JP2000083198A - 光センサ回路およびこれを用いたイメージセンサ - Google Patents
光センサ回路およびこれを用いたイメージセンサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 開口率が大きくて感度の良い画素を構成する
ことができる光センサ回路およびこの回路を用いたイメ
ージセンサを得る。 【解決手段】 光信号をセンサ電流に変換する光導電膜
Ｌ１と、変換したセンサ電流を弱反転状態で対数特性を
有する検出電圧に変換するＭＯＳトランジスタＱ１と、
このＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設され
たコンデンサＣと、光信号を検出する際に上記ＭＯＳト
ランジスタのゲート電圧にリセット用電圧を印加してド
レイン−ソース間のインピーダンスを低下させてコンデ
ンサの充電または放電を制御するゲート電圧ＶＧとを備
えて光センサ回路が構成される。この光センサ回路は、
光導電膜Ｌ１が変換したセンサ電流が所定電流以下の電
流である場合には、コンデンサＣの充電電流または放電
電流に比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備
え、光導電膜Ｌ１が変換したセンサ電流が所定電流を超
える電流である場合にはＭＯＳトランジスタＱ１の負荷
特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出する対
数応答領域を備える。
ことができる光センサ回路およびこの回路を用いたイメ
ージセンサを得る。 【解決手段】 光信号をセンサ電流に変換する光導電膜
Ｌ１と、変換したセンサ電流を弱反転状態で対数特性を
有する検出電圧に変換するＭＯＳトランジスタＱ１と、
このＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設され
たコンデンサＣと、光信号を検出する際に上記ＭＯＳト
ランジスタのゲート電圧にリセット用電圧を印加してド
レイン−ソース間のインピーダンスを低下させてコンデ
ンサの充電または放電を制御するゲート電圧ＶＧとを備
えて光センサ回路が構成される。この光センサ回路は、
光導電膜Ｌ１が変換したセンサ電流が所定電流以下の電
流である場合には、コンデンサＣの充電電流または放電
電流に比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備
え、光導電膜Ｌ１が変換したセンサ電流が所定電流を超
える電流である場合にはＭＯＳトランジスタＱ１の負荷
特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出する対
数応答領域を備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照度に応じたセン
サ出力を検出する光センサ回路およびこれを用いたイメ
ージセンサに関し、特に、ダイナミックレンジが広く、
感度が高く、且つＳ／Ｎ比の大きな光センサ回路および
これを用いたイメージセンサに関する。
サ出力を検出する光センサ回路およびこれを用いたイメ
ージセンサに関し、特に、ダイナミックレンジが広く、
感度が高く、且つＳ／Ｎ比の大きな光センサ回路および
これを用いたイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】光センサ回路をマトリクス状に組み合わ
せてなるＭＯＳ型や、ＣＣＤ型のイメージセンサは、既
に従来から良く知られている。これらイメージセンサで
は、照射光（入射光）によって光センサ回路に生じる電
荷を光信号として用いている。例えば、ＣＣＤ型イメー
ジセンサでは主に光信号によって発生した電荷を各光セ
ンサ回路において蓄積して光信号として用い、ＭＯＳ型
イメージセンサでは、光センサ回路を構成するフォトダ
イオードの接合容量に予め電荷を充電し、照射光によっ
て放電された電荷量を再充電時に検出することによって
光信号を検出するようになっている。
せてなるＭＯＳ型や、ＣＣＤ型のイメージセンサは、既
に従来から良く知られている。これらイメージセンサで
は、照射光（入射光）によって光センサ回路に生じる電
荷を光信号として用いている。例えば、ＣＣＤ型イメー
ジセンサでは主に光信号によって発生した電荷を各光セ
ンサ回路において蓄積して光信号として用い、ＭＯＳ型
イメージセンサでは、光センサ回路を構成するフォトダ
イオードの接合容量に予め電荷を充電し、照射光によっ
て放電された電荷量を再充電時に検出することによって
光信号を検出するようになっている。
【０００３】このような光センサ回路による光信号検出
に際して、そのダイナミックレンジを拡大することを目
的として、フォトダイオード（受光素子）にＦＥＴ（電
界効果トランジスタ、例えば、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタ）等を直列に接続し、出力
電圧を対数圧縮する機能を付加したものも開発されてい
る。なお、これは、ＦＥＴに流れる電流が小さいときは
その抵抗変化が対数特性を示すことを利用している。
に際して、そのダイナミックレンジを拡大することを目
的として、フォトダイオード（受光素子）にＦＥＴ（電
界効果トランジスタ、例えば、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタ）等を直列に接続し、出力
電圧を対数圧縮する機能を付加したものも開発されてい
る。なお、これは、ＦＥＴに流れる電流が小さいときは
その抵抗変化が対数特性を示すことを利用している。
【０００４】このような光センサ回路の構成例を図８に
示している。この光センサ回路１００は、フォトダイオ
ードＰＤ、これに直列に接続されたエンハンスメント型
ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、フォトダイオー
ドＰＤとエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ１の接続点Ｐ（センサ検出端子）にゲートが接
続されたエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ２、このエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ２と直列に接続されたエンハンスメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ３から構成され
る。また、接続点Ｐには、フォトダイオードＰＤ、エン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、
Ｑ２およびこれらを相互に接続する配線等によって生じ
る浮遊容量の合成値とからなる奇生容量コンデンサＣが
接続される。
示している。この光センサ回路１００は、フォトダイオ
ードＰＤ、これに直列に接続されたエンハンスメント型
ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、フォトダイオー
ドＰＤとエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ１の接続点Ｐ（センサ検出端子）にゲートが接
続されたエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ２、このエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ２と直列に接続されたエンハンスメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ３から構成され
る。また、接続点Ｐには、フォトダイオードＰＤ、エン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、
Ｑ２およびこれらを相互に接続する配線等によって生じ
る浮遊容量の合成値とからなる奇生容量コンデンサＣが
接続される。
【０００５】フォトダイオードＰＤは光信号Ｌｓを検出
し、光信号Ｌｓの照度に比例したセンサ電流Ｉｄに変換
する。エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ１はフォトダイオードＰＤの負荷を形成し、フォ
トダイオードＰＤで検出したセンサ電流Ｉｄを電圧に変
換してセンサ検出端子Ｐに検出電圧Ｖｄを発生する。
し、光信号Ｌｓの照度に比例したセンサ電流Ｉｄに変換
する。エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ１はフォトダイオードＰＤの負荷を形成し、フォ
トダイオードＰＤで検出したセンサ電流Ｉｄを電圧に変
換してセンサ検出端子Ｐに検出電圧Ｖｄを発生する。
【０００６】また、エンハンスメント型ｎチャンネルＭ
ＯＳトランジスタＱ１は、センサ電流Ｉｄが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するＭＯＳトランジスタ負
荷を形成し、フォトダイオードＰＤで検出したセンサ電
流Ｉｄを対数特性を有する検出電圧Ｖｄに変換する。こ
のため、光信号Ｌｓが大きく変化してセンサ電流Ｉｄが
大きく変化（桁数が異なるような大きな変化）しても、
このように対数特性を有した変換がなされて検出電圧Ｖ
ｄの変化は抑えられてこれが飽和することがなく、入力
に対する出力のダイナミックレンジを広くすることがで
きる。
ＯＳトランジスタＱ１は、センサ電流Ｉｄが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するＭＯＳトランジスタ負
荷を形成し、フォトダイオードＰＤで検出したセンサ電
流Ｉｄを対数特性を有する検出電圧Ｖｄに変換する。こ
のため、光信号Ｌｓが大きく変化してセンサ電流Ｉｄが
大きく変化（桁数が異なるような大きな変化）しても、
このように対数特性を有した変換がなされて検出電圧Ｖ
ｄの変化は抑えられてこれが飽和することがなく、入力
に対する出力のダイナミックレンジを広くすることがで
きる。
【０００７】ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２は出
力トランジスタを形成し、検出電圧Ｖｄをセンサ電流信
号として光センサ回路１０の外部に取り出すための電圧
−電流変換を行う。また、ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ３は、ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２で変
換されたセンサ電流信号を外部回路に接続又は切断する
ためのスイッチを形成する。
力トランジスタを形成し、検出電圧Ｖｄをセンサ電流信
号として光センサ回路１０の外部に取り出すための電圧
−電流変換を行う。また、ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ３は、ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２で変
換されたセンサ電流信号を外部回路に接続又は切断する
ためのスイッチを形成する。
【０００８】このように構成された従来の光センサ回路
の動作を説明する。エンハンスメント型ｎチャンネルＭ
ＯＳトランジスタＱ１のドレインＤおよびゲートＧは共
通の電源ＶＤ（例えば、５Ｖ）に接続されており、光信
号Ｌｓが検出されない状態（フォトダイオードＰＤが不
動作状態）では、電源ＶＤからエンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を介して充電電流Ｉｊ
がコンデンサＣに流れ、コンデンサＣが充電される。こ
のため、センサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖｄは電源ＶＤの
電圧に近い値まで上昇し、この電圧値はフォトダイオー
ドＰＤが光信号Ｌｓを検出していない初期状態を示す値
となる。
の動作を説明する。エンハンスメント型ｎチャンネルＭ
ＯＳトランジスタＱ１のドレインＤおよびゲートＧは共
通の電源ＶＤ（例えば、５Ｖ）に接続されており、光信
号Ｌｓが検出されない状態（フォトダイオードＰＤが不
動作状態）では、電源ＶＤからエンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を介して充電電流Ｉｊ
がコンデンサＣに流れ、コンデンサＣが充電される。こ
のため、センサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖｄは電源ＶＤの
電圧に近い値まで上昇し、この電圧値はフォトダイオー
ドＰＤが光信号Ｌｓを検出していない初期状態を示す値
となる。
【０００９】なお、初期状態における検出電圧Ｖｄの値
（初期値）は、コンデンサＣが充電されてセンサ検出端
子Ｐの検出電圧Ｖｄが上昇して電源ＶＤの電圧に近づく
につれて、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ１のゲートＧ−ソースＳ間の電圧Ｖ(GS)（ド
レインＤ−ソースＳ間の電圧Ｖ(SD)と同じ）が低下し、
ドレインＤ−ソースＳ間のインピーダンスが急激に増加
するために充電電流Ｉｊが減少してしまい、電源ＶＤよ
り小さな値（例えば、４．５Ｖ）に設定される。
（初期値）は、コンデンサＣが充電されてセンサ検出端
子Ｐの検出電圧Ｖｄが上昇して電源ＶＤの電圧に近づく
につれて、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ１のゲートＧ−ソースＳ間の電圧Ｖ(GS)（ド
レインＤ−ソースＳ間の電圧Ｖ(SD)と同じ）が低下し、
ドレインＤ−ソースＳ間のインピーダンスが急激に増加
するために充電電流Ｉｊが減少してしまい、電源ＶＤよ
り小さな値（例えば、４．５Ｖ）に設定される。
【００１０】光センサ回路１００の初期状態からフォト
ダイオードＰＤが光信号Ｌｓを検出すると、フォトダイ
オードＰＤにセンサ電流Ｉｄが流れ、センサ検出端子Ｐ
の検出電圧Ｖｄは光信号Ｌｓの増加に対応してエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレ
インＤ−ソースＳ間のインピーダンスに対応した対数特
性で減少し、初期値よりも低下する。この検出電圧Ｖｄ
の絶対値を検出することにより、光信号Ｌｓを検出する
ことができる。なお、フォトダイオードＰＤのセンサ電
流Ｉｄは光信号Ｌｓに比例し、一方、センサ検出端子Ｐ
の検出電圧Ｖｄはセンサ電流Ｉｄに対数特性を有するド
レインＤ−ソースＳ間のインピーダンスを乗算した値な
ので、光信号Ｌｓを対数的特性をもって検出することが
できる。
ダイオードＰＤが光信号Ｌｓを検出すると、フォトダイ
オードＰＤにセンサ電流Ｉｄが流れ、センサ検出端子Ｐ
の検出電圧Ｖｄは光信号Ｌｓの増加に対応してエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレ
インＤ−ソースＳ間のインピーダンスに対応した対数特
性で減少し、初期値よりも低下する。この検出電圧Ｖｄ
の絶対値を検出することにより、光信号Ｌｓを検出する
ことができる。なお、フォトダイオードＰＤのセンサ電
流Ｉｄは光信号Ｌｓに比例し、一方、センサ検出端子Ｐ
の検出電圧Ｖｄはセンサ電流Ｉｄに対数特性を有するド
レインＤ−ソースＳ間のインピーダンスを乗算した値な
ので、光信号Ｌｓを対数的特性をもって検出することが
できる。
【００１１】この光センサ回路１００におけるセンサ電
流Ｉｄ−検出電圧Ｖｄ特性図を図９に示している。この
図から分かるように、光センサ回路１００の初期状態に
近いとき（センサ電流Ｉｄ＝１０-12Ａ）の検出電圧Ｖ
ｄの値（初期値）は、例えば、４．５Ｖであり、センサ
電流が５桁増加したとき（センサ電流Ｉｄ＝１０-7Ａの
とき）には検出電圧Ｖｄは４．２Ｖになる。このよう
に、上記光センサ回路１００を用いれば、光信号の５桁
レベル（１０万倍）の変化を検出電圧Ｖｄでは０．３Ｖ
の範囲の変化として検出することができるため、光信号
Ｌｓの入力に対してダイナミックレンジの広い光センサ
回路を構成することができる。
流Ｉｄ−検出電圧Ｖｄ特性図を図９に示している。この
図から分かるように、光センサ回路１００の初期状態に
近いとき（センサ電流Ｉｄ＝１０-12Ａ）の検出電圧Ｖ
ｄの値（初期値）は、例えば、４．５Ｖであり、センサ
電流が５桁増加したとき（センサ電流Ｉｄ＝１０-7Ａの
とき）には検出電圧Ｖｄは４．２Ｖになる。このよう
に、上記光センサ回路１００を用いれば、光信号の５桁
レベル（１０万倍）の変化を検出電圧Ｖｄでは０．３Ｖ
の範囲の変化として検出することができるため、光信号
Ｌｓの入力に対してダイナミックレンジの広い光センサ
回路を構成することができる。
【００１２】しかしながら、上記の構成の光センサ回路
１００の場合には、光信号の全範囲においてセンサ電流
Ｉｄに対して対数特性で検出電圧Ｖｄへの変換を行うた
め、光信号Ｌｓが微小でセンサ電流が微小な範囲（Ｉｄ
＝１０-12〜１０-11Ａ程度）の場合に、検出電圧Ｖｄの
変化が小さすぎてセンサ感度があまり良くないという問
題がある。
１００の場合には、光信号の全範囲においてセンサ電流
Ｉｄに対して対数特性で検出電圧Ｖｄへの変換を行うた
め、光信号Ｌｓが微小でセンサ電流が微小な範囲（Ｉｄ
＝１０-12〜１０-11Ａ程度）の場合に、検出電圧Ｖｄの
変化が小さすぎてセンサ感度があまり良くないという問
題がある。
【００１３】また、上記光センサ回路１００では、フォ
トダイオードＰＤが光信号Ｌｓを検出しなくなった場
合、フォトダイオードＰＤが遮断され、コンデンサＣに
は充電電流Ｉｊが流れてセンサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖ
ｄは上昇していくが、既に説明したように、エンハンス
メント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレイ
ンＤ−ソースＳ間のインピーダンスが急激に増加して所
定値（４．５Ｖ）以上には増加しない。このように検出
電圧Ｖｄが上昇するときの時間経過特性を図１０におい
て波線Ｌ（１００）で示しているが、この図に示す特性
から分かるように、検出電圧Ｖｄは、フォトダイオード
ＰＤが遮断されてから所定値に近づくにつれてその増加
率が低下するため、所定値（４．５Ｖ）に達するまで時
間がかかる。
トダイオードＰＤが光信号Ｌｓを検出しなくなった場
合、フォトダイオードＰＤが遮断され、コンデンサＣに
は充電電流Ｉｊが流れてセンサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖ
ｄは上昇していくが、既に説明したように、エンハンス
メント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレイ
ンＤ−ソースＳ間のインピーダンスが急激に増加して所
定値（４．５Ｖ）以上には増加しない。このように検出
電圧Ｖｄが上昇するときの時間経過特性を図１０におい
て波線Ｌ（１００）で示しているが、この図に示す特性
から分かるように、検出電圧Ｖｄは、フォトダイオード
ＰＤが遮断されてから所定値に近づくにつれてその増加
率が低下するため、所定値（４．５Ｖ）に達するまで時
間がかかる。
【００１４】このため、上記光センサ回路１００をマト
リクス状に配置してイメージセンサに適用する場合、検
出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値（４．５Ｖ）に
到達するまでの応答時間が遅く、イメージセンサには長
時間の残像として表示されるという問題がある。
リクス状に配置してイメージセンサに適用する場合、検
出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値（４．５Ｖ）に
到達するまでの応答時間が遅く、イメージセンサには長
時間の残像として表示されるという問題がある。
【００１５】また、上記光センサ回路１００は、ノイズ
に対してエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ１およびコンデンサＣがピークホールド回路を
形成し、振幅の大きなノイズレベルを光信号Ｌｓとして
誤検出し、Ｓ／Ｎ比が低下して検知可能照度の下限が上
昇し、感度低下を招くという問題もある。
に対してエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラン
ジスタＱ１およびコンデンサＣがピークホールド回路を
形成し、振幅の大きなノイズレベルを光信号Ｌｓとして
誤検出し、Ｓ／Ｎ比が低下して検知可能照度の下限が上
昇し、感度低下を招くという問題もある。
【００１６】このようなことから本出願人は、微小光信
号の検出が高精度で可能であり、残像現象の発生がほと
んど生じなく、Ｓ／Ｎ比が高いような光センサ回路を考
案した（これについては既に別途出願済み）。この光セ
ンサ回路２００を図１１に示しており、上述の光センサ
回路１００とは、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ１のドレインＤには定電圧電源（例え
ば、５Ｖ）ＶＤが接続され、ゲートＧには高低二種類の
ゲート電圧を印加可能なゲート電圧電源ＶＧが接続され
ている点が異なる。
号の検出が高精度で可能であり、残像現象の発生がほと
んど生じなく、Ｓ／Ｎ比が高いような光センサ回路を考
案した（これについては既に別途出願済み）。この光セ
ンサ回路２００を図１１に示しており、上述の光センサ
回路１００とは、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ１のドレインＤには定電圧電源（例え
ば、５Ｖ）ＶＤが接続され、ゲートＧには高低二種類の
ゲート電圧を印加可能なゲート電圧電源ＶＧが接続され
ている点が異なる。
【００１７】このような構成の光センサ回路２００の場
合には、図１２に示すようなタイミングで、ドレイン電
圧ＶＤ（＝５Ｖ）より十分高い高電圧ＶＨと、ドレイン
電圧ＶＤに等しいもしくはこれより低い低電圧ＶＬとが
ゲート電圧ＶＧに印加される。まず、ゲート電圧ＶＧと
して高電圧ＶＨが設定されると、エンハンスメント型ｎ
チャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレインＤ−ソー
スＳ間のインピーダンスは低抵抗状態となり、コンデン
サＣは、図１０において実線Ｌ（２００）で示すよう
に、急速に充電され、センサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖｄ
はドレイン電圧ＶＤ（＝５Ｖ）にほぼ等しい値（例え
ば、４．９５Ｖ）まで上昇する。このため、光センサ回
路２００をマトリクス状に配置してイメージセンサに適
用する場合、検出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値
（４．９５Ｖ）に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像の問題を防止できる。
合には、図１２に示すようなタイミングで、ドレイン電
圧ＶＤ（＝５Ｖ）より十分高い高電圧ＶＨと、ドレイン
電圧ＶＤに等しいもしくはこれより低い低電圧ＶＬとが
ゲート電圧ＶＧに印加される。まず、ゲート電圧ＶＧと
して高電圧ＶＨが設定されると、エンハンスメント型ｎ
チャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のドレインＤ−ソー
スＳ間のインピーダンスは低抵抗状態となり、コンデン
サＣは、図１０において実線Ｌ（２００）で示すよう
に、急速に充電され、センサ検出端子Ｐの検出電圧Ｖｄ
はドレイン電圧ＶＤ（＝５Ｖ）にほぼ等しい値（例え
ば、４．９５Ｖ）まで上昇する。このため、光センサ回
路２００をマトリクス状に配置してイメージセンサに適
用する場合、検出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値
（４．９５Ｖ）に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像の問題を防止できる。
【００１８】次に、検出可能期間としてゲート電圧ＶＧ
が低電圧ＶＬに設定されると、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は弱反転状態となる。
そして、フォトダイオードＰＤに光が照射されるとコン
デンサＣに蓄えられた電荷が放電される。ここで、フォ
トダイオードＰＤに入射する光が弱い場合はセンサ電流
Ｉｄはほとんど流れないため、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は高インピーダンス状
態であり、主にコンデンサＣに充電された電荷が利用さ
れる。このため、出力電圧の変化はリニア（線形）的に
なる。一方、フォトダイオードＰＤに入射する光が強く
なると、検出電圧Ｖｄの特性は図１２において矢印で示
すように変化し、コンデンサＣに蓄えられた電荷は急速
に消費され、フォトダイオードＰＤを流れるセンサ電流
Ｉｄはエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ１を通る電流となり、出力電圧Ｖｄの変化は対数
的となる。
が低電圧ＶＬに設定されると、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は弱反転状態となる。
そして、フォトダイオードＰＤに光が照射されるとコン
デンサＣに蓄えられた電荷が放電される。ここで、フォ
トダイオードＰＤに入射する光が弱い場合はセンサ電流
Ｉｄはほとんど流れないため、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は高インピーダンス状
態であり、主にコンデンサＣに充電された電荷が利用さ
れる。このため、出力電圧の変化はリニア（線形）的に
なる。一方、フォトダイオードＰＤに入射する光が強く
なると、検出電圧Ｖｄの特性は図１２において矢印で示
すように変化し、コンデンサＣに蓄えられた電荷は急速
に消費され、フォトダイオードＰＤを流れるセンサ電流
Ｉｄはエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ１を通る電流となり、出力電圧Ｖｄの変化は対数
的となる。
【００１９】この関係を図１３に示しており、光が弱く
センサ電流Ｉｄが１０-12〜１０-11の場合には、コンデ
ンサＣの電荷が放電され、検出電圧Ｖｄは線形的に変化
するが、光が強くセンサ電流が１０-11を超える領域で
は、検出電圧Ｖｄは対数的に変化する。つまり、この光
センサ回路２００の場合には、光が弱いとき（センサ電
流Ｉｄが小さいとき）には通常のＭＯＳ型素子と同等の
線形的な出力特性が得られ、光が強くなると（センサ電
流がある程度大きくなると）対数型の素子と同等の出力
特性が得られる。これにより、センサ電流が小さい時は
蓄積効果を利用することによって高感度を実現でき、且
つ対数型素子で問題となる入射光が小さいときでのＳ／
Ｎ比の問題も改善できる。
センサ電流Ｉｄが１０-12〜１０-11の場合には、コンデ
ンサＣの電荷が放電され、検出電圧Ｖｄは線形的に変化
するが、光が強くセンサ電流が１０-11を超える領域で
は、検出電圧Ｖｄは対数的に変化する。つまり、この光
センサ回路２００の場合には、光が弱いとき（センサ電
流Ｉｄが小さいとき）には通常のＭＯＳ型素子と同等の
線形的な出力特性が得られ、光が強くなると（センサ電
流がある程度大きくなると）対数型の素子と同等の出力
特性が得られる。これにより、センサ電流が小さい時は
蓄積効果を利用することによって高感度を実現でき、且
つ対数型素子で問題となる入射光が小さいときでのＳ／
Ｎ比の問題も改善できる。
【００２０】なお、光センサ回路２００がそれぞれ一つ
の画素を構成し、この光センサ回路２００がマトリクス
状に配設されてイメージセンサが構成される。この光セ
ンサ回路２００においては、エンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ３のドレンＤの電圧Ｖ0 が
各画素の出力電圧となるが、この電圧Ｖ0 とフォトダイ
オードＰＤの検出電流との関係は図１４に示すようにな
る。
の画素を構成し、この光センサ回路２００がマトリクス
状に配設されてイメージセンサが構成される。この光セ
ンサ回路２００においては、エンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ３のドレンＤの電圧Ｖ0 が
各画素の出力電圧となるが、この電圧Ｖ0 とフォトダイ
オードＰＤの検出電流との関係は図１４に示すようにな
る。
【００２１】各画素を構成する光センサ回路２００は、
フォトダイオードＰＤ、フォトダイオードの寄生容量Ｃ
の電荷を充放電するためのＭＯＳトランジスタＱ１、検
出電圧を増幅して電流変換するためのＭＯＳトランジス
タＱ２、この変換電流を外部に取り出すためのＭＯＳト
ランジスタＱ３等を一つの画素エリア内に組み込む必要
がある。イメージセンサを構成する場合に、画素数を多
くしてイメージセンサの解像度を向上させる要求があ
り、このためには画素面積をできる限り小さくする必要
がある。
フォトダイオードＰＤ、フォトダイオードの寄生容量Ｃ
の電荷を充放電するためのＭＯＳトランジスタＱ１、検
出電圧を増幅して電流変換するためのＭＯＳトランジス
タＱ２、この変換電流を外部に取り出すためのＭＯＳト
ランジスタＱ３等を一つの画素エリア内に組み込む必要
がある。イメージセンサを構成する場合に、画素数を多
くしてイメージセンサの解像度を向上させる要求があ
り、このためには画素面積をできる限り小さくする必要
がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】ここで、画素を小さく
しようとする場合、各トランジスタのサイズを小さくす
るにはある程度で限界があり、フォトダイオードのサイ
ズを小さくして画素を小さくしなければならないことが
多い。このようにフォトダイオードのサイズを小さくす
れば、画素の開口率が小さくなるという問題がある。
しようとする場合、各トランジスタのサイズを小さくす
るにはある程度で限界があり、フォトダイオードのサイ
ズを小さくして画素を小さくしなければならないことが
多い。このようにフォトダイオードのサイズを小さくす
れば、画素の開口率が小さくなるという問題がある。
【００２３】本発明はこのような問題に鑑み、開口率が
大きくて感度の良い画素を構成することができる光セン
サ回路およびこの回路を用いたイメージセンサを提供す
ることを目的とする。
大きくて感度の良い画素を構成することができる光セン
サ回路およびこの回路を用いたイメージセンサを提供す
ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、光導電膜から構成されて受光し
た光信号をセンサ電流に変換する光−電気変換手段と、
光−電気変換手段が変換したセンサ電流を弱反転状態で
対数特性を有する検出電圧に変換する変換用ＭＯＳトラ
ンジスタ（例えば、実施形態におけるエンハンストメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、デプレッシ
ョン型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱＤ１）と、こ
の変換用ＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設
されたコンデンサと、光信号を検出する際に上記変換用
ＭＯＳトランジスタのゲート電圧にリセット用電圧を印
加してドレイン−ソース間のインピーダンスを低下させ
てコンデンサの充電または放電を制御する初期設定手段
（例えば、実施形態におけるゲート電圧ＶＧ）とを備え
て光センサ回路が構成される。この光センサ回路は、光
−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流以下の
電流である場合には、コンデンサの充電電流または放電
電流に比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備
え、光−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流
を超える電流である場合には変換用ＭＯＳトランジスタ
の負荷特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出
する対数応答領域を備える。
め、本発明においては、光導電膜から構成されて受光し
た光信号をセンサ電流に変換する光−電気変換手段と、
光−電気変換手段が変換したセンサ電流を弱反転状態で
対数特性を有する検出電圧に変換する変換用ＭＯＳトラ
ンジスタ（例えば、実施形態におけるエンハンストメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、デプレッシ
ョン型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱＤ１）と、こ
の変換用ＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設
されたコンデンサと、光信号を検出する際に上記変換用
ＭＯＳトランジスタのゲート電圧にリセット用電圧を印
加してドレイン−ソース間のインピーダンスを低下させ
てコンデンサの充電または放電を制御する初期設定手段
（例えば、実施形態におけるゲート電圧ＶＧ）とを備え
て光センサ回路が構成される。この光センサ回路は、光
−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流以下の
電流である場合には、コンデンサの充電電流または放電
電流に比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備
え、光−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流
を超える電流である場合には変換用ＭＯＳトランジスタ
の負荷特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出
する対数応答領域を備える。
【００２５】なお、上記コンデンサが接続された変換用
ＭＯＳトランジスタの検出端子の電圧信号を増幅して検
出するための増幅用ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施
形態におけるエンハンストメント型ｎチャンネルＭＯＳ
トランジスタＱ２）を設けることが好ましく、上記コン
デンサが接続された変換用ＭＯＳトランジスタの検出端
子の電圧信号を検出するタイミングを設定するための選
択用ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施形態におけるエ
ンハンストメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
３）を設けることが好ましい。
ＭＯＳトランジスタの検出端子の電圧信号を増幅して検
出するための増幅用ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施
形態におけるエンハンストメント型ｎチャンネルＭＯＳ
トランジスタＱ２）を設けることが好ましく、上記コン
デンサが接続された変換用ＭＯＳトランジスタの検出端
子の電圧信号を検出するタイミングを設定するための選
択用ＭＯＳトランジスタ（例えば、実施形態におけるエ
ンハンストメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
３）を設けることが好ましい。
【００２６】また、本発明の光センサ回路においては、
ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等をシリコン基板上
に形成し、光−電気変換手段となる光導電膜を、シリコ
ン基板の表面に、ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等
を覆って形成するのが好ましく、これにより開口率１０
０％の光センサ回路を得ることができる。
ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等をシリコン基板上
に形成し、光−電気変換手段となる光導電膜を、シリコ
ン基板の表面に、ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等
を覆って形成するのが好ましく、これにより開口率１０
０％の光センサ回路を得ることができる。
【００２７】さらに、上記コンデンサは、光導電膜の容
量を主として用いて構成されるようにすること、すなわ
ち、これ以外の浮遊容量が相対的に極く小さくなるよう
にすることが好ましい。
量を主として用いて構成されるようにすること、すなわ
ち、これ以外の浮遊容量が相対的に極く小さくなるよう
にすることが好ましい。
【００２８】上記のように構成された本発明に係る光セ
ンサ回路では、光−電気変換手段は光導電膜から構成さ
れるため、ＭＯＳトランジスタ、配線等の上に光導電膜
を設けることが可能であり、光−電気変換手段の受光面
積を大きくして開口率を高くすることができ、例えば、
回路の上面全面を覆って開口率を１００％にすることも
できる。このように光導電膜を用いて光−電気変換手段
の受光面積を大きくすると、光信号に対する検出電流が
大きくなってＳ／Ｎ比が高くなり、結果的に感度が向上
する。また、光導電膜自体の寄生容量はサイズの増加に
伴って比例的に増加するが、これ以外のトランジスタ、
配線等の浮遊容量は変化しないため、この浮遊容量は光
導電膜の寄生容量に比べて相対的に小さくなる。すなわ
ち、光導電膜の容量を主として用いてコンデンサが形成
されることになり、検出電流に対して全体としての寄生
容量の影響が相対的に小さくなって、結果的に感度が向
上する。
ンサ回路では、光−電気変換手段は光導電膜から構成さ
れるため、ＭＯＳトランジスタ、配線等の上に光導電膜
を設けることが可能であり、光−電気変換手段の受光面
積を大きくして開口率を高くすることができ、例えば、
回路の上面全面を覆って開口率を１００％にすることも
できる。このように光導電膜を用いて光−電気変換手段
の受光面積を大きくすると、光信号に対する検出電流が
大きくなってＳ／Ｎ比が高くなり、結果的に感度が向上
する。また、光導電膜自体の寄生容量はサイズの増加に
伴って比例的に増加するが、これ以外のトランジスタ、
配線等の浮遊容量は変化しないため、この浮遊容量は光
導電膜の寄生容量に比べて相対的に小さくなる。すなわ
ち、光導電膜の容量を主として用いてコンデンサが形成
されることになり、検出電流に対して全体としての寄生
容量の影響が相対的に小さくなって、結果的に感度が向
上する。
【００２９】さらに、従来の光センサ回路では、フォト
ダイオードを含め、トランジスタ等が基板表面に並んで
配設されていたが、本発明の光センサ回路では、トラン
ジスタ、配線等を基板に形成した上で、この表面を光導
電膜で覆って構成されるため、基板上におけるトランジ
スタ、配線等の配置の自由度が高い。逆に言えば、トラ
ンジスタ、配線等の配置面積を小さくして、光センサ回
路すなわち画素をより小さくすることが可能となる。
ダイオードを含め、トランジスタ等が基板表面に並んで
配設されていたが、本発明の光センサ回路では、トラン
ジスタ、配線等を基板に形成した上で、この表面を光導
電膜で覆って構成されるため、基板上におけるトランジ
スタ、配線等の配置の自由度が高い。逆に言えば、トラ
ンジスタ、配線等の配置面積を小さくして、光センサ回
路すなわち画素をより小さくすることが可能となる。
【００３０】本発明に係るイメージセンサは、上記の構
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、光センサ
回路自体の開口率が大きくて、Ｓ／Ｎ比が高く、感度が
高いため、感度の良いイメージセンサを得ることができ
る。また、各画素を構成する光センサ回路を小型化でき
るため、高密度で画素を配置したイメージセンサを作る
ことができ、解像度の高いイメージセンサを得ることが
できる。
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、光センサ
回路自体の開口率が大きくて、Ｓ／Ｎ比が高く、感度が
高いため、感度の良いイメージセンサを得ることができ
る。また、各画素を構成する光センサ回路を小型化でき
るため、高密度で画素を配置したイメージセンサを作る
ことができ、解像度の高いイメージセンサを得ることが
できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について図面を参照して説明する。本発明に係る光セン
サ回路１０の第１の構成例を図１に示している。この光
センサ回路１０は、光導電膜（光−電気変換手段）Ｌ
１、これに直列に接続されたエンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ１、光導電膜Ｌ１とエンハ
ンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１の接
続点Ｐ（センサ検出端子）にゲートが接続されたエンハ
ンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２、こ
のエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタ
Ｑ２と直列に接続されたエンハンスメント型ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタＱ３を有して構成される。また、
接続点Ｐには、光導電膜Ｌ１、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、エンハンスメント型
ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２およびこれらを相
互に接続する配線等によって生じる浮遊容量の合成値で
ある奇生容量コンデンサＣが接続される。
について図面を参照して説明する。本発明に係る光セン
サ回路１０の第１の構成例を図１に示している。この光
センサ回路１０は、光導電膜（光−電気変換手段）Ｌ
１、これに直列に接続されたエンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ１、光導電膜Ｌ１とエンハ
ンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１の接
続点Ｐ（センサ検出端子）にゲートが接続されたエンハ
ンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２、こ
のエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタ
Ｑ２と直列に接続されたエンハンスメント型ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタＱ３を有して構成される。また、
接続点Ｐには、光導電膜Ｌ１、エンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１、エンハンスメント型
ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２およびこれらを相
互に接続する配線等によって生じる浮遊容量の合成値で
ある奇生容量コンデンサＣが接続される。
【００３２】光導電膜Ｌ１は光信号Ｌｓを検出し、光信
号Ｌｓの照度に比例したセンサ電流Ｉｄに変換する。エ
ンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１
は光導電膜Ｌ１の負荷を形成し、光導電膜Ｌ１で検出変
換したセンサ電流Ｉｄを電圧に変換してセンサ検出端子
Ｐに検出電圧Ｖｄを発生する。
号Ｌｓの照度に比例したセンサ電流Ｉｄに変換する。エ
ンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１
は光導電膜Ｌ１の負荷を形成し、光導電膜Ｌ１で検出変
換したセンサ電流Ｉｄを電圧に変換してセンサ検出端子
Ｐに検出電圧Ｖｄを発生する。
【００３３】また、エンハンスメント型ｎチャンネルＭ
ＯＳトランジスタＱ１は、センサ電流Ｉｄが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するＭＯＳトランジスタ負
荷を形成し、光導電膜Ｌ１で検出したセンサ電流Ｉｄを
対数特性を有する検出電圧Ｖｄに変換する。このため、
光信号Ｌｓが大きく変化してセンサ電流Ｉｄが大きく変
化（桁数が異なるような大きな変化）しても、このよう
に対数特性を有した変換がなされて検出電圧Ｖｄの変化
は抑えられてこれが飽和することがなく、入力に対する
出力のダイナミックレンジを広くすることができる。
ＯＳトランジスタＱ１は、センサ電流Ｉｄが小さな範囲
の弱反転状態で対数特性を有するＭＯＳトランジスタ負
荷を形成し、光導電膜Ｌ１で検出したセンサ電流Ｉｄを
対数特性を有する検出電圧Ｖｄに変換する。このため、
光信号Ｌｓが大きく変化してセンサ電流Ｉｄが大きく変
化（桁数が異なるような大きな変化）しても、このよう
に対数特性を有した変換がなされて検出電圧Ｖｄの変化
は抑えられてこれが飽和することがなく、入力に対する
出力のダイナミックレンジを広くすることができる。
【００３４】エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ２は出力トランジスタを形成し、検出電圧
Ｖｄを電流信号に増幅して変換し、光センサ回路１０の
外部に増幅した電圧信号Ｖ0 として取り出す作用を行
う。また、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ３は、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ２で増幅された電圧信号を外部回路に
接続又は切断するためのスイッチを形成する。
ランジスタＱ２は出力トランジスタを形成し、検出電圧
Ｖｄを電流信号に増幅して変換し、光センサ回路１０の
外部に増幅した電圧信号Ｖ0 として取り出す作用を行
う。また、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ３は、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯ
ＳトランジスタＱ２で増幅された電圧信号を外部回路に
接続又は切断するためのスイッチを形成する。
【００３５】このような構成の光センサ回路１０におい
ては、図１２に示したタイミングで、ドレイン電圧ＶＤ
（＝５Ｖ）より充分高い高電圧ＶＨとドレイン電圧ＶＤ
と等しいもしくはこれより低い低電圧ＶＬとがゲート電
圧ＶＧとして印加される。高電圧ＶＨは回路リセットの
ための信号電圧として短時間ｔ１の間だけ作用するもの
で、ゲート電圧ＶＧとして高電圧ＶＨが設定されると、
エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
１のドレインＤ−ソースＳ間のインピーダンスは低抵抗
状態となり、コンデンサＣは、図１０において実線Ｌ
（２００）で示すように、急速に充電され、センサ検出
端子Ｐの検出電圧Ｖｄはドレイン電圧ＶＤ（＝５Ｖ）に
ほぼ等しい値（例えば、４．９５Ｖ）まで急速に上昇す
る。このため、後述（図７）するように、光センサ回路
１０をマトリクス状に配置してなるイメージセンサに適
用する場合、検出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値
（４．９５Ｖ）に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像発生を防止できる。
ては、図１２に示したタイミングで、ドレイン電圧ＶＤ
（＝５Ｖ）より充分高い高電圧ＶＨとドレイン電圧ＶＤ
と等しいもしくはこれより低い低電圧ＶＬとがゲート電
圧ＶＧとして印加される。高電圧ＶＨは回路リセットの
ための信号電圧として短時間ｔ１の間だけ作用するもの
で、ゲート電圧ＶＧとして高電圧ＶＨが設定されると、
エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
１のドレインＤ−ソースＳ間のインピーダンスは低抵抗
状態となり、コンデンサＣは、図１０において実線Ｌ
（２００）で示すように、急速に充電され、センサ検出
端子Ｐの検出電圧Ｖｄはドレイン電圧ＶＤ（＝５Ｖ）に
ほぼ等しい値（例えば、４．９５Ｖ）まで急速に上昇す
る。このため、後述（図７）するように、光センサ回路
１０をマトリクス状に配置してなるイメージセンサに適
用する場合、検出電圧Ｖｄをリセットするときに初期値
（４．９５Ｖ）に到達するまでの応答性が良くなり、イ
メージセンサの残像発生を防止できる。
【００３６】次に、検出可能期間ｔ２の間だけゲート電
圧ＶＧが低電圧ＶＬに設定される。この状態では、エン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は
弱反転状態となる。そして、光導電膜Ｌ１に光が照射さ
れるとまずコンデンサＣに蓄えられた電荷が放電され
る。ここで、光導電膜Ｌ１に入射する光が弱い場合はセ
ンサ電流Ｉｄはほとんど流れないため、エンハンスメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は高インピー
ダンス状態であり、主にコンデンサＣに充電された電荷
が利用される。このため、出力電圧ＶｄはコンデンサＣ
からの放電量に対応しておりその変化はリニア（線形）
的になる。このときの出力電圧Ｖｄの検出は、検出可能
時間ｔ２内での累積された放電量を検出するものであ
り、ピーク的なノイズの影響を受けることがなく、Ｓ／
Ｎ比の高い検出が行われる。
圧ＶＧが低電圧ＶＬに設定される。この状態では、エン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は
弱反転状態となる。そして、光導電膜Ｌ１に光が照射さ
れるとまずコンデンサＣに蓄えられた電荷が放電され
る。ここで、光導電膜Ｌ１に入射する光が弱い場合はセ
ンサ電流Ｉｄはほとんど流れないため、エンハンスメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１は高インピー
ダンス状態であり、主にコンデンサＣに充電された電荷
が利用される。このため、出力電圧ＶｄはコンデンサＣ
からの放電量に対応しておりその変化はリニア（線形）
的になる。このときの出力電圧Ｖｄの検出は、検出可能
時間ｔ２内での累積された放電量を検出するものであ
り、ピーク的なノイズの影響を受けることがなく、Ｓ／
Ｎ比の高い検出が行われる。
【００３７】一方、光導電膜Ｌ１に入射する光が強くな
ると、検出電圧Ｖｄの特性は図１２において矢印で示す
ように変化し、コンデンサＣに蓄えられた電荷は急速に
消費され、光導電膜Ｌ１を流れるセンサ電流Ｉｄはエン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を
通る電流となり、出力電圧Ｖｄの変化は対数的となる。
ると、検出電圧Ｖｄの特性は図１２において矢印で示す
ように変化し、コンデンサＣに蓄えられた電荷は急速に
消費され、光導電膜Ｌ１を流れるセンサ電流Ｉｄはエン
ハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を
通る電流となり、出力電圧Ｖｄの変化は対数的となる。
【００３８】この関係は図１３に示すようになり、図９
に示した光センサ回路２００と同様の特性が得られる。
すなわち、光センサ回路１０によれば、光が弱くセンサ
電流Ｉｄが１０-12〜１０-11の場合には、コンデンサＣ
の電荷が放電され、検出電圧Ｖｄは線形的に変化する
が、光が強くセンサ電流が１０-11を超える領域では、
検出電圧Ｖｄは対数的に変化する。つまり、この光セン
サ回路１０の場合には、光が弱いとき（センサ電流Ｉｄ
が小さいとき）には通常のＭＯＳ型素子と同等の線形的
な出力特性が得られ、光が強くなると（センサ電流があ
る程度大きくなると）対数型の素子と同等の出力特性が
得られる。これにより、センサ電流が小さい時は蓄積効
果を利用することによって高感度を実現でき、且つ対数
型素子で問題となる入射光が小さいときでのＳ／Ｎ比低
下の問題も改善できる。
に示した光センサ回路２００と同様の特性が得られる。
すなわち、光センサ回路１０によれば、光が弱くセンサ
電流Ｉｄが１０-12〜１０-11の場合には、コンデンサＣ
の電荷が放電され、検出電圧Ｖｄは線形的に変化する
が、光が強くセンサ電流が１０-11を超える領域では、
検出電圧Ｖｄは対数的に変化する。つまり、この光セン
サ回路１０の場合には、光が弱いとき（センサ電流Ｉｄ
が小さいとき）には通常のＭＯＳ型素子と同等の線形的
な出力特性が得られ、光が強くなると（センサ電流があ
る程度大きくなると）対数型の素子と同等の出力特性が
得られる。これにより、センサ電流が小さい時は蓄積効
果を利用することによって高感度を実現でき、且つ対数
型素子で問題となる入射光が小さいときでのＳ／Ｎ比低
下の問題も改善できる。
【００３９】このようにして得られた出力電圧Ｖｄは、
エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
２により増幅され、さらに、エンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ３により設定されるスイッ
チタイミングでライン１１から検出電圧Ｖ0 として外部
に取り出される。なお、この検出電圧Ｖ0 とセンサ電流
との関係は、図１４に示すようになる。
エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ
２により増幅され、さらに、エンハンスメント型ｎチャ
ンネルＭＯＳトランジスタＱ３により設定されるスイッ
チタイミングでライン１１から検出電圧Ｖ0 として外部
に取り出される。なお、この検出電圧Ｖ0 とセンサ電流
との関係は、図１４に示すようになる。
【００４０】このような構成の光検出回路１０の具体的
な構成を図２に示している。この光検出回路１０の製造
は、シリコン基板２１の上にまずｐ型ウエル２２を形成
し、ＭＯＳトランジスタのゲートとなるポリシリコン層
２４ａ，２４ｂを形成する。そして、これらポリシリコ
ン層２４ａ，２４ｂをマスクとしてｐ型ウエル２２の上
面に複数のｎ型シリコン層２３ａ〜２３ｄを形成する。
そして、表面に絶縁材料からなる第１層間膜２５を成膜
し、ｎ型シリコン層２３ｂの上面の一部とポリシリコン
層２４ｂの上面の一部とにおいて絶縁材料を除去してこ
の部分を露出させる。このように露出するｎ型シリコン
層２３ｂの上面の一部とポリシリコン層２４ｂの上面の
一部とを接続するようにして第１層間膜２５の上にアル
ミニウム製の配線層２６を設ける。次に、配線層２６の
上面に絶縁材料からなる第２層間膜２７を成膜し、配線
層２６の上面の一部の絶縁材料を除去する。さらにこの
上に、ほぼ全面を覆うモリブデン（Ｍｏ）もしくはタン
グステン（Ｗ）からなる画素電極２８を形成する。そし
て、この画素電極２８を含む上面全面を水素化アモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導電膜層２９
で多い、この上にＩＴＯ等の透明電極３０を形成する。
な構成を図２に示している。この光検出回路１０の製造
は、シリコン基板２１の上にまずｐ型ウエル２２を形成
し、ＭＯＳトランジスタのゲートとなるポリシリコン層
２４ａ，２４ｂを形成する。そして、これらポリシリコ
ン層２４ａ，２４ｂをマスクとしてｐ型ウエル２２の上
面に複数のｎ型シリコン層２３ａ〜２３ｄを形成する。
そして、表面に絶縁材料からなる第１層間膜２５を成膜
し、ｎ型シリコン層２３ｂの上面の一部とポリシリコン
層２４ｂの上面の一部とにおいて絶縁材料を除去してこ
の部分を露出させる。このように露出するｎ型シリコン
層２３ｂの上面の一部とポリシリコン層２４ｂの上面の
一部とを接続するようにして第１層間膜２５の上にアル
ミニウム製の配線層２６を設ける。次に、配線層２６の
上面に絶縁材料からなる第２層間膜２７を成膜し、配線
層２６の上面の一部の絶縁材料を除去する。さらにこの
上に、ほぼ全面を覆うモリブデン（Ｍｏ）もしくはタン
グステン（Ｗ）からなる画素電極２８を形成する。そし
て、この画素電極２８を含む上面全面を水素化アモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる光導電膜層２９
で多い、この上にＩＴＯ等の透明電極３０を形成する。
【００４１】この構成の光検出回路１０において、ｎ型
シリコン層２３ａがドレインＤとなって図示しない配線
を介してドレイン電圧ＶＤに接続され、ポリシリコン層
２４ａがゲートＧとなって図示しない配線を介してゲー
ト電圧ＶＧに接続され、ｎ型シリコン層２３ｂがソース
Ｓとなり、これらの構成によりエンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を構成する。また、ｎ
型シリコン層２３ｃはドレインＤとなって図示しない配
線およびこの図に現れないエンハンスメント型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱ３を介して増幅電圧ＶＤＤに
繋がり、ポリシリコン層２４ｂがゲートＧとなり、ｎ型
シリコン層２３ｄがソースＳとなって図示しない配線を
介してグランド接続され、これらの構成によりエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２を構成
する。なお、位置が異なるためここでは図示されない
が、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジス
タＱ３も同様に形成される。
シリコン層２３ａがドレインＤとなって図示しない配線
を介してドレイン電圧ＶＤに接続され、ポリシリコン層
２４ａがゲートＧとなって図示しない配線を介してゲー
ト電圧ＶＧに接続され、ｎ型シリコン層２３ｂがソース
Ｓとなり、これらの構成によりエンハンスメント型ｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタＱ１を構成する。また、ｎ
型シリコン層２３ｃはドレインＤとなって図示しない配
線およびこの図に現れないエンハンスメント型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱ３を介して増幅電圧ＶＤＤに
繋がり、ポリシリコン層２４ｂがゲートＧとなり、ｎ型
シリコン層２３ｄがソースＳとなって図示しない配線を
介してグランド接続され、これらの構成によりエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２を構成
する。なお、位置が異なるためここでは図示されない
が、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジス
タＱ３も同様に形成される。
【００４２】エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ１のソースＳとなるｎ型シリコン層２３ｂ
は、配線層２６を介してエンハンスメント型ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタＱ２のゲートＧとなるポリシリコ
ン層２４ｂと接続されている。さらに、配線層２６は画
素電極２８を介して光導電層２９に繋がるとともに光導
電層２９は表面の透明電極３０を介してグランド接続さ
れる。
ランジスタＱ１のソースＳとなるｎ型シリコン層２３ｂ
は、配線層２６を介してエンハンスメント型ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタＱ２のゲートＧとなるポリシリコ
ン層２４ｂと接続されている。さらに、配線層２６は画
素電極２８を介して光導電層２９に繋がるとともに光導
電層２９は表面の透明電極３０を介してグランド接続さ
れる。
【００４３】この回路では、光導電膜層２９の寄生容量
に加えて、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ１のソースＳとなるｎ型シリコン層２３ｂの
容量、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ２のゲートＧとなるポリシリコン層２４ｂの容
量、配線層２６の容量等の合計容量がコンデンサＣの容
量となる。但し、この回路では光導電膜層２９の寄生容
量が大きいため、主としてこの寄生容量によりコンデン
サＣが構成される。
に加えて、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタＱ１のソースＳとなるｎ型シリコン層２３ｂの
容量、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタＱ２のゲートＧとなるポリシリコン層２４ｂの容
量、配線層２６の容量等の合計容量がコンデンサＣの容
量となる。但し、この回路では光導電膜層２９の寄生容
量が大きいため、主としてこの寄生容量によりコンデン
サＣが構成される。
【００４４】このように光導電膜層２９が表面全面を覆
って形成されるため、開口率はほぼ１００％であり、光
信号に対して大きな検出電流を得ることができ、検出信
号のＳ／Ｎ比が高くなる。また、光導電膜層２９自体の
寄生容量はそのサイズに比例して大きくなるが、光導電
膜層２９の検出電流もサイズに比例して増加するため、
光導電膜層２９のみを考えれば感度はあまり変わらな
い。しかしながら、光導電膜層２９の寄生容量に対する
その他の浮遊容量の大きさは増えないので、光導電膜２
９の寄生容量の割合が、従来のフォトダイオードを用い
た光センサに比較して大きくなる。このため、光検出回
路トータルとしての検出感度は、従来に比べて向上す
る。
って形成されるため、開口率はほぼ１００％であり、光
信号に対して大きな検出電流を得ることができ、検出信
号のＳ／Ｎ比が高くなる。また、光導電膜層２９自体の
寄生容量はそのサイズに比例して大きくなるが、光導電
膜層２９の検出電流もサイズに比例して増加するため、
光導電膜層２９のみを考えれば感度はあまり変わらな
い。しかしながら、光導電膜層２９の寄生容量に対する
その他の浮遊容量の大きさは増えないので、光導電膜２
９の寄生容量の割合が、従来のフォトダイオードを用い
た光センサに比較して大きくなる。このため、光検出回
路トータルとしての検出感度は、従来に比べて向上す
る。
【００４５】また、図２の構成の場合には、シリコン基
板２１の表面にはＭＯＳトランジスタおよび関連配線層
を形成し、その上に光導電層２９を形成すれば良いた
め、ＭＯＳトランジスタおよび関連配線層の設計の自由
度が高く、より一層の小型化が可能である。
板２１の表面にはＭＯＳトランジスタおよび関連配線層
を形成し、その上に光導電層２９を形成すれば良いた
め、ＭＯＳトランジスタおよび関連配線層の設計の自由
度が高く、より一層の小型化が可能である。
【００４６】本発明に係る光センサ回路の第２の構成例
を図３に示している。この光センサ回路１０’は、図１
の光センサ回路１０から、スイッチを構成するエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ３を取り
外した構成を有し、この回路はスイッチ機能は得られな
いが、図１の場合と同様の特性の光信号の検出を行うこ
とができる。
を図３に示している。この光センサ回路１０’は、図１
の光センサ回路１０から、スイッチを構成するエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ３を取り
外した構成を有し、この回路はスイッチ機能は得られな
いが、図１の場合と同様の特性の光信号の検出を行うこ
とができる。
【００４７】本発明に係る光センサ回路の第３の構成例
を図４に示している。この光センサ回路１０”は、図２
の光センサ回路１０から、信号増幅手段となるエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２を取り
外した構成を有し、この回路は信号増幅はできないが、
図１の場合と同様の特性の光信号の検出を行うことがで
きる。
を図４に示している。この光センサ回路１０”は、図２
の光センサ回路１０から、信号増幅手段となるエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ２を取り
外した構成を有し、この回路は信号増幅はできないが、
図１の場合と同様の特性の光信号の検出を行うことがで
きる。
【００４８】また、以上の構成におけるエンハンスメン
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１に変えて、デ
プレッション型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタを用い
て光センサ回路を構成しても良い。図５に、デプレッシ
ョン型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱＤ１の特性を
実線で示し、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３の特性を鎖線で示してい
る。この特性から分かるように、エンハンスメント型ｎ
チャンネルＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３はゲー
ト電圧ＶＧ＝０のときには検出電流Ｉｄは出力されず、
常にＯＦＦの状態となるが、デプレッション型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱＤ１の場合には、ゲート電圧
ＶＧ＝０の状態で弱反転状態とすることができる。
ト型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１に変えて、デ
プレッション型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタを用い
て光センサ回路を構成しても良い。図５に、デプレッシ
ョン型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱＤ１の特性を
実線で示し、エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３の特性を鎖線で示してい
る。この特性から分かるように、エンハンスメント型ｎ
チャンネルＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３はゲー
ト電圧ＶＧ＝０のときには検出電流Ｉｄは出力されず、
常にＯＦＦの状態となるが、デプレッション型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱＤ１の場合には、ゲート電圧
ＶＧ＝０の状態で弱反転状態とすることができる。
【００４９】具体的には、デプレッション型ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝０の状
態が、図１に示した光センサ回路１０においてエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲー
トに低電圧ＶＬを印加した状態と同一の状態となる。さ
らに、デプレッション型ｎチャンネルＭＯＳトランジス
タＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝ＶＳとすれば、ドレインＤ
−ソースＳ間の低抵抗状態とすることができる。このた
め、図６で示すタイミングでデプレッション型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝ＶＳ
とするだけで、図１の光センサ回路１０において図１２
のタイミングで高電圧ＶＨと低電圧ＶＬとを印加する場
合と同様の検出が可能である。このため、電源の数を少
なくすることができる。
ルＭＯＳトランジスタＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝０の状
態が、図１に示した光センサ回路１０においてエンハン
スメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジスタＱ１のゲー
トに低電圧ＶＬを印加した状態と同一の状態となる。さ
らに、デプレッション型ｎチャンネルＭＯＳトランジス
タＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝ＶＳとすれば、ドレインＤ
−ソースＳ間の低抵抗状態とすることができる。このた
め、図６で示すタイミングでデプレッション型ｎチャン
ネルＭＯＳトランジスタＱＤ１のゲート電圧ＶＧ＝ＶＳ
とするだけで、図１の光センサ回路１０において図１２
のタイミングで高電圧ＶＨと低電圧ＶＬとを印加する場
合と同様の検出が可能である。このため、電源の数を少
なくすることができる。
【００５０】次に、上記のような構成の本発明に係る光
センサ回路１０をマトリクス状に並べて構成したイメー
ジセンサ５０について、図７を参照して説明する。この
イメージセンサ５０は光センサ回路（画素）１０を平面
上にアレイ状に配設して長方形もしくは正方形状に形成
されており、ここでは定電圧電源ＶＤ，ＶＤＤは省略し
て示している。
センサ回路１０をマトリクス状に並べて構成したイメー
ジセンサ５０について、図７を参照して説明する。この
イメージセンサ５０は光センサ回路（画素）１０を平面
上にアレイ状に配設して長方形もしくは正方形状に形成
されており、ここでは定電圧電源ＶＤ，ＶＤＤは省略し
て示している。
【００５１】このイメージセンサ５０によりイメージ検
出を行うには、一度に縦列に位置する各画素１０の検出
電圧Ｖ０を検出ライン５５から取り出すとともに、この
縦列の検出を各列毎に順次走査させて行う。なお、検出
ライン５５は、図１に示す出力ライン１１に対応する。
このような検出電圧Ｖ０の取り出しは、所定のタイミン
グでスイッチ電源ＶＣを印加して行われ、検出完了の度
に各縦列毎にエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ１のゲートにゲート電圧ＶＧ＝ＶＳを印加
してこれをリセットする。
出を行うには、一度に縦列に位置する各画素１０の検出
電圧Ｖ０を検出ライン５５から取り出すとともに、この
縦列の検出を各列毎に順次走査させて行う。なお、検出
ライン５５は、図１に示す出力ライン１１に対応する。
このような検出電圧Ｖ０の取り出しは、所定のタイミン
グでスイッチ電源ＶＣを印加して行われ、検出完了の度
に各縦列毎にエンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳト
ランジスタＱ１のゲートにゲート電圧ＶＧ＝ＶＳを印加
してこれをリセットする。
【００５２】このような、検出電圧Ｖ０の取り出しのた
めのスイッチ電源ＶＣの印加端子を各画素１０において
ＳＥＬで示し、リセットのためのゲート電圧印加端子を
ＲＳＴで示している。図５に示すように、縦列の画素の
各取り出し用印加端子ＳＥＬには取り出し信号ライン５
２が繋がり、各リセット用印加端子ＲＳＴにはリセット
信号ライン５３が繋がる。さらに、各取り出し信号ライ
ン５２は、図における左隣の縦列の画素の端子ＲＳＴに
繋がるリセット信号ライン５３に繋がる。
めのスイッチ電源ＶＣの印加端子を各画素１０において
ＳＥＬで示し、リセットのためのゲート電圧印加端子を
ＲＳＴで示している。図５に示すように、縦列の画素の
各取り出し用印加端子ＳＥＬには取り出し信号ライン５
２が繋がり、各リセット用印加端子ＲＳＴにはリセット
信号ライン５３が繋がる。さらに、各取り出し信号ライ
ン５２は、図における左隣の縦列の画素の端子ＲＳＴに
繋がるリセット信号ライン５３に繋がる。
【００５３】上記の構成のイメージセンサ５０を用いる
ときには、左端側の縦に並んだ画素列から右方に向かっ
て順次、取り出し信号ライン５２に取り出し信号（スイ
ッチ電源電圧ＶＣ）を印加（走査）して、検出電圧Ｖ０
を取り出す。これにより、各縦の画素列を左から右に走
査してイメージ検出を行う。ここで、左端縦画素列の検
出電圧Ｖ０の取り出しが完了して、次に左から２番目の
縦画素列の取り出し信号ライン５２に取り出し信号を印
加してこの縦画素列から検出信号の取り出しを行うとき
に、取り出し信号ライン５２は左端の縦画素列のリセッ
ト信号ライン５３に繋がるため、このリセット信号ライ
ン５３にリセット信号が印加され、左端側の縦画素列が
全てリセットされ、次の光検出が行われる。以下、同様
にして検出信号の取り出しが行われるときに同時に左隣
の縦画素列のリセットが行われる。
ときには、左端側の縦に並んだ画素列から右方に向かっ
て順次、取り出し信号ライン５２に取り出し信号（スイ
ッチ電源電圧ＶＣ）を印加（走査）して、検出電圧Ｖ０
を取り出す。これにより、各縦の画素列を左から右に走
査してイメージ検出を行う。ここで、左端縦画素列の検
出電圧Ｖ０の取り出しが完了して、次に左から２番目の
縦画素列の取り出し信号ライン５２に取り出し信号を印
加してこの縦画素列から検出信号の取り出しを行うとき
に、取り出し信号ライン５２は左端の縦画素列のリセッ
ト信号ライン５３に繋がるため、このリセット信号ライ
ン５３にリセット信号が印加され、左端側の縦画素列が
全てリセットされ、次の光検出が行われる。以下、同様
にして検出信号の取り出しが行われるときに同時に左隣
の縦画素列のリセットが行われる。
【００５４】このように構成すれば、検出信号の取り出
しとリセットとを一つの信号で行うことができ、制御が
簡単となる。なお、この検出信号の取り出しおよびリセ
ットは、図３における時間ｔ２の終了時点で行われる。
しとリセットとを一つの信号で行うことができ、制御が
簡単となる。なお、この検出信号の取り出しおよびリセ
ットは、図３における時間ｔ２の終了時点で行われる。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光導電膜から構成されて受光した光信号をセンサ電流に
変換する光−電気変換手段と、光−電気変換手段が変換
したセンサ電流を弱反転状態で対数特性を有する検出電
圧に変換する変換用ＭＯＳトランジスタと、この変換用
ＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設されたコ
ンデンサと、光信号を検出する際に上記ＭＯＳトランジ
スタのゲート電圧にリセット用電圧を印加してドレイン
−ソース間のインピーダンスを低下させてコンデンサの
充電または放電を制御する初期設定手段とを備えて光セ
ンサ回路が構成されており、このように光−電気変換手
段は光導電膜から構成されるため、ＭＯＳトランジス
タ、配線等の上に光導電膜を設けることが可能であり、
光−電気変換手段の受光面積を大きくして開口率を高く
することができる。例えば、上面全面を覆って開口率を
１００％にすることもできる。このように光導電膜を用
いて光−電気変換手段の受光面積を大きくすると、光信
号に対する検出電流が大きくなってＳ／Ｎ比が高くな
り、結果的に感度を向上させることができる。また、光
導電膜自体の寄生容量はサイズの増加に伴って比例的に
増加するが、これ以外のトランジスタ、配線等の浮遊容
量は変化しないため、この浮遊容量は光導電膜の寄生容
量に比べて相対的に小さくなる。すなわち、光導電膜の
容量を主として用いてコンデンサが形成されることにな
り、検出電流に対して全体としての寄生容量の影響が相
対的に小さくなって、結果的に感度を向上させることが
できる。
光導電膜から構成されて受光した光信号をセンサ電流に
変換する光−電気変換手段と、光−電気変換手段が変換
したセンサ電流を弱反転状態で対数特性を有する検出電
圧に変換する変換用ＭＯＳトランジスタと、この変換用
ＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配設されたコ
ンデンサと、光信号を検出する際に上記ＭＯＳトランジ
スタのゲート電圧にリセット用電圧を印加してドレイン
−ソース間のインピーダンスを低下させてコンデンサの
充電または放電を制御する初期設定手段とを備えて光セ
ンサ回路が構成されており、このように光−電気変換手
段は光導電膜から構成されるため、ＭＯＳトランジス
タ、配線等の上に光導電膜を設けることが可能であり、
光−電気変換手段の受光面積を大きくして開口率を高く
することができる。例えば、上面全面を覆って開口率を
１００％にすることもできる。このように光導電膜を用
いて光−電気変換手段の受光面積を大きくすると、光信
号に対する検出電流が大きくなってＳ／Ｎ比が高くな
り、結果的に感度を向上させることができる。また、光
導電膜自体の寄生容量はサイズの増加に伴って比例的に
増加するが、これ以外のトランジスタ、配線等の浮遊容
量は変化しないため、この浮遊容量は光導電膜の寄生容
量に比べて相対的に小さくなる。すなわち、光導電膜の
容量を主として用いてコンデンサが形成されることにな
り、検出電流に対して全体としての寄生容量の影響が相
対的に小さくなって、結果的に感度を向上させることが
できる。
【００５６】さらに、従来の光センサ回路では、フォト
ダイオードを含め、ＭＯＳトランジスタ等が基板表面に
平面的に並んで配設されていたが、本発明の光センサ回
路では、ＭＯＳトランジスタ、配線等を基板に形成した
上で、この表面を光導電膜で覆って構成されるため、基
板上におけるＭＯＳトランジスタ、配線等の配置の自由
度が高い。逆に言えば、ＭＯＳトランジスタ、配線等の
配置面積を小さくして、光センサ回路すなわち画素をよ
り小さくすることが可能となる。
ダイオードを含め、ＭＯＳトランジスタ等が基板表面に
平面的に並んで配設されていたが、本発明の光センサ回
路では、ＭＯＳトランジスタ、配線等を基板に形成した
上で、この表面を光導電膜で覆って構成されるため、基
板上におけるＭＯＳトランジスタ、配線等の配置の自由
度が高い。逆に言えば、ＭＯＳトランジスタ、配線等の
配置面積を小さくして、光センサ回路すなわち画素をよ
り小さくすることが可能となる。
【００５７】なお、本発明の光センサ回路は、光−電気
変換手段が変換したセンサ電流が所定電流以下の電流で
ある場合には、コンデンサの充電電流または放電電流に
比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備え、光−
電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流を超える
電流である場合にはｎチャンネルＭＯＳトランジスタの
負荷特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出す
る対数応答領域を備えるため、強い光信号に対しては対
数特性での光検出を行ってダイナミックレンジの大きな
検出が可能であり、弱い光信号に対しては出力信号がリ
ニアとなって微弱な光を高感度で検出することができ
る。
変換手段が変換したセンサ電流が所定電流以下の電流で
ある場合には、コンデンサの充電電流または放電電流に
比例した検出電圧を検出する線形応答領域を備え、光−
電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流を超える
電流である場合にはｎチャンネルＭＯＳトランジスタの
負荷特性に対応した対数特性を有する検出電圧を検出す
る対数応答領域を備えるため、強い光信号に対しては対
数特性での光検出を行ってダイナミックレンジの大きな
検出が可能であり、弱い光信号に対しては出力信号がリ
ニアとなって微弱な光を高感度で検出することができ
る。
【００５８】なお、本発明の光センサ回路においては、
ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等をシリコン基板上
に形成し、光−電気変換手段となる光導電膜を、シリコ
ン基板の表面に、ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等
を覆って形成するのが好ましく、これにより開口率１０
０％の光センサ回路を得ることができる。
ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等をシリコン基板上
に形成し、光−電気変換手段となる光導電膜を、シリコ
ン基板の表面に、ＭＯＳトランジスタ、初期設定手段等
を覆って形成するのが好ましく、これにより開口率１０
０％の光センサ回路を得ることができる。
【００５９】本発明に係るイメージセンサは、上記の構
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、光センサ
回路自体の開口率が大きくて、Ｓ／Ｎ比が高く、感度が
高いため、感度の良いイメージセンサを得ることができ
る。また、各画素を構成する光センサ回路を小型化でき
るため、高密度で画素を配置したイメージセンサを作る
ことができ、解像度の高いイメージセンサを得ることが
できる。
成の光センサ回路を一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されるのであるが、上述のように、光センサ
回路自体の開口率が大きくて、Ｓ／Ｎ比が高く、感度が
高いため、感度の良いイメージセンサを得ることができ
る。また、各画素を構成する光センサ回路を小型化でき
るため、高密度で画素を配置したイメージセンサを作る
ことができ、解像度の高いイメージセンサを得ることが
できる。
【図１】本発明に係る光センサ回路の第１の構成例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図２】この光センサ回路の具体的構成を示す断面図で
ある。
ある。
【図３】本発明に係る光センサ回路の第２の構成例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図４】本発明に係る光センサ回路の第３の構成例を示
す回路図である。
す回路図である。
【図５】デプレッション型およびエンハンスメント型ｎ
チャンネルＭＯＳトランジスタの特性を示すグラフであ
る。
チャンネルＭＯＳトランジスタの特性を示すグラフであ
る。
【図６】デプレッション型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタを用いた光センサ回路におけるゲート電圧ＶＧ（取
り出し信号）および検出電圧Ｖｄの時間変化を示すグラ
フである。
スタを用いた光センサ回路におけるゲート電圧ＶＧ（取
り出し信号）および検出電圧Ｖｄの時間変化を示すグラ
フである。
【図７】本発明に係るイメージセンサの構成を示す概略
図である。
図である。
【図８】従来の光センサ回路を示す回路図である。
【図９】従来の光センサ回路のセンサ電流Ｉｄ−検出電
圧Ｖｄの特性を示すグラフである。
圧Ｖｄの特性を示すグラフである。
【図１０】従来および本発明の光センサ回路の検出電圧
Ｖｄの時間変化を示すグラフである。
Ｖｄの時間変化を示すグラフである。
【図１１】従来の光センサ回路の構成を示す回路図であ
る。
る。
【図１２】従来および本発明の光センサ回路におけるゲ
ート電圧ＶＧ（取り出し信号）および検出電圧Ｖｄの時
間変化を示すグラフである。
ート電圧ＶＧ（取り出し信号）および検出電圧Ｖｄの時
間変化を示すグラフである。
【図１３】従来および本発明の光センサ回路のセンサ電
流Ｉｄ−検出電圧Ｖｄの特性を示すグラフである。
流Ｉｄ−検出電圧Ｖｄの特性を示すグラフである。
【図１４】従来および本発明の光センサ回路のセンサ電
流Ｉｄ−出力電圧Ｖ0 の特性を示すグラフである。
流Ｉｄ−出力電圧Ｖ0 の特性を示すグラフである。
１０，１０’，１０” 光センサ回路 ５０ イメージセンサ Ｃ コンデンサ Ｌ１ 光導電膜（光−電気変換手段） Ｑ１ エンハンスメント型ｎチャンネルＭＯＳトランジ
スタ
スタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武部 克彦 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA05 AB01 BA07 BA14 CA02 CA14 CB06 CB14 DD09 DD12 FA06 FA08 5C024 AA01 CA12 CA15 FA01 FA11 GA04 GA31 5F049 MA01 MA20 RA06 UA20
Claims (6)
- 【請求項１】 光導電膜から構成されるとともに受光し
た光信号をセンサ電流に変換する光−電気変換手段と、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流を弱反転状
態で対数特性を有する検出電圧に変換する変換用ＭＯＳ
トランジスタと、 前記変換用ＭＯＳトランジスタの検出端子に接続して配
設されたコンデンサと、 光信号を検出する際に、前記変換用ＭＯＳトランジスタ
のゲート電圧にリセット用電圧を印加してドレイン−ソ
ース間のインピーダンスを低下させ、前記コンデンサの
充電または放電を制御する初期設定手段とを備え、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流が所定電流
以下の電流である場合には、前記コンデンサの充電電流
または放電電流に比例した検出電圧を検出する線形応答
領域を備えるとともに、 前記光−電気変換手段が変換したセンサ電流が前記所定
電流を超える電流である場合には、前記変換用ＭＯＳト
ランジスタの負荷特性に対応した対数特性を有する検出
電圧を検出する対数応答領域を備えることを特徴とする
光センサ回路。 - 【請求項２】 前記コンデンサが接続された前記変換用
ＭＯＳトランジスタの検出端子の電圧信号を増幅して検
出するための増幅用ＭＯＳトランジスタを備えることを
特徴とする請求項１に記載の光センサ回路。 - 【請求項３】 前記コンデンサが接続された前記変換用
ＭＯＳトランジスタの検出端子の電圧信号を検出するタ
イミングを設定するための選択用ＭＯＳトランジスタを
備えることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の光
センサ回路。 - 【請求項４】 前記ＭＯＳトランジスタ、前記初期設定
手段、これらを繋ぐ配線等がシリコン基板上に形成さ
れ、 前記光−電気変換手段を構成する前記光導電膜が、前記
ＭＯＳトランジスタ、前記初期設定手段、前記配線等を
覆って前記シリコン基板の表面に形成されることを特徴
とする請求項１〜３のいずれかに記載の光センサ回路。 - 【請求項５】 前記コンデンサは、前記光導電膜の容量
を主として用いて構成されることを特徴とする請求項１
から４のいずれかに記載の光センサ回路。 - 【請求項６】 複数の請求項１から５のいずれかに記載
の光センサ回路を、一次元もしくは二次元アレイ状に配
設して構成されることを特徴とするイメージセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10250516A JP2000083198A (ja) | 1998-09-04 | 1998-09-04 | 光センサ回路およびこれを用いたイメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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1998
- 1998-09-04 JP JP10250516A patent/JP2000083198A/ja active Pending
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