JPH11512244A - プログラム化可能なオフセット電流を有する光検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プログラム化可能なダイナミクスを有する光電的な半導体光検知装置が記載されている。当該半導体光検知装置は、光電的な半導体フォトエレメント、好ましくはフォトダイオードを有する。当該フォトダイオードによって、ぶつかる光強度が、比例した光電流に変換可能である。対応するチャンネルタイプの、飽和状態で作動させられる第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタのドレインが、前記半導体フォトエレメントと、すなわち前記フォトダイオードのカソードまたはアノードと接続されており、且つそのソースが、一定ポテンシャルに保持されている。第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタが、予め定められた可変の電荷量を第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲートに与える。第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲートには、キャパシターが設けられている。インテグレーション装置によって、オフセット電流と光電流との差がインテグレート可能である。第三のＭＯＳ型電界効果トランジスタがスイッチとして作動可能である。第三のＭＯＳ型電界効果トランジスタによって前記インテグレーション装置が読み取られ、且つ再び所定値にリセットされる。

Description

【発明の詳細な説明】 プログラム化可能なオフセット電流を有する光検知装置 本発明は、請求項１の上位概念に記載の、プログラム化可能なオフセット信号 による高いダイナミクス（動的性能、ダイナミックパフォーマンス）を有する光 電的な半導体光検知装置に関する。 光電的な半導体光検知装置の感度を全体で、すなわちすべてのイメージポイン ト（スキャニングエレメント）について同時に低下させる周知の方法は、例えば Ｈ.Ａkimoto、Ｈ.Ｏno、Ｍ.Ｎakai、Ａ.Ｓato、Ｔ.Ｓakai、Ｍ.Ｍaki、Ｍ.Ｈiki ba、及びＨ.Ａndoの"Ｌateral overflow-gate shutter for ＣＣＤ image senso rs",Ｐroc.ＳＰＩＥ,Ｂd.1656,Ｓ.550-557(1992)に記載されているような、いわ ゆる電子工学的なシャッターである。その際、電子工学的なスイッチがインテグ レーション時間（積分時間、集積時間）の一部の間だけ、すなわちいわゆる露出 時間の間だけ、フォトンによって発生させられるキャリア（チャージキャリア） のインテグレーション（積分、集積）のために開かれる。それによって、すべて のイメージポイントの感度が同時にインテグレーション時間／露光時間のファク タだけ低下させられ得る。 このオン・オフ・スイッチ技術をイメージセンサーの各イメージポイントにつ いて個別に利用することを可能にする方法は、Ｓ.Ｃhen及びＲ.Ｇinosarの"Ａda ptive sensitivity ＣＣＤ image sensor",Ｐroc.ＳＰＩＥ,Ｂd.2415,ＳＵＭ.30 3-309(1995)に記載されている。しかしながら、この技術では、すべてのイメー ジポイントがイメージ記録(Ｂildaufnahme) のあいだに迅速に且つ何度も繰り返してトリガーされる(ゲートされる、制御さ れる)。したがって、この技術は、実際的に、数十万のイメージポイントを有す る比較的大きなイメージセンサーには使用できない。 オフセット電荷量をフォトンによって発生させられたインテグレートされた（ 積分された、統合された、集積された）電荷量から減ずる周知の技術は、Ｗ.Ｙa ngの"Ａnalog ＣＣＤ processors for image filtering",Ｐroc.ＳＰＩＥ,Ｂd.1 473,ＳＵＭ.114-127(1991)に記載されているような、ＣＣＤテクノロジーのいわ ゆる「フィル・アンド・スピル」法("Ｆill-and-Ｓpill"-Ｍethode)である。その 際、オフセット電荷量に対応する深さのポテンシャル井戸が作り出される。これ のほかに、フォトンによって発生させられた電荷量に対応する深さをもつ、それ ゆえ比較していくらか深いポテンシャル井戸が作り出される。これらのポテンシ ャル井戸にキャリアをあふれるほど供給した場合は、いくらか深いほうのポテン シャル井戸に、オフセット電荷量と光電荷との間の差電荷量に比例する電荷量が 残る。この技術は、差電荷量がオフセット電荷量のパーセント領域にある場合に だけ確実に働く。 別の周知の技術は、電荷増幅器のフィードバック回路に電流蓄積エレメントを 挿入すること、すなわちフィードバック回路にキャパシター（蓄電器、コンデン サー）を備える演算増幅器（オペアンプ）を挿入することに基づく。これは、Ｅ .Ｒ.Ｆossum及びＢ.Ｐainの"Ｉnfrared Ｒeadout Ｅlectronics for Ｓpace Ｓc ience Ｓensors: Ｓtate of the Ａrt and Ｆuture Ｄirections",Ｐroc.ＳＰＩ Ｅ,Ｂd.2020,Ｓ.262-285(1993)に記載されている。インテグレーションキャパシ ター（集積蓄電器、積分コンデンサー） に電流電源が並列に接続されているので、実質的にインテグレートされる電荷量 として、フォトンによって発生させられる電荷量からこの電流電源より供給され るオフセット電荷量を引いた差が生じる。この刊行物には、赤外線センサー技術 のためのこの技術によってバックグラウンド電流と固定パターンノイズとの有効 な補整（補償）が達成されたことが記載されている。しかし、これには著しい回 路技術的な経費をともなう。キャパシターにかかる、kＴ/eと比較して小さい電 圧に対して、すなわち数十mＶに対して、トランジスタは、もはや飽和領域で作 動させられ得ず、したがってこの技術では非線形性をもって計算されなければな らない。 本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載された種類の光電的な半導体光検 知装置を、高いダイナミクスをもつ光電的な半導体光検知装置の場合にオフセッ ト電流がプログラム化され得るように構成することである。 前記課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決さ れる。 有利には、本発明は、半導体光検知装置の感度（敏感さ）が低下させられ、且 つそれによって、検知されるべき高ダイナミック領域に適合させられ得ることを 可能にする。これは、複数の半導体光検知装置が設けられているときに、それぞ れの半導体光検知装置で個々に、プログラム化可能に（プログラム化可能な方法 で）実行され得る。本発明に従う半導体光検知装置は、大きな線形性を特徴とす る。 本発明の対象物の有利な別の構成は、従属項からわかる。 本発明に係る光電的な半導体光検知装置では、オフセット電流が調 整可能であり、且つ７０(Ｓieben Ｄekaden)より多くについて選択され得る。 本発明に係る光電的な半導体光検知装置は、最も簡単な構成では、一つのフォ トダイオード、三つのトランジスタ、及び一つのキャパシターだけからなる。そ れによって、多数のそのような光電的な半導体光検知装置が簡単な方法で一次元 の及び二次元のイメージセンサーに組み合わされ得る。その際、当該センサーの 最大のサイズについて原理的な限界はない。オフセット・フォトダイオード・イ メージポイントの最小の面積は、従来のオフセット・プログラム化可能でないフ ォトダイオード・イメージポイントより本質的でない程度にしか大きくない。そ れによって、各イメージポイントの不均一性（非一様性）を互いに補償（補整、 均一化）するために、及びイメージセンサーのダイナミクスをプログラム化可能 に且つ問題に適合して既知の値の何倍にも増大させるために、非常に有効な手段 が与えられる。 本発明の一つの実施形態では、フォトダイオード及びプログラム化可能なオフ セット電流電源からなる前述の装置に周期的な信号の解析のための周知の評価装 置が続いている。これにおいて、本発明は、バックグラウンド信号の大部分が減 じられ得る（引き去り得る）ことによって、わずかな変調深度、すなわち変調振 幅を有する信号の周知の交流カップリングの代理をする。この形で、本発明は、 光学的な測定 り、且つ非常に小さい変調深度をもつ信号が発生する至る所で用いられる。これ らの場合には、本発明によって、比較して顕著に大きい電気的な変調深度が達成 され得る。そのような使用の例は、脈動させら れた、すなわち時間的に変調された光源の使用を基礎とするすべての測定原理を 含む。これについての一つの例は、光学的な距離測定のための伝播時間測定(Ｌa ufzeitmessungen)である。 本発明は、一次元及び二次元の、時間的に交替する、高ダイナミクスのイメー ジデータの検知も可能にする。その際、時間的に及び位置的に、オフセット電流 の適当な選択及びプログラム化によって、信号のダイナミクスが制限され、それ によって、もはや多くの小さい電荷差を測定しさえすればよい。典型的な使用は 、高いダイナミクスと大きなバックグラウンド信号とが生じる、電子工学的な写 真術、ビデオ技術、及び光学的な測定技術に現れる。 本発明は、電磁放射を光電的な半導体光検知装置を使って検知する必要があり 且つ高いダイナミック領域(ein hoher dynamischer Ｂereich)を要求するすべて の分野で有利に使用され得る。ダイナミック領域という言葉は、この文脈では、 最大の検知可能な放射と最小の検出可能な放射との比のことを意味する。 特に、本発明に係る光電的な半導体光検知装置は、一次元及び二次元の多重配 置（多重装置、Ｖielfachanordnung）に組み立てられ得る。それによって、極度 に大きいダイナミック領域をもつ行センサー(走査線センサー、水平センサー、 Ｚeilensensor)あるいはイメージセンサーが生まれる。各光電的な半導体検知装 置は、個々にプログラム化され得る。 本発明の別の有利な応用は、ビデオ技術用のような可視スペクトル領域及び近 赤外線スペクトル領域でのイメージデータの検知に関する。自然のシーン（光景 ）のイメージデータが非常に大きなダイナミクス を有することは周知である。 本発明の別の応用領域は、赤外線センサー技術である。その際、イメージデー タには、しばしば大きなバックグラウンド信号が重なっており、且つ主要な測定 データは、結局、局所的な温度差に基づくこのバックグラウンドに対する差にす ぎない。 本発明の別の応用分野は、次のような光学的な測定技術である。すなわち、当 該測定技術では、測定課題に関連しては興味が無く邪魔なだけな大きなバックグ ラウンドと重ね合わされている変調された光分布が発生する。 さらに、本発明は、検知原理あるいは製造の際の欠陥に基づいて、測定の邪魔 になる大きなバックグラウンドを有する（例えば、オフセット電流あるいは小さ なリーク抵抗）光電的な光検知エレメントによる信号の改善のために使用され得 る。 その他の応用分野は、広い範囲の距離内で可変の周囲光内にある対 Ｌicht)の検知に基づく測定原理に関する。後方散乱された光の強度は近似的に 対象の距離の二乗で減少するが、しかしバックグラウンド光は第一近似では短時 間には変化しないままであるので、本発明が周囲光の補償のために使用され得る 。その際、信号光検知のダイナミクスははるかに高められ得る。 以下に、本発明の対象物を実施形態をもとにして図面に関連して詳細に説明す る。 図１は、本発明の第一の実施形態を示す図である。 図２は、本発明の可能な信号読み取り方式の図である。 図３は、そのゲート電圧の関数としての第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ を通る電流の推移を示す図である。 図１に示された実施形態の場合には、光電的な半導体光検知装置がフォトダイ オード１の形での半導体フォトエレメント（半導体フォトセル）を有する。当該 フォトダイオードは、入射する光強度を、比例した光電流密度に変換する。この 光電流密度は、技術のこの分野で知られているように、１０を単位とする８〜１ ０組（８０〜１００）に アである。フォトダイオード１のカソードは、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ２ のドレインと接続されている。このＭＯＳ型電界効果トランジスタには、ソース とドレインとの間に明らかにkＴ/eよりも大きい電圧Ｖ_iが与えられている。ここ で、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは電気素量を表す。それによって、 当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタは、飽和と呼ばれる状態で作動させられる( Ｃ.Ａ.Ｍead,"Ａnalog ＶＬＳＩ and Ｎeural Ｓystems",Ａddison,Ｗesley,Ｒe ading(1989)参照)。その際、当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタを通る電流は、 もはやソースとドレインとの間の電位差にほとんど依存せず、ゲート・ソース電 圧に依存するにすぎない。前述の文献では初期効果(Ｅarly-Ｅffekt)と呼ばれる 、この電流電源の理想的な挙動からのほんの少しだけのずれは、本発明に係るこ の実施形態の作動方法に対しては二義的である。なぜならば、ＭＯＳ型電界効果 トランジスタのドレインでの電圧変化が半導体フォトエレメントとしてのフォト ダイオードの場合には光強度とともに対数的にしか増大しないからである。 このＭＯＳ型電界効果トランジスタ２のゲート３に電圧が付与され ると、数百ミリボルトまでのゲート電圧の場合には、ゲート電圧にエクスポーネ ンシャルに（指数関数的に）依存する電流が流れる。この領域は、閾下領域(Ｓu bthreshold-Ｒegion)と呼ばれる。１ボルトよりいくらか低い典型的な電圧の場 合に、電流・電圧特性曲線は傾斜がゆるやかになり、電流増大は、ゲート電圧に 二乗で依存するにすぎない。それによって、対応するイメージポイントについて オフセット電流をｆＡからマイクロアンペアまであるいはより大きい値までの範 囲で、ゲート電圧により調整しうるプログラム化可能な電源が与えられる。これ に関しては図３を参照のこと。 フォトダイオード１のカソードでｐチャンネルＭＯＳ型電界効果トランジスタ と結合しているフォトダイオード１を有する図示された構成の代わりに、選択的 に、ｎチャンネルＭＯＳ型電界効果トランジスタがフォトダイオード１のアノー ドと電圧の意味に即した選択で構成されてもよい。 ゲート３に必要とされる電圧は、二つの方式で蓄積され得る。一つの可能性は 、そのつどプログラム化ＭＯＳ型電界効果トランジスタ５を介して電圧電源Ｖ_r に接続され得るメモリキャパシター４である。プログラム化された電圧値が比較 的長い時間間隔にわたって維持され得るもう一つの可能性は、トンネル電流によ ってアナログ式に電荷量を付与され得るいわゆるフローティングゲートとしてゲ ート３を構成するということである。 この原理は電気的にプログラム化可能なメモリモジュール(ＥＥＰＲＯＭs)の 技術から知られている（１９９４年８月９日に特許を付与されたＴ.Ｐ.Ａllen及 びＪ.Ｂ.Ｃserの米国特許第０５３３６９３６ 号、名称"Ｏne-transistor adaptable analog storage element and array"参照 )。この技術の利用の際には、プログラム化ＭＯＳ型電界効果トランジスタ５に よりトリガー(Ａnsteuerung)が行われる。しかしながら、当該プログラム化ＭＯ Ｓ型電界効果トランジスタは、ゲート３との直接伝導する接点をもはやもってお らず、薄いゲート酸化物を介してゲート３と接続されているにすぎない。 読み取りのためのメモリキャパシターの、イメージポイントについての個々の 制御（トリガー）は第三のＭＯＳ型電界効果トランジスタ８を用いて行われる。 当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタにおいては、そのゲートが対応してトリガー される。このことは、同時に実行され得る、あるいは時間的に相前後して連続し ても実行され得る。このようにして、固有のオフセット電流を有する各イメージ エレメント（ピクセル）のそれぞれの電源（電流電源）がプログラム化され得る 。 それによって、フォトダイオードのアウトプットに、光電流と個々にプログラ ム化されたオフセット電流との間の差に等しい信号電流が与えられる。この信号 電流は、周知の技術によって所望の信号にインテグレートされ得る。このために 、最も簡単な場合には、（逆バイアスを与えられた）フォトダイオード１の障壁 キャパシター（６）が使用される。 しかし、上述のように、図２に示すようにリセット可能な電荷積分器（チャー ジインテグレータ）７が使用されてもよい。それによって、光電的な光検知装置 の場合に比較的長い波長領域において周知のごとく発生するように、光電的な光 検知装置の小さい平行抵抗に比べて敏感さ（感度）が減少させられる、という利 点が生じる。従来技術から 周知であるような、差電流のインテグレーションのための別の周知の実施形態は 、例えば、Ｅ.Ｒ.Ｆossum及びＢ.Ｐainの前述の刊行物に記載されている。 一つまたは複数のインテグレーションキャパシターの読み取り及びリセットは 、周知の読み取りトランジスタ８によって行われる。当該読み取りトランジスタ は、周期的に読み取り導線を各イメージポイントと接続する。この読み取り導線 を使って、信号電荷が流れ出ることが可能であり、それが周知の検知回路によっ て検出される。その代わりに、電荷信号の第一のインピーダンス変換がイメージ ポイントの箇所でも、アクティブ・ピクセル・センサー(ＡＰＳ)の分野で使用さ れる周知の技術によって行われ得る。それによって、アウトプットノイズレベル の低下も達成され得る。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 定値にリセットされる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プログラム化可能なオフセット信号による高いダイナミクスを有する光電的 な半導体光検知装置にして、半導体フォトエレメントを有し、当該半導体フォト エレメントによってそれに当たる光強度を比例した光電流に変換し得る半導体光 検知装置において、 ドレインが前記半導体フォトエレメント（１）と連結されており且つソースが 一定のポテンシャルＶ_iに保たれている、対応したチャンネルタイプの、飽和し て作動させられる第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）と、 予め定められた変化させられ得る電荷量を前記第一のＭＯＳ型電界効果トラン ジスタ（２）のゲートに与えることができる第二のＭＯＳ型電界効果トランジス タ（５）と、 前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられた キャパシター（４）と、 オフセット電流と光電流との差をインテグレート可能なインテグレーション装 置と、 前記インテグレーション装置を読み取ることが可能であり且つ再び指定された 値にリセットすることが可能である、スイッチとして作動させられ得る第三のＭ ＯＳ型電界効果トランジスタ（８）と、 を特徴とする半導体光検知装置。 ２．前記半導体フォトエレメントがフォトダイオード（１）であり、そのカソー ドまたはアノードが、前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタのチャンネルタ イプに依存してそのドレインと接続されている ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体光検知装置。 ３．前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられ たキャパシター（４）が、前記第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（５）との 直接の接続部を有するインテグレートされたキャパシターとして構成されている ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体光検知装置。 ４．前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられ たキャパシター（４）が、前記第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（５）との 直接の伝導性の接続部のないフローティングゲートキャパシターとして構成され ていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体光検知装置。 ５．前記差電流が前記フォトダイオード（１）の障壁キャパシターあるいはチャ ージインテグレータ（７）でインテグレートされることを特徴とする、請求項２ に記載の装置。 ６．上述の請求項のいずれか一項に記載の光電的な半導体光検知装置の一次元あ るいは二次元の多重配置から構築されていることを特徴とするイメージセンサー 装置。 ７．それぞれの光電的な半導体光検知装置を、個々に可変の速度で、オフセット 電流によってプログラム化し得る装置が設けられており、当該オフセット電流が 光検知の際に減じられることを特徴とする、請求項５に記載のイメージセンサー 。 ８．すべての光電的な半導体光検知装置が同一のオフセット電流でプログラム化 可能であることを特徴とする、請求項６に記載のイメージセンサー。