JPS61154373A

JPS61154373A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS61154373A
Application number: JP59273959A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Tanaka; 田中　信義; Toshimoto Suzuki; 鈴木　敏司; Tsuneo Suzuki; 常夫鈴木; Masaharu Ozaki; 尾崎　正晴; Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Masato Shinohara; 真人篠原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-07-14
Also published as: JPH0523549B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、入射光の強度に比例した出力信号を得るよう
企図された光電変換装置に関する。

〔従来技術およびその問題点〕

近年、半導体集積回路の製造技術の発展に伴い、ＣＣＤ
型シよびＭＯＳ型の光電変換素子を用いた撮像装置等の
研究、開発が行われており、一部で実用化が始っている
。

しかしながら、ｐｎ接合を有する光電変換素子（ｐｎ接
合フォトダイオード、バイポーラ型フォトトランジスタ
等）を用いた撮像装置では、ｐｎ接合部の空乏層中で熱
的に電子−正孔対が発生し、入射光がない時であっても
出力が現われるという問題点を有していた。このいわゆ
る暗電流は、読出し動作時に光情報信号として読出され
るために、ＳＮ比を低下させてしまう。

〔発明の概要〕

本発明は、上記従来の問題点であった暗電流を消去して
、ＳＮ比を向上させようとするものである。

本発明による光電変換装置は、光電変換素子を１個又は
複数個設け、該光電変換素子から光情報信号を読出す光
電変換装置において、前記光電変換素子の遮光時におけ
る出力信号に相当する信号を出力する暗信号出力手段と
、該暗信号出力手段の出力信号と前記光電変換素子の出
力信号との差をとることで前記光情報信号を出力する演
算手段と、を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

上記光電変換素子の出力信号のうち暗信号成分が除去式
れるために、出力される光情報信号は入射光の強度に比
例したものとなシ、またＳＮ比も向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明による光電変換装置の第一実施例のブ
ロック図である。

同図において、センサ部１０１にはＭＯＳ型又はＣＣＤ
型等に代表される光電変換素子（以下、光センサセルと
する。）が１個又は複数個設けられている。複数個の光
センサセルで構成されている場合は、周知の走査回路に
よシ各光センサセルの出力信号が順次シリアルに出力さ
れる。このセンサ部１０１の出力端子は差動増幅器１０
２の子端子に接続されている。

電流源１０３は、たとえば定電圧源と可変抵抗とで構成
され、光センサセルの暗電流に相当する電流値が出力さ
れるように可変抵抗が調節されている。電流源１０３の
出力端子は差動増幅器１０２の一端子に接続されている
。

差動増幅器１０２は、センサ部１０１からの出力から電
流源１０３の出力を減じた信号を出力する・すでに述べ
たように、センサ部１０１の光センサセルの出力信号に
は熱的な励起による暗電流成分が含まれている。したが
って差動増幅器１０２で、その暗電流成分を減算除去す
ることで、入射光の強度に比例し、かつＳＮ比の大きい
光情報信号を得ることができる。

第２図は、本発明の第二実施例のブロック図である。本
実施例では、受光面をＡｔ等の金属で覆って遮光した第
２の光センサセル１０４を設げ、センサ部１０１の読出
し動作タイミングにあわせて第２の光センサセル１０４
の暗電流信号を読出して保持回路１０５に格納する。続
いて、第一実施例と同様に、センナ部１０１の出力信号
と、保持回路１０５に格納された暗電流信号とを差動増
幅器１０２によって減算して光情報信号を得る。

本実施例では、センサ部１０１に用いられる光センサセ
ルと同一のものが遮光された第２の光センサセル１０４
に用いられ、かつ第２の光センサセル１０４はセンサ部
１０１と同一基板に設けられる◎これによって、センサ
部１０１の温度変化による暗電流の変化を、近似的に第
２の光センサセル１０４の温度変化による暗電流の変化
として検出することができる。したがって差動増幅器゛
１０２の出力は、入射光の強度に比例し、ＳＮ比が大き
く、かつ温度変化に影響されない光情報信号となる。

第３図は、本発明の第三実施例のブロック図である。

同図に訃いて、センサ部１０６は光センサセルが一次元
、又は二次元に配列され１周知の走査回路によって出力
信号を順次シリアルに出力する。

第２センサ部１０７は、センサ部１０６の光センサセル
と同一のものを第二実施例と同様に遮光して、センサ部
１０６の１ラインに対応するように配列したものである
。勿論、センナ部１０６と第２センナ部１０７とは、両
者の光センサセルがほぼ同じ温度変化を受けるように、
同一基板上に、又は十分近傍に配置されている。

第２センナ部１０７の暗電流信号は、センサ部１０６の
駆動タイミングによって順次保持回路１０５へ出力され
る。ただし、保持回路１０５は、第２センサ部１０７の
各光センサセルの暗電流信号を一括して保持し、センサ
部１０６の駆動タイミングに合せて順次差動増幅器１０
２に出力するものであってもよい。あるいは保持回路１
０５を用いずに、第２センサ部１０７の読出し動作をセ
ンサ部１０６の読出し動作と同期式せ、第２センナ部１
０７の暗電流信号を直接差動増幅器１０２へ出力し、セ
ンサ部１０６の任意のラインにおける光センサセルの出
力信号との差を算出してもよい＠このようにして、センサ部１０６の光センサセルの場所
による温度変化のバラツキ等をある程度抑制することが
できる。

次に、第１図に示す第一実施例の実施態様の一例を第４
図〜第６図を用いて詳細に説明する。ここでは、光セン
サセルとして特願昭５８−１２０７５５号に記載されて
いるものを用いた場合を示す。

第４図■は、特願昭５８−１２０７５５号に記載されて
いる光電変換装置の平面図、第４図俤）は、そのＩ−１
線断面図、第４図（ｃ）は、その等価回路図である。

各図において、ｎ＋シリコン基板１上に光センサセルが
形成され配列されておシ、各光センサセルは５１０２　
ｅ　”３Ｎ４　’又はポリシリコン等より成る素子分離
領域２によりて隣接する光センサセルから電気的に絶縁
されている。

各党センサセルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成場れる不純物濃度の低いｎ
″″領域３上にはｐタイプの不純物をドーピングするこ
とでｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術
又はイオン注入技術等によりてｎ＋層領域が形成されて
いる。ｐ領域４および層領域５は、各々バイポーラトラ
ンジスタのベースおよびエミッタである。

このように各領域が形成されたｎ−領域３上には酸化膜
６が形成され、酸化膜６上に所定の面積を有するキャノ
４シタ電極７が形成されている。キャパシタ電極７は酸
化膜６を挾んでｐ領域４と対向し、キャパシタ電極７に
パルス電圧を印加することで浮遊状態にされたｐ領域４
の電位を制御する。

その他に、ｎ　領域５に接続式れたエミッタ電極８、エ
ミッタ電極８から信号を外部へ読出す配線９、キャノ４
シタ電極７に接続式れた配線１０、基板１の裏面に不純
物濃度の高いｎ領域１１、およびパイボーラド２ンジス
タのコレクタに電位を与えるための電極１２がそれぞれ
形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。光１３はバイポーラト
ランジスタのベースであるｐ領域４へ入射し、光量に対
応した電荷がｐ領域４に蓄積される（蓄積動作）。蓄積
された電荷によってベース電位は変化し、キャパシタ電
極７に読出し用正電圧Ｖｒを印加し、ベースの電位変化
を浮遊状態にしたエミッタ電極８から読出すことで、入
射光量に対応した電気信号を得ることができる（読出し
動作）。また、ｐ領域４に蓄積された電荷を除去すルニ
ハ、エミッタ電極８を接地し、キャパシタ電極７に正電
圧Ｖｒｈの／４ルスを印加する（リフレッシュ動作）。

この正電圧を印加することでｐ領域４はｎ　領域５に対
して順方向にバイアスされ、蓄積された電荷が除去され
る。以後上記の蓄積、読出し、リフレッシュという各動
作が繰シ返される。

第４図（Ｃ）に訃いて、光センサセル３ｏのキャノ々シ
タ３０１は、ｐ領域４、酸化膜６およびキャパシタ電極
７よシ構成され、バイポーラトランジスタ３０２は、ベ
ースとしてｐ領域４、エミッタとしてｎ領域５と、コレ
クタとしてｎ−領域３およびｎ基板１とから構成でれて
いる。

要するに、ここで提案されている方式は、光入射によシ
発生した電荷を、ベースであるｐ領域４に蓄積し、その
蓄積電荷量によってエミッタ電極８からコレクタ電極１
２に流れる電流をコントロールするものである。したが
って、蓄積された電荷を、各セルの増幅機能によシミ荷
増幅してから読出すわけである。この方式は、高出力、
高感度、しかも低雑音であシ、将来の高解像度化に対し
ても有利なものであると言える。

このような構造と基本動作を有する光センサセルを二次
元的に配列して構成した撮像装置の一例を図面を用いて
説明する。

第５図は、上記光センサセルを３Ｘ３に配列した場合の
撮像装置の回路図である。

同図において、光センサセル３０ｔ−ｊ、３Ｘ３に配列
され、各コレクタ電極１２は共通に接続されている。ｌ
、センサセル３０のキク／４’シタ電極７は、行毎に読
出しノ９ルスおよびリフレッシュ／４’ルスを印加する
ための水平ライン３１　、３１’　、３１”に接続され
、各水平ラインは、バッファＭＯ８）ランジスタ３３　
、３３’　、　３３“を介して、読出しｌ？ルス金発生
させるための垂直走査回路３２の並列出力端子Ｌ１〜Ｌ
３に接続されている。バッファＭＯ８）　、ｙ　７ジス
タ３３，３３’、３３“のｒ−ト電極は端子３４に共通
に接続されている。また、水平ライン３１　Ｐ　３１’
　−３１“は、バッファＭＯ８）ランノスタ３５　、３
５’　、　３５“を介して、リフレッシュノ臂ルス又は
一定の電圧を印加するための端子３７に接続され、バッ
ファＭＯ８）ランジスタ３５．３５’１３５“のｅ−）
電極は端子３６に共通に接続されている。

各党センサセ／Ｉ／３０のエミッタ電極８は、列毎に信
号を読出すための垂直ライン３８　、３８’、３８“に
接続され、各垂直ラインはゲート用ＭＯ８）ランジスタ
４０　、４０’　、　４０“を介して出力信号！４１に
共通接続されている。ｆ−）用ＭＯ８）　ｙレジスタ４
０，４０’、４０“の各ダート電極は、垂直ラインを順
次開閉するためのノ！ルスを発生する水平シフトレジス
タ３９の並列出力端子ＩＮ１％Ｒ，に接続されている。

出力信号線４１は、出力信号線４１をリフレッシュする
ためのトランジスタ４２ｔ−介して接地され、トランジ
スタ４２のダート電極は端子４３に接続されている。さ
らに、出力信号線４１は、上述したように差動増幅器１
０２の子端子に接続てれている。また、差動増幅器１０
２の一端子には、電流源１０３から光センサセル３０の
暗電流に相当する暗電流信号が入力する。

また、垂直ライン３８　、３８’　、　３８’は、垂直
ラインをリフレッシュするためのＭＯＳ　）ランジスタ
４８　、４８’　、　４８“を介して接地され、ＭＯＳ
）ランジスタ４８　、４８’　、　４８“の各ダート電
極は、端子４９に共通接続されている。

次に、このような構成を有する撮像装置の動作を第６図
に示すタイミング波形図を参照しながら説明する。

まず、リフレッシュ期間に訃いて、各党センサセル３０
のコレクタ電極１２には電圧ｖｃが印加され、エミッタ
電極８は、端子４９にハイレベルが印加嘔れたＭＯＳト
ランジスタ４８．４８’、４８“を介して接地される。

この状態で、端子３６にハイレベルが印加石れ、端子３
７にリフレッシュ用の正電圧Ｖｒｈがバッフ７Ｍ０８）
；ｙンジ、’、夕３５．３５’。

３５“を介して各光センサセル３０のキヤ／ゼシタ電極
７に印加される。これによって、すでに述べたように、
ペース領域４に蓄積されたホールが除去され、リフレッ
シュ用電圧Ｖｒｈが接地電位に戻シ、リフレッシュ動作
が終了する。

次に、蓄積期間において、端子４９に引き続きハイレベ
ルが印加されることでエミッタ電極８は接地されている
。また、端子３６にも引き続きハイレベルが印加され、
バッファＭＯ８）ランジスタ３５．３５’、３５“は導
通状態を維持する。

この状態で光が入射し、各党センサセル３０のベース領
域４に各々入射光量に対応したホールが蓄積される。

次に、読出し期間において、端子４９はローレベルとな
りＭＯＳ　）ランジスタ４８　、４８’　、　４８“は
オフ状態になる。続いて、端子３４にハイレベルが印加
され、バッファＭＯ８）ランノスタ３３．３３’。

３３″が導通状態となシ、垂直走査回路３２の端子Ｌ１
〜Ｌ３から順次読出し用正電圧Ｖｒのノ々ルスが出力さ
れる。

まず、垂直走査回路３２の端子Ｌ１から水平フィン３１
に電圧Ｖｒのパルスが印加されると、第１行の光センサ
セル３０の信号がエミッタ側に読出される。続いて、水
平シフトレジスタ３９の端子Ｒ１〜Ｒ３から順次ハイレ
ベルが出力される。今、端子Ｒ１からハイレベルが出力
されたとすると、第１行第１列の光センサセル３０の信
号が垂直ライン３８およびＭＯＳ　）　）レジスタ４０
を通して信゛号線４１に読出され、差動増幅器１０２に
入力する。そして、すでに述べたように暗電流成分が除
去された光情報信号が差動増幅器１０２から出力される
。第１行第１列の光センサセル３０の光情報信号が出力
されると、端子４３にハイレベルが印加され、出力信号
線４１の残留電荷が除去される。

以上の動作を同行第２列、第３列の光センサセル３０の
場合も同様に順次行う。すなわち、ダート用ＭＯ８）ラ
ンジスタ４０．４０’、４０“を順次導通状態とし、第
１行第１列〜同行第３列までの光センサセル３０から順
次光情報信号を読出すとともに、読出す毎に信号線４１
を９フレツシユする。

そして、第１行の光センサセル３０の読出しが終了する
と、端子４９にハイレベルが印加され、妬Ｓトランジス
タ４８．４８’、４８“が導通状態になって垂直ライン
３８．３８’、３８“かリフレッシュされる。゛このような第１行の動作を、垂直走査回路３２の端子Ｌ
ｍ、Ｌｍから順次読出し用電圧Ｖｒのノ４ルスを出力す
ることで、第２行、第３行でも行い、全ての光センサ七
／Ｉ／３０の光情報信号をシリアルに差動増幅器１０２
から出力することができる。

以下、同様の動作が繰シ返される◎ なお、本実施態様で示された撮像回路は、第２および第
３実施例におけるセンサ部１０１訃よび１０６にも容易
に用いることができる。

また、上記実施例では、センサ部１０１および１０６の
出力信号をアナログ信号のままで処理を行ったが、勿論
デジタル変換し、暗電流成分の除去をデノタル減算回路
にょシ実行してもよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように１本発明による光電変換装置
は、簡単な構成で暗電流成分を除去することができ、入
射光の強度に比例し、かつＳＮ比が向上した光情報信号
を得ることができる。

また、遮光した第２の光センサセルから前記暗電流成分
を抽出することで、光センサセルの温度変化の影響を除
去することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の第一実施例のブ
ロック図、第２図は、本発明の第二実施例のブロック図、第３図は
、本発明の第三実施例のブロック図。第４図（４）は、特願昭５８−１２０７５５号に記載さ
れている光電変換装置の平面図、第４図の）は、そのＩ
−１線断面図、第４図（Ｃ）は、その等価回路図、第５
図は、第４図におげろ光センサセルを３×３に配列した
場合の撮像装置の回路図、第６図は、上記撮像装置の動作を説明するためのタイミ
ング波形図である。１０１．１０６・・・センサ部、１ｏ２・・・差動増幅
器、１０３・・・電流源、１０４・・・遮光された第２
の光センサセル、１０５・・・保持回路、１ｏ７・・・
遮光された第２のセンサ部。代理人　弁理士　　　山　下　穣　平部１図第２図第３　図−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光電変換素子を１個又は複数個設け、該光電変換
素子から光情報信号を読出す光電変換装置において、前記光電変換素子の遮光時における出力信号に相当する
信号を出力する暗信号出力手段と、該暗信号出力手段の
出力信号と前記光電変換素子の出力信号との差をとるこ
とで前記光情報信号を出力する演算手段と、を設けたことを特徴とする光電変換装置。
（２）上記暗信号出力手段は、制御可能な電流源である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換
装置。
（３）上記暗信号出力手段は、上記光電変換素子と同一
である第２の光電変換素子を１個又は複数個同一の基板
に別個に設けるとともに遮光し、該第２の光電変換素子
の信号を出力することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の光電変換装置。