JP2012147183A

JP2012147183A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2012147183A
Application number: JP2011003112A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kuroda; 享裕黒田; Hidehisa Kobayashi; 秀央小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-08-02
Also published as: CN102595056A; US20120175503A1

Abstract

【課題】フォトトランジスタの電流増幅率の低下が、製造要因などによりばらついた場合でも良好な光電変換特性を得ることができる光電変換装置を提供することを課題とする。
【解決手段】光電変換により電流を生成する光電変換素子（２）と、前記光電変換素子により生成された電流をベースに入力し、前記入力された電流を増幅してエミッタより出力するフォトトランジスタ（１）と、前記フォトトランジスタより出力された電流を対数変換する対数変換部（３）と、前記フォトトランジスタのベースに電流を出力する電流発生部（５）と、前記光電変換素子の遮光状態で前記対数変換部により対数変換された信号に基づき、前記電流発生部の出力電流を制御する電流制御部（６）とを有することを特徴とする光電変換装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

従来、フォトトランジスタのベースで受光し、増幅した光電流をエミッタより出力する光電変換装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。低照度の場合、フォトトランジスタで発生するベース電流は微少である。そのため、フォトトランジスタのベース−エミッタ間での再結合電流成分が主となり、エミッタからコレクタへのキャリアの注入が不十分となる。その結果、電流増幅率が低下し、低照度における光電変換特性が劣化する。この問題を解決するために、ベースに電流を流すことでキャリアを注入する光電変換装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−０７７６４４号公報特開平０８−２６４７４４号公報

しかし、上記の特許文献２では、ベースに流す電流値を決める手段に関しては開示されておらず、フォトトランジスタの電流増幅率の低下に対して適切なキャリアを注入できないという課題がある。また、多画素化及び微細化に伴い、フォトトランジスタの製造ばらつきの影響が顕著になるが、個々のフォトトランジスタに対して適切なキャリアを注入することができないという課題がある。

本発明の目的は、フォトトランジスタの電流増幅率の低下が、製造要因などによりばらついた場合でも良好な光電変換特性を得ることができる光電変換装置を提供することである。

本発明の光電変換装置は、光電変換により電流を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子により生成された電流をベースに入力し、前記入力された電流を増幅してエミッタより出力するフォトトランジスタと、前記フォトトランジスタより出力された電流を対数変換する対数変換部と、前記フォトトランジスタのベースに電流を出力する電流発生部と、前記光電変換素子の遮光状態で前記対数変換部により対数変換された信号に基づき、前記電流発生部の出力電流を制御する電流制御部とを有することを特徴とする。

フォトトランジスタの電流増幅率の低下が、製造要因などによりばらついた場合でも、フォトトランジスタのベースに適切なキャリアを注入することができ、良好な光電変換特性を得ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態の光電変換装置の概略構成図である。本発明の第１の実施形態における電流制御部の説明図である。フォトトランジスタの電流増幅率がベース電流依存をもつ説明図である。本発明の第１の実施形態における光電変換特性図である。本発明の第２の実施形態における電流発生部の詳細図である。本発明の第３の実施形態における電流発生部の詳細図である。本発明の第４の実施形態における電流発生部の詳細図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光電変換装置を示す概略構成図である。図１において、１はフォトトランジスタである。２は光電変換素子（例えばフォトダイオード）であり、カソードが電源電位ノードに接続される。フォトトランジスタ１は、ベースが光電変換素子２のアノードに接続され、コレクタが電源電位ノードに接続される。光電変換素子２は、光電変換により光を電気信号に変換し、電流（光電流）を生成する。フォトトランジスタ１は、光電変換素子１により生成された電流をベースに入力し、入力された電流を増幅してエミッタより出力する。３は対数変換部であり、トランジスタ３１、３２、及び３３と、定電流源３４で構成される。バイポーラトランジスタ３１は、コレクタがフォトトランジスタ１のエミッタに接続され、エミッタが基準電位ノード（グランド電位ノード）に接続される。電界効果トランジスタ３３は、ゲートがフォトトランジスタ１のエミッタに接続され、ドレインが電源電位ノードに接続され、ソースがバイポーラトランジスタ３１のベースに接続される。定電流源３４は、バイポーラトランジスタ３１のベース及び基準電位ノード間に接続される。バイポーラトランジスタ３２は、ベースがバイポーラトランジスタ３１のベースに接続され、コレクタが電源電位ノードに接続される。対数変換部３は、フォトトランジスタ１より出力された電流を対数変換して出力する。４は信号蓄積部であり、信号蓄積容量４１及びトランジスタ４２で構成される。電界効果トランジスタ４２は、ゲートが端子４３に接続され、ドレインがバイポーラトランジスタ３２のエミッタに接続され、ソースが端子Ｖｏｕｔに接続される。信号蓄積容量４１は、端子Ｖｏｕｔ及び基準電位ノード間に接続される。信号蓄積部４は、対数変換部３により対数変換された信号（光電流）を信号蓄積容量４１に蓄積することで、光電流の時間蓄積信号を保持し、電圧信号として端子Ｖｏｕｔより取り出すことが可能である。蓄積時間の制御は、端子４３の電圧制御によりトランジスタ４２をオン又はオフすることで可能である。５は電流発生部であり、フォトトランジスタ１のベースにキャリアを注入するための電流Ｉａを出力する。電流制御部６は、光電変換素子２の遮光状態で信号蓄積部４内の信号蓄積容量４１に蓄積された信号に基づき、電流発生部５の出力電流Ｉａを制御する。電流制御部６は、光電変換装置が遮光状態で光蓄積動作を行う場合と同様な蓄積動作を行ったときの出力端子Ｖｏｕｔの出力電圧をモニターすることで、出力電流Ｉａを制御することが可能である。

図２は、電流制御部６の構成例を示すブロック図である。図２において、６１は信号比較部であり、信号蓄積容量４１に蓄積された信号値を予め定められた値と比較する。上記の予め定められた値は、例えば、予め光電変換素子２の遮光状態で測定されたフォトトランジスタ１の電流増幅率がほぼ理想値になるエミッタ電圧である。６２は制御計算部であり、信号比較部６１の比較結果に基づき、電流発生部５を制御するための計算を行う。６３は制御信号発生部であり、制御計算部６２の計算に基づき、電流発生部５を制御するための制御信号を出力する。

図３は、低照度時にフォトトランジスタ１の増幅率が低下することを示す図である。図３において、横軸はフォトトランジスタ１のベース電流を表し、縦軸はフォトトランジスタ１の電流増幅率を表す。図３では、フォトトランジスタ１の電流増幅率が、フォトトランジスタ１のベース電流に依存しない「理想」の特性を持つ場合と、ベース電流依存性をもつ「実測」に基づく特性を示している。図３に示されるように、実際の電流増幅率は、ベース電流が減少するに伴い減少する。これは、ベース電流が微小になると、ベース−エミッタ間における再結合電流成分が主となり、エミッタからコレクタへのキャリアの注入が不十分となることに起因する。その結果、光電変換装置の低照度領域における光電変換特性の線形性が劣化する。

図４は、図１に示した光電変換装置における光電変換特性の一例を表す図である。図４において、横軸は光電流を表し、フォトトランジスタ１のベース電流に等しい。また、縦軸は、出力端子Ｖｏｕｔの出力電圧を表す。図４において、「理想」で示されるプロットは、フォトトランジスタ１の電流増幅率が理想の場合を示す。また、「従来」で示されるプロットは、図１の電流発生部５から電流Ｉａを出力しない場合に等しい。この場合、光電流が減少すると、「理想」の場合のプロットに対して、線形性が劣化している。それに対して、図４の「実施形態」で示されるプロットは、図１の電流発生部５から適切な電流Ｉａを出力した場合であり、低照度領域における光電変換特性の線形性が改善されている。

従って、図１の電流発生部５からフォトトランジスタ１のベースにキャリアを注入するための電流Ｉａを出力することで、低照度における光電変換特性の線形性が改善される。また、電流発生部５の出力電流Ｉａは、電流制御部６で制御可能である。例えば、フォトトランジスタ１の電流増幅率がベース電流に依存しない理想の場合の遮光時における蓄積信号値を予め定めておき、遮光状態で蓄積動作を行ったときの出力端子Ｖｏｕｔの出力電圧との差電圧に基づいて、電流発生部５を制御する方法が考えられる。電流制御部６は、光電変換素子２の遮光状態で信号蓄積部４に蓄積された信号値と、フォトトランジスタ１の電流増幅率がベース電流依存性をもたない場合の信号値との差に基づき、電流発生部５の出力電流Ｉａを制御する。遮光時における蓄積動作は、光入射時の蓄積動作と蓄積期間が同じである。

本実施形態は、対数変換の特性を利用して、低照度領域に対する光電変換特性を改善し、かつ電流増幅率がベース電流に依存しない照度領域に対する光電変換特性には影響を与えない適切な電流Ｉａを出力することが可能である。その結果、フォトトランジスタ１に加えられた電流成分を、後段で補正するような回路を必要とせず、光蓄積期間中に出力電流Ｉａを制御する必要がない。その結果、回路構成やシステム構成を複雑にすることなく、光電変換特性の線形性を改善することが可能となる。

また、電流発生部５は、光蓄積期間中に一定の電流Ｉａを出力すればよく、光電変換素子２に入射される光量や蓄積時間によって、光蓄積期間中に電流Ｉａを制御する必要がない。電流発生部５は、光電変換素子２の光入射状態（非遮光状態）でトランジスタ４２をオンして信号蓄積部４に信号が書き込まれている期間中に、一定の電流値を出力する。その結果、回路構成やシステム構成を複雑にすることなく光電変換特性の線形性を改善することが可能となる。

本実施形態では、フォトトランジスタ１の光電流値に基づき電流発生部５を制御する電流制御部６を設ける。これにより、フォトトランジスタ１の電流増幅率の低下が、製造要因などによりばらついた場合でも、フォトトランジスタ１のベースに適切なキャリアを注入することができ、良好な光電変換特性を得ることが可能となる。

本実施形態において、１つのフォトトランジスタ１に対して、電流発生部５及び電流制御部６が１組み対応する場合を例にとって説明したが、これに限るものではない。例えば、複数のフォトトランジスタで構成される光電変換装置の場合、電流制御部６を代表的なフォトトランジスタのみに設け、電流発生部５の制御を行う場合でも同様の効果を得ることが可能である。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による電流発生部５の構成例を示す図であり、図１の電流発生部５をより詳細に説明した実施形態を示す。図５において、フォトトランジスタ１、光電変換素子２、対数変換部３、信号蓄積部４及び電流制御部６は、図１と同等である。電流発生部５は、抵抗素子５５及び電圧源５６を有する。抵抗素子５５は、一端が光電変換素子２とフォトトランジスタ１のベースに電気的に接続され、他端が電圧Ｖａの電圧ノードに接続されている。電圧源５６は、電流制御部６の制御により電圧Ｖａを生成する。すなわち、電圧源５６は、フォトトランジスタ１のベースに加える電流Ｉａを発生させるのに適切な電圧Ｖａを、抵抗素子５５に供給する。これにより、上述した理由から低照度領域に対する光電変換特性の線形性を改善することが可能となる。本実施形態において、１つのフォトトランジスタ１に対して、電流制御部６及び電圧源５６が１組み対応する場合を例にとって説明したが、これに限るものではない。例えば、複数のフォトトランジスタで構成される光電変換装置の場合、電圧源５６を共通化し、電流制御部６を代表的なフォトトランジスタのみに設け、電圧源５６の制御を行う場合でも同様の効果を得ることが可能である。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態による電流発生部５の構成例を示す図であり、図１の電流発生部５をより詳細に説明した実施形態を示す。図６において、フォトトランジスタ１、光電変換素子２、対数変換部３、信号蓄積部４及び電流制御部６は、図１と同等である。電流発生部５は、可変抵抗素子５７を有する。可変抵抗素子５７は、一方が光電変換素子２とフォトトランジスタ１のベースに電気的に接続され、他方が電圧源等の定電圧Ｖａのノードに電気的に接続されている。可変抵抗素子５７は、電流制御部６により抵抗値が制御され、フォトトランジスタ１のベースに加える電流Ｉａを制御することが可能である。これにより、複数のフォトトランジスタで構成される光電変換装置の場合でも、各々のフォトトランジスタの特性に応じて適切な出力電流Ｉａを供給することが可能である。その結果、多画素化された光電変換装置に対しても、良好な光電変換特性を得ることが可能となる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態による電流発生部５の構成例を示す図であり、図１の電流発生部５をより詳細に説明した実施形態を示す。図７において、フォトトランジスタ１、光電変換素子２、対数変換部３、信号蓄積部４及び電流制御部６は、図１と同等である。電流発生部５は、ｐ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ５８を有する。ｐ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ５８は、ドレインが電圧源等の定電圧Ｖａのノードに電気的に接続され、ソースが光電変換素子２とフォトトランジスタ１のベースに電気的に接続され、ゲートが電流制御部６に接続されている。電流制御部６がｐ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ５８のゲート−ソース間電圧を制御することで、フォトトランジスタ１のベースに加える電流Ｉａを制御することが可能である。これにより、複数のフォトトランジスタで構成される光電変換装置の場合でも、各々のフォトトランジスタの特性に応じて適切な出力電流Ｉａを供給することが可能である。また、本実施形態は、図５及び図６で示した抵抗素子で構成する場合と比較して、微小電流の制御がし易い。更に、本実施形態は、抵抗素子で構成する場合と比較して、ｐ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ５８の方が素子を小さく構成することが可能である。その結果、多画素化かつ微細化された光電変換装置に対しても、良好な光電変換特性を得ることが可能となる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１フォトトランジスタ、２光電変換素子、３対数変換部、４信号蓄積部、５電流発生部、６電流制御部

Claims

光電変換により電流を生成する光電変換素子と、
前記光電変換素子により生成された電流をベースに入力し、前記入力された電流を増幅してエミッタより出力するフォトトランジスタと、
前記フォトトランジスタより出力された電流を対数変換する対数変換部と、
前記フォトトランジスタのベースに電流を出力する電流発生部と、
前記光電変換素子の遮光状態で前記対数変換部により対数変換された信号に基づき、前記電流発生部の出力電流を制御する電流制御部と
を有することを特徴とする光電変換装置。
前記電流制御部は、
前記対数変換部より対数変換された信号値を予め定められた値と比較する信号比較部と、
前記信号比較部の比較結果に基づき、前記電流発生部を制御するための制御信号を出力する制御信号発生部と
を有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
さらに、前記対数変換部により対数変換された信号を蓄積する信号蓄積部を有し、
前記電流制御部は、前記光電変換素子の遮光状態で前記信号蓄積部により蓄積された信号に基づき、前記電流発生部の出力電流を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。
前記電流制御部は、前記光電変換素子の遮光状態で前記信号蓄積部に蓄積された信号値と、前記フォトトランジスタの電流増幅率がベース電流依存性をもたない場合の信号値との差に基づき、前記電流発生部の出力電流を制御することを特徴とする請求項３記載の光電変換装置。
前記電流発生部は、前記光電変換素子の光入射状態で前記信号蓄積部に信号が書き込まれている期間中に、一定の電流値を出力することを特徴とする請求項３又は４記載の光電変換装置。
前記電流発生部は、
電圧ノード及び前記フォトトランジスタのベース間に接続された抵抗素子と、
前記電流制御部の制御により前記電圧ノードの電圧を生成する電圧源と
を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記電流発生部は、定電圧ノード及び前記フォトトランジスタのベース間に接続され、前記電流制御部により抵抗値が制御される可変抵抗素子を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記電流発生部は、ソース及びドレインの一方が定電圧ノード、他方が前記フォトトランジスタのベースに接続され、ゲートが前記電流制御部に接続される電界効果トランジスタを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。