 영역에서 개별로 수행할 수 없다. 즉, 9개의 전극 중 일부는 두 위상 구간에 있어 중복하여 사용된다. 또한, 제6 실시예에서는, 두 위상 구간에 있어 수집된 전자로부터 각각 불필요한 전하를 분리하는 동작을 동시 수행할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는, 제어 전극 중 일부가 중복하여 사용되므로, 두 위상 구간 중 하나의 구간에 있어 수집된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하는 동작은, 다른 위상 구간에 수십된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하는 동작과 상이한 시간에 수행된다.

구체적으로는, 도 19 (A) 내지 (O)에 나타낸 동작을 수행한다. 광전 변환부(D1)가 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 생성되는 전자를 수집하도록 기능하는 경우에는, 도 19 (A)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19g, 19i) 각각에 음의 전압을 인가하는 기간과, 도 19 (B)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19a, 19c)에 음의 전압을 인가하는 기간을 교대로 설정한다. 이 두 기간은 변조 신호에 동기시켜 설정된다. 예를 들면, 도 19 (A) 상태는 위상 구간 P0에 대응하고, 도 19 (B) 상태는 위상 구간 P2에 대응한다. 도 19 (A) 내지 (O)에서, 제어 전극(19a 내지 19i)은 (a) 내지 (i)로 나타낸다.

도 19 (A)의 상태에서는, 위상 구간 P0에 대해 제어 전압(19a 내지 19f)에 대응하는 영역이 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 도 19 (B)의 상태에서는, 위상 구간 P2에 대해 제어 전극(19d 내지 19i)에 대응하는 영역이 광전 변환부(D1)로서 기능한다. 또, 위상 구간 P0에 수집된 전자는 위상 구간 P2에 있어 제어 전극(19b)에 대응하는 영역에 유지된다. 한편, 위상 구간 P2에 수집된 전자는 위상 구간 P0에 있어 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 유지된다.

충분히 긴 시간 동안 도 19 (A) 및 (B)의 상태를 교대로 반복한 후, 제어 전극(19b, 19h)에 대응하는 영역에 유지되어 있는 전자로부터 불필요한 전하를 분리하여 유효 전하를 얻는 동작을 수행한다. 제어 전극(19b)에 대응하는 영역은 유효 전하를 위해 사용된 영역이므로, 전하 축적부(D3)로서도 기능한다. 전술한 바와 같이, 제어 전극의 일부는 변조 신호의 두 위상 구간에 의해 공용된다. 불필요한 전하를 분리하는 기간에 있어, 제어 전극(19c)에 대응하는 영역에는 두 구간에 수집된 전자의 혼합을 방지하는 전위 장벽(B5)이 항상 형성된다. 즉, 제어 전극(19c)에는 음의 전압이 항상 인가된다.

도 19 (A) 내지 (O)에서는, 위상 구간 P2에 수집된 전자로부터 불필요한 전하를 분리한 다음, 위상 구간 P0에 수집된 전자로부터 불필요한 전하를 분리한다. 따라서, 위상 구간 P2에 수집된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하는 동안에는, 위상 구간 P0에 수집된 전자를 제어 전극(19b)에 대응하는 영역에 유지시킨다.

광전 변환부(D1)가 광 조사에 의해 생성된 전자를 수집한 후, 도 19 (C)에 나타낸 바와 같이, 위상 구간 P0에 수집된 전자를 제어 전극(19b)에 대응하는 영역에 형성된 전위 우물에 유지시킨다. 또, 제어 전극(19a)에 음의 전압을 인가하여 전위 장벽을 형성한다. 이 상태는 위상 구간 P2에 수집된 전자로부터 불필요한 전하를 분리하기까지(즉, 도 19 (C)에서 (I)까지) 유지된다. 한편, 도 19 (C)의 상태에서는, 위상 구간 P2에 수집된 전자를 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 형성된 전위 우물에 유지시킨다. 즉, 위상 구간 P2에 제어 전극(19d 내지 19i)에 대응하는 영역에 유지된 전자, 또는 위상 구간 P0에 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 유지된 전자를 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 수집한다.

도 19 (D)에 나타낸 바와 같이, 이 동작은 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자가 없는(빈, empty) 전위 우물을 형성하기 위해 사전에 실행되는 동작이다. 즉, 광 조사에 의해 생성된 전자의 수집이 종료한 단계에서는, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에는 위상 구간 P2에 수집된 전자가 존재한다. 따라서, 도 19 (C)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19g 내지 19i)에 음의 전압을 인가한 후, 도 19 (D)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자가 없는 전위 우물을 형성한다.

다음에, 도 19 (E) 및 (F)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 유지된 전자를 제어 전극(19h)에 대응하는 영역으로 이동시킨다. 먼저, 제어 전극(19f 내지 19h)에 대응하는 영역에 전위 우물을 형성하고, 제어 전극(19c 내지 19e)에 대응하는 영역에 전위 장벽을 형성한다. 이어서, 제어 전극(19f)에 대응하는 영역에 전위 장벽을 형성하고, 또한 제어 전극(19g)에 대응하는 영역에 전위 장벽을 형성한다. 따라서, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자를 수집할 수 있다. 이 단계에서, 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 빈 전위 우물을 형성한다. 도 19 (E)의 상태와 도 19 (F)의 상태 사이에는 복수의 상태가 존재하지만, 첨부된 도면에는 나타내지 않았다. 한편, 전위에 관하여, 도 19 (F)의 상태와 도 19 (D)의 상태는 같다. 하지만, 도 19 (D)의 상태에서는 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 전자가 존재하고, 도 19 (F)의 상태에서는 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자가 존재한다.

전술한 절차들에 의해, 위상 구간 P2에 수집된 전자가 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 수집된다. 다음에, 도 19 (G)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19g)에 대응하는 전위 장벽(B6)을 인하한다. 이 전위 장벽(B6)은, 제1 실시예에서 설명한 전위 장벽(B1)과 동일한 기능을 가진다. 전하 분리부(D2)로서 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에는 전위 장벽(B6)의 높이로써 결정된 양의 전자가 남는다. 전하 분리부(D2)의 용량을 초과하는 전자는, 전위 장벽(B6)을 넘어 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역, 즉 전하 축적부(D3)에 유입된다.

전자가 전하 축적부(D3)에 유입된 후, 도 19 (H)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19g)에 음의 전압을 인가함으로써 전위 장벽(B6)의 높이를 높인다. 이로써, 전하 분리부(D2) 내의 불필요한 전하를 전하 축적부(D3) 내의 유효 전하와 완전하게 분리할 수 있다. 도 19 (I)에 나타낸 바와 같이, 전하 분리부(D2)로부터 불필요한 전하를 폐기하여, 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 유효 전하를 잔류시킨다. 이 유효 전하의 양은 위상 구간 P2에서의 수광량에 대응한다.

한편, 제어 전극(19b)에 대응하는 영역에 유지되어 있는 전자의 양은, 위상 구간 P0에서의 수광량에 대응한다. 도 19 (J) 내지 (O)에 나타낸 절차에 의해, 이 전자로부터 불필요한 전하가 분리된다. 이 절차 동안에는, 제어 전극(19d 내지 19f)에 대응하는 영역에 위상 구간 P2의 유효 전하를 유지한 상태가 유지된다. 본 실시예는, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역이, 위상 구간 P2에 수집된 전자에 대한 전하 분리부(D2)의 기능과 위상 구간 P0에 수집된 전자에 대한 전하 분리부(D2)의 기능도 가지는 것에 있다.

즉, 불필요한 전하를 폐기한 후에, 도 19 (J) 및 (K)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19b)에 대응하는 영역에 유지되어 있는 위상 구간 P0의 전자를 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 이동시킨다. 이때, 먼저 제어 전극(19a, 19b, 19h, 19i)에 대응하는 영역의 전위와 동등하게 제어 전극(19a, 19i)에 대응하는 영역의 전위를 인하한다. 그 후, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자를 수집한다. 도 19 (J)와 (K) 사이의 중간 상태는 이 도면에는 나타내지 않았다. 요컨대, 제어 전극(19b)에 대응하는 영역의 전위를 먼저 높인다. 그 후, 제어 전극(19a)에 대응하는 영역의 전위를 높인 다음, 제어 전극(19i)에 대응하는 영역의 전위를 높인다. 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 전자가 수집된 후에, 제어 전극(19a, 19b)에 대응하는 영역의 전위를 인하한다.

전술한 동작에 따르면, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역에 구간 PO의 전자가 유지되고, 제어 전극(19h)에 대응하는 영역이 전하 분리부(D2)로서 기능한다. 다음에, 도 19 (L)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19i)에 대응하는 영역에 전위 장벽(B7)을 형성한다. 이 전위 장벽(B7)을 넘어 제어 전극(19a, 19b)에 대응하는 영역에 유입하는 전자는 유효 전하이다. 즉, 제어 전극(19a, 19b)에 대응하는 영역 이 전하 축적부(D3)로서 기능한다.

그 후, 도 19 (M)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19i)에 대응하는 전위 장벽(B7)을 인상한다. 전하 분리부(D2) 내의 전자를 전하 축적부(D3) 내의 전자와 분리한 상태에서, 도 19 (N)에 나타낸 바와 같이, 전하 분리부(D2) 내의 전자를 불필요한 전하로서 폐기하면, 제어 전극(19d, 19e, 19f)에 대응하는 영역에는 위상 구간 P2에서의 수광량에 상응하는 전자가 유지되고, 제어 전극(19a, 19b)에 대응하는 영역에는 위상 구간 P0에서의 수광량에 상응하는 전자가 유지된다. 도 19 (O)의 상태에 의해 이들 전자를 인출한 후에는, 도 19 (A) 및 (B)에 나타낸 상태를 재현하여 광 조사에 의해 생성된 전자를 수집한다.

따라서, 본 실시예에서는, 복수의 제어 전극이 하나의 유닛으로서 배열되고, 수광 기간에는 상이한 두 가지 타이밍(예컨대, A0, A2)에 전하가 생성된다. 생성된 전하는 하나의 유닛 내의 상이한 제어 전극들에 대응하는 영역에 형성되는 전위 우물에 일시적으로 수집된다. 한편, 칭량 기간에는, 두 가지 타이밍 중 하나의 타이밍에서 생성된 전하에 대하여 형성되는 전하 분리부, 전하 축적부 및 전위 장벽이, 다른 타이밍에 생성된 전하에 대하여 형성된 전하 분리부, 전하 축적부 및 전위 장벽과는 상이한 위치에 제공된다. 이로써, 수광 기간에서의 전하를 수집하는 영역을 증대시킬 수 있다. 또, 칭량 기간에 있어, 두 가지 상이한 타이밍 각각에서 생성된 전하로부터 불필요한 전하가 분리된다. 즉, 두 가지 타이밍 중 하나의 타이밍에서 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하기 위해 사용되는 제어 전극이, 다른 타이밍에서 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하는 위해 사용되는 제어 전극과는 상이하므로, 두 가지 타이밍에서 생성된 전하가 서로 혼합되는 것을 방지하면서 두 가지 타이밍 각각에서 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리할 수 있다.

또한, 칭량 기간에는, 두 가지 타이밍 중 하나의 타이밍에서 생성된 전하를 유지하는 전위 우물을, 두 타이밍에서 수집된 전하에 대한 전하 분리부로서 사용할 수 있다. 도 19 (A) 내지 (O)에서는, 오른쪽 끝에 제어 전극(i)을 나타냈다. 실제로는, 인접하는 셀의 제어 전극(a) 내지 (i)이 배열되어 있다. 따라서, 제어 전극(19h)에 대응하는 전위 우물이 위상 구간 P2에 수집된 전자에 대한 전하 분리부(D2)로서 기능한다. 한편, 인접한 셀에서는, 도 19 (L)에 나타낸 바와 같이, 제어 전극(19h)에 대응하는 전위 우물은 위상 구간 P0에 수집된 전자에 대한 전하 분리부(D2)로서도 사용된다. 이때, 전하 분리부(D2)에 대응하는 제어 전극(19h)의 양측에 인접하는 각각의 제어 전극을 사용하여 각각의 타이밍에 수집된 전하에 대한 전위 장벽이 형성된다.

즉, 위상 구간 P2에 수집된 전자로부터 유효 전하를 분리하는 경우에는, 제어 전극(19g)에 전압을 인가함으로써 형성되는 전위 장벽이 사용된다. 한편, 위상 구간 P0에 수집된 전자로부터 유효 전하를 분리하는 경우에는, 제어 전극(19i)에 전압을 인가하여 형성되는 전위 장벽이 사용된다. 이와 같이, 두 가지 타이밍에서 수집된 전하가 전하 분리부로서 사용되는 영역을 공용하기 때문에, 제6 실시예의 전극 구성에 비해, 제어 전극의 개수를 감소시킬 수 있고, 두 가지 타이밍에서 전하를 생성하는 기능을 유지하면서, 전체로서 제어 전극의 점유 면적을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 광검출부를 소형화할 수 있다. 또, 복수의 셀(1)을 배열하고, 하나의 셀(1)로 하나의 화소를 제공하여 촬상 소자를 구성하는 경우에는, 하나의 화소의 점유 면적이 감소되어, 해상도의 향상이 달성된다. 다른 구성 및 동작은 전술한 실시에들과 동일하다.

(제8 실시예)

본 실시예는, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 생성된 전자로부터 규정된 일정량의 불필요한 전하를 다음의 방법에 따라 폐기하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 20에 나타낸 바와 같이, 소자 형성층(11)의 주표면 측에 형성된 폐기 우물(25)을 광전 변환부(D1)로서 사용되는 우물(12)과는 다른 위치에 배치한다. 또, 소자 형성층(11)의 주표면에, 그리고 우물(12)과 폐기 우물(25) 사이에 절연층(13)을 통하여 폐기 게이트 전극(26)을 형성한다. 또한, 폐기 우물(25)에는 폐기 전극(27)을 오믹 접속한다. 폐기 우물(25)은 우물(12)과 같은 도전형이고, 폐기 우물(25)의 불순물 농도는 우물(12)의 불순물 농도보다 높다.

폐기 우물(25)에 수집된 전자가 폐기 전극(27)을 통해 폐기될 수 있도록, 폐기 전극(27)에는 항상 양의 일정한 전압이 인가되어 있다. 또, 폐기 게이트 전극(26)에 양의 전압을 인가하면, 우물(12)과 폐기 우물(25) 사이에 전자가 이동될 수 있도록 채널이 형성된다. 우물(12) 내의 전자는 이 채널을 통해 폐기 우물(25)로 향해 이동한다. 여기서, 폐기 게이트 전극(26)과 폐기 전극(27)에 인가되는 전압을 일정하게 유지하면, 우물(12)로부터 폐기 우물(25)로의 전자의 이동도는 거의 일정하게 된다.

대상 공간으로부터 광을 수광하여 우물(12)의 광전 변환부(D1)에 전자가 수집된 후에, 폐기 게이트 전극(26)에 미리 결정된 시간 동안 규정된 일정한 전압을 인가하여 우물(12)로부터 폐기 우물(25)에 전자를 이동시킨다. 전술한 바와 같이, 전자의 이동도는 일정하므로, 폐기 게이트 전극(26)에 전압을 인가한 시간에 비례하여 결정된 양의 전자를 폐기 우물(25)에 이동시킬 수 있다. 즉, 우물(12)로부터 폐기 우물(25)에 이동된 전자가 불필요한 전하이고, 우물(12)에 잔류하는 전자가 유효 전하로 사용되면, 이것은 규정된 일정량의 불필요한 전하를 우물(12)에 생성된 전하로부터 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 우물(12)에 잔류된 유효 전하는 수광 출력으로서 인출된다.

본 실시예에 따르면, 폐기 게이트 전극(26)과 폐기 전극(27)에 인가하는 전압과 폐기 게이트 전극(26)에 전압을 인가하는 시간에 의해 불필요한 전하의 양이 결정된다. 한편, 전술한 바와 같이, 폐기 게이트 전극(26)과 폐기 전극(27)에 인가되는 전압은 일정하게 유지되기 때문에, 불필요한 전하의 양은 폐기 게이트 전극(26)에 전압을 인가하는 시간의 함수로 표현된다. 또, 우물(12)에 유효 전하가 잔류하기 때문에, 본 실시예의 우물(12)은 광전 변환부(D1)로서 기능하는 것은 물론, 전하 축적부(D3)로서도 기능한다. 또, 폐기 우물(25), 폐기 게이트 전극(26) 및 폐기 전극(27)은 전하 분리부(D2)로서 기능한다. 다른 구성 및 동작은 전술한 실시예들과 동일하다.

(제9 실시예)

본 실시예는, 불필요한 전하를 분리하는 전하 분리부(D2)에 전자의 이동을 제어하는 전극을 형성하지 않고, 전하 전송부에 형성된 전송 제어 전극(31)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 수광 출력을 인출하기 위한 전하 전송부를 전하 축적부(D3)로서 사용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 전술한 각각의 실시예에서, 전극 배치는 프레임 전송형(frame-transfer type) CCD 이미지 센서의 전극 배치와 동일하다. 본 실시예에서, 전극 배치는 인터라인 전송형(interline-transfer, IT) CCD 이미지 센서의 전극 배치와 동일하다.

도 21에 나타낸 바와 같이, p형의 소자 형성층(11)은 n형의 기판(10) 상에 형성된다. 소자 형성층(11)의 주표면의 p+형의 장벽 우물(33) 일측에는 n+형의 우물(12)이 형성된다. 또, p+형의 장벽 우물(33)의 반대측에는 n형의 전송 우물(32)이 형성된다. 전송 우물(32)은 인터라인 전송형(IT) CCD 이미지 센서와 동일한 구성을 가진다. 전송 우물(32)의 주표면에는 절연층(34)을 사이에 두고 전송 제어 전극(31)이 배치된다. 또, 전송 우물(32)은 차광막(35)에 의해 덮인다. 복수의 전송 제어 전극(31)은, 도 21의 페이지에 대해 직교 방향으로 배열된다. 전자를 전송하기 위해, 종래의 경우와 마찬가지로, 전송 제어 전극(31)들에 전압을 인가하는 순서가 제어된다. 불필요한 전하를 분리하기 위해, 기판(10)에 오믹 접속된 드레인 전극(36)을 전송 제어 전극(31)과 조합하여 사용한다. 우물(12)은 광전 변환부(D1)와 전하 분리부(D2)에 의해 공용된다.

본 실시예에서는, 우물(12)에는 전극이 없으며, 소자 형성층(11)은 우물(12)과는 상이한 도전형을 가진다. 따라서, 도 22 (C)에 나타낸 바와 같이, 도 22(C)와 같이, 우물(12)에 전위 우물이 형성된다. 장벽 우물(33)은 우물(12)과 전송 우 물(32) 사이에 전위 장벽(B8)을 형성한다. 이때, 전송 우물(32)은 전자가 없는 생태인 것으로 한다. 또, 전송 제어 전극(31)에는 전압을 인가하지 않고, 드레인 전극(36)에는 양의 전압(예컨대, 5볼트)을 인가한다.

광전 변환부(D1)에 광 조사에 의해 전자가 생성된 후, 전송 제어 전극(31)에는 비교적 큰 양의 전압(예컨대, 10볼트)을 인가한다. 전송 제어 전극(31)에 인가된 전압이 높을수록 장벽 우물(33)에 형성되어 있는 전위 장벽(B8)의 전위는 감소된다. 전송 제어 전극(31)에 전자를 전송하는 경우에 인가하는 전압보다 높은 적당한 전압을 인가하면, 도 22 (D)에 나타낸 바와 같이, 우물(12)에 수집된 전자의 일부는 전위 장벽(B8)을 넘어 전송 우물(32)에 유입된다. 전위 장벽(B8)의 높이는 전송 제어 전극(31)에 인가된 전압에 의해 결정되기 때문에, 우물(12)에는 규정된 일정량의 전자가 잔류할 수 있다. 즉, 우물(12)은 전하 분리부(D2)로서 기능하고, 전송 우물(32)은 전하 축적부(D3)로서 기능한다.

우물(12)에 불필요한 전하가 잔류하고, 전송 우물(32)에 유효 전하가 유입하면, 전송 제어 전극(31)에의 전압 인가를 정지하고, 드레인 전극(36)에는 비교적 높은 양의 전압(예컨대, 15 볼트)을 인가한다. 이 상태에서는, 도 22 (E)와 같이, 전위 장벽(B8)이 높아지고, 전송 우물(32)에 형성되는 전위 우물이 얕아진다. 즉, 전송 우물(32)에 유입된 유효 전하가 전하 축적부(D3)에 유지된다. 또, 우물(12)에 잔류한 불필요한 전하는 드레인 전극(36)을 통해 폐기된다.

전술한 동작에 따라, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 생성된 전자로부터 규정된 일정량의 전자를 불필요한 전하로서 분리하고, 유효 전하를 전송 우 물(32)에 잔류시킬 수가 있다. 전송 제어 전극(31)에 인가되는 전압을 제어하고, 종래의 CCD 이미지 센서의 수직 전송 레지스터의 경우와 같은 동작을 수행함으로써, 도면의 페이지에 대해 직교하는 방향으로 유효 전하를 전송할 수 있다. 다른 구성 및 동작은 전술한 실시예들과 동일하다.

그런데, 도 21에 나타낸 본 실시예의 광검출 소자와, 변조 신호에 의해 강도를 변조한 광을 투광하는 발광원을 조합하여 대상 공간의 정보를 검출하는 경우에는, 변조 신호의 미리 결정된 위상 구간에 상응하는 수광량을 추출할 필요가 있다. 이와 같은 경우에는, 예를 들면, 도 23 (A)에 나타낸 바와 같이, 수광 기간 "T1"에서 전송 제어 전극(31)에는 비교적 높은 양의 전압(예컨대, 15 볼트)을 인가하여 전송 우물(32)에 깊은 전위 우물을 형성한다. 이에 따라, 광전 변환부(D1)(우물(12)에 의해 생성된 전자가, 전송 우물(32)에 유입할 수 있다. 한편, 도 23 (B)에 나타낸 바와 같이, 폐기 전극(36)에 인가되는 전압을 변조 신호에 동기시켜 두 단계, 즉 높은 단계와 낮은 단계(예컨대, 15V와 5V)로 변화시켜, 전자를 폐기하는 상태와 전송 우물(32)에 형성되는 전위 우물에 전자를 유입시키는 상태를 교대로 반복한다. 광전 변환부(D1)에 의해 생성되는 전하로부터 수광 출력으로서 사용하는 전하를 인출하는 타이밍에서, 폐기 전극(36)에 인가되는 전압을 저전압으로 변화시키면, 의도한 전하를 전송 우물(32)에 유입시킬 수 있다. 수광 기간 "T1"에서의 전위 우물의 변화를 도 22 (A) 및 (B)에 나타내고 있다.

전술한 동작을 수행하는 수광 기간에 있어, 폐기 전극(36)에 인가되는 전압을 복수회 변화시킨 후에, 칭량 기간 "T2"를 개시한다. 칭량 기간 "T2"에서는, 전 송 우물(32)의 전위 우물이 얕아지도록 전송 제어 전극(31)에 음의 전압(예컨대, -5 볼트)을 인가한다. 또 우물(12)로부터 전자가 폐기되지 않도록 폐기 전극(36)에 인가되는 전압을 비교적 낮은 전압으로 제어한다(예컨대, 5 볼트). 이 관계에 따라, 전송 우물(32)로부터 우물(12)에 전자를 되돌릴 수 있다. 우물(12)에 전자를 되돌린 후에 수행되는 전하 칭량 동작은 전술한 바와 같다.

그리고, 본 발명의 목적과 특징은, 포화를 방지하여 환경광의 증가 또는 감소에 영향을 받지 않고 공간 정보의 검출에 필요한 유효 전하를 안정적으로 얻는 것에 있다. 따라서, 바람직한 실시예들에서는 상세하게 설명하지 않았지만, 수광 출력인 유효 전하를 사용하여 공간 정보를 검출하는 것은, 변조 신호의 복수의 위상 구간에 동기하는 상이한 타이밍에서 검출된 수광 출력들 사이의 차이를 사용하여 대상 공간 내의 물체까지의 거리를 측정하는 단계, 앞서 언급한 차이에 의해 각각 제공되는 화소값을 가지는 진폭 화상을 생성하는 단계, 진폭 화상으로부터 물체의 형상이나 크기를 인식하는 단계, 및 대상 공간 내의 물체의 반사율과 같은 환경광 성분을 제거함으로써 정보를 얻은 단계를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 장벽 제어 전극에 인가하는 전압을 제어하여 전위 장벽의 높이를 변화시킴으로써, 전하 분리부로부터 전위 장벽을 넘어 전하 축적부에 유입하는 전하의 양을 조절하고, 전하 분리부에 남은 불필요한 전하를 폐기한다. 따라서, 광전 변환부의 소형화할 수 있고, 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 대량의 불필요한 전하가 생성되는 경우에도, 포화 현상 을 방지하여 유효 전하를 확실하게 얻을 수 있는 공간 정보 검출 장치를 제공할 수 있다.

특히, 소등 기간에 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라, 점등 기간에 생성된 수광량에 상응하는 양의 전하로부터 불필요한 전하로서 분리되는 전하량을 조절하는 경우에는, 대상 공간에서 환경광의 증가 또는 감소가 발생하는 경우에도 환경광의 변화에 따라 불필요한 전하의 적정량을 자동으로 폐기할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 공간 정보 검출 장치는, 실내 및 실외를 불문하고 대상 공간의 정보를 정확하게 검출하는 능력을 가지므로, 종래의 공간 정보 검출 장치의 응용 분야의 확대가 기대된다.

Claims (24)

1. 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광(signal light)을 대상 공간(target space)에 투광하도록 구성된 발광원(light emission source);

   상기 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 상기 대상 공간으로부터 검출한 수광량에 상당하는 전하로부터, 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 및

   상기 수광 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부

   를 포함하고,

   상기 광검출부는,

   상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부;

   상기 신호광의 변동에 의존하지 않는 일정량의 바이어스 성분과 상기 신호광의 변동에 의존하여 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부;

   상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및

   상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부

   를 포함하고,

   상기 광검출부는,

   반도체 기판에 상기 전하 분리부로서의 전위 우물(portential well)을 형성하기 위한 분리 전극,

   상기 반도체 기판에 상기 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하기 위한 축적 전극, 및

   상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 전위 장벽(potential barrier)을 형성하기 위해서 상기 반도체 기판상에 배치되는 장벽 제어 전극; 및

   상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 상기 전위 장벽을 형성하고, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하에 대하여, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부에 유입하는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단

   을 더 포함하며,

   상기 전하량 조절 수단은,

   상기 장벽 제어 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전위 장벽의 높이를 변화시키거나, 또는 상기 분리 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전하 분리부의 상기 전위 우물의 깊이를 변화시키도록 구성된 제어부를 포함하는,

   공간 정보 검출 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   강도 변조된 광이 조사되는 상기 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 상기 광전 변화부가 전하를 생성하는 수광 기간과, 상기 전하 분리부 및 상기 전하 축적부를 사용하여 상기 광전 변화부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하는 칭량 기간(weighing period)에 연관지어, 상기 광전 변환부, 상기 전하 분리부 및 상기 전하 축적부의 동작 타이밍을 결정하도록 구성된 타이밍 제어부를 더 포함하는 공간 정보 검출 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 광검출부는,

   제1 도전형의 반도체층,

   상기 반도체층의 주표면에 형성된 제2 도전형의 우물(well),

   상기 전하 분리부로부터의 상기 불필요한 전하가 폐기되는 폐기부,

   상기 우물의 주표면에 배치된 복수의 전극

   을 포함하고,

   상기 제어부는 강도 변조된 광이 조사되는 상기 대상 공간으로부터 광을 수광함으로써 상기 광전 변화부가 전하를 생성하는 수광 기간과, 상기 광전 변화부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하는 칭량 기간에 연관지어, 상기 복수의 전극에 인가하는 전압을 제어하도록 구성되고,

   상기 복수의 전극은 상기 분리 전극, 상기 축적 전극, 및 상기 장벽 제어 전극을 포함하고,

   상기 분리 전극은 상기 우물 내에 상기 전하 분리부를 형성하도록 구성되고, 상기 축적 전극은 상기 우물 내에 상기 전하 축적부를 형성하도록 구성되는,

   공간 정보 검출 장치.
7. 삭제
8. 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광(signal light)을 대상 공간(target space)에 투광하도록 구성된 발광원(light emission source);

   상기 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 상기 대상 공간으로부터 검출한 수광량에 상당하는 전하로부터, 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 및

   상기 수광 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부

   를 포함하고,

   상기 광검출부는,

   상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부;

   상기 신호광의 변동에 의존하지 않는 일정량의 바이어스 성분과 상기 신호광의 변동에 의존하여 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부;

   상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및

   상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부

   를 포함하고,

   상기 발광원은, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 강도 변조된 광을 투광하는 점등 기간(lighting period)과 상기 대상 공간에 상기 강도 변조된 광을 투광하지 않는 소등 기간(rest period)을 가지도록, 상기 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 상기 대상 공간에 조사하고,

   상기 광검출부는, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 상기 불필요한 전하로서 분리되는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단을 포함하고,

   상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는 반도체 기판에 형성되는 전위 우물이며,

   상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에는 전위 장벽을 형성하기 위한 장벽 제어 전극이 배치되고,

   상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라 상기 장벽 제어 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전위 장벽의 높이를 변화시킴으로써, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부로 유입하는 전하의 양을 조절하는,

   공간 정보 검출 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량이 증가하면, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 분리되는 상기 불필요한 전하의 양을 증가시키는, 공간 정보 검출 장치.
10. 삭제
11. 제8항에 있어서,

    상기 전하량 조절 수단은,

    상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록, 상기 반도체 기판에 형성되는 전위 우물인 전하 유지부를 포함하고,

    상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 결정된 전압을 상기 장벽 제어 전극에 인가하는, 공간 정보 검출 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전하량 조절 수단은, 상기 반도체 기판 상의 상기 전하 유지부에 대응하는 위치에, 절연층을 사이에 두고 형성되며, 상기 장벽 제어 전극에 전기적으로 접속되는 유지 전극을 포함하는, 공간 정보 검출 장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 장벽 제어 전극은, 상기 전하 유지부로서 형성된 전하 유지 우물에 대응하는 상기 반도체 기판의 부분에 전기적으로 접속되는, 공간 정보 검출 장치.
14. 제11항에 있어서,

    상기 광전 변환부와 상기 전하 유지부 사이의 상기 반도체 기판의 주표면에 형성되고, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 상기 전하 유지부에 전송하는 타이밍을 제어하도록 구성된 게이트 전극을 더 포함하는 공간 정보 검출 장치.
15. 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광(signal light)을 대상 공간(target space)에 투광하도록 구성된 발광원(light emission source);

    상기 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 상기 대상 공간으로부터 검출한 수광량에 상당하는 전하로부터, 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 및

    상기 수광 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부

    를 포함하고,

    상기 광검출부는,

    상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부;

    상기 신호광의 변동에 의존하지 않는 일정량의 바이어스 성분과 상기 신호광의 변동에 의존하여 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부;

    상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및

    상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부

    를 포함하고,

    상기 발광원은, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 강도 변조된 광을 투광하는 점등 기간(lighting period)과 상기 대상 공간에 상기 강도 변조된 광을 투광하지 않는 소등 기간(rest period)을 가지도록, 상기 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 상기 대상 공간에 조사하고,

    상기 광검출부는, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 상기 불필요한 전하로서 분리되는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단을 포함하고,

    상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는 반도체 기판에 형성되는 전위 우물이며,

    상기 반도체 기판 상의 상기 전하 분리부에 대응하는 위치에 분리 전극이 배치되고,

    상기 전하량 조절 수단은, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라 상기 분리 전극에 인가되는 전압을 제어하여, 상기 전하 분리부로서 형성되는 전위 우물의 깊이를 변화시킴으로써, 상기 전하 분리부로부터 상기 전위 장벽을 넘어 상기 전하 축적부로 유입하는 전하의 양을 조절하는,

    공간 정보 검출 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 전하량 조절 수단은,

    상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록, 상기 반도체 기판에 형성되는 전위 우물인 전하 유지부를 포함하고,

    상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 결정된 전압을 상기 분리 전극에 인가하는, 공간 정보 검출 장치.
17. 제8항에 있어서,

    상기 신호 처리부는, 상기 점등 기간에 생성된 전하량이 미리 결정된 포화 레벨에 도달한 경우에, 다음 점등 기간에 분리되는 상기 불필요한 전하의 양을 증가시키는, 공간 정보 검출 장치.
18. 변조 신호에 의해 강도 변조된 신호광(signal light)을 대상 공간(target space)에 투광하도록 구성된 발광원(light emission source);

    상기 변조 신호에 동기하는 타이밍에서 상기 대상 공간으로부터 검출한 수광량에 상당하는 전하로부터, 일정량의 바이어스 성분을 분리하여, 상기 신호광의 변동 성분을 반영한 수광 출력을 제공하도록 구성된 광검출부; 및

    상기 수광 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부

    를 포함하고,

    상기 광검출부는,

    상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부;

    상기 신호광의 변동에 의존하지 않는 일정량의 바이어스 성분과 상기 신호광의 변동에 의존하여 변화하는 변동 성분의 총계에 해당하는, 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 바이어스 성분에 대응하는 미리 정해진 일정량의 불필요한 전하를 분리하도록 구성된 전하 분리부;

    상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및

    상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 수광 출력으로서 인출하도록 구성된 전하 인출부

    를 포함하고,

    상기 발광원은, 상기 발광원으로부터 상기 대상 공간에 강도 변조된 광을 투광하는 점등 기간(lighting period)과 상기 대상 공간에 상기 강도 변조된 광을 투광하지 않는 소등 기간(rest period)을 가지도록, 상기 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 상기 대상 공간에 조사하고,

    상기 광검출부는, 상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하량에 따라, 상기 점등 기간에 얻은 수광량에 상당하는 전하로부터 상기 불필요한 전하로서 분리되는 전하의 양을 조절하도록 구성된 전하량 조절 수단을 포함하고,

    상기 광검출부는, 각각이 하나의 화소에 대응하는 복수의 광검출 셀을 포함하고,

    각각의 상기 광검출 셀은,

    제1 도전형의 반도체층,

    상기 반도체층의 주표면에 형성된 제2 도전형의 우물,

    상기 제2 도전형의 우물의 미리 정해진 영역 상에, 절연층을 사이에 두고 형성되는 복수의 감도 제어 전극의 배열을 포함하는 상기 광전 변환부,

    상기 우물 내에 상기 전하 분리부로서의 전위 우물을 형성하기 위해 사용되는 분리 전극,

    상기 우물 내에 상기 전위 장벽을 형성하기 위해 사용되는 장벽 제어 전극,

    상기 우물 내에 상기 전하 축적부로서의 전위 우물을 형성하기 위해 사용되는 축적 전극, 및

    상기 전하 분리부로부터의 불필요한 전하가 폐기되는 폐기부

    를 포함하고,

    상기 전하량 조절 수단은,

    상기 소등 기간에 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하기 위한, 전위 우물인 전하 유지부를 포함하고,

    상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 상기 장벽 제어 전극과 상기 분리 전극 중 적어도 하나에 전압을 인가하는,

    공간 정보 검출 장치.
19. 제18항에 있어서,

    상기 분리 전극, 상기 장벽 제어 전극, 및 상기 축적 전극은, 상기 감도 제어 전극의 상기 배열 내에 형성되고,

    상기 전하 유지부는, 상기 감도 제어 전극의 상기 배열에 직교하는 방향으로 인접하여 형성되는, 공간 정보 검출 장치.
20. 제18항에 있어서,

    상기 분리 전극, 상기 장벽 제어 전극, 상기 축적 전극 및 상기 전하 유지부는, 상기 감도 제어 전극의 상기 배열에 인접하는 열(column)에 있어, 상기 감도 제어 전극의 배열 방향으로 배치되는, 공간 정보 검출 장치.
21. 변조 신호에 의해 강도 변조된 광을 대상 공간에 조사하도록 구성된 발광원;

    상기 대상 공간으로부터 수광한 광에 따라 전기 출력을 제공하도록 구성된 광검출부;

    상기 전기 출력을 사용하여 상기 대상 공간의 공간 정보를 검출하도록 구성된 신호 처리부

    를 포함하고,

    상기 광검출부는,

    상기 대상 공간으로부터 광을 수광하여 전하를 생성하도록 구성된 광전 변환부;

    상기 변조 신호의 상이한 위상 범위를 가지는 두 구간 중 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성되는 전하량에 따라 결정되는 불필요한 전하량을, 다른 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 분리하도록 구성된 전하 분리부;

    상기 다른 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터 상기 불필요한 전하를 분리하여 얻은 나머지 전하를 유효 전하로서 축적하도록 구성된 전하 축적부; 및

    상기 전하 축적부에 축적된 상기 유효 전하를 상기 전기 출력으로서 출력하도록 구성된 전하 인출부

    를 포함하고,

    상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부는, 반도체 기판에 형성되는 전위 우물이며,

    상기 공간 정보 검출 장치는,

    상기 반도체 기판 상에 배치되어 상기 전하 분리부와 상기 전하 축적부 사이에 장벽을 형성하는 장벽 제어 전극, 및

    상기 변조 신호의 상이한 위상 범위를 갖는 두 구간 중 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 유지하도록 구성된 전하 유지부

    를 포함하고,

    상기 전하 유지부에 의해 유지된 전하량에 따라 결정된 전압이, 상기 장벽 제어 전극에 인가되어 불필요한 전하의 양을 결정하며,

    상기 전하 분리부에 의해, 상기 변조 신호의 상이한 위상 범위를 갖는 두 구간 중 다른 한 구간에서 상기 광전 변환부에 의해 생성된 전하로부터, 상기 불필요한 전하의 양이 분리되는,

    공간 정보 검출 장치.
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