KR20160078889A - 광전 변환 장치 - Google Patents

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KR20160078889A
KR20160078889A KR1020150182680A KR20150182680A KR20160078889A KR 20160078889 A KR20160078889 A KR 20160078889A KR 1020150182680 A KR1020150182680 A KR 1020150182680A KR 20150182680 A KR20150182680 A KR 20150182680A KR 20160078889 A KR20160078889 A KR 20160078889A
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후미야스 우츠노미야
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에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 많은 광량이 입사된 경우에, 리셋 시간이 길어지는 것을 방지한 광전 변환 장치를 제공한다.
(해결 수단) 입사 광량에 따른 광 전류를 흘리는 포토 다이오드와, 포토 다이오드의 기생 용량을 리셋 전압으로 충전하는 리셋 회로와, 포토 다이오드의 기생 용량의 전압을 소정의 전압보다 저하되는 것을 방지하는 전압 리밋 회로와, 포토 다이오드의 기생 용량의 전압을 출력하는 출력 회로를 구비한 광전 변환 장치.

Description

광전 변환 장치{PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE}
본 발명은, 광전 변환 소자에 발생하는 광 전류에 따른 출력 신호를 출력하는 광전 변환 장치에 관한 것이다.
도 4 에 종래의 광전 변환 장치의 광전 변환 소자 주변의 회로도를 나타낸다. 종래의 광전 변환 장치의 광전 변환 소자 주변의 회로는, 리셋 회로 (103) 와, 광전 변환 소자인 포토 다이오드 (105) 와, NMOS 트랜지스터 (415) 와, NMOS 트랜지스터 (401) 와, 신호 출력선 (403) 으로 구성된다. 포토 다이오드 (105) 는, 입사된 광량에 따른 광 전류를 발생시킨다. 리셋 회로 (103) 는, 포토 다이오드 (105) 의 전압을 리셋 전압으로 리셋한다. NMOS 트랜지스터 (415) 는, 포토 다이오드 (105) 의 전압에 기초한 전압을 소스로부터 출력한다. NMOS 트랜지스터 (401) 는, NMOS 트랜지스터 (415) 의 소스 전압을 신호 출력선 (403) 에 출력할지를 선택한다. 리셋 회로 (103) 는, 게이트가 리셋 신호 입력 단자 (112) 에 접속되고 드레인이 리셋 전압 입력 단자 (120) 에 접속되고 소스가 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자에 접속된 NMOS 트랜지스터 (113) 로 구성된다.
NMOS 트랜지스터 (415) 는, 게이트가 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자에 접속되고 드레인이 전원 단자 (100) 에 접속되고 소스가 NMOS 트랜지스터 (401) 의 드레인에 접속된다. NMOS 트랜지스터 (401) 는, 게이트가 출력 선택 신호 입력 단자 (402) 에 접속되고 소스가 신호 출력선 (403) 에 접속된다. 포토 다이오드 (105) 는, P 형 단자가 GND 단자 (101) 에 접속된다.
상기 구성의 종래의 광전 변환 장치는, 이하와 같이 동작을 하여, 발생되는 광 전류에 따른 출력 신호를 출력한다.
포토 다이오드 (105) 는, 리셋 신호가 리셋 신호 입력 단자 (112) 에 입력되면, N 형 전극의 전압이 리셋 전압 입력 단자 (120) 에 입력된 리셋 전압 Vres 로 리셋된다. 이 때문에, 포토 다이오드 (105) 는 스스로 가지는 기생 용량에 리셋 전압 Vres 가 충전된다. 리셋이 해제되면, 포토 다이오드 (105) 는, 입사 광에 따른 광 전류로 기생 용량의 전압을 방전한다. 소정의 시간이 경과 후, 포토 다이오드 (105) 가 재리셋된다. 포토 다이오드 (105) 의 방전 후의 방전 전압과 이 재리셋된 포토 다이오드 (105) 의 리셋 전압은, NMOS 트랜지스터 (415) 의 소스 전압으로 변환되고, NMOS 트랜지스터 (401) 를 통하여, 그때마다 신호 출력선 (403) 에 출력된다. 신호 출력선 (403) 에 출력된 포토 다이오드 (105) 의 리셋 전압과 방전 전압에 기초하는 전압은, 도시하지 않은 출력 회로에서 비교된다. 출력 회로는 전압의 비교에 의해 얻은 전압차를 증폭 회로에 의해 증폭하고, 증폭된 전압을 포토 다이오드 (105) 의 입사 광량에 비례한 전압으로서 출력한다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 2001-308306호
그러나 종래의 광전 변환 장치에서는, 광전 변환 소자인 포토 다이오드에 강한 광이 입사된 후에, 포토 다이오드의 전압을 리셋할 때에, 포토 다이오드의 전압이 리셋 전압까지 달하기까지 시간이 걸린다는 과제가 있었다.
광전 변환 장치는 화상 판독 장치에 사용된다. 최근의 화상 판독 장치는, 판독 속도의 고속화의 요구가 높다. 이 때문에, 광전 변환 장치는 고속으로 화상을 반복하여 판독할 필요가 생겼다. 종래의 광전 변환 장치는, 고속으로 화상을 반복하여 판독하기 위해서는, 이 때에 반복하여 실시되는 포토 다이오드의 리셋 시간도 짧게 할 필요가 있다. 그러나, 화상을 판독하는 방식에 따라서는, 강한 광이 포토 다이오드에 입사되기 때문에 포토 다이오드의 리셋 시간을 길게 할 필요가 있다. 이 때문에, 상기 종래의 광전 변환 장치를 사용한 화상 판독 장치에서는, 판독을 고속화할 수 없다는 과제가 있었다.
상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 광전 변환 장치는, 이하와 같은 구성으로 하였다.
입사 광량에 따른 광 전류를 흘리는 포토 다이오드와, 포토 다이오드의 기생 용량을 리셋 전압으로 충전하는 리셋 회로와, 포토 다이오드의 기생 용량의 전압을 소정의 전압보다 저하되는 것을 방지하는 전압 리밋 회로와, 포토 다이오드의 기생 용량의 전압을 출력하는 출력 회로를 구비한 광전 변환 장치로 하였다.
본 발명의 광전 변환 장치에 의하면, 상정 외의 강한 광량이 광전 변환 소자로서 내장된 포토 다이오드에 입사된 후, 이 포토 다이오드를 리셋할 때에, 리셋을 개시할 때의 포토 다이오드 전압이 소정 전압 이상으로 리밋된다. 이 때문에, 포토 다이오드의 전압 저하에 의한 포토 다이오드의 기생 용량의 증대를 방지할 수 있어 이 기생 용량을 리셋 전압으로 충전하는 시간을 단축할 수 있다.
도 1 은 본 실시형태의 광전 변환 장치의 광전 변환 소자 주변 회로를 나타내는 회로도.
도 2 는 본 실시형태의 광전 변환 장치에 사용한 포토 다이오드의 단면 구조의 일부를 나타낸 도면.
도 3 은 본 실시형태의 광전 변환 장치에 사용한 포토 다이오드에 걸리는 전압에 대한 포토 다이오드의 기생 용량값의 관계를 나타낸 그래프.
도 4 는 종래의 광전 변환 장치의 광전 변환 소자 주변 회로를 나타내는 회로도.
도 1 은 본 실시형태의 광전 변환 장치의 광전 변환 소자 주변 회로를 나타내는 회로도이다. 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 리밋 회로 (102) 와, 리셋 회로 (103) 와, 포토 다이오드 (105) 와, 소스 팔로어 회로 (104) 와, 출력 회로 (106) 를 갖고 있다.
포토 다이오드 (105) 는 광전 변환 기능을 갖고, 입사된 광량에 따른 광 전류를 발생시킨다. 리밋 회로 (102) 는 포토 다이오드 (105) 의 전압을 설정된 리밋 전압 이하가 되지 않게 리밋한다. 리셋 회로 (103) 는 포토 다이오드 (105) 의 전압을 리셋 전압 Vres 로 리셋한다. 소스 팔로어 회로 (104) 는 포토 다이오드 (105) 의 전압에 기초한 전압을 출력한다. 출력 회로 (106) 는 소스 팔로어 회로 (104) 로부터 출력된 전압을 처리하고, 이 처리 결과에 기초한 출력 전압 Vout 를 출력한다.
리밋 회로 (102) 는, 게이트가 리밋 전압 입력 단자 (110) 에 접속되고 드레인이 전원 단자 (100) 에 접속되고 소스가 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자에 접속된 NMOS 트랜지스터 (111) 로 구성된다. 리셋 회로 (103) 는, 게이트가 리셋 신호 입력 단자 (112) 에 접속되고 드레인이 리셋 전압 입력 단자 (120) 에 접속되고 소스가 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자에 접속된 NMOS 트랜지스터 (113) 로 구성된다. 소스 팔로어 회로 (104) 는, 정전류원 (114) 과 PMOS 트랜지스터 (115) 로 구성된다. 정전류원 (114) 은, 전원 단자 (100) 와 PMOS 트랜지스터 (115) 의 소스 사이에 형성되고, 전원 단자 (100) 로부터 PMOS 트랜지스터 (115) 의 소스에 정전류를 공급한다. PMOS 트랜지스터 (115) 는, 게이트가 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자에 접속되고 드레인이 GND 단자 (101) 에 접속되고 소스는 출력 회로 (106) 의 입력 단자 (117) 에 접속된다. 포토 다이오드 (105) 는, P 형 단자가 GND 단자 (101) 에 접속된다.
본 실시형태의 광전 변환 장치는, 이하와 같이 동작을 하여, 발생하는 광 전류에 따른 출력 신호를 출력한다.
포토 다이오드 (105) 는, 리셋 신호가 리셋 신호 입력 단자 (112) 에 입력되면 N 형 전극의 전압이 리셋 전압 Vres 로 리셋된다. 이 때문에, 포토 다이오드 (105) 는, 스스로 가지는 기생 용량에 리셋 전압이 충전된다. 그 후, 포토 다이오드 (105) 는, 스스로가 광전 변환으로 발생시킨 광 전류로, 스스로 가지는 기생 용량에 충전된 리셋 전압을 방전한다. 그리고, 포토 다이오드 (105) 는, 재차 리셋 전압으로 재리셋된다. 리밋 회로 (102) 는, 포토 다이오드 (105) 의 전압이, 리밋 전압 입력 단자 (110) 에 입력된 리밋 전압 Vlim 으로부터, NMOS 트랜지스터 (111) 의 임계값 전압을 뺀 값을 하회하면 기능하기 시작한다. 기능하기 시작한 리밋 회로는, 포토 다이오드 (105) 의 N 형 단자의 추가적인 전압 저하를 방지한다. 한편, 재리셋된 포토 다이오드 (105) 의 리셋 전압과 포토 다이오드 (105) 의 방전 후의 방전 전압은, 소스 팔로어 회로 (104) 의 PMOS 트랜지스터의 (115) 의 소스 전압으로 변환되고, 출력 회로 (106) 의 입력 단자 (117) 에 입력된다. 출력 회로 (106) 는 소스 팔로어 회로 (104) 로부터 출력되는 포토 다이오드 (105) 의 리셋 전압과 방전 전압에 기초하는 전압을 비교하여 그것들 전압의 전압차를 추출한다. 추출된 전압차는, 출력 회로 (106) 에서 더욱 소정 배율로 증폭되고, 출력 회로 (106) 의 출력 단자 (118) 로부터 출력 전압 Vout 로서 출력된다. 상기 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 전원 전압 3.3 V 로 사용되는 경우를 상정하고 있다. 이 경우, 리셋 전압 Vres 는 2.2 V 로 설정하여, 검출이 필요한 최대의 광량이 입사된 경우로, 리셋 전압으로부터 0.5 V 정도 저하되도록 설계되어 있다. 이것은, 방전 전압을 0.5 V 보다 증가시키면, 포토 다이오드의 정크션 부분의 기생 용량이 급격히 증가하고, 입사 광량 변화에 대한 출력 전압의 변화가 선형으로 없어지기 때문이다. 따라서, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 상정되는 범위의 광량을 판독하는 경우에는, 포토 다이오드의 전압이 리셋 전압으로부터 최대라도 0.5 V 정도밖에 저하되지 않기 때문에, 포토 다이오드의 기생 용량이 증대되지 않는다. 한편, 본 실시형태의 광전 변환 장치에 상정 범위 외의 강한 광량이 입사된 경우, 포토 다이오드의 방전 전압이 상정되는 전압 미만으로 저하되고, 더욱 저하되려고 하지만, 리밋 회로가 기능하기 시작하기 때문에, 포토 다이오드의 방전 전압은 리밋 회로에 의해 설정된 리밋 전압 이상으로 리밋된다. 이 때문에, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 상정 범위 외의 강한 광량이 입사된 경우라도, 포토 다이오드의 방전 전압이 리밋 회로에 의해, 설정된 리밋 전압 이상으로 리밋된다. 따라서, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 포토 다이오드의 기생 용량의 증가가 없고, 이 기생 용량을 리셋 전압 Vres 까지 충전할 때에 필요한 리셋 시간이 길어지는 것을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 상정 외의 강한 광량이 입사된 경우라도 리셋 시간을 길게 할 필요가 없다. 따라서, 본 실시형태의 광전 변환 장치를 사용한 화상 판독 장치의 판독 속도를 빠르게 할 수 있다.
도 2 는, 본 실시형태의 광전 변환 장치에 사용하는 포토 다이오드 (105) 의 일부의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
포토 다이오드 (105) 는, P 기판 영역 (201) 과, N 웰 영역 (202) 과, N 형 영역 (203) 과, P 형 영역 (204) 과, 로코스 산화막 (205) 을 갖고 있다. 로코스 산화막 (205) 은, 중앙의 사각 영역만 없는 상태로 기판 상면에 형성된다. 깊이가 얕은 N 형 영역 (203) 은, 로코스 산화막 (205) 이 없는 기판 상면에 형성된다. 깊이가 깊은 N 웰 영역 (202) 은, N 형 영역 (203) 의 주위를 둘러싸도록 형성된다. 깊이가 얕은 P 형 영역은, 로코스 산화막 (205) 아래에 형성된다. P 기판 영역 (201) 과 P 형 영역 (204) 에는 GND 단자가 접속되고, N 형 영역 (203) 에 포토 다이오드 전압이 입력된다.
도 2 의 점선은, 정크션으로부터 N 웰 영역 (202) 으로 신장되는 공핍층 영역을 나타낸 것이다. 포토 다이오드 (105) 의 포토 다이오드 전압이 낮으면 P 기판 영역 (201) 과 N 웰 영역 (202) 의 바닥면의 정크션으로부터 N 웰 영역 (202) 으로 신장되는 공핍층과, P 형 영역 (204) 과 N 웰 영역 (202) 의 상면의 정크션으로부터 N 웰 영역 (202) 으로 신장되는 공핍층이 떨어진다. 이 때문에, 포토 다이오드 (105) 의 정크션에 의한 기생 용량은, N 웰 영역 (202) 의 바닥면과 상면의 넓은 영역에서 존재하므로 매우 커진다. 그러나, 포토 다이오드 (105) 의 포토 다이오드 전압이 높으면 N 웰 영역 (202) 의 바닥면과 상면으로부터 신장되는 공핍층이 결합하기 때문에, 컸던 N 웰 영역 (202) 의 바닥면과 상면의 정크션 용량에 의한 기생 용량이 매우 작아진다.
도 3 에, 상기 구조의 포토 다이오드의 포토 다이오드 전압에 대한 정크션 용량에 의한 기생 용량값의 관계를 나타낸다. 저하되는 포토 다이오드 전압이 0.2 V 를 하회하는 언저리로부터 급격하게 기생 용량이 증가하고, 포토 다이오드 전압이 0.1 V 를 하회하는 언저리에서는, N 웰 영역의 바닥면과 상면으로부터의 공핍층이 완전히 떨어지므로, 기생 용량은 급격하게 증가한다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 광전 변환 장치에 사용하는 포토 다이오드는, 포토 다이오드 전압이 높은 경우에는, 정크션에 의한 기생 용량이 적기 때문에, 포토 다이오드의 광 전류에 의한 스스로의 기생 용량의 방전 속도가 높아진다. 이 때문에, 본 실시형태의 광전 변환 장치는 감도가 향상된다.
그러나, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 포토 다이오드 전압이 0.2 V 를 하회하면, 포토 다이오드의 정크션에 의한 기생 용량이 급격하게 증가하기 때문에, 포토 다이오드의 광 전류에 의한 스스로의 기생 용량의 방전 속도가 낮아질 뿐만 아니라, 이 전압으로부터의 리셋에 시간이 걸린다. 이 때문에, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 포토 다이오드 전압이 0.2 V 를 하회하면, 감도가 저하될 뿐만 아니라, 리셋 시간도 길게 필요해진다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 리밋 회로에서, 포토 다이오드 전압의 저하를 0.2 V 이상으로 리밋하고 있다. 이로써, 본 실시형태의 광전 변환 장치는, 감도의 저하도 없고, 리셋 시간의 지연도 없다. 따라서, 본 실시형태의 광전 변환 장치를, 상정 외의 강한 광이 입사된 후에 약한 광의 입사를 검출하는 지폐 판독 등의 화상 판독 장치에 사용한 경우라도, 오검출하는 경우가 없다.
또한, 본 실시형태의 광전 변환 장치에서는, 리셋용 NMOS 트랜지스터와는 별도로, 리밋용 NMOS 트랜지스터를 형성하는 구성으로 나타냈지만, 리셋용과 리밋용의 NMOS 트랜지스터를 1 개의 NMOS 트랜지스터로 구성하고, 이 NMOS 트랜지스터의 게이트에 리셋시에는 리셋 전압 Vres 를 입력하고, 리밋시에는 리밋 전압을 입력 하는 구성으로 하더라도, 상기 본 실시형태의 광전 변환 장치와 동일한 효과가 얻어진다. 또한 리셋용 NMOS 트랜지스터와 리밋용 NMOS 트랜지스터는, 공통으로 함으로써, 포토 다이오드의 기생 용량에 병렬 접속되는 NMOS 트랜지스터의 기생 용량이 감소한다. 이 때문에, 리셋용 NMOS 트랜지스터와 리밋용 NMOS 트랜지스터를 공통으로 한 광전 변환 장치쪽이, 공통으로 하지 않는 경우에 비해 감도가 향상된다.
102 : 리밋 회로
103 : 리셋 회로
104 : 소스 팔로어 회로
105 : 포토 다이오드
106 : 출력 회로

Claims (2)

  1. 입사 광량에 따른 광 전류를 흘리는 포토 다이오드와,
    상기 포토 다이오드에 접속되고 상기 포토 다이오드의 기생 용량을 리셋 전압으로 충전하는 리셋 회로와,
    상기 포토 다이오드에 접속되고 상기 포토 다이오드의 기생 용량의 전압을 소정의 전압보다 저하되는 것을 방지하는 전압 리밋 회로와,
    상기 포토 다이오드에 접속되고 상기 포토 다이오드의 상기 기생 용량의 전압을 출력하는 출력 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리밋 회로는, 게이트에 리밋 전압이 입력된 NMOS 트랜지스터를 갖고,
    상기 기생 용량의 전압이 소정의 전압보다 저하되었을 때에, 상기 NMOS 트랜지스터가 상기 광 전류에 따른 전류를 흘리는 것을 특징으로 하는 광전 변환 장치.
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