JPS5845828B2 - ハンドウタイコウゾウケンシユツソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多数個の光検出手段とこれらをサンプル作動に
よって走査する電気的走査回路を単一の半導体基板内に
集積化してなる低雑音化された半導体光像検出装置に関
するものである。

現在主に検討されている半導体光像検出装置はホトダイ
オードを感光素子とし、これにスイッチング素子として
ＭＯ８電界効果トランジスタ（以下ＭＯ８Ｔと略記する
）を接続した光検知器を集積化してなるものである。

かかる光像検出装置の実用化にあたっては読出出力から
の雑音成分の除去ということが非常に大きな問題となっ
ている。

光像検出装置の雑音には種々のものがあるが、そのうち
代表的なものとして次の２つがあげられる。

すなわち、第１は、ＭＯ８Ｔをスイッチさせるためにゲ
ートに印加する信号読出し用電圧パルスがゲート・ドレ
イン間容量あるいはゲート・ソース間容量を通してビデ
オ出力ラインに漏れることに起因するスパイクノイズ、
あるいは桁送り計数器に印加されるクロックパルスの加
わるラインとビデオ出力ライン間の寄生容量等に起因す
るスパイクノイズである。

第２は受光窓あるいは受光窓以外から入射した光によっ
て励起されたキャリアの拡散によってスイッチングＭＯ
８Ｔのドレイン部で感知されるノイズ成分（以後擬信号
と呼ぶ）である。

これらの雑音成分のうちスパイクノイズのみの消去につ
いては、いろいろ検討されているが、究極、オンチップ
での差動増幅方式が有効である。

第１図は上記のノイズすなわちスパイクノイズとＭＯ８
Ｔのドレイン部の擬信号を差動増幅器を用いて消去する
ようにした従来の光像検出装置の回路図である。

第１図においてＰＤ１〜ＰＤｎは信号検出用ホトダイオ
ードであり、信号用スイッチングＭＯ８ＴＭ１〜Ｍｎの
ソースに接続される。

雑音検出用スイツチングＭＯ８Ｔ ＲＭ１〜ＲＭｎの
ソースに接続された雑音検出用ホトダイオードＲＤ１〜
ＲＤｎは雑音成分の検出に用いられるもので、常に暗状
態を保つように光学的にじゃへいされている。

ここで、雑音検出用ホトダイオードＲＤ１〜ＲＤｎ及び
雑音検出用スイッチングＭＯ８Ｔ ＲＭ１〜ＲＭｎは
それぞれ対応する信号検出用ホトダイオードＰＤ１〜Ｐ
Ｄｎ及び信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ、〜Ｍ
ｏと形状・構造が全く同じで、対称的（こ配置される。

ＳＰ、〜ＳＰｎは走査パルス印加ラインであり、２つの
スイッチングＭＯ８Ｔの各組Ｍ１− ＲＭ、 、・・
・・・・２Ｍｎ−ＲＭｎのゲートを共通駆動するもので
、桁送り計数器５に接続される。

信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ１〜Ｍｎの各ドレ
インを共通接続する信号出力線１には信号用負荷抵抗Ｒ
１が接続され、雑音検出用スイッチングＭＯ８Ｔ Ｒ
Ｍ、〜ＲＭｎの各ドレインを共通接続する雑音出力線２
には、雑音用負荷抵抗Ｒ２が接続される。

２つの抵抗には直流電源Ｂから負電位が与えられ、岡山
力線１及び２からの読出出力は差動増幅器３に入力され
る。

次に第１図の装置の回路動作を説明する。

例えば走査パルス印加ラインＳＰ１に電圧パルスが印加
され、２つのスイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ、 、 ＲＭ
ｌは導通状態となる。

その時、信号出力線１に現れる信号は、信号検出用ホト
ダイオードの接合が負荷抵抗Ｒ１、信号検出用スイッチ
ングＭＯ８Ｔ Ｍｌを通じて、電源Ｂと殆んど同じ電
位まで充電されるときの充電々流である。

しかして、この充電々流は１走査周期内にホトダイオー
ドがその入射光量に比例して放電した電荷量を補うもの
であり、したがってホトダイオードの入射光量に比例し
たものである。

さらに、この信号出力線１（こ現われる。

信号にはホトダイオードから読み出される入射光量に比
例した光信号の他に信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔか
ら発生するスパイクノイズ及びスイッチング’ＭＯ８Ｔ
のドレイン部で感知される擬信号の和も含まれる。

一方、雑音出力線２には、スパイクノイズ及びスイッチ
ングＭＯ８Ｔのドレイン部の擬信号の和が現われる。

第１図から明らかなように上記２つの出力線１，２に接
続される素子の形状・構造が全く同じであるから、上記
２つの出力線１，２に現われる雑音成分、すなわち、ス
パイクノイズとスイッチングＭＯ８Ｔのドレイン部の擬
信号の和は殆んど等しく、したがって、差動増幅器３（
こよって上記２つの雑音成分は、原理的にはほぼ完全に
消去されるはずである。

しかし、かかる方式を半導体の１チツプ上に設計した場
合、走査パルス印加ラインＳＰ１〜ＳＰｎを信号検出用
スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ１〜Ｍｎおよび雑音検出用
スイッチング’ＭＯ８Ｔ ＲＭ１〜ＲＭｎのゲートま
で長く配線しなければならず、両スイッチングＭＯ８Ｔ
のゲート・ソース間の重なり容量が犬ぎくなり、大きな
スパイクノイズをひきおこす。

また、受光部から入射された光によって励起されたキャ
ｊアが拡散し励起キャリアが雑音検出用ホトダイオード
に蓄積され、飽和光量以上の光を信号検出用ホトダイオ
ードにあてると、信号検出用ホトダイオードから読み出
される信号は一定値を示すが、雑音検出用ホトタイオー
ドから読み出される信号は入射光量に比例して大きくな
る。

その結果、差動増幅器の出力は、本来、飽和光量以上の
光入射に対して、一定の飽和値を示さねばならないが、
かかる方式では一定の飽和値を示さず、入射光量に比例
して徐々に減少し、誤動作し、通常の使用に耐え難いも
のであった。

すなわち、従来の低雑音半導体光像検出装置には上記し
たような雑音面での不都合があった。

本発明は上述の諸点に鑑みて種々の雑音成分をほぼ完全
に消去するべくなされたもので、多数の接合感光素子な
らびに同接合感光素子からの信号を読み出すためのスイ
ッチング素子からなる光検出回路部と、上記感光素子に
対応して、その接合の面積が上記感光素子のそれより著
しく小で、かつ、光じゃへいされた接合素子ならび（こ
同接合素子からの信号を読み出すためのスイッチング素
子からなる雑音検出回路部とを互いに対称的に配置し、
上記両スイッチング素子の制御電極である駆動ゲート電
極を共通接続して、これに読出し走査パルスを印加する
とともに、上記光検出回路部からの光信号と上記雑音検
出回路部からの発生信号とを差動増幅器へ導いて、同差
動増輻器からの光体信号を検出するように構成したこと
を特徴としている。

以下、図面とともに本発明の一実施例について詳述する
。

説明はｐｎホトダイオード−ｐチャンネルＭＯ８Ｔにつ
いて行なうが、ｎｐホトダイオードｎチャンネルＭＯ８
Ｔでも本質的動作は同じである。

第２図において、破線内は単一の半導体基板内に作り込
まれており、破線上の丸印は外部入出力端子である。

また走査パルス発生装置である桁送り計数器５はダイナ
ミックなものであり、公知の装置である。

Ｍ１〜Ｍｎは信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔであり、
同ＭＯ８Ｔのソース部分と半導体基板間を信号検出用ホ
トダイオードＰＤ１〜ＰＤｎとし光検出回路部を構成し
である。

信号検出用スイッチング゛ＭＯ８Ｔ Ｍ１〜Ｍｎのドレ
インは互いに共通接続し、信号出力線１を介して、差動
増幅器３の一方の入力端子につなぐ。

ＲＭ１〜ＲＭｎは雑音検出用スイッチング’ＭＯ８Ｔで
あり、同ＭＯ８Ｔのソース部分と半導体基板間を雑音検
出用ホトダイオードＲＤ１〜ＲＤｎとしており、雑音検
出回路部を構成している。

雑音検出用ホトダイオードＲＤ、〜ＲＤｎは雑音成分の
検出に用いられるもので、常に暗状態に保たれており、
受光窓又は受光窓以外より入射した光によって励起され
たキャリアの拡散による光ノイズが雑音検出用ホトダイ
オードＲＤ、〜ＲＤｎに蓄えられないよう、ソース部（
雑音検出用ホトダイオードＲＤ１〜ＲＤｎ）を極力小さ
くする。

雑音検出用ホトダイオードＲＤ１〜ＲＤｎの面積は信号
検出用ホトダイオードＲＤ１〜ＲＤｎの面積より著しく
小さく、通常１０分の１以下、好ましくは５０分の１〜
１０００分の１にするのがよい。

雑音検出用ＭＯ８Ｔ ＲＭ、〜ＲＭｎのドレインは互
いに共通接続され、雑音出力線２を介して差動増幅器３
の他方の入力端子につなぎ、さらに信号出力線１及び雑
音出力線２はそれぞれ負荷抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電源
Ｂに接続される。

両スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ１〜Ｍｎ、ＲＭｌ−ＲＭｎ
はソース部の面積が異なること以外形状構造は全く同じ
ものである。

さらに両スイッチングＭＯ８Ｔの組Ｍ、−ＲＭｎ、−、
−、Ｍｎ−ＲＭｎの制御電極としてのゲートをそれぞれ
共通接続し、それぞれに走査パルス印加ラインＳＰ１〜
Ｓ ＰｎＧこつなぐ。

次に第２図の装置の回路動作を説明する。

信号検出用ホトダイオードＰＤ１〜ＰＤｎに光情報を入
射し、蓄積した後、桁送り計数器５を動作させ、まず第
１の走査パルス印加ラインＳＰ１に負の電圧パルスを印
加すると、信号検出用スイッチングＭＯ３Ｔ Ｍ、およ
び雑音検出用スイッチングＭＯ８ＴＲＭ１が導通状態と
なる。

このとき信号用負荷抵抗Ｒ１には信号検出用ホトダイオ
ードＰＤ１に蓄積された光情報に対応する信号、及び信
号検出用スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍｌから発生するス
パイクノイズ、さらには同スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ
ｌのドレイン部にて感知される擬信号の和の出力信号が
現われる。

一方、雑音用負荷抵抗Ｒ２には雑音検出用ホトダイオー
ドＲＤ、が暗状態にあるため、スパイクノイズ及び擬信
号の和が現われる。

ここで第２図から明らかなように上記２つの出力線１゜
２に接続される素子は両ホトダイオードＰＤ１゜ＲＤｌ
の面積が異なる以外、形状、構造、数が同じであり、さ
らに、２つの出力線１，２を半導体のチップの短軸方向
にできる限り近づけており、その結果、上記の２つの負
荷抵抗Ｒ，、Ｒ２に現われる雑音成分、すなわちスパイ
クノイズ、擬信号の和は殆んど等しい。

したがって差動増幅器３によって雑音成分はほぼ完全に
消去され、増幅器３の出力端子４からの光情報に対応し
た信号のみが増幅されて出力される。

次に走査パルスが走査パルス印加ラインＳＰ２に移ると
スイッチングＭＯ８Ｔ Ｍ２．ＲＭ２が導通状態となり
、前段の動作と同様にして信号検出用ホトダイオードＰ
Ｄ２に蓄積された情報信号の増幅された出力パルスのみ
が差動増幅器３の出力端子４に現われる。

このようにして信号検出用ホトダイオードＰＤ１〜ＰＤ
ｎに入射した光情報に対応する出力電圧パルス列を雑音
成分が完全に消去された状態で順次読み出すことができ
る。

以上の説明から、本実施例による装置によれば、大きさ
を極力小さくした雑音検出用ホトダイオードをソース部
とするＭＯ８Ｔ１個分の幅をチップの短軸方向に付加す
るだけで、はぼ等しい雑音成分が信号、雑音の岡山力線
に現われ、差動増幅器における雑音成分の相殺がほぼ完
全になされ、その結果チップの短軸方向の長さが短かく
なることと、雑音検出用ホトダイオードのチップの短軸
方向の長さが短かくなることから両スイッチング″ＭＯ
８Ｔのゲートを接続する走査パルス印加ラインが短かく
なり、ＭＯ８Ｔのゲート・ソース間の重なり容量に起因
するスパイクノイズを極力おさえることができる。

第３図は第２図で説明した光像検出装置をシリコン基板
上にて構成した光検出部の部分的平面図である。

第３図において区分４５は第２図における桁送り計数器
５の相応部を示し、ホトダイオードとスイッチング’Ｍ
Ｏ８Ｔとからなる光検知アレイが上下２段に対をなして
並んでいる。

以下の説明では多数の対をなす光検知部の１構戒単位に
ついて詳述する。

ｎ型半導体基板とｐ十拡散領域２１からなるｐ 十ｎ接
合を光情報用ホトダイオードとして用い、また、同ｐ十
拡散領域２１はソースとしても用い、導通電極２４を有
する他のｐ十拡散領域（ドレイン）２３、ゲート部２２
と共に１個の信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔを構成し
ている。

同様（こして雑音検出円ホトダイオードとしても用いて
いるｐ十拡散領域（ソース）３１は導通電極３４を有す
る他のｐ十拡散領域（ドレイン）３３、ゲート部３２と
共に雑音検出用ＭＯ８Ｔを構成している。

両スイッチングＭＯ８Ｔのゲート、ドレインの形状・構
造が全く同じで、ソース部のみ異っている。

すわなち、雑音検出用スイッチングＭＯ８Ｔのソース部
３１の面積が信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔのソース
部２１の面積に比べ著しく小さくなっている。

導通路４１は走査パルス印加ラインに相当し、かつ、信
号用及び雑音用スイッチングＭＯ８Ｔのゲート２２．３
２を共通接続するものである。

また信号検出用スイッチングＭＯ８Ｔのドレイン２３は
導通電極２４を通じて信号用出力線２５に結合し、雑音
検出用スイッチング゛ＭＯ８Ｔのドレイン３３は導通電
極３４を通じて雑音用出力線３５と結合している。

光の入射を許す受光領域６０（これは通常酸化膜でおお
われている）は信号検出用ホトダイオードの上に設け、
ｐ十拡散領域２１のほぼ中央に位置せしめる。

さらに受光領域６０以外のチップ上は入出力線等の配線
上支障のない限り、光じゃへい効果のある被膜６１でお
おう。

そして、常に暗状態を保った雑音検出用ホトダイオード
３１はもちろん、信号用及び雑音用スイッチングＭＯ８
Ｔ部も確実に光じゃへいする。

またアレイのないチップの周囲の部分もできる限り光じ
ゃへいし、受光窓以外から入射する光をできる限り小さ
くする。

アルミ蒸着膜を光じゃへい膜とした被膜６１において留
意すべきことは、スイッチングＭＯ８Ｔのドレイン２３
から信号出力線２５に近接して伸びた被膜６１の終端６
２までの長さであり、出力線２５と被膜６１の終端６２
との間にある開口領域６３から入射する光が直接ドレイ
ン部２３で感知される度合を極力抑える距離が必要で、
本実施例では励起キャリアのライフタイムおよび素子構
成の密度性から８０μｍとしている。

また雑音発生部においても同様８０μｍとしている。

方、受光窓６０の幅は光像検出装置の解像度特性等によ
りホトダイオードのピッチ幅に等しく５０μｍとしてい
る。

また信号検出用ホトダイオードのｐ十拡散領域２１は電
荷蓄積モードで働かすのに必要な犬ぎな面積を備えてい
る。

第３図に示すパターンを持つ光像検出装置は第１図にお
いて説明した従来の技術の光像検出装置を作るのに必要
なＭＯ８技術を利用して、１個のシリコンチップ上に製
作でき、光じゃへい用の被膜にはアルミ蒸着膜を用いる
のが最も簡便である。

また、第３図の回路では光検知素子の１構戒単位当り大
きなソース部を持つ１個のＭＯ８Ｔと、チップの短軸方
向に小さなソース部を持つ１個ｐＭＯ８Ｔを付加するだ
けでよく、従来例に比べて短軸方向の長さが短かくなり
、多ビット化する場合にも製作技術的に有利である。

実際第３図に示すパターンを持つ６４ビツトの光像検出
装置を試作したところ、雑音検出用ホトダイオードの面
積が小さくても（信号検出用ホＩ・ダイオードの面積は
雑音検出用ホトダイオードの面積の８００倍とした）充
分低雑音化の効果を発揮シ、スパイクノイズ、ドレイン
部の擬信号がほぼ完全に消去され、ホトダイオードが飽
和する数倍の光入射に対しても、光学的配置も充分に考
慮した本装置は誤動作が少なく安定に動作した。

また暗状態に近い低レベルの光入力の場合−ども雑音成
分が殆んど含まれない均一な光信号パルス波形が得られ
、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）も確実に５０ｄＢ以上のも
のが得られた。

なお、上記の実施例では感光素子としてホトダイオード
を用いたが、ホトトランジスタ等を用いた場合にも全く
同様な効果が期待されることはいうまでもない。

以上詳述したように、雑音検出回路部の接合素子の接合
部面積が、光検出回路部の接合感光素子の接合部面積よ
りも著しく小さいことを特徴とする本発明の半導体光像
検出装置は、雑音検出回路部の接合素子の接合面積が小
さいために、またその結果パルス印加ラインが短かくな
るために、入射光により励起されたキャリヤの拡散によ
る光ノイズが雑音検出用ホトダイオードに蓄えられず、
またゲート・ソース間の重なり容量に起因するスパイク
ノイズも極力抑圧でき、差動増幅器から出力される信号
は雑音成分がほとんど完全に消去されることになり、実
用的効果の非常に高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の低雑音半導体光像検出装置の回路図、第
２図は本発明にかかる低雑音半導体光像検出装置の回路
図、第３図は本発明にかかる低雑音半導体光像検出装置
の部分平面図である。 ＰＤ１〜ＰＤｎ・・・・・・信号検出用ホトダイオード
、Ｍ１〜Ｍｎ・・・・・・信号検出用スイッチングＭＯ
Ｓ Ｔ 。 ＲＭ１〜ＲＭｎ・・・・・・雑音検出用スイッチング１
！ｖｉＯ８Ｔ。 ＲＤ１〜ＲＤｎ・・・・・・雑音検出用ホトダイオード
、ＳＰ１〜ＳＰｎ・・・・・・走査パルス印加ライン、
Ｒ１・・・・・・信号用負荷抵抗、Ｒ２・・・・・・雑
音用負荷抵抗、Ｂ・・・・・・電源、１・・・・・・信
号出力線、２・・・・・・雑音出力線、３・・・・・・
差動増幅器、４・・・・・・差動増幅器の出力端子、５
・・・・・・桁送り計数器、２１・・・・・・信号検出
用ソース部、２２・・・・・・信号検出用ゲート部、２
３・・・・・・信号検出用ドレイン部、３１・・・・・
・雑音検出用ソース部、３２・・・・・・雑音検出用ゲ
ート部、３３・・・・・・雑音検出用ドレイン部、６０
・・・・・・受光窓、６１・・・・・・光しやへい用被
膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 接合感光素子と前記接合感光素子に主電極の一方が
   接続される第１のスイッチング素子との接続体を複数個
   並べてなる光検出回路部と、前記接合感光素子の接合部
   面積より著しく小さい接合部面積を有しかつ光じゃへい
   された接合素子と、該接合素子に主電極の一方が接続さ
   れる第２のスイッチング素子との接続体を複数個並べて
   なり、かつ前記光検出回路部と同一横取で前記光検出回
   路部と対称配置された雑音検出回路部と、前記第１およ
   び第２のスイッチング素子の共通接続された制御電極に
   つながる走査パルス発生装置部と、前記光検出回路部と
   前記雑音検出回路部とにそれぞれ接続された差動増幅器
   とを備えたことを特徴とする半導体光像検出装置。