JP5522932B2 - 光電変換装置及び光電変換装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態による光電変換装置の構成例を示す概略図である。光電変換装置は、光信号を電気信号に変換する光電変換素子10と、光電変換素子10で発生した光電流を増幅する電流増幅素子20と、電流増幅素子20により増幅した出力電流を出力する電流出力端子70を有する。また、光電変換装置は、光電変換素子10に印加された逆バイアス電圧を検出する検出手段40と、検出手段40の検出結果を基に光電変換素子10の両端に印加される逆バイアス電圧を定常値に設定する設定手段60とを有する。
図3は、本発明の第2の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
図5は、本発明の第3の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
図6及び図7は、本発明の第4の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
図9は、本発明の第5の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第1の実施形態との相違点についてのみ説明する。
図10及び図11は、本発明の第6の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第5の実施形態との相違点だけを説明する。
図12は、本発明の第7の実施形態による光電変換装置の構成例を示す図である。但し、ここでは上述した第6の実施形態との相違点についてのみ説明する。
20 電流増幅素子
40 検出手段
60 設定手段
70、71 電流出力端子
110、111 バイポーラトランジスタ
120、121 第1のMOSFET
130、131 定電流源
140、141 第2のMOSFET
150、151 ソース接地回路
160 電源電圧ノード
170 閾値検出手段
180 閾値フィードバック手段
190 第3のMOSFET
200 第4のMOSFET
210 第5のMOSFET
220 空乏化電圧検出手段
230 空乏化電圧フィードバック手段
240 P型シリコン基板
241 N型エピタキシャル層
250、251 N型領域
260、261 P型領域
270、271 コンタクト部
275 N型コンタクト部
280 表面N+領域
290、291 金属配線
Claims (18)
- 光電変換により電流を発生する第1の光電変換素子と、
コレクタ及びベース間に前記第1の光電変換素子が接続され、エミッタから増幅された電流を出力する第1のバイポーラトランジスタと、
ゲートが前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのコレクタに接続された第1の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタに接続された第1の定電流源と、
前記第1の電界効果トランジスタと同一の極性であり、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ゲートが前記第1の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインから前記第1のバイポーラトランジスタにより増幅された電流を出力する第2の電界効果トランジスタとを有し、
前記第1の電界効果トランジスタのゲート及びソース間の電圧は、前記第1の光電変換素子の空乏化電圧よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。 - 前記第2の電界効果トランジスタが、前記第1の光電変換素子の逆バイアス電圧値を第1の定常値に設定し、
第1の光電変換素子の光電変換によって発生する電流によって生じる、前記逆バイアス電圧値の前記第1の定常値からの変動を、前記第1の電界効果トランジスタがモニターし、
前記第2の電界効果トランジスタが、変動した前記逆バイアス電圧値を前記第1の定常値に近づけるように動作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、前記第1の電界効果トランジスタと同一極性の電界効果トランジスタの閾値電圧を検出する閾値検出手段と、
前記閾値検出手段の検出結果を基に前記第1の定電流源の電流値を制御する閾値フィードバック手段とを有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。 - 前記第1の定電流源は、ドレインが前記第1の電界効果トランジスタのドレインに接続された第3の電界効果トランジスタと、ゲート及びドレインの相互接続点が前記第3の電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記第3の電界効果トランジスタのソースに接続された第4の電界効果トランジスタを有し、
前記閾値検出手段及び前記閾値フィードバック手段は、ゲート及びドレインの相互接続点が前記第4の電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが定電圧ノードに接続された第5の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3記載の光電変換装置。 - 前記第1の定電流源の電流値を制御する空乏化電圧フィードバック手段をさらに有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。
- 前記第2の電界効果トランジスタが、前記第1の光電変換素子の逆バイアス電圧値を第1の定常値に設定し、
第1の光電変換素子の光電変換によって発生する電流によって生じる、前記逆バイアス電圧値の前記第1の定常値からの変動を、前記第1の電界効果トランジスタがモニターし、
前記空乏化電圧フィードバック手段が、変動した前記逆バイアス電圧値を前記第1の定常値に近づけるように、前記第1の定電流源の電流値を制御することを特徴とする請求項5記載の光電変換装置。 - 前記第1の光電変換素子は、
前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続されたコンタクト部と、
前記コンタクト部に接続された光電変換領域と、を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記コンタクト部と前記光電変換領域とが第1導電型であり、
前記第1の光電変換素子は、さらに前記光電変換領域の上下に積層された前記第1導電型と逆の導電型である第2導電型の領域とを有し、
前記第1導電型のコンタクト部は、複数設けられていることを特徴とする請求項7記載の光電変換装置。 - 前記第1導電型のコンタクト部は、前記第1導電型の光電変換領域中に複数行及び複数列設けられ、前記複数行の行方向のピッチと前記複数列の列方向のピッチが1:1となるように配されていることを特徴とする請求項8記載の光電変換装置。
- 前記複数行及び複数列設けられた第1導電型のコンタクト部は、その行列の最外周に配された第1導電型のコンタクト部の列と前記第1導電型の光電変換領域の端との距離が前記列方向のピッチの半分となるように配され、
前記複数行及び複数列設けられた第1導電型のコンタクト部は、その行列の最外周に配された第1導電型のコンタクト部の行と前記第1導電型の光電変換領域の端との距離が前記行方向のピッチの半分となるように配されていることを特徴とする請求項9記載の光電変換装置。 - さらに、光電変換により電流を発生する第2の光電変換素子と、
コレクタ及びベース間に前記第2の光電変換素子が接続され、エミッタから増幅された電流を出力する第2のバイポーラトランジスタと、
ゲートが前記第2のバイポーラトランジスタのベースに接続され、ソースが前記第2のバイポーラトランジスタのコレクタに接続された第3の電界効果トランジスタと、
前記第3の電界効果トランジスタに接続された第2の定電流源と、
前記第3の電界効果トランジスタと同一の極性であり、ソースが前記第2のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ゲートが前記第3の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインから前記第2のバイポーラトランジスタにより増幅された電流を出力する第4の電界効果トランジスタとを有し、
前記第3の電界効果トランジスタのゲート及びソース間の電圧は、前記第2の光電変換素子の空乏化電圧よりも大きく、
前記第1の光電変換素子及び前記第2の光電変換素子は、第1導電型の光電変換領域と、前記第1導電型と逆の導電型である第2導電型の領域とを交互に複数積層した積層領域を有し、
前記第1の光電変換素子は、前記第1導電型の光電変換領域と前記第2導電型の領域の組みの積層を有し、
前記第2の光電変換素子は、前記第1導電型の光電変換領域と前記第2導電型の領域の他の組みの積層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。 - 前記第2の光電変換素子に対して表面から深い位置に形成された前記第1の光電変換素子の逆バイアス電圧値は、前記第1の光電変換素子に対して表面から浅い位置に形成された前記第2の光電変換素子の逆バイアス電圧値よりも大きいことを特徴とする請求項11記載の光電変換装置。
- 前記第1の光電変換素子は、第1導電型の第1のコンタクト部を介して前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、
前記第2の光電変換素子は、第1導電型の第2のコンタクト部を介して前記第2のバイポーラトランジスタのベースに接続され、
前記第1のコンタクト部及び前記第2のコンタクト部は、それぞれ、それぞれの前記第1導電型の光電変換領域中に複数行及び複数列設けられ、前記複数行の行方向のピッチと前記複数列の列方向のピッチとが1:1となるように配されていることを特徴とする請求項11又は12記載の光電変換装置。 - 前記複数行及び複数列設けられた第1のコンタクト部及び前記複数行及び複数列設けられた第2のコンタクト部は、それぞれ櫛歯状の金属配線により接続され、互いが入れ子になるように配されていることを特徴とする請求項13記載の光電変換装置。
- 前記第2の光電変換素子に対して表面から深い位置に形成された前記第1の光電変換素子に接続された第1のコンタクト部の数は、前記第1の光電変換素子に対して表面から浅い位置に形成された前記第2の光電変換素子に接続された第2のコンタクト部の数より少ないことを特徴とする請求項13又は14記載の光電変換装置。
- 光電変換により電流を発生する第1の光電変換素子と、
コレクタ及びベース間に前記第1の光電変換素子が接続され、エミッタから増幅された電流を出力する第1のバイポーラトランジスタと、
ゲートが前記第1のバイポーラトランジスタのベースに接続され、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのコレクタに接続された第1の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタに接続された第1の定電流源と、
前記第1の電界効果トランジスタと同一の極性であり、ソースが前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタに接続され、ゲートが前記第1の電界効果トランジスタのドレインに接続され、ドレインから前記第1のバイポーラトランジスタにより増幅された電流を出力する第2の電界効果トランジスタとを有する光電変換装置の駆動方法であって、
前記第1の光電変換素子の逆バイアス電圧値を前記第1の電界効果トランジスタが検出し、
前記検出の結果を基に前記第1の光電変換素子の逆バイアス電圧値を、前記第1の光電変換素子の空乏化電圧よりも大きい第1の定常値に前記第2の電界効果トランジスタが設定することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。 - 第1の光電変換素子の光電変換によって発生する電流によって生じる、前記逆バイアス電圧値の前記第1の定常値からの変動を前記第1の電界効果トランジスタがモニターし、変動した前記逆バイアス電圧値を前記第1の定常値に近づけるフィードバック動作を前記第2の電界効果トランジスタが行うことを特徴とする請求項16記載の光電変換装置の駆動方法。
- 前記逆バイアス電圧値を、以下の(1)式を満たすように設定することを特徴とする請求項16又は17記載の光電変換装置の駆動方法。
Vth+√(2Ipix/β) > VDEP ・・・(1)
Vth: 前記第1の電界効果トランジスタの閾値電圧
Ipix:前記第1の定電流源が前記第1の電界効果トランジスタに供給する電流値
VDEP: 前記第1の光電変換素子の空乏化電圧
β:以下の(2)式によって表される値
β=μ0Cox(W/L) ・・・(2)
μ0: キャリアの移動度
Cox: 前記第1の電界効果トランジスタの単位面積当たりのゲート容量
W: 前記第1の電界効果トランジスタのゲート幅
L: 前記第1の電界効果トランジスタのゲート長
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