WO2021192770A1 - 受光装置及び測距装置 - Google Patents

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辰樹 西野
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a light receiving device and a distance measuring device.
  • a light receiving device that uses an element that generates a signal in response to the light reception of a photon as a light receiving element (light detection element).
  • a measurement method for measuring the distance to the distance measuring object (subject) for example, the light emitted from the light source toward the distance measuring object is reflected by the distance measuring object and returned.
  • the ToF (Time of Flight) method which measures the time until arrival, is adopted.
  • a SPAD element Single Photon Avalanche Diode element
  • the SPAD element is used by applying a voltage equal to or higher than the breakdown voltage to the anode electrode (or cathode electrode) of the SPAD element due to the configuration of the light receiving device ( For example, see Patent Document 1).
  • the SPAD element when the SPAD element is irradiated with a laser beam having a larger amount of light than expected (more than a predetermined amount of light), such as when the SPAD element is directly irradiated with the laser beam, the SPAD element undergoes photoelectric conversion due to the large amount of light. As the influence becomes stronger, the internal impedance drops significantly. As a result, an excessive voltage is applied to the reading circuit that reads the signal generated by the SPAD element, and the circuit elements constituting the reading circuit may be destroyed.
  • the present disclosure discloses a light receiving device capable of protecting the circuit element constituting the read-out circuit in the subsequent stage from overvoltage even when the light receiving element is irradiated with a large amount of light equal to or more than a predetermined light amount, and the light receiving device. It is an object of the present invention to provide a ranging device having the device.
  • the light receiving device of the present disclosure for achieving the above object is A light receiving element that generates a signal in response to the light received by a photon, A readout circuit that reads out the signal generated by the light receiving element, and A protection circuit provided between the light receiving element and the readout circuit to protect the circuit element of the readout circuit from overvoltage. To be equipped.
  • the ranging device of the present disclosure for achieving the above object is A light source unit that irradiates the object to be measured with light, and A light receiving device that receives reflected light from a distance measuring object based on the irradiation light from the light source unit.
  • the light receiving device A light receiving element that generates a signal in response to the light received by a photon, A readout circuit that reads out the signal generated by the light receiving element, and A protection circuit provided between the light receiving element and the readout circuit to protect the circuit element of the readout circuit from overvoltage. To be equipped.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a distance measuring device to which the technique according to the present disclosure is applied.
  • 2A and 2B are block diagrams showing an example of a specific configuration of the distance measuring device according to this application example.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a basic pixel circuit configuration using a SPAD element.
  • FIG. 4A is a characteristic diagram showing the current-voltage characteristics of the PN junction of the SPAD element, and
  • FIG. 4B is a waveform diagram provided for explaining the circuit operation of the pixel circuit.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a laminated chip structure of a sensor chip and a circuit chip of a light receiving device.
  • FIG. 6A is an equivalent circuit diagram showing a breakdown model and a photoelectric conversion model of the SPAD element
  • FIG. 6B is a diagram showing a change in the internal impedance of the SPAD element with respect to the amount of incident light
  • FIG. It is a waveform figure which shows the cathode potential V CA at the time of light amount.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a waveform diagram illustrating a clamping operation when an overvoltage is generated in the light receiving device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing an element arrangement example 1 of a SPAD element, a resistance element, a first clamp element, and a second clamp element in a laminated chip structure.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing an element arrangement example 2 of a SPAD element, a resistance element, a first clamp element, and a second clamp element in a laminated chip structure.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing an element arrangement example 3 of a SPAD element, a resistance element, a first clamp element, and a second clamp element in a laminated chip structure.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the eighth embodiment.
  • FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration example of the light receiving device according to the ninth embodiment.
  • FIG. 21 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a vehicle control system, which is an example of a mobile control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of the installation positions of the image pickup unit and the vehicle exterior information detection unit.
  • Example 1 (Example of negative bias configuration: Example of protection circuit including clamp circuit) 3-2.
  • Example 2 (Modification of Example 1: Example in which the second clamp element is omitted) 3-3.
  • Example 3 (Example of negative bias configuration: Example of protection circuit composed of resistance elements) 3-4.
  • Example 4 (Modification of Example 1: An example in which the first clamp element is composed of an N-type MOS transistor having a diode connection configuration) 3-5.
  • Example 5 (Modification of Example 1: Example in which the first clamp element is composed of a P-type MOS transistor having a diode connection configuration)) 3-6.
  • Example 6 (Modification of Example 5: An example in which a resistance element is provided between the gate and drain of a P-type MOS transistor) 3-7.
  • Example 7 (Example of positive bias configuration: Example of protection circuit including clamp circuit) 3-8.
  • Example 8 (Modification of Example 7: Example in which the second clamp element is omitted) 3-9.
  • Example 9 (Example of positive bias configuration: Example in which the protection circuit is composed of a resistance element) 4.
  • Application example of the technology according to the present disclosure (example of mobile body) 6. Configuration that can be taken by this disclosure
  • the protection circuit may be configured to include a clamp circuit that clamps an overvoltage to a constant voltage.
  • the clamp circuit is configured to include a resistance element having one end connected to the light receiving element and a first clamping element connected between the other end of the resistance element and the reference potential node.
  • the clamp element may consist of a clamp diode in which the cathode electrode is connected to the other end of the resistance element and the anode electrode is connected to the reference potential node.
  • the clamp circuit has a configuration having a second clamp element provided between the first clamp element and the input end of the readout circuit.
  • the second clamp element can be configured to consist of a MOS transistor connected between the first clamp element and the input end of the readout circuit and the gate electrode connected to the reference potential node.
  • the light receiving device and the distance measuring device of the present disclosure including the above-described preferable configuration have a configuration having a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated. can do. Then, the light receiving element is arranged on the first semiconductor substrate, the resistance element, the first clamping element, and the second clamping element are arranged on the second semiconductor substrate, or the light receiving element and the resistance element are arranged. The first clamping element and the second clamping element are arranged on the first semiconductor substrate, and the light receiving element, the resistance element, and the first clamping element are arranged on the second semiconductor substrate. It can be arranged on the substrate and the second clamping element can be arranged on the second semiconductor substrate.
  • the protection circuit may be configured to include a resistance element connected between the light receiving element and the input end of the readout circuit. can. Then, when the N-type MOS transistor connected between the input end of the readout circuit and the reference potential node is provided, the resistance element constituting the protection circuit constitutes the clamp circuit together with the body diode existing in the N-type MOS transistor. Can be done.
  • the first clamp element can be configured to include a MOS transistor having a diode connection configuration.
  • a second resistance element connected in series with the resistance element, and a P-type MOS connected between the output end of the second resistance element and the reference potential node.
  • the gate electrode of the P-type MOS transistor which is composed of a transistor, can be configured to be connected to a common connection node of the resistance element and the second resistance element.
  • the readout circuit can be configured to be configured by a CMOS inverter circuit.
  • the light receiving element may be configured to be used by applying a voltage equal to or higher than the breakdown voltage. Further, the light receiving element can be configured to include an avalanche photodiode operating in the Geiger mode.
  • the light receiving element has a configuration composed of a single photon avalanche diode.
  • the single photon avalanche diode can be used by applying a negative bias voltage to the anode electrode, or can be used by applying a positive bias voltage to the cathode electrode.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a distance measuring device (that is, a distance measuring device of the present disclosure) to which the technique according to the present disclosure is applied.
  • the distance measuring device 1 according to this application example has a peak wavelength in the infrared wavelength region as a measuring method for measuring the distance to the subject 10 which is the object to be measured.
  • the ToF method is used to measure the flight time until the laser beam) is reflected by the subject 10 and returns.
  • the distance measuring device 1 according to this application example includes a light source unit 20 and a light receiving device 30. Then, as the light receiving device 30, the light receiving device according to the embodiment of the present disclosure described later can be used.
  • the light source unit 20 has, for example, a laser drive unit 21, a laser light source 22, and a diffusion lens 23, and irradiates the subject 10 with a laser beam.
  • the laser drive unit 21 drives the laser light source 22 under the control of the control unit 40.
  • the laser light source 22 is composed of, for example, a semiconductor laser, and emits laser light when driven by the laser driving unit 21.
  • the diffusing lens 23 diffuses the laser light emitted from the laser light source 22 and irradiates the subject 10.
  • the light receiving device 30 includes a light receiving lens 31, a light sensor 32 which is a light receiving unit, and a signal processing unit 33, and receives the reflected laser light which is reflected by the subject 10 and returned from the irradiation laser light from the light source unit 20. do.
  • the light receiving lens 31 collects the reflected laser light from the subject 10 on the light receiving surface of the light sensor 32.
  • the optical sensor 32 receives the reflected laser light from the subject 10 that has passed through the light receiving lens 31 in pixel units and performs photoelectric conversion.
  • a two-dimensional array sensor in which pixels including a light receiving element are two-dimensionally arranged in a matrix (array) can be used.
  • the output signal of the optical sensor 32 is supplied to the control unit 40 via the signal processing unit 33.
  • the control unit 40 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit) or the like, controls the light source unit 20 and the light receiving device 30, and emits laser light from the light source unit 20 toward the subject 10.
  • the time required for the subject 10 to be reflected and returned is measured. Based on this measured time, the distance to the subject 10 can be obtained.
  • the timer is started at the timing when the light source unit 20 irradiates the pulsed light, and the timer is stopped at the timing when the light receiving device 30 receives the pulsed light to measure the time.
  • pulsed light is irradiated from the light source unit 20 at a predetermined cycle, the cycle when the light receiving device 30 receives the pulsed light is detected, and the phase difference between the light emitting cycle and the light receiving cycle. You may measure the time from.
  • the time measurement is executed a plurality of times, and the time is measured by detecting the position of the peak of the ToF histogram obtained by accumulating the times measured a plurality of times.
  • the light receiving element of the pixel is an element that generates a signal in response to the light receiving of a photon, for example, a SPAD (Single Photon Avalanche Diode).
  • a SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • a sensor consisting of elements is used. That is, the light receiving device 30 in the distance measuring device 1 according to this application example has a configuration in which a SPAD element is used as the light receiving element of the pixel.
  • the SPAD element operates in a Geiger mode in which the element is operated with a reverse voltage exceeding the breakdown voltage (yield voltage).
  • the SPAD element is exemplified here as the light receiving element (light detection element) of the pixel, it is not limited to the SPAD element. That is, as the light receiving element of the pixel, in addition to the SPAD element, various elements operating in the Geiger mode such as APD (avalanche photodiode) and SiPM (silicon photomultiplier) can be used.
  • APD avalanche photodiode
  • SiPM silicon photomultiplier
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of a basic pixel circuit in the light receiving device 30 using the SPAD element.
  • the basic configuration for one pixel is illustrated.
  • the cathode electrode of the SPAD element 51 is connected to the terminal 54 to which the power supply voltage V DD is applied via the first control transistor 52 and the current source 53.
  • the power supply voltage V DD for example, a voltage of about 3 V is given.
  • An anode voltage V ano is applied to the anode electrode of the SPAD element 51.
  • the anode voltage V ano a large negative voltage that causes avalanche multiplication, that is, a voltage equal to or higher than the breakdown voltage (for example, about ⁇ 20 V) is applied (see FIG. 4B).
  • the first control transistor 52 is composed of, for example, a P-type MOS transistor, and becomes conductive when the enable signal EN applied to the gate electrode becomes low level, and the current from the current source 53 is passed through the MOSFET element 51.
  • a second control transistor 55 is connected between the cathode electrode of the SPAD element 51 and the reference potential node (for example, ground).
  • the second control transistor 55 is composed of, for example, an N-type MOS transistor, and is in a conductive state when a signal xEN having a phase opposite to that of the enable signal EN is applied to the gate electrode, and the voltage applied to the MOSFET element 51 is a breakdown voltage.
  • the SPAD element 51 is put into an inactive state as follows.
  • the signal generated by the SPAD element 51 in response to the light reception of photons is read out by the reading circuit 56 as the cathode potential V CA.
  • the readout circuit 56 is composed of, for example, a CMOS inverter circuit including a P-type MOS transistor Q p and an N-type MOS transistor Q n , and detects the reaction edge of the MOSFET element 51.
  • the output of the read circuit 56 is supplied to the time measuring unit (Time-to-Digital Converter: TDC) 57 as a SPAD output (pixel output). Based on the SPAD output, the time measuring unit 57 measures the time until the light emitted toward the measurement target is reflected by the measurement target and returned.
  • TDC Time-to-Digital Converter
  • a voltage equal to or higher than the breakdown voltage V BD (for example, about ⁇ 20 V) is applied to the SPAD element 51.
  • the excess voltage above the breakdown voltage V BD is called the excess bias voltage V EX. Breakdown voltage
  • the characteristics of the SPAD element 51 change depending on how large the excess bias voltage V EX is applied with respect to the voltage value of the BD.
  • FIG. 4A illustrates the relationship between the breakdown voltage V BD , the excess bias voltage V EX , and the operating points of the SPAD element 51.
  • circuit operation example of a pixel circuit using a SPAD element [Circuit operation example of a pixel circuit using a SPAD element] Subsequently, an example of the circuit operation of the pixel circuit having the above configuration will be described with reference to the waveform diagram of FIG. 4B.
  • the cathode potential V CA drops and the voltage between the terminals of the SPAD element 51 becomes the breakdown voltage V BD of the PN diode, the avalanche current stops. Then, generated by avalanche multiplication, the accumulated electrons, the load 54 (e.g., P-type MOS transistor Q L) discharges through, the cathode potential V CA is increased. Then, the cathode potential V CA recovers to the power supply voltage V DD , and returns to the initial state again.
  • the load 54 e.g., P-type MOS transistor Q L
  • the cathode potential V CA is waveform-shaped by the readout circuit 56 composed of the CMOS inverter circuit, and the pulse signal having the pulse width T starting from the arrival time of one photon is SPAD output (pixel output). It becomes.
  • the chip structure of the light receiving device 30 can be a so-called laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated. As shown in FIG. 5, the pixels 50 including the SPAD element 51 are arranged in a two-dimensional array of M rows and N columns on the first semiconductor substrate to form a pixel array unit. The first semiconductor substrate on which the pixels 50 are arranged constitutes the sensor chip 101. The sensor chip 101 corresponds to the optical sensor 32 of FIG. 2A.
  • a circuit unit 58 is provided for each pixel 50.
  • the pixel 50 includes at least the SPAD element 51.
  • the circuit unit 58 includes, for example, a first control transistor 52, a current source 53, a second control transistor 55, a read circuit 56, a time measurement unit 57, and the like shown in FIG.
  • the circuit unit 58 is arranged on the second semiconductor substrate in a two-dimensional array of M rows and N columns corresponding to each of the pixels 50.
  • the second semiconductor substrate on which the circuit unit 58 is arranged constitutes the circuit chip 102.
  • the circuit chip 102 is laminated with respect to the sensor chip 101.
  • the circuit unit 58 is provided for each pixel 50.
  • the readout circuit 56 for detecting the reaction edge of the SPAD element 51 is directly connected to the cathode electrode of the SPAD element 51, and when detecting the reflected light, the amplitude of the voltage set as the Geiger mode is used.
  • the circuit configuration is such that a change (for example, about 3V) can be detected.
  • FIG. 6A is an equivalent circuit diagram showing a breakdown model and a photoelectric conversion model of the SPAD element 51
  • FIG. 6B is a diagram showing a change in the internal impedance of the SPAD element 51 with respect to the amount of incident light
  • FIG. 6C is a diagram showing a change in the internal impedance of the SPAD element 51 in a normal state. It is a waveform diagram which shows the cathode potential V CA at the time of (solid line) and a large amount of light (broken line).
  • the model of the series circuit of the switch SW, the resistor R, and the voltage source E is the SPAD breakdown model.
  • the resistor R of the SPAD element 51 is 20 k ⁇ and the voltage source.
  • the model in which E is 20V is illustrated.
  • the light intensity dependence is small, and in a normal light intensity of a predetermined light intensity or less, the cathode potential V CA is determined by this SPAD breakdown model.
  • the photoelectric conversion model is a model in which the photocurrent I SPAD flows from the second control transistor 55 (see FIG. 3) through the internal impedance Z.
  • the internal impedance Z is high, but a large amount of laser light exceeding a predetermined light amount is emitted to the SPAD element 51.
  • the internal impedance Z of the SPAD element 51 decreases.
  • the internal impedance Z of the SPAD element 51 drops to about 100 ⁇ , and at this time, the cathode potential V CA is calculated. It has been confirmed that there is a possibility of a high potential of -10V or higher.
  • the SPAD element 51 when the SPAD element 51 is irradiated with a large amount of laser light, the SPAD element 51 is greatly affected by the photoelectric conversion due to the large amount of light, so that the internal impedance Z is greatly reduced.
  • an excessive voltage for example, about several tens of volts
  • the P-type MOS transistor Q p and the N-type MOS transistor Q n constituting the read circuit 56, or the first control transistor 52 and the second control transistor 55 Can be destroyed.
  • FIG. 7 is a block diagram of a configuration example of the light receiving device according to the embodiment of the present disclosure.
  • the SPAD element 51 that generates a signal in response to the light reception of photons
  • the readout circuit 56 that reads out the signal generated by the SPAD element 51
  • the SPAD element 51 and A protection circuit 60 is provided between the read circuit 56 and the input terminal.
  • the protection circuit 60 is a P-type MOS transistor Q p and an N-type MOS transistor Q n constituting the readout circuit 56 from an overvoltage generated when a large amount of laser light is applied to the MOSFET element 51, and a first control. It is an overvoltage protection circuit that acts to protect the transistor 52 and the second control transistor 55.
  • the protection circuit 60 when the protection circuit 60 is provided between the SPARC element 51 and the input end of the readout circuit 56, the SPAD element 51 is irradiated with a large amount of laser light equal to or greater than a predetermined amount (more than expected). Even so, due to the action of the protection circuit 60, the P-type MOS transistor Q p and the N-type MOS transistor Q n constituting the read-out circuit 56, and the first control transistor 52 and the second control transistor 55 are removed from the overvoltage. Can be protected.
  • the first embodiment is an example of a negative bias configuration, and is an example in which the protection circuit 60 is composed of a clamp circuit.
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the first embodiment.
  • the light receiving device 30 according to the first embodiment has a negative bias configuration in which a negative bias voltage (for example, about ⁇ 20 V) is applied to the anode electrode of the SPAD element 51, and the overvoltage is clamped to a constant voltage as the protection circuit 60.
  • the configuration uses the clamp circuit 70. That is, in the light receiving device 30 according to the first embodiment, the protection circuit 60 includes a clamp circuit 70 that clamps the overvoltage to a constant voltage.
  • the clamp circuit 70 has a structure including a resistance element 71, a first clamp element 72, and a second clamp element 73.
  • One end of the resistance element 71 is connected to the cathode electrode of the SPAD element 51.
  • the first clamp element 72 is composed of, for example, a clamp diode, the cathode electrode is connected to the other end (output end) of the resistance element 71, and the anode electrode is connected to the reference potential node (for example, ground).
  • the resistance element 71 is provided to limit the current value flowing through the clamp diode, which is the first clamp element 72, so as not to exceed the rated forward current of the clamp diode when an overvoltage occurs in the SPAD element 51. ing.
  • the first clamp element 72 is not limited to the clamp diode.
  • a Schottky barrier diode or the like can be exemplified in addition to the clamp diode.
  • the second clamp element 73 is composed of, for example, a P-type MOS transistor, and includes the first clamp element 72 (specifically, the anode electrode of the clamp diode) and the node N to which the input end of the readout circuit 56 is connected. Is connected between.
  • the gate electrode is connected to the reference potential node (for example, ground), and the back gate is connected to the source electrode.
  • a negative voltage is generated by the clamping operation by the first clamping element 72, and the negative voltage may exceed the withstand voltage of the MOS transistor in the subsequent stage.
  • a second clamp element 73 is provided. That is, the second clamping element 73 clamps the voltage of the node N to which the input end of the readout circuit 56 is connected to the gate-source voltage V gs (for example, about 0.5 V) of the P-type MOS transistor.
  • V gs for example, about 0.5 V
  • an overvoltage generated by irradiating the SPAD element 51 with a large amount of light equal to or more than a predetermined amount by the action of the clamp circuit 70 provided as the protection circuit 60 is generated. It can be clamped to a constant voltage. As a result, the P-type MOS transistor Q p and the N-type MOS transistor Q n constituting the readout circuit 56, and the first control transistor 52 and the second control transistor 55 can be protected from overvoltage.
  • the chip structure is a laminated chip structure (see FIG. 5) in which the sensor chip 101 and the circuit chip 102 are laminated as the upper chip and the lower chip.
  • the variation of the element arrangement of the SPAD element 51, the resistance element 71, the first clamping element 72, and the second clamping element 73 in the case will be described.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing an element arrangement example 1 of the SPAD element 51, the resistance element 71, the first clamp element 72, and the second clamp element 73 in the laminated chip structure.
  • the SPAD element 51 is arranged on the sensor chip 101 which is the upper chip, and the resistance element 71 and the first clamping element 72 are arranged on the circuit chip 102 which is the lower chip.
  • the second clamp element 73 is arranged, and the first control transistor 52, the current source 53, the second control transistor 55, and the read-out circuit 56 are arranged.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing an element arrangement example 2 of the SPAD element 51, the resistance element 71, the first clamp element 72, and the second clamp element 73 in the laminated chip structure.
  • the SPAD element 51 and the resistance element 71 are arranged on the sensor chip 101 which is the upper chip, and the first clamping element 72 and the first clamping element 72 and the circuit chip 102 which is the lower chip are arranged.
  • a second clamp element 73 is arranged, and a first control transistor 52, a current source 53, a second control transistor 55, and a read-out circuit 56 are arranged.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing an element arrangement example 3 of the SPAD element 51, the resistance element 71, the first clamp element 72, and the second clamp element 73 in the laminated chip structure.
  • the SPAD element 51, the resistance element 71, and the first clamping element 72 are arranged on the sensor chip 101, which is the upper chip, and the circuit chip 102, which is the lower chip.
  • the second clamp element 73, the first control transistor 52, the current source 53, the second control transistor 55, and the read-out circuit 56 are arranged.
  • the second embodiment is a modification of the first embodiment, and is an example in which the second clamp element is omitted.
  • FIG. 13 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the second embodiment.
  • the clamp circuit 70 has a resistance element 71 and a first clamp element 72. That is, the light receiving device 30 according to the second embodiment has a configuration in which the second clamp element 73 used as one of the constituent elements of the clamp circuit 70 in the first embodiment is omitted.
  • the action and effect of the second clamp element 73 of the first embodiment cannot be obtained, and the voltage of the node N becomes a negative voltage, but an overvoltage (-several tens of volts) is obtained. ) Is extremely low. Therefore, even when a large amount of light equal to or greater than a predetermined amount of light is applied to the MOSFET element 51 and an overvoltage is generated, the P-type MOS transistor Q p and the N-type MOS transistor Q n constituting the readout circuit 56, and the first The control transistor 52 of 1 and the second control transistor 55 can be protected from overvoltage.
  • the third embodiment is an example of a negative bias configuration, and is an example in which the protection circuit 60 is composed of a resistance element.
  • FIG. 14 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the third embodiment.
  • the protection circuit 60 is composed of a resistance element 71 connected between the input terminal of the SPAD element 51 and the read circuit 56, that is, the node N. That is, the light receiving device 30 according to the third embodiment has a configuration in which the first clamp element 72 and the second clamp element 73 used as the constituent elements of the clamp circuit 70 in the first embodiment are omitted.
  • the resistance element 71 is connected as a second control transistor 55 between the node N to which the input end of the readout circuit 56 is connected and the reference potential node (for example, ground).
  • a clamp circuit is formed together with the body diode existing in the N-type MOS transistor.
  • the "body diode” is a built-in diode formed by a PN junction between a source and a drain due to the structure of the MOSFET.
  • the light receiving device 30 when the SPAD element 51 is irradiated with a large amount of light equal to or more than a predetermined amount of light and an overvoltage occurs, the voltage drops due to the resistance element 71 and the N-type MOS transistor. Due to the clamping action of the body diode of the above, a voltage extremely lower than the overvoltage (-several tens of volts) is applied to the node N.
  • the fourth embodiment is a modification of the first embodiment, and is an example in which the first clamp element 73 is configured by using an N-type MOS transistor having a diode connection configuration.
  • FIG. 15 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the fourth embodiment.
  • the first clamp element 72 is composed of an N-type MOS transistor. It is composed.
  • the N-type MOS transistor is connected between the other end (output end) of the resistance element 71 and the reference potential node (for example, ground), and has a diode connection configuration in which the gate electrode and the drain electrode are commonly connected. ing.
  • the light receiving device 30 uses an N-type MOS transistor having a diode connection configuration as the first clamp element 72 constituting the clamp circuit 70, instead of the clamp diode of the first embodiment. It is composed.
  • the same action and effect as in the case of the first embodiment that is, a large amount of light equal to or more than a predetermined amount of light is SPAD.
  • the circuit element such as the read circuit 56 in the subsequent stage can be protected from the overvoltage.
  • the fifth embodiment is a modification of the first embodiment, and is an example in which the first clamp element 73 is configured by using a P-type MOS transistor having a diode connection configuration.
  • FIG. 16 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the fifth embodiment.
  • the first clamp element 72 is composed of a P-type MOS transistor. It is composed.
  • the P-type MOS transistor is connected between the other end (output end) of the resistance element 71 and the reference potential node (for example, ground), and has a diode connection configuration in which the gate electrode and the source electrode are commonly connected. ing.
  • the light receiving device 30 uses a P-type MOS transistor having a diode connection configuration as the first clamp element 72 constituting the clamp circuit 70, instead of the clamp diode of the first embodiment. It is composed.
  • the same action and effect as in the case of the first embodiment that is, a large amount of light equal to or more than a predetermined amount of light is SPAD.
  • the circuit element such as the read circuit 56 in the subsequent stage can be protected from the overvoltage.
  • Example 6 is a modification of Example 5, in which a P-type MOS transistor is used as the first clamp element 73 and a resistance element is provided between the gate and drain of the P-type MOS transistor.
  • FIG. 17 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the sixth embodiment.
  • the first clamp element 72 with respect to the resistance element 71. It is composed of a second resistance element 74 connected in series and a P-type MOS transistor connected between the output end of the second resistance element 74 and a reference potential node (for example, ground). ..
  • the gate electrode is connected to a common connection node between the resistance element 71 and the second resistance element 74.
  • the second resistance element 74 is connected in series to the resistance element 71, and the gate electrode of the P-type MOS transistor is connected to the resistance element 71 and the second resistance element 71. It is configured to be connected to a common connection node with the resistance element 74.
  • the P-type MOS transistor can be completely conductive (on state), so that the voltage of the common connection node between the source electrode of the P-type MOS transistor and the output end of the second resistance element 74 is negative. It never becomes a voltage. Therefore, in the case of the sixth embodiment, the second clamp element 73 can be omitted.
  • the seventh embodiment is an example of a positive bias configuration, and is an example in which the protection circuit 60 is composed of a clamp circuit.
  • FIG. 18 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the seventh embodiment.
  • the light receiving device 30 according to the seventh embodiment has a positive bias configuration in which a positive bias voltage (for example, about 20 V) is applied to the cathode electrode of the SPAD element 51, and as a protection circuit 60, a clamp that clamps the overvoltage to a constant voltage. It is configured using the circuit 70. That is, the light receiving device 30 according to the seventh embodiment having a positive bias configuration has a circuit configuration corresponding to the light receiving device 30 according to the first embodiment having a negative bias configuration.
  • a positive bias voltage for example, about 20 V
  • the clamp circuit 70 has a structure including a resistance element 71, a first clamp element 72, and a second clamp element 73.
  • One end of the resistance element 71 is connected to the anode electrode of the SPAD element 51.
  • the first clamp element 72 is composed of, for example, a clamp diode, the anode electrode is connected to the other end (output end) of the resistance element 71, and the cathode electrode is connected to the node of the power supply voltage V DD.
  • the second clamp element 73 is composed of, for example, an N-type MOS transistor, is connected between the first clamp element 72 and the node N, and the gate electrode is connected to the node of the power supply voltage V DD.
  • the SPAD element 51 when the SPAD element 51 is irradiated with a large amount of light equal to or more than a predetermined amount by the action of the clamp circuit 70 provided as the protection circuit 60, and an overvoltage occurs. Even so, the read-out circuit 56 in the subsequent stage can be protected from overvoltage. More specifically, the P-type MOS transistor Q p and the N-type MOS transistor Q n constituting the readout circuit 56, and the first control transistor 52 and the second control transistor 55 can be protected from overvoltage.
  • Example 8 is a modification of Example 7, and is an example in which the second clamp element is omitted.
  • FIG. 19 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the eighth embodiment.
  • the clamp circuit 70 has a resistance element 71 and a first clamp element 72. That is, the light receiving device 30 according to the eighth embodiment has a configuration in which the second clamp element 73 used as one of the constituent elements of the clamp circuit 70 in the seventh embodiment is omitted, and the negative bias configuration is performed.
  • the circuit configuration corresponds to the light receiving device 30 according to 2. Therefore, according to the light receiving device 30 according to the eighth embodiment, basically the same operations and effects as those of the light receiving device 30 according to the second embodiment can be obtained.
  • the ninth embodiment is an example of a positive bias configuration, and is an example in which the protection circuit 60 is composed of a resistance element.
  • FIG. 20 shows a circuit diagram of a configuration example of the light receiving device 30 according to the ninth embodiment.
  • the protection circuit 60 is composed of a resistance element 71 connected between the input terminal of the SPAD element 51 and the read circuit 56, that is, the node N. That is, the light receiving device 30 according to the third embodiment has a configuration in which the first clamp element 72 and the second clamp element 73 used as the constituent elements of the clamp circuit 70 in the first embodiment are omitted, and has a negative bias.
  • the circuit configuration corresponds to the light receiving device 30 according to the third embodiment of the configuration. Therefore, according to the light receiving device 30 according to the ninth embodiment, basically the same operations and effects as those of the light receiving device 30 according to the third embodiment can be obtained.
  • the first clamp element 72 can have the same configuration as the light receiving device 30 according to the fourth to sixth embodiments having a negative bias configuration. .. That is, the first clamp element 72 can be configured by using a MOS transistor having a diode connection configuration or by combining a second resistance element and a MOS transistor.
  • the technology according to the present disclosure can be applied to various products. A more specific application example will be described below.
  • the technology according to the present disclosure includes any type of movement such as automobiles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, motorcycles, bicycles, personal mobility, airplanes, drones, ships, robots, construction machines, agricultural machines (tractors), and the like. It may be realized as a distance measuring device mounted on the body.
  • FIG. 21 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system 7000, which is an example of a mobile control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
  • the vehicle control system 7000 includes a plurality of electronic control units connected via the communication network 7010.
  • the vehicle control system 7000 includes a drive system control unit 7100, a body system control unit 7200, a battery control unit 7300, an external information detection unit 7400, an in-vehicle information detection unit 7500, and an integrated control unit 7600. ..
  • the communication network 7010 connecting these plurality of control units conforms to any standard such as CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), LAN (Local Area Network) or FlexRay (registered trademark). It may be an in-vehicle communication network.
  • CAN Controller Area Network
  • LIN Local Interconnect Network
  • LAN Local Area Network
  • FlexRay registered trademark
  • Each control unit includes a microcomputer that performs arithmetic processing according to various programs, a storage unit that stores a program executed by the microcomputer or parameters used for various arithmetics, and a drive circuit that drives various control target devices. To be equipped.
  • Each control unit is provided with a network I / F for communicating with other control units via the communication network 7010, and is provided by wired communication or wireless communication with devices or sensors inside or outside the vehicle. A communication I / F for performing communication is provided. In FIG.
  • control unit 7600 the microcomputer 7610, general-purpose communication I / F 7620, dedicated communication I / F 7630, positioning unit 7640, beacon receiving unit 7650, in-vehicle device I / F 7660, audio image output unit 7670, The vehicle-mounted network I / F 7680 and the storage unit 7690 are shown.
  • Other control units also include a microcomputer, a communication I / F, a storage unit, and the like.
  • the drive system control unit 7100 controls the operation of the device related to the drive system of the vehicle according to various programs.
  • the drive system control unit 7100 provides a driving force generator for generating the driving force of the vehicle such as an internal combustion engine or a driving motor, a driving force transmission mechanism for transmitting the driving force to the wheels, and a steering angle of the vehicle. It functions as a control device such as a steering mechanism for adjusting and a braking device for generating a braking force of a vehicle.
  • the drive system control unit 7100 may have a function as a control device such as ABS (Antilock Brake System) or ESC (Electronic Stability Control).
  • the vehicle condition detection unit 7110 is connected to the drive system control unit 7100.
  • the vehicle state detection unit 7110 may include, for example, a gyro sensor that detects the angular velocity of the axial rotation motion of the vehicle body, an acceleration sensor that detects the acceleration of the vehicle, an accelerator pedal operation amount, a brake pedal operation amount, or steering wheel steering. Includes at least one of the sensors for detecting angular velocity, engine speed, wheel speed, and the like.
  • the drive system control unit 7100 performs arithmetic processing using a signal input from the vehicle state detection unit 7110 to control an internal combustion engine, a drive motor, an electric power steering device, a braking device, and the like.
  • the body system control unit 7200 controls the operation of various devices mounted on the vehicle body according to various programs.
  • the body system control unit 7200 functions as a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or a control device for various lamps such as a head lamp, a back lamp, a brake lamp, a winker, or a fog lamp.
  • the body system control unit 7200 may be input with radio waves transmitted from a portable device that substitutes for the key or signals of various switches.
  • the body system control unit 7200 receives inputs of these radio waves or signals and controls a vehicle door lock device, a power window device, a lamp, and the like.
  • the battery control unit 7300 controls the secondary battery 7310, which is the power supply source of the drive motor, according to various programs. For example, information such as the battery temperature, the battery output voltage, or the remaining capacity of the battery is input to the battery control unit 7300 from the battery device including the secondary battery 7310. The battery control unit 7300 performs arithmetic processing using these signals to control the temperature of the secondary battery 7310 or the cooling device provided in the battery device.
  • the vehicle outside information detection unit 7400 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 7000.
  • the imaging unit 7410 and the vehicle exterior information detection unit 7420 is connected to the vehicle exterior information detection unit 7400.
  • the imaging unit 7410 includes at least one of a ToF (Time Of Flight) camera, a stereo camera, a monocular camera, an infrared camera, and other cameras.
  • the vehicle exterior information detection unit 7420 is used, for example, to detect the current weather or an environmental sensor for detecting the weather, or to detect other vehicles, obstacles, pedestrians, etc. around the vehicle equipped with the vehicle control system 7000. At least one of the ambient information detection sensors is included.
  • the environmental sensor may be, for example, at least one of a raindrop sensor that detects rainy weather, a fog sensor that detects fog, a sunshine sensor that detects the degree of sunshine, and a snow sensor that detects snowfall.
  • the ambient information detection sensor may be at least one of an ultrasonic sensor, a radar device, and a LIDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging) device.
  • the imaging unit 7410 and the vehicle exterior information detection unit 7420 may be provided as independent sensors or devices, or may be provided as a device in which a plurality of sensors or devices are integrated.
  • FIG. 22 shows an example of the installation positions of the imaging unit 7410 and the vehicle exterior information detection unit 7420.
  • the imaging units 7910, 7912, 7914, 7916, 7918 are provided, for example, at at least one of the front nose, side mirrors, rear bumpers, back door, and upper part of the windshield of the vehicle interior of the vehicle 7900.
  • the image pickup unit 7910 provided on the front nose and the image pickup section 7918 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior mainly acquire an image in front of the vehicle 7900.
  • the imaging units 7912 and 7914 provided in the side mirrors mainly acquire images of the side of the vehicle 7900.
  • the image pickup unit 7916 provided on the rear bumper or the back door mainly acquires an image of the rear of the vehicle 7900.
  • the imaging unit 7918 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior is mainly used for detecting a preceding vehicle, a pedestrian, an obstacle, a traffic light, a traffic sign, a lane, or the like.
  • FIG. 22 shows an example of the photographing range of each of the imaging units 7910, 7912, 7914, 7916.
  • the imaging range a indicates the imaging range of the imaging unit 7910 provided on the front nose
  • the imaging ranges b and c indicate the imaging ranges of the imaging units 7912 and 7914 provided on the side mirrors, respectively
  • the imaging range d indicates the imaging range d.
  • the imaging range of the imaging unit 7916 provided on the rear bumper or the back door is shown. For example, by superimposing the image data captured by the imaging units 7910, 7912, 7914, 7916, a bird's-eye view image of the vehicle 7900 as viewed from above can be obtained.
  • the vehicle exterior information detection units 7920, 7922, 7924, 7926, 7928, 7930 provided on the front, rear, side, corners of the vehicle 7900 and the upper part of the windshield in the vehicle interior may be, for example, an ultrasonic sensor or a radar device.
  • the vehicle exterior information detection units 7920, 7926, 7930 provided on the front nose, rear bumper, back door, and upper part of the windshield in the vehicle interior of the vehicle 7900 may be, for example, a lidar device.
  • These out-of-vehicle information detection units 7920 to 7930 are mainly used for detecting a preceding vehicle, a pedestrian, an obstacle, or the like.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 causes the image pickup unit 7410 to capture an image outside the vehicle and receives the captured image data. Further, the vehicle exterior information detection unit 7400 receives detection information from the connected vehicle exterior information detection unit 7420. When the vehicle exterior information detection unit 7420 is an ultrasonic sensor, a radar device, or a lidar device, the vehicle exterior information detection unit 7400 transmits ultrasonic waves, electromagnetic waves, or the like, and receives the received reflected wave information.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 may perform object detection processing or distance detection processing such as a person, a vehicle, an obstacle, a sign, or a character on a road surface based on the received information.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 may perform an environment recognition process for recognizing rainfall, fog, road surface conditions, etc. based on the received information.
  • the vehicle outside information detection unit 7400 may calculate the distance to an object outside the vehicle based on the received information.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 may perform image recognition processing or distance detection processing for recognizing a person, a vehicle, an obstacle, a sign, a character on the road surface, or the like based on the received image data.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 performs processing such as distortion correction or alignment on the received image data, and synthesizes the image data captured by different imaging units 7410 to generate a bird's-eye view image or a panoramic image. May be good.
  • the vehicle exterior information detection unit 7400 may perform the viewpoint conversion process using the image data captured by different imaging units 7410.
  • the in-vehicle information detection unit 7500 detects the in-vehicle information.
  • a driver state detection unit 7510 that detects the driver's state is connected to the in-vehicle information detection unit 7500.
  • the driver state detection unit 7510 may include a camera that captures the driver, a biosensor that detects the driver's biological information, a microphone that collects sound in the vehicle interior, and the like.
  • the biosensor is provided on, for example, the seat surface or the steering wheel, and detects the biometric information of the passenger sitting on the seat or the driver holding the steering wheel.
  • the in-vehicle information detection unit 7500 may calculate the degree of fatigue or concentration of the driver based on the detection information input from the driver state detection unit 7510, and may determine whether the driver is dozing or not. You may.
  • the in-vehicle information detection unit 7500 may perform processing such as noise canceling processing on the collected audio signal.
  • the integrated control unit 7600 controls the overall operation in the vehicle control system 7000 according to various programs.
  • An input unit 7800 is connected to the integrated control unit 7600.
  • the input unit 7800 is realized by a device such as a touch panel, a button, a microphone, a switch or a lever, which can be input-operated by a passenger. Data obtained by recognizing the voice input by the microphone may be input to the integrated control unit 7600.
  • the input unit 7800 may be, for example, a remote control device using infrared rays or other radio waves, or an externally connected device such as a mobile phone or a PDA (Personal Digital Assistant) that supports the operation of the vehicle control system 7000. You may.
  • the input unit 7800 may be, for example, a camera, in which case the passenger can input information by gesture. Alternatively, data obtained by detecting the movement of the wearable device worn by the passenger may be input. Further, the input unit 7800 may include, for example, an input control circuit that generates an input signal based on the information input by the passenger or the like using the input unit 7800 and outputs the input signal to the integrated control unit 7600. By operating the input unit 7800, the passenger or the like inputs various data to the vehicle control system 7000 and instructs the processing operation.
  • the storage unit 7690 may include a ROM (Read Only Memory) for storing various programs executed by the microcomputer, and a RAM (Random Access Memory) for storing various parameters, calculation results, sensor values, and the like. Further, the storage unit 7690 may be realized by a magnetic storage device such as an HDD (Hard Disc Drive), a semiconductor storage device, an optical storage device, an optical magnetic storage device, or the like.
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • the general-purpose communication I / F 7620 is a general-purpose communication I / F that mediates communication with various devices existing in the external environment 7750.
  • General-purpose communication I / F7620 is a cellular communication protocol such as GSM (registered trademark) (Global System of Mobile communications), WiMAX, LTE (Long Term Evolution) or LTE-A (LTE-Advanced), or wireless LAN (Wi-Fi).
  • GSM Global System of Mobile communications
  • WiMAX Wireless F
  • LTE Long Term Evolution
  • LTE-A Long Term Evolution-A
  • Wi-Fi wireless LAN
  • Other wireless communication protocols such as (also referred to as (registered trademark)) and Bluetooth (registered trademark) may be implemented.
  • the general-purpose communication I / F 7620 connects to a device (for example, an application server or a control server) existing on an external network (for example, the Internet, a cloud network, or a business-specific network) via a base station or an access point, for example. You may. Further, the general-purpose communication I / F7620 uses, for example, P2P (Peer To Peer) technology, and is a terminal existing in the vicinity of the vehicle (for example, a terminal of a driver, a pedestrian, or a store, or an MTC (Machine Type Communication) terminal). May be connected with.
  • P2P Peer To Peer
  • MTC Machine Type Communication
  • the dedicated communication I / F 7630 is a communication I / F that supports a communication protocol formulated for use in a vehicle.
  • the dedicated communication I / F7630 uses a standard protocol such as WAVE (Wireless Access in Vehicle Environment), DSRC (Dedicated Short Range Communications), or a cellular communication protocol, which is a combination of the lower layer IEEE802.11p and the upper layer IEEE1609. May be implemented.
  • the dedicated communication I / F7630 typically includes vehicle-to-vehicle (Vehicle to Vehicle) communication, road-to-vehicle (Vehicle to Infrastructure) communication, vehicle-to-home (Vehicle to Home) communication, and pedestrian-to-pedestrian (Vehicle to Pedestrian) communication. ) Carry out V2X communication, which is a concept that includes one or more of the communications.
  • the positioning unit 7640 receives, for example, a GNSS signal from a GNSS (Global Navigation Satellite System) satellite (for example, a GPS signal from a GPS (Global Positioning System) satellite), executes positioning, and executes positioning, and the latitude, longitude, and altitude of the vehicle. Generate location information including.
  • the positioning unit 7640 may specify the current position by exchanging signals with the wireless access point, or may acquire position information from a terminal such as a mobile phone, PHS, or smartphone having a positioning function.
  • the beacon receiving unit 7650 receives radio waves or electromagnetic waves transmitted from a radio station or the like installed on the road, and acquires information such as the current position, traffic jam, road closure, or required time.
  • the function of the beacon receiving unit 7650 may be included in the above-mentioned dedicated communication I / F 7630.
  • the in-vehicle device I / F 7660 is a communication interface that mediates the connection between the microcomputer 7610 and various in-vehicle devices 7760 existing in the vehicle.
  • the in-vehicle device I / F7660 may establish a wireless connection using a wireless communication protocol such as wireless LAN, Bluetooth (registered trademark), NFC (Near Field Communication) or WUSB (Wireless USB).
  • a wireless communication protocol such as wireless LAN, Bluetooth (registered trademark), NFC (Near Field Communication) or WUSB (Wireless USB).
  • the in-vehicle device I / F7660 is connected via a connection terminal (and a cable if necessary) (not shown), USB (Universal Serial Bus), HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface), or MHL (Mobile).
  • a wired connection such as High-definition Link may be established.
  • the in-vehicle device 7760 may include, for example, at least one of a passenger's mobile device or wearable device, or an information device carried or attached to the vehicle.
  • the in-vehicle device 7760 may include a navigation device that searches for a route to an arbitrary destination.
  • the in-vehicle device I / F 7660 exchanges control signals or data signals with these in-vehicle devices 7760.
  • the in-vehicle network I / F7680 is an interface that mediates communication between the microcomputer 7610 and the communication network 7010.
  • the vehicle-mounted network I / F7680 transmits and receives signals and the like according to a predetermined protocol supported by the communication network 7010.
  • the microcomputer 7610 of the integrated control unit 7600 is via at least one of general-purpose communication I / F7620, dedicated communication I / F7630, positioning unit 7640, beacon receiving unit 7650, in-vehicle device I / F7660, and in-vehicle network I / F7680. Based on the information acquired in the above, the vehicle control system 7000 is controlled according to various programs. For example, the microcomputer 7610 calculates the control target value of the driving force generator, the steering mechanism, or the braking device based on the acquired information inside and outside the vehicle, and outputs a control command to the drive system control unit 7100. May be good.
  • the microcomputer 7610 realizes ADAS (Advanced Driver Assistance System) functions including vehicle collision avoidance or impact mitigation, follow-up driving based on inter-vehicle distance, vehicle speed maintenance driving, vehicle collision warning, vehicle lane deviation warning, and the like. Cooperative control may be performed for the purpose of.
  • the microcomputer 7610 automatically travels autonomously without relying on the driver's operation by controlling the driving force generator, steering mechanism, braking device, etc. based on the acquired information on the surroundings of the vehicle. Coordinated control for the purpose of driving or the like may be performed.
  • ADAS Advanced Driver Assistance System
  • the microcomputer 7610 has information acquired via at least one of general-purpose communication I / F7620, dedicated communication I / F7630, positioning unit 7640, beacon receiving unit 7650, in-vehicle device I / F7660, and in-vehicle network I / F7680. Based on the above, three-dimensional distance information between the vehicle and an object such as a surrounding structure or a person may be generated, and local map information including the peripheral information of the current position of the vehicle may be created. Further, the microcomputer 7610 may predict a danger such as a vehicle collision, a pedestrian or the like approaching or entering a closed road based on the acquired information, and may generate a warning signal.
  • the warning signal may be, for example, a signal for generating a warning sound or turning on a warning lamp.
  • the audio image output unit 7670 transmits the output signal of at least one of the audio and the image to the output device capable of visually or audibly notifying the passenger or the outside of the vehicle of the information.
  • an audio speaker 7710, a display unit 7720, and an instrument panel 7730 are exemplified as output devices.
  • the display unit 7720 may include, for example, at least one of an onboard display and a heads-up display.
  • the display unit 7720 may have an AR (Augmented Reality) display function.
  • the output device may be other devices other than these devices, such as headphones, wearable devices such as eyeglass-type displays worn by passengers, and projectors or lamps.
  • the display device displays the results obtained by various processes performed by the microcomputer 7610 or the information received from other control units in various formats such as texts, images, tables, and graphs. Display visually.
  • the audio output device converts an audio signal composed of reproduced audio data, acoustic data, or the like into an analog signal and outputs the audio signal audibly.
  • At least two control units connected via the communication network 7010 may be integrated as one control unit.
  • each control unit may be composed of a plurality of control units.
  • the vehicle control system 7000 may include another control unit (not shown).
  • the other control unit may have a part or all of the functions carried out by any of the control units. That is, as long as information is transmitted and received via the communication network 7010, predetermined arithmetic processing may be performed by any control unit.
  • a sensor or device connected to any control unit may be connected to another control unit, and a plurality of control units may send and receive detection information to and from each other via the communication network 7010. .
  • the imaging unit 7410 or the vehicle exterior information detection unit 7420 includes a ToF camera (ToF sensor)
  • the ToF camera receives light according to the above-described embodiment.
  • the device can be used.
  • the light receiving device as a ToF camera of a distance measuring device, for example, when a large amount of light exceeding a predetermined amount of light is irradiated to the light receiving element and an overvoltage occurs in the light receiving element, the element is destroyed by the overvoltage. Since it can be blocked, a highly reliable vehicle control system can be constructed.
  • the present disclosure may also have the following configuration.
  • a light receiving element that generates a signal in response to the light received by a photon
  • a readout circuit that reads out the signal generated by the light receiving element
  • a protection circuit provided between the light receiving element and the input end of the readout circuit to protect the circuit element of the readout circuit from overvoltage.
  • a light receiving device comprising.
  • the protection circuit consists of a clamp circuit that clamps the overvoltage to a constant voltage.
  • the clamp circuit is A resistance element with one end connected to the light receiving element, and A first clamp element connected between the other end of the resistance element and the reference potential node, Have, The light receiving device according to the above [A-2].
  • the first clamp element comprises a clamp diode in which the cathode electrode is connected to the other end of the resistance element and the anode electrode is connected to the reference potential node.
  • the clamp circuit is a second clamp element provided between the first clamp element and the input end of the readout circuit. Have, The light receiving device according to the above [A-3] or the above [A-4].
  • the second clamp element is composed of a MOS transistor connected between the first clamp element and the input end of the readout circuit, and the gate electrode is connected to the reference potential node. The light receiving device according to the above [A-5].
  • [A-7] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated.
  • the light receiving element is arranged on the first semiconductor substrate and is arranged on the first semiconductor substrate.
  • the resistance element, the first clamp element, and the second clamp element are arranged on the second semiconductor substrate.
  • the light receiving device according to the above [A-5] or the above [A-6].
  • [A-8] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated.
  • the light receiving element and the resistance element are arranged on the first semiconductor substrate, and the light receiving element and the resistance element are arranged on the first semiconductor substrate.
  • the first clamp element and the second clamp element are arranged on the second semiconductor substrate.
  • the light receiving device according to the above [A-5] or the above [A-6].
  • [A-9] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated. The light receiving element, the resistance element, and the first clamp element are arranged on the first semiconductor substrate. The second clamp element is arranged on the second semiconductor substrate, The light receiving device according to the above [A-5] or the above [A-6].
  • the protection circuit consists of a resistance element connected between the light receiving element and the input end of the readout circuit. The light receiving device according to the above [A-1].
  • the resistance element that constitutes the protection circuit constitutes the clamp circuit together with the body diode that exists in the N-type MOS transistor.
  • the first clamp element is composed of a MOS transistor having a diode connection configuration.
  • the first clamp element is A second resistance element connected in series with the resistance element, and It consists of a P-type MOS transistor connected between the output end of the second resistance element and the reference potential node.
  • the gate electrode of the P-type MOS transistor is connected to the common connection node of the resistance element and the second resistance element.
  • the light receiving device according to the above [A-3].
  • the readout circuit is composed of a CMOS inverter circuit.
  • the light receiving device according to any one of the above [A-1] to the above [A-13].
  • the light receiving element is an element used by applying a voltage equal to or higher than the breakdown voltage.
  • the light receiving device according to any one of the above [A-1] to the above [A-14].
  • the light receiving element comprises an avalanche photodiode operating in Geiger mode.
  • the light receiving device according to the above [A-15].
  • the light receiving element is composed of a single photon avalanche diode.
  • the light receiving device according to the above [A-16].
  • a single photon avalanche diode is used by applying a negative bias voltage to the anode electrode.
  • a single photon avalanche diode is used by applying a positive bias voltage to the cathode electrode.
  • a light source unit that irradiates a distance measuring object with light
  • a light receiving device that receives reflected light from a distance measuring object based on the irradiation light from the light source unit. Equipped with The light receiving device is A light receiving element that generates a signal in response to the light received by a photon, A readout circuit that reads out the signal generated by the light receiving element, and A protection circuit provided between the light receiving element and the readout circuit to protect the circuit element of the readout circuit from overvoltage.
  • the protection circuit consists of a clamp circuit that clamps the overvoltage to a constant voltage. The distance measuring device according to the above [B-1].
  • the clamp circuit is A resistance element with one end connected to the light receiving element, and A first clamp element connected between the other end of the resistance element and the reference potential node, Have, The distance measuring device according to the above [B-2].
  • the first clamp element comprises a clamp diode in which the cathode electrode is connected to the other end of the resistance element and the anode electrode is connected to the reference potential node.
  • the clamp circuit is a second clamp element provided between the first clamp element and the input end of the readout circuit. Have, The distance measuring device according to the above [B-3] or the above [B-4].
  • the second clamp element is composed of a MOS transistor connected between the first clamp element and the input end of the readout circuit, and the gate electrode is connected to the reference potential node.
  • [B-7] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated.
  • the light receiving element is arranged on the first semiconductor substrate and is arranged on the first semiconductor substrate.
  • the resistance element, the first clamp element, and the second clamp element are arranged on the second semiconductor substrate.
  • [B-8] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated.
  • the light receiving element and the resistance element are arranged on the first semiconductor substrate, and the light receiving element and the resistance element are arranged on the first semiconductor substrate.
  • the first clamp element and the second clamp element are arranged on the second semiconductor substrate.
  • the distance measuring device according to the above [B-5] or the above [B-6].
  • [B-9] It has a laminated chip structure in which at least two semiconductor substrates, a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate, are laminated. The light receiving element, the resistance element, and the first clamp element are arranged on the first semiconductor substrate.
  • the second clamp element is arranged on the second semiconductor substrate, The distance measuring device according to the above [B-5] or the above [B-6].
  • the protection circuit consists of a resistance element connected between the light receiving element and the input end of the readout circuit.
  • [B-11] Having an N-type MOS transistor connected between the input end of the readout circuit and the reference potential node, The resistance element that constitutes the protection circuit constitutes the clamp circuit together with the body diode that exists in the N-type MOS transistor.
  • the first clamp element is composed of a MOS transistor having a diode connection configuration. The distance measuring device according to the above [B-3].
  • the first clamp element is A second resistance element connected in series with the resistance element, and It consists of a P-type MOS transistor connected between the output end of the second resistance element and the reference potential node.
  • the gate electrode of the P-type MOS transistor is connected to the common connection node of the resistance element and the second resistance element.
  • the readout circuit is composed of a CMOS inverter circuit.
  • the light receiving element is an element used by applying a voltage equal to or higher than the breakdown voltage. The distance measuring device according to any one of the above [B-1] to the above [B-14].
  • the light receiving element comprises an avalanche photodiode operating in Geiger mode.
  • the light receiving element is composed of a single photon avalanche diode.
  • a single photon avalanche diode is used by applying a negative bias voltage to the anode electrode.
  • [B-19] A single photon avalanche diode is used by applying a positive bias voltage to the cathode electrode.
  • ranging device 10 ... subject, 20 ... light source unit, 21 ... laser drive unit, 22 ... laser light source, 23 ... diffuser lens, 30 ... light receiving device, 31 ... Light receiving lens, 32 ... Optical sensor, 33 ... Signal processing unit, 40 ... Control unit, 50 ... Pixel, 51 ... SPAD element, 56 ... Read circuit, 57 ... Time measurement unit (TDC), 60 ... Protection circuit, 70 ... Clamp circuit

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Abstract

本開示に係る受光装置は、光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、受光素子と読出し回路との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路を備える。また、本開示に係る測距装置は、上記の構成の受光装置を有する。

Description

受光装置及び測距装置
　本開示は、受光装置及び測距装置に関する。
　光子の受光に応じて信号を発生する素子を、受光素子（光検出素子）として用いた受光装置（光検出装置）がある。この種の受光装置では、測距対象物（被写体）までの距離を測定する測定法として、例えば、測距対象物に向けて光源から照射した光が、当該測距対象物で反射されて戻ってくるまでの時間を計測するＴｏＦ（Time of Flight：飛行時間）法が採用されている。
　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子としては、例えば、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode：単一光子アバランシェダイオード）素子が知られている。ＳＰＡＤ素子を受光素子として用いた受光装置では、受光装置の構成上、ＳＰＡＤ素子のアノード電極（もしくは、カソード電極）にブレークダウン電圧以上の電圧を印加してＳＰＡＤ素子を使用する構成がとられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１９－１２５７１７号公報
　ところで、ＳＰＡＤ素子に直接レーザ光が照射される場合のような、想定以上（所定の光量以上）の大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子に照射された場合、ＳＰＡＤ素子は、大光量による光電変換の影響が強くなることで、内部インピーダンスが大きく低下する。その結果、ＳＰＡＤ素子が発生する信号を読み出す読出し回路に過剰な電圧が加わることになり、読出し回路を構成する回路素子が破壊される可能性がある。
　上記の問題点については、ＳＰＡＤ素子に限らず、光子の受光に応じて信号を発生する受光素子全般に対して言えることである。
　そこで、本開示は、所定の光量以上の大光量が受光素子に照射された場合であっても、後段の読出し回路を構成する回路素子を過電圧から保護することができる受光装置、及び、当該受光装置を有する測距装置を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するための本開示の受光装置は、
　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
　受光素子と読出し回路との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
を備える。
　また、上記の目的を達成するための本開示の測距装置は、
　測距対象物に対して光を照射する光源部、及び、
　光源部からの照射光に基づく、測距対象物からの反射光を受光する受光装置、
を具備する。
　そして、受光装置は、
　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
　受光素子と読出し回路との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
を備える。
図１は、本開示に係る技術が適用される測距装置の一例を示す概略構成図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、本適用例に係る測距装置の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図３は、ＳＰＡＤ素子を用いた基本的な画素回路の構成の一例を示す回路図である。 図４Ａは、ＳＰＡＤ素子のＰＮ接合の電流－電圧特性を示す特性図であり、図４Ｂは、画素回路の回路動作の説明に供する波形図である。 図５は、受光装置のセンサチップ及び回路チップの積層型チップ構造の分解斜視図である。 図６Ａは、ＳＰＡＤ素子のブレークダウンモデル及び光電変換モデルを示す等価回路図であり、図６Ｂは、入射光量に対するＳＰＡＤ素子の内部インピーダンスの変化を示す図であり、図６Ｃは、通常時及び大光量時のカソード電位ＶCAを示す波形図である。 図７は、本開示の実施形態に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図８は、実施例１に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図９は、実施例１に係る受光装置における過電圧発生した時のクランプ動作について説明する波形図である。 図１０は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子、抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子の素子配置例１を示す回路図である。 図１１は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子、抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子の素子配置例２を示す回路図である。 図１２は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子、抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子の素子配置例３を示す回路図である。 図１３は、実施例２に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１４は、実施例３に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１５は、実施例４に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１６は、実施例５に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１７は、実施例６に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１８は、実施例７に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図１９は、実施例８に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図２０は、実施例９に係る受光装置の構成例を示す回路図である。 図２１は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 図２２は、撮像部及び車外情報検出部の設置位置の一例を示す図である。
　以下、本開示の技術を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本開示の技術は実施形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
１．本開示の受光装置及び測距装置、全般に関する説明
２．本開示に係る技術が適用される測距装置
　２－１．測距装置の具体的な構成例
　２－２．ＳＰＡＤ素子を用いた基本的な画素回路例
　２－３．ＳＰＡＤ素子を用いた画素回路の回路動作例
　２－４．ＳＰＡＤ素子の読出し回路に印加される過電圧について
３．本開示の実施形態に係る受光装置
　３－１．実施例１（負バイアス構成の例：保護回路がクランプ回路から成る例）
　３－２．実施例２（実施例１の変形例：第２のクランプ素子を省略した例）
　３－３．実施例３（負バイアス構成の例：保護回路が抵抗素子から成る例）
　３－４．実施例４（実施例１の変形例：第１のクランプ素子をダイオード接続構成のＮ型ＭＯＳトランジスタで構成する例）
　３－５．実施例５（実施例１の変形例：第１のクランプ素子をダイオード接続構成のＰ型ＭＯＳトランジスタで構成する例））
　３－６．実施例６（実施例５の変形例：Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート－ドレイン間に抵抗素子を設ける例）
　３－７．実施例７（正バイアス構成の例：保護回路がクランプ回路から成る例）
　３－８．実施例８（実施例７の変形例：第２のクランプ素子を省略した例）
　３－９．実施例９（正バイアス構成の例：保護回路が抵抗素子から成る例）
４．変形例
５．本開示に係る技術の適用例（移動体の例）
６．本開示がとることができる構成
＜本開示の受光装置及び測距装置、全般に関する説明＞
　本開示の受光装置及び測距装置にあっては、保護回路について、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路から成る構成とすることができる。そして、クランプ回路について、受光素子に対して一端が接続された抵抗素子、及び、抵抗素子の他端と基準電位ノードとの間に接続された第１のクランプ素子を有する構成とし、第１のクランプ素子について、カソード電極が抵抗素子の他端に接続され、アノード電極が基準電位ノードに接続されたクランプダイオードから成る構成とすることができる。
　上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、クランプ回路について、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に設けられた第２のクランプ素子を有する構成とし、第２のクランプ素子について、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に接続され、ゲート電極が基準電位ノードに接続されたＭＯＳトランジスタから成る構成とすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有する構成とすることができる。そして、受光素子を、第１半導体基板に配置し、抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置する、あるいは又、受光素子及び抵抗素子を、第１半導体基板に配置し、第１のクランプ素子及び第２のクランプ素子を、第２半導体基板に配置する、あるいは又、受光素子、抵抗素子、及び、第１のクランプ素子を、第１半導体基板に配置し、第２のクランプ素子を、第２半導体基板に配置する構成とすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、保護回路について、受光素子と読出し回路の入力端との間に接続された抵抗素子から成る構成とすることができる。そして、読出し回路の入力端と基準電位ノードとの間に接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタを有するとき、保護回路を構成する抵抗素子について、Ｎ型ＭＯＳトランジスタに存在するボディダイオードと共にクランプ回路を構成するようにすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、第１のクランプ素子について、ダイオード接続構成のＭＯＳトランジスタから成る構成とすることができる。あるいは又、第１のクランプ素子について、抵抗素子に対して直列に接続された第２の抵抗素子、及び、第２の抵抗素子の出力端と基準電位ノードとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタから成り、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極について、抵抗素子と第２の抵抗素子との共通接続ノードに接続された構成とすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、読出し回路について、ＣＭＯＳインバータ回路によって構成された構成とすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、受光素子について、ブレークダウン電圧以上の電圧が印加されて使用される素子である構成とすることができる。また、受光素子について、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードから成る構成とすることができる。
　また、上述した好ましい構成を含む本開示の受光装置及び測距装置にあっては、受光素子について、単一光子アバランシェダイオードから成る構成とすることが好ましい。そして、単一光子アバランシェダイオードについて、アノード電極に負のバイアス電圧が印加されて用いられる、あるいは又、カソード電極に正のバイアス電圧が印加されて用いられる構成とすることができる。
＜本開示に係る技術が適用される測距装置＞
　図１は、本開示に係る技術が適用される測距装置（即ち、本開示の測距装置）の一例を示す概略構成図である。
　本適用例に係る測距装置１は、測距対象物である被写体１０までの距離を測定する測定法として、被写体１０に向けて照射した光（例えば、赤外の波長域にピーク波長を有するレーザ光）が、当該被写体１０で反射されて戻ってくるまでの飛行時間を測定するＴｏＦ法を採用している。ＴｏＦ法による距離測定を実現するために、本適用例に係る測距装置１は、光源部２０及び受光装置３０を備えている。そして、受光装置３０として、後述する本開示の実施形態に係る受光装置を用いることができる。
［測距装置の具体的な構成例］
　本適用例に係る測距装置１の具体的な構成の一例を図２Ａ及び図２Ｂに示す。光源部２０は、例えば、レーザ駆動部２１、レーザ光源２２、及び、拡散レンズ２３を有し、被写体１０に対してレーザ光を照射する。レーザ駆動部２１は、制御部４０による制御の下に、レーザ光源２２を駆動する。レーザ光源２２は、例えば半導体レーザから成り、レーザ駆動部２１によって駆動されることによってレーザ光を出射する。拡散レンズ２３は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光を拡散し、被写体１０に対して照射する。
　受光装置３０は、受光レンズ３１、受光部である光センサ３２、及び、信号処理部３３を有し、光源部２０からの照射レーザ光が被写体１０で反射されて戻ってくる反射レーザ光を受光する。受光レンズ３１は、被写体１０からの反射レーザ光を光センサ３２の受光面上に集光する。光センサ３２は、受光レンズ３１を経た被写体１０からの反射レーザ光を画素単位で受光し、光電変換する。光センサ３２としては、受光素子を含む画素が行列状（アレイ状）に２次元配置されて成る２次元アレイセンサを用いることができる。
　光センサ３２の出力信号は、信号処理部３３を経由して制御部４０へ供給される。制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理ユニット）等によって構成され、光源部２０及び受光装置３０を制御するとともに、光源部２０から被写体１０に向けて照射したレーザ光が、当該被写体１０で反射されて戻ってくるまでの時間の計測を行う。この計測した時間を基に、被写体１０までの距離を求めることができる。
　時間計測の方法としては、光源部２０からパルス光を照射したタイミングでタイマーをスタートさせ、受光装置３０が当該パルス光を受光したタイミングでタイマーをストップして時間を計測する。時間計測のその他の方法として、光源部２０から所定の周期でパルス光を照射し、受光装置３０が当該パルス光を受光した際の周期を検出し、発光の周期と受光の周期との位相差から時間を計測してもよい。時間計測は複数回実行され、複数回計測された時間を積み上げたＴｏＦヒストグラムのピークの位置を検出することによって時間を計測する。
　そして、本適用例に係る測距装置１では、光センサ３２として、画素の受光素子が、光子の受光に応じて信号を発生する素子、例えば、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode：単一光子アバランシェダイオード）素子から成るセンサを用いている。すなわち、本適用例に係る測距装置１における受光装置３０は、画素の受光素子としてＳＰＡＤ素子を用いた構成となっている。ＳＰＡＤ素子は、ブレークダウン電圧（降伏電圧）を超えた逆電圧で素子を動作させるガイガーモードで動作する。
　尚、ここでは、画素の受光素子（光検出素子）として、ＳＰＡＤ素子を例示したが、ＳＰＡＤ素子に限定されるものではない。すなわち、画素の受光素子としては、ＳＰＡＤ素子の他に、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）や、ＳｉＰＭ（シリコンフォトマルチプライヤ）等、ガイガーモードで動作する種々の素子を用いることができる。
［ＳＰＡＤ素子を用いた基本的な画素回路例］
　ＳＰＡＤ素子を用いた受光装置３０における基本的な画素回路の構成の一例を図３に示す。ここでは、１画素分の基本構成を図示している。
　ＳＰＡＤ素子を用いた画素５０の基本的な画素回路は、ＳＰＡＤ素子５１のカソード電極が、第１の制御トランジスタ５２及び電流源５３を介して、電源電圧ＶDDが与えられる端子５４に接続されている。電源電圧ＶDDとしては、例えば、３Ｖ程度の電圧が与えられる。ＳＰＡＤ素子５１のアノード電極には、アノード電圧Ｖanoが印加されている。アノード電圧Ｖanoとしては、アバランシェ増倍が発生する大きな負電圧、即ち、ブレークダウン電圧以上の電圧（例えば、－２０Ｖ程度）が印加される（図４Ｂ参照）。
　第１の制御トランジスタ５２は、例えばＰ型ＭＯＳトランジスタから成り、ゲート電極に印加されるイネーブル信号ＥＮが低レベルになることで導通状態となり、電流源５３からの電流をＳＰＡＤ素子５１に流す。ＳＰＡＤ素子５１のカソード電極と基準電位ノード（例えば、グランド）との間には、第２の制御トランジスタ５５が接続されている。第２の制御トランジスタ５５は、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタから成り、イネーブル信号ＥＮと逆相の信号ｘＥＮがゲート電極に印加されることで導通状態となり、ＳＰＡＤ素子５１に印加される電圧をブレークダウン電圧以下とし、ＳＰＡＤ素子５１を非活性化状態とする。
　ＳＰＡＤ素子５１が光子の受光に応じて発生する信号は、カソード電位ＶCAとして読出し回路５６によって読み出される。読出し回路５６は、例えば、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱnから成るＣＭＯＳインバータ回路によって構成されており、ＳＰＡＤ素子５１の反応エッジを検出する。読出し回路５６の出力は、ＳＰＡＤ出力（画素出力）として、時間計測部（Time-to-Digital Converter：ＴＤＣ）５７に供給される。時間計測部５７は、ＳＰＡＤ出力に基づいて、測定対象物に向けて照射した光が、当該測定対象物で反射されて戻ってくるまでの時間を計測する。
　上述したように、ＳＰＡＤ素子５１には、ブレークダウン電圧ＶBD以上の電圧（例えば、－２０Ｖ程度）が印加される。ブレークダウン電圧ＶBD以上の過剰電圧は、エクセスバイアス電圧ＶEXと呼ばれる。ブレークダウン電圧ＶBDの電圧値に対して、どの程度大きな電圧値のエクセスバイアス電圧ＶEXを印加するかによってＳＰＡＤ素子５１の特性が変わる。
　ガイガーモードで動作するＳＰＡＤ素子５１のＰＮ接合のＩ（電流）－Ｖ（電圧）特性を図４Ａに示す。図４Ａには、ブレークダウン電圧ＶBD、エクセスバイアス電圧ＶEX、及び、ＳＰＡＤ素子５１の動作点の関係を図示している。
［ＳＰＡＤ素子を用いた画素回路の回路動作例］
　続いて、上記の構成の画素回路の回路動作の一例について、図４Ｂの波形図を用いて説明する。
　ＳＰＡＤ素子５１に電流が流れていない状態では、ＳＰＡＤ素子５１には、（ＶDD－Ｖano）の値の電圧が印加されている。この電圧値（ＶDD－Ｖano）は、（ＶBD＋ＶEX）である。そして、ＳＰＡＤ素子５１のＰＮ接合部で暗電子の発生レートＤＣＲ（Dark Count Rate）や光照射によって発生した電子がアバランシェ増倍を生じ、アバランシェ電流が発生する。この現象は、遮光されている状態（即ち、光が入射していない状態）でも確率的に発生している。これが暗電子の発生レート、即ち、ダークカウントレートＤＣＲ（Dark Count Rate）である。
　カソード電位ＶCAが低下し、ＳＰＡＤ素子５１の端子間の電圧がＰＮダイオードのブレークダウン電圧ＶBDになると、アバランシェ電流が停止する。そして、アバランシェ増倍で発生し、蓄積された電子が、負荷５４（例えば、Ｐ型ＭＯＳトランジスタＱL）を通して放電し、カソード電位ＶCAが上昇する。そして、カソード電位ＶCAが電源電圧ＶDDまで回復し、再び初期状態に戻る。
　ＳＰＡＤ素子５１に光が入射して１個でも電子－正孔対が発生すると、それが種となってアバランシェ電流が発生するので、光子１個の入射でも、ある検知効率ＰＤＥ（Photon Detection Efficiency）で検出することができる。
　以上の動作が繰り返される。そして、この一連の動作において、カソード電位ＶCAが、ＣＭＯＳインバータ回路から成る読出し回路５６で波形整形され、１フォトンの到来時刻を開始点とするパルス幅Ｔのパルス信号がＳＰＡＤ出力（画素出力）となる。
［受光装置の積層型チップ構造］
　受光装置３０のチップ構造としては、所謂、第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造とすることができる。ＳＰＡＤ素子５１を含む画素５０は、図５に示すように、第１半導体基板上に、Ｍ行Ｎ列の２次元アレイ状に配置されて画素アレイ部を構成している。画素５０が配置されて成る第１半導体基板は、センサチップ１０１を構成している。このセンサチップ１０１は、図２Ａの光センサ３２に相当する。
　画素５０毎に、回路部５８が設けられている。画素５０には、少なくとも、ＳＰＡＤ素子５１が含まれる。回路部５８には、例えば、図３に示す第１の制御トランジスタ５２、電流源５３、第２の制御トランジスタ５５、読出し回路５６、及び、時間計測部５７等が含まれる。回路部５８は、第２半導体基板上に、画素５０の各々に対応して、Ｍ行Ｎ列の２次元アレイ状に配置されている。
　回路部５８が配置されて成る第２半導体基板は、回路チップ１０２を構成している。回路チップ１０２は、センサチップ１０１に対して積層される。これにより、センサチップ１０１及び回路チップ１０２の積層型チップ構造において、１画素５０毎に、回路部５８が設けられた構成となっている。
［ＳＰＡＤ素子の読出し回路に印加される過電圧について］
　上記の例の場合、ＳＰＡＤ素子５１の反応エッジを検出する読出し回路５６は、ＳＰＡＤ素子５１のカソード電極に直接接続されており、反射光を検出する場合はガイガーモードとして設定される電圧の振幅の変化（例えば、３Ｖ程度）を検出できるような回路構成になっている。
　ここで、ＳＰＡＤ素子５１に直接レーザ光が照射される場合のような、所定の光量以上（想定以上）の大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子５１に照射された場合について、図６Ａ、図６Ｂ、及び、図６Ｃを参照して説明する。
　図６Ａは、ＳＰＡＤ素子５１のブレークダウンモデル及び光電変換モデルを示す等価回路図であり、図６Ｂは、入射光量に対するＳＰＡＤ素子５１の内部インピーダンスの変化を示す図であり、図６Ｃは、通常時（実線）及び大光量時（破線）のカソード電位ＶCAを示す波形図である。
　図６Ａに示す等価回路図において、スイッチＳＷ、抵抗Ｒ、及び、電圧源Ｅの直列回路のモデルがＳＰＡＤブレークダウンモデルであり、ここでは、一例として、ＳＰＡＤ素子５１の抵抗Ｒが２０ｋΩ、電圧源Ｅが２０Ｖのモデルを図示している。ＳＰＡＤブレークダウンモデルでは、光量依存性が小さく、所定の光量以下の通常の光量では、このＳＰＡＤブレークダウンモデルでカソード電位ＶCAが決まる。
　光電変換モデルは、第２の制御トランジスタ５５（図３参照）から内部インピーダンスＺを通して光電流ＩSPADが流れるモデルである。この光電変換モデルにおいて、図６Ｂに示すように、所定の光量以下のレーザ光が照射される通常時は、内部インピーダンスＺは高いが、所定の光量を超える大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子５１に照射されると、ＳＰＡＤ素子５１の内部インピーダンスＺが低下する。
　本出願の発明者らの評価によれば、例えば、５００ｋＷ／ｃｍ2程度の大光量では、ＳＰＡＤ素子５１の内部インピーダンスＺが１００Ω程度まで低下し、このとき、計算上、カソード電位ＶCAが、－１０Ｖ以上の高電位になる可能性があることが確認されている。
　このように、大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子５１に照射された場合、ＳＰＡＤ素子５１は、大光量による光電変換の影響が強くなることで、内部インピーダンスＺが大きく低下する。その結果、図６Ｃに示すように、読出し回路５６に過剰な電圧（例えば、数１０Ｖ程度）が加わることになり、読出し回路５６を構成する回路素子の素子破壊に至る可能性がある。具体的には、過剰な電圧が印加されることによって、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、あるいは、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５が破壊される可能性がある。
＜本開示の実施形態に係る受光装置＞
　図７は、本開示の実施形態に係る受光装置の構成例をブロック図である。図７に示すように、本実施形態では、光子の受光に応じて信号を発生するＳＰＡＤ素子５１、及び、ＳＰＡＤ素子５１が発生する信号を読み出す読出し回路５６を備える受光装置において、ＳＰＡＤ素子５１と読出し回路５６の入力端との間に、保護回路６０を設けた構成となっている。
　保護回路６０は、大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子５１に照射されたときに生ずる過電圧から、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を保護する作用をなす過電圧保護回路である。
　このように、ＳＰＡＤ素子５１と読出し回路５６の入力端との間に、保護回路６０を設けることで、所定の光量以上（想定以上）の大光量のレーザ光がＳＰＡＤ素子５１に照射された場合であっても、保護回路６０の作用により、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を過電圧から保護することができる。
　以下に、読出し回路５６を構成する回路素子等を過電圧から保護するための保護回路６０の具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
　実施例１は、負バイアス構成の例であり、保護回路６０がクランプ回路から成る例である。実施例１に係る受光装置３０の構成例の回路図を図８に示す。
　実施例１に係る受光装置３０は、ＳＰＡＤ素子５１のアノード電極に負のバイアス電圧（例えば、－２０Ｖ程度）を印加する負バイアス構成であり、保護回路６０として、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路７０を用いた構成となっている。すなわち、実施例１に係る受光装置３０において、保護回路６０は、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路７０から成る。
　図８に示すように、クランプ回路７０は、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３を有する構成となっている。抵抗素子７１は、一端がＳＰＡＤ素子５１のカソード電極に接続されている。第１のクランプ素子７２は、例えば、クランプダイオードから成り、カソード電極が抵抗素子７１の他端（出力端）に接続され、アノード電極が基準電位ノード（例えば、グランド）に接続されている。
　抵抗素子７１は、ＳＰＡＤ素子５１で過電圧が発生した際に、第１のクランプ素子７２であるクランプダイオードに流れる電流値が、当該クランプダイオードの定格順電流を超えないように制限するために設けられている。第１のクランプ素子７２であるクランプダイオードは、ＳＰＡＤ素子５１において、クランプ電圧を超える過電圧が発生したとき、当該過電圧を一定の電圧（順方向電圧ＶF）にクランプする。
　尚、第１のクランプ素子７２としては、クランプダイオードに限られるものではない。例えば、第１のクランプ素子７２として、クランプダイオードの他に、ショットキーバリアダイオード等を例示することができる。
　第２のクランプ素子７３は、例えば、Ｐ型ＭＯＳトランジスタから成り、第１のクランプ素子７２（具体的には、クランプダイオードのアノード電極）と、読出し回路５６の入力端が接続されるノードＮとの間に接続されている。第２のクランプ素子７３であるＰ型ＭＯＳトランジスタは、ゲート電極が基準電位ノード（例えば、グランド）に接続され、バックゲートがソース電極に接続されている。
　ここで、一例として、ＳＰＡＤ素子５１において、－数１０Ｖの過電圧が発生した場合のクランプ動作について、図９の波形図を用いて説明する。第１のクランプ素子７２であるクランプダイオードは、ＳＰＡＤ素子５１で発生した過電圧を、一定の電圧（順方向電圧ＶF）にクランプする。このクランプ動作により、ＳＰＡＤ素子５１で発生した過電圧は、例えば、－１Ｖ～－３Ｖ程度の負電圧にクランプされる。
　ここで、第１のクランプ素子７２によるクランプ動作によって負電圧が発生することにより、当該負電圧が、後段のＭＯＳトランジスタの耐圧を超える場合がある。この負電圧の問題に対処するために、第２のクランプ素子７３が設けられている。すなわち、第２のクランプ素子７３は、読出し回路５６の入力端が接続されるノードＮの電圧を、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート－ソース間電圧Ｖgs（例えば、０．５Ｖ程度）にクランプする。これにより、第１のクランプ素子７２によるクランプ動作によって負電圧の問題を解消することができる。
　上述したように、実施例１に係る受光装置３０によれば、保護回路６０として設けられたクランプ回路７０の作用により、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射されて発生する過電圧を一定の電圧にクランプすることができる。その結果、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を過電圧から保護することができる。
　続いて、上記の構成の実施例１に係る受光装置３０において、チップ構造が、センサチップ１０１及び回路チップ１０２が、上チップ及び下チップとして積層されて成る積層型チップ構造（図５参照）の場合における、ＳＰＡＤ素子５１、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３の素子配置のバリエーションについて説明する。
（素子配置例１）
　図１０は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子５１、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３の素子配置例１を示す回路図である。
　素子配置例１に係る積層型チップ構造は、上チップであるセンサチップ１０１には、ＳＰＡＤ素子５１のみを配置し、下チップである回路チップ１０２には、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３を配置するとともに、第１の制御トランジスタ５２、電流源５３、第２の制御トランジスタ５５、及び、読出し回路５６を配置した構成となっている。
（素子配置例２）
　図１１は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子５１、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３の素子配置例２を示す回路図である。
　素子配置例２に係る積層型チップ構造は、上チップであるセンサチップ１０１には、ＳＰＡＤ素子５１及び抵抗素子７１を配置し、下チップである回路チップ１０２には、第１のクランプ素子７２及び第２のクランプ素子７３を配置するとともに、第１の制御トランジスタ５２、電流源５３、第２の制御トランジスタ５５、及び、読出し回路５６を配置した構成となっている。
（素子配置例３）
　図１２は、積層型チップ構造におけるＳＰＡＤ素子５１、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３の素子配置例３を示す回路図である。
　素子配置例３に係る積層型チップ構造は、上チップであるセンサチップ１０１には、ＳＰＡＤ素子５１、抵抗素子７１、及び、第１のクランプ素子７２を配置し、下チップである回路チップ１０２には、第２のクランプ素子７３を配置するとともに、第１の制御トランジスタ５２、電流源５３、第２の制御トランジスタ５５、及び、読出し回路５６を配置した構成となっている。
［実施例２］
　実施例２は、実施例１の変形例であり、第２のクランプ素子を省略した例である。実施例２に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１３に示す。
　実施例２に係る受光装置３０では、クランプ回路７０が、抵抗素子７１及び第１のクランプ素子７２を有する構成となっている。すなわち、実施例２に係る受光装置３０は、実施例１でクランプ回路７０の構成素子の一つとして用いていた第２のクランプ素子７３を省略した構成となっている。
　上記の構成の実施例２に係る受光装置３０の場合、実施例１の第２のクランプ素子７３による作用、効果は得られなく、ノードＮの電圧が負電圧になるものの、過電圧（－数１０Ｖ）に比べて極めて低い。従って、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生した場合であっても、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を過電圧から保護することができる。
［実施例３］
　実施例３は、負バイアス構成の例であり、保護回路６０が抵抗素子から成る例である。実施例３に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１４に示す。
　実施例３に係る受光装置３０において、保護回路６０は、ＳＰＡＤ素子５１と読出し回路５６の入力端、即ち、ノードＮとの間に接続された抵抗素子７１から成る構成となっている。すなわち、実施例３に係る受光装置３０は、実施例１でクランプ回路７０の構成素子として用いていた第１のクランプ素子７２及び第２のクランプ素子７３を省略した構成となっている。
　実施例３に係る受光装置３０では、抵抗素子７１が、読出し回路５６の入力端が接続されたノードＮと、基準電位ノード（例えば、グランド）との間に、第２の制御トランジスタ５５として接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタに存在するボディダイオードと共にクランプ回路を構成している。ここで、「ボディダイオード」とは、ＭＯＳＦＥＴの構造上、ソース－ドレイン間のＰＮ接合によって形成される内蔵ダイオードのことである。
　上記の構成の実施例３に係る受光装置３０によれば、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生したとき、抵抗素子７１による電圧降下、及び、Ｎ型ＭＯＳトランジスタのボディダイオードによるクランプ作用により、過電圧（－数１０Ｖ）に比べて極めて低い電圧がノードＮに印加されることになる。従って、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生した場合であっても、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を過電圧から保護することができる。
［実施例４］
　実施例４は、実施例１の変形例であり、第１のクランプ素子７３を、ダイオード接続構成のＮ型ＭＯＳトランジスタを用いて構成する例である。実施例４に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１５に示す。
　実施例４に係る受光装置３０では、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３から成るクランプ回路７０において、第１のクランプ素子７２が、Ｎ型ＭＯＳトランジスタから成る構成となっている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタは、抵抗素子７１の他端（出力端）と基準電位ノード（例えば、グランド）との間に接続され、ゲート電極とドレイン電極とが共通に接続されたダイオード接続の構成となっている。
　上述したように、実施例４に係る受光装置３０は、クランプ回路７０を構成する第１のクランプ素子７２として、実施例１のクランプダイオードに代えて、ダイオード接続構成のＮ型ＭＯＳトランジスタを用いた構成となっている。このように、第１のクランプ素子７２として、ダイオード接続構成のＮ型ＭＯＳトランジスタを用いた構成によっても、実施例１の場合と同様の作用、効果、即ち、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生した際に、後段の読出し回路５６等の回路素子を過電圧から保護することができる。
［実施例５］
　実施例５は、実施例１の変形例であり、第１のクランプ素子７３を、ダイオード接続構成のＰ型ＭＯＳトランジスタを用いて構成する例である。実施例５に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１６に示す。
　実施例５に係る受光装置３０では、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３から成るクランプ回路７０において、第１のクランプ素子７２が、Ｐ型ＭＯＳトランジスタから成る構成となっている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタは、抵抗素子７１の他端（出力端）と基準電位ノード（例えば、グランド）との間に接続され、ゲート電極とソース電極とが共通に接続されたダイオード接続の構成となっている。
　上述したように、実施例５に係る受光装置３０は、クランプ回路７０を構成する第１のクランプ素子７２として、実施例１のクランプダイオードに代えて、ダイオード接続構成のＰ型ＭＯＳトランジスタを用いた構成となっている。このように、第１のクランプ素子７２として、ダイオード接続構成のＰ型ＭＯＳトランジスタを用いた構成によっても、実施例１の場合と同様の作用、効果、即ち、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生した際に、後段の読出し回路５６等の回路素子を過電圧から保護することができる。
［実施例６］
　実施例６は、実施例５の変形例であり、第１のクランプ素子７３としてＰ型ＭＯＳトランジスタを用い、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート－ドレイン間に抵抗素子を設ける例である。実施例６に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１７に示す。
　実施例６に係る受光装置３０では、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３から成るクランプ回路７０において、第１のクランプ素子７２が、抵抗素子７１に対して直列に接続された第２の抵抗素子７４、及び、第２の抵抗素子７４の出力端と基準電位ノード（例えば、グランド）との間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタから成る構成となっている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタは、ゲート電極が抵抗素子７１と第２の抵抗素子７４との共通接続ノードに接続されている。
　上述したように、実施例６に係る受光装置３０は、抵抗素子７１に対して第２の抵抗素子７４を直列に接続するとともに、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極を、抵抗素子７１と第２の抵抗素子７４との共通接続ノードに接続した構成となっている。この構成により、Ｐ型ＭＯＳトランジスタを完全に導通状態（オン状態）とすることができるため、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのソース電極と第２の抵抗素子７４の出力端との共通接続ノードの電圧が負電圧になることはない。従って、実施例６の場合には、第２のクランプ素子７３を省略した構成とすることができる。
［実施例７］
　実施例７は、正バイアス構成の例であり、保護回路６０がクランプ回路から成る例である。実施例７に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１８に示す。
　実施例７に係る受光装置３０は、ＳＰＡＤ素子５１のカソード電極に正のバイアス電圧（例えば、２０Ｖ程度）を印加する正バイアス構成であり、保護回路６０として、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路７０を用いた構成となっている。すなわち、正バイアス構成の実施例７に係る受光装置３０は、負バイアス構成の実施例１に係る受光装置３０に対応した回路構成となっている。
　図１８に示すように、クランプ回路７０は、抵抗素子７１、第１のクランプ素子７２、及び、第２のクランプ素子７３を有する構成となっている。抵抗素子７１は、一端がＳＰＡＤ素子５１のアノード電極に接続されている。第１のクランプ素子７２は、例えば、クランプダイオードから成り、アノード電極が抵抗素子７１の他端（出力端）に接続され、カソード電極が電源電圧ＶDDのノードに接続されている。第２のクランプ素子７３は、例えば、Ｎ型ＭＯＳトランジスタから成り、第１のクランプ素子７２とノードＮとの間に接続され、ゲート電極が電源電圧ＶDDのノードに接続されている。
　上記の構成の実施例７に係る受光装置３０によれば、保護回路６０として設けられたクランプ回路７０の作用により、所定の光量以上の大光量がＳＰＡＤ素子５１に照射され、過電圧が発生した場合であっても、後段の読出し回路５６を過電圧から保護することができる。より具体的には、読出し回路５６を構成するＰ型ＭＯＳトランジスタＱp及びＮ型ＭＯＳトランジスタＱn、並びに、第１の制御トランジスタ５２や第２の制御トランジスタ５５を過電圧から保護することができる。
［実施例８］
　実施例８は、実施例７の変形例であり、第２のクランプ素子を省略した例である。実施例８に係る受光装置３０の構成例の回路図を図１９に示す。
　実施例８に係る受光装置３０では、クランプ回路７０が、抵抗素子７１及び第１のクランプ素子７２を有する構成となっている。すなわち、実施例８に係る受光装置３０は、実施例７でクランプ回路７０の構成素子の一つとして用いていた第２のクランプ素子７３を省略した構成となっており、負バイアス構成の実施例２に係る受光装置３０に対応した回路構成となっている。従って、実施例８に係る受光装置３０によれば、基本的に、実施例２に係る受光装置３０の場合と同様の作用、効果を得ることができる。
［実施例９］
　実施例９は、正バイアス構成の例であり、保護回路６０が抵抗素子から成る例である。実施例９に係る受光装置３０の構成例の回路図を図２０に示す。
　実施例９に係る受光装置３０において、保護回路６０は、ＳＰＡＤ素子５１と読出し回路５６の入力端、即ち、ノードＮとの間に接続された抵抗素子７１から成る構成となっている。すなわち、実施例３に係る受光装置３０は、実施例１でクランプ回路７０の構成素子として用いていた第１のクランプ素子７２及び第２のクランプ素子７３を省略した構成となっており、負バイアス構成の実施例３に係る受光装置３０に対応した回路構成となっている。従って、実施例９に係る受光装置３０によれば、基本的に、実施例３に係る受光装置３０の場合と同様の作用、効果を得ることができる。
＜変形例＞
　以上、本開示に係る技術について、好ましい実施形態に基づき説明したが、本開示に係る技術は当該実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態において説明した受光装置及び測距装置の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができる。
　例えば、正バイアス構成の実施例７に係る受光装置３０においても、第１のクランプ素子７２について、負バイアス構成の実施例４乃至実施例６に係る受光装置３０と同様の構成とすることができる。すなわち、第１のクランプ素子７２を、ダイオード接続構成のＭＯＳトランジスタを用いた構成や、第２の抵抗素子とＭＯＳトランジスタとの組み合わせから成る構成とすることができる。
＜本開示に係る技術の適用例＞
　本開示に係る技術は、様々な製品に適用することができる。以下に、より具体的な適用例について説明する。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット、建設機械、農業機械（トラクター）などのいずれかの種類の移動体に搭載される測距装置として実現されてもよい。
［移動体］
　図２１は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システム７０００の概略的な構成例を示すブロック図である。車両制御システム７０００は、通信ネットワーク７０１０を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２１に示した例では、車両制御システム７０００は、駆動系制御ユニット７１００、ボディ系制御ユニット７２００、バッテリ制御ユニット７３００、車外情報検出ユニット７４００、車内情報検出ユニット７５００、及び統合制御ユニット７６００を備える。これらの複数の制御ユニットを接続する通信ネットワーク７０１０は、例えば、ＣＡＮ（Controller　Area　Network）、ＬＩＮ（Local　Interconnect　Network）、ＬＡＮ（Local　Area　Network）又はＦｌｅｘＲａｙ（登録商標）等の任意の規格に準拠した車載通信ネットワークであってよい。
　各制御ユニットは、各種プログラムにしたがって演算処理を行うマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータにより実行されるプログラム又は各種演算に用いられるパラメータ等を記憶する記憶部と、各種制御対象の装置を駆動する駆動回路とを備える。各制御ユニットは、通信ネットワーク７０１０を介して他の制御ユニットとの間で通信を行うためのネットワークＩ／Ｆを備えるとともに、車内外の装置又はセンサ等との間で、有線通信又は無線通信により通信を行うための通信Ｉ／Ｆを備える。図２１では、統合制御ユニット７６００の機能構成として、マイクロコンピュータ７６１０、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０、音声画像出力部７６７０、車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０及び記憶部７６９０が図示されている。他の制御ユニットも同様に、マイクロコンピュータ、通信Ｉ／Ｆ及び記憶部等を備える。
　駆動系制御ユニット７１００は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット７１００は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。駆動系制御ユニット７１００は、ＡＢＳ（Antilock　Brake　System）又はＥＳＣ（Electronic　Stability　Control）等の制御装置としての機能を有してもよい。
　駆動系制御ユニット７１００には、車両状態検出部７１１０が接続される。車両状態検出部７１１０には、例えば、車体の軸回転運動の角速度を検出するジャイロセンサ、車両の加速度を検出する加速度センサ、あるいは、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、ステアリングホイールの操舵角、エンジン回転数又は車輪の回転速度等を検出するためのセンサのうちの少なくとも一つが含まれる。駆動系制御ユニット７１００は、車両状態検出部７１１０から入力される信号を用いて演算処理を行い、内燃機関、駆動用モータ、電動パワーステアリング装置又はブレーキ装置等を制御する。
　ボディ系制御ユニット７２００は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット７２００は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット７２００には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット７２００は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
　バッテリ制御ユニット７３００は、各種プログラムにしたがって駆動用モータの電力供給源である二次電池７３１０を制御する。例えば、バッテリ制御ユニット７３００には、二次電池７３１０を備えたバッテリ装置から、バッテリ温度、バッテリ出力電圧又はバッテリの残存容量等の情報が入力される。バッテリ制御ユニット７３００は、これらの信号を用いて演算処理を行い、二次電池７３１０の温度調節制御又はバッテリ装置に備えられた冷却装置等の制御を行う。
　車外情報検出ユニット７４００は、車両制御システム７０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット７４００には、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０のうちの少なくとも一方が接続される。撮像部７４１０には、ＴｏＦ（Time　Of　Flight）カメラ、ステレオカメラ、単眼カメラ、赤外線カメラ及びその他のカメラのうちの少なくとも一つが含まれる。車外情報検出部７４２０には、例えば、現在の天候又は気象を検出するための環境センサ、あるいは、車両制御システム７０００を搭載した車両の周囲の他の車両、障害物又は歩行者等を検出するための周囲情報検出センサのうちの少なくとも一つが含まれる。
　環境センサは、例えば、雨天を検出する雨滴センサ、霧を検出する霧センサ、日照度合いを検出する日照センサ、及び降雪を検出する雪センサのうちの少なくとも一つであってよい。周囲情報検出センサは、超音波センサ、レーダ装置及びＬＩＤＡＲ（Light　Detection　and　Ranging、Laser　Imaging　Detection　and　Ranging）装置のうちの少なくとも一つであってよい。これらの撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０は、それぞれ独立したセンサないし装置として備えられてもよいし、複数のセンサないし装置が統合された装置として備えられてもよい。
　ここで、図２２は、撮像部７４１０及び車外情報検出部７４２０の設置位置の例を示す。撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６，７９１８は、例えば、車両７９００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部のうちの少なくとも一つの位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部７９１０及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として車両７９００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部７９１２，７９１４は、主として車両７９００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部７９１６は、主として車両７９００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部７９１８は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
　尚、図２２には、それぞれの撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲ａは、フロントノーズに設けられた撮像部７９１０の撮像範囲を示し、撮像範囲ｂ，ｃは、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部７９１２，７９１４の撮像範囲を示し、撮像範囲ｄは、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部７９１６の撮像範囲を示す。例えば、撮像部７９１０，７９１２，７９１４，７９１６で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両７９００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
　車両７９００のフロント、リア、サイド、コーナ及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２２，７９２４，７９２６，７９２８，７９３０は、例えば超音波センサ又はレーダ装置であってよい。車両７９００のフロントノーズ、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部に設けられる車外情報検出部７９２０，７９２６，７９３０は、例えばＬＩＤＡＲ装置であってよい。これらの車外情報検出部７９２０～７９３０は、主として先行車両、歩行者又は障害物等の検出に用いられる。
　図２１に戻って説明を続ける。車外情報検出ユニット７４００は、撮像部７４１０に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像データを受信する。また、車外情報検出ユニット７４００は、接続されている車外情報検出部７４２０から検出情報を受信する。車外情報検出部７４２０が超音波センサ、レーダ装置又はＬＩＤＡＲ装置である場合には、車外情報検出ユニット７４００は、超音波又は電磁波等を発信させるとともに、受信された反射波の情報を受信する。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、降雨、霧又は路面状況等を認識する環境認識処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した情報に基づいて、車外の物体までの距離を算出してもよい。
　また、車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等を認識する画像認識処理又は距離検出処理を行ってもよい。車外情報検出ユニット７４００は、受信した画像データに対して歪補正又は位置合わせ等の処理を行うとともに、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを合成して、俯瞰画像又はパノラマ画像を生成してもよい。車外情報検出ユニット７４００は、異なる撮像部７４１０により撮像された画像データを用いて、視点変換処理を行ってもよい。
　車内情報検出ユニット７５００は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部７５１０が接続される。運転者状態検出部７５１０は、運転者を撮像するカメラ、運転者の生体情報を検出する生体センサ又は車室内の音声を集音するマイク等を含んでもよい。生体センサは、例えば、座面又はステアリングホイール等に設けられ、座席に座った搭乗者又はステアリングホイールを握る運転者の生体情報を検出する。車内情報検出ユニット７５００は、運転者状態検出部７５１０から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。車内情報検出ユニット７５００は、集音された音声信号に対してノイズキャンセリング処理等の処理を行ってもよい。
　統合制御ユニット７６００は、各種プログラムにしたがって車両制御システム７０００内の動作全般を制御する。統合制御ユニット７６００には、入力部７８００が接続されている。入力部７８００は、例えば、タッチパネル、ボタン、マイクロフォン、スイッチ又はレバー等、搭乗者によって入力操作され得る装置によって実現される。統合制御ユニット７６００には、マイクロフォンにより入力される音声を音声認識することにより得たデータが入力されてもよい。入力部７８００は、例えば、赤外線又はその他の電波を利用したリモートコントロール装置であってもよいし、車両制御システム７０００の操作に対応した携帯電話又はＰＤＡ（Personal　Digital　Assistant）等の外部接続機器であってもよい。入力部７８００は、例えばカメラであってもよく、その場合搭乗者はジェスチャにより情報を入力することができる。あるいは、搭乗者が装着したウェアラブル装置の動きを検出することで得られたデータが入力されてもよい。さらに、入力部７８００は、例えば、上記の入力部７８００を用いて搭乗者等により入力された情報に基づいて入力信号を生成し、統合制御ユニット７６００に出力する入力制御回路などを含んでもよい。搭乗者等は、この入力部７８００を操作することにより、車両制御システム７０００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。
　記憶部７６９０は、マイクロコンピュータにより実行される各種プログラムを記憶するＲＯＭ（Read　Only　Memory）、及び各種パラメータ、演算結果又はセンサ値等を記憶するＲＡＭ（Random　Access　Memory）を含んでいてもよい。また、記憶部７６９０は、ＨＤＤ（Hard　Disc　Drive）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス又は光磁気記憶デバイス等によって実現してもよい。
　汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、外部環境７７５０に存在する様々な機器との間の通信を仲介する汎用的な通信Ｉ／Ｆである。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、ＧＳＭ（登録商標）（Global　System　of　Mobile　communications）、ＷｉＭＡＸ、ＬＴＥ（Long　Term　Evolution）若しくはＬＴＥ－Ａ（LTE－Advanced）などのセルラー通信プロトコル、又は無線ＬＡＮ（Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）ともいう）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などのその他の無線通信プロトコルを実装してよい。汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えば、基地局又はアクセスポイントを介して、外部ネットワーク（例えば、インターネット、クラウドネットワーク又は事業者固有のネットワーク）上に存在する機器（例えば、アプリケーションサーバ又は制御サーバ）へ接続してもよい。また、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０は、例えばＰ２Ｐ（Peer　To　Peer）技術を用いて、車両の近傍に存在する端末（例えば、運転者、歩行者若しくは店舗の端末、又はＭＴＣ（Machine　Type　Communication）端末）と接続してもよい。
　専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、車両における使用を目的として策定された通信プロトコルをサポートする通信Ｉ／Ｆである。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、例えば、下位レイヤのＩＥＥＥ８０２．１１ｐと上位レイヤのＩＥＥＥ１６０９との組合せであるＷＡＶＥ（Wireless　Access　in　Vehicle　Environment）、ＤＳＲＣ（Dedicated　Short　Range　Communications）、又はセルラー通信プロトコルといった標準プロトコルを実装してよい。専用通信Ｉ／Ｆ７６３０は、典型的には、車車間（Vehicle　to　Vehicle）通信、路車間（Vehicle　to　Infrastructure）通信、車両と家との間（Vehicle　to　Home）の通信及び歩車間（Vehicle　to　Pedestrian）通信のうちの１つ以上を含む概念であるＶ２Ｘ通信を遂行する。
　測位部７６４０は、例えば、ＧＮＳＳ（Global　Navigation　Satellite　System）衛星からのＧＮＳＳ信号（例えば、ＧＰＳ（Global　Positioning　System）衛星からのＧＰＳ信号）を受信して測位を実行し、車両の緯度、経度及び高度を含む位置情報を生成する。尚、測位部７６４０は、無線アクセスポイントとの信号の交換により現在位置を特定してもよく、又は測位機能を有する携帯電話、ＰＨＳ若しくはスマートフォンといった端末から位置情報を取得してもよい。
　ビーコン受信部７６５０は、例えば、道路上に設置された無線局等から発信される電波あるいは電磁波を受信し、現在位置、渋滞、通行止め又は所要時間等の情報を取得する。尚、ビーコン受信部７６５０の機能は、上述した専用通信Ｉ／Ｆ７６３０に含まれてもよい。
　車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、マイクロコンピュータ７６１０と車内に存在する様々な車内機器７７６０との間の接続を仲介する通信インタフェースである。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＮＦＣ（Near　Field　Communication）又はＷＵＳＢ（Wireless　USB）といった無線通信プロトコルを用いて無線接続を確立してもよい。また、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、図示しない接続端子（及び、必要であればケーブル）を介して、ＵＳＢ（Universal　Serial　Bus）、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition　Multimedia　Interface）、又はＭＨＬ（Mobile　High-definition　Link）等の有線接続を確立してもよい。車内機器７７６０は、例えば、搭乗者が有するモバイル機器若しくはウェアラブル機器、又は車両に搬入され若しくは取り付けられる情報機器のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。また、車内機器７７６０は、任意の目的地までの経路探索を行うナビゲーション装置を含んでいてもよい。車内機器Ｉ／Ｆ７６６０は、これらの車内機器７７６０との間で、制御信号又はデータ信号を交換する。
　車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、マイクロコンピュータ７６１０と通信ネットワーク７０１０との間の通信を仲介するインタフェースである。車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０は、通信ネットワーク７０１０によりサポートされる所定のプロトコルに則して、信号等を送受信する。
　統合制御ユニット７６００のマイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、各種プログラムにしたがって、車両制御システム７０００を制御する。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット７１００に対して制御指令を出力してもよい。例えば、マイクロコンピュータ７６１０は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced　Driver　Assistance　System）の機能実現を目的とした協調制御を行ってもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行ってもよい。
　マイクロコンピュータ７６１０は、汎用通信Ｉ／Ｆ７６２０、専用通信Ｉ／Ｆ７６３０、測位部７６４０、ビーコン受信部７６５０、車内機器Ｉ／Ｆ７６６０及び車載ネットワークＩ／Ｆ７６８０のうちの少なくとも一つを介して取得される情報に基づき、車両と周辺の構造物や人物等の物体との間の３次元距離情報を生成し、車両の現在位置の周辺情報を含むローカル地図情報を作成してもよい。また、マイクロコンピュータ７６１０は、取得される情報に基づき、車両の衝突、歩行者等の近接又は通行止めの道路への進入等の危険を予測し、警告用信号を生成してもよい。警告用信号は、例えば、警告音を発生させたり、警告ランプを点灯させたりするための信号であってよい。
　音声画像出力部７６７０は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２１の例では、出力装置として、オーディオスピーカ７７１０、表示部７７２０及びインストルメントパネル７７３０が例示されている。表示部７７２０は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。表示部７７２０は、ＡＲ（Augmented　Reality）表示機能を有していてもよい。出力装置は、これらの装置以外の、ヘッドホン、搭乗者が装着する眼鏡型ディスプレイ等のウェアラブルデバイス、プロジェクタ又はランプ等の他の装置であってもよい。出力装置が表示装置の場合、表示装置は、マイクロコンピュータ７６１０が行った各種処理により得られた結果又は他の制御ユニットから受信された情報を、テキスト、イメージ、表、グラフ等、様々な形式で視覚的に表示する。また、出力装置が音声出力装置の場合、音声出力装置は、再生された音声データ又は音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して聴覚的に出力する。
　尚、図２１に示した例において、通信ネットワーク７０１０を介して接続された少なくとも二つの制御ユニットが一つの制御ユニットとして一体化されてもよい。あるいは、個々の制御ユニットが、複数の制御ユニットにより構成されてもよい。さらに、車両制御システム７０００が、図示されていない別の制御ユニットを備えてもよい。また、上記の説明において、いずれかの制御ユニットが担う機能の一部又は全部を、他の制御ユニットに持たせてもよい。つまり、通信ネットワーク７０１０を介して情報の送受信がされるようになっていれば、所定の演算処理が、いずれかの制御ユニットで行われるようになってもよい。同様に、いずれかの制御ユニットに接続されているセンサ又は装置が、他の制御ユニットに接続されるとともに、複数の制御ユニットが、通信ネットワーク７０１０を介して相互に検出情報を送受信してもよい。
　以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成要素のうち、例えば、撮像部７４１０あるいは車外情報検出部７４２０がＴｏＦカメラ（ＴｏＦセンサ）を含む場合に、当該ＴｏＦカメラとして、先述した実施形態に係る受光装置を用いることができる。当該受光装置を測距装置のＴｏＦカメラとして搭載することで、例えば、所定の光量以上の大光量が受光素子に照射され、受光素子で過電圧が発生した場合に、当該過電圧による素子破壊を未然に阻止することができるため、信頼性の高い車両制御システムを構築することができる。
＜本開示がとることができる構成＞
　尚、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
≪Ａ．受光装置≫
［Ａ－１］光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
　受光素子と読出し回路の入力端との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
を備える受光装置。
［Ａ－２］保護回路は、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路から成る、
上記［Ａ－１］に記載の受光装置。
［Ａ－３］クランプ回路は、
　受光素子に対して一端が接続された抵抗素子、及び、
　抵抗素子の他端と基準電位ノードとの間に接続された第１のクランプ素子、
を有する、
上記［Ａ－２］に記載の受光装置。
［Ａ－４］第１のクランプ素子は、カソード電極が抵抗素子の他端に接続され、アノード電極が基準電位ノードに接続されたクランプダイオードから成る、
上記［Ａ－３］に記載の受光装置。
［Ａ－５］クランプ回路は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に設けられた第２のクランプ素子、
を有する、
上記［Ａ－３］又は上記［Ａ－４］に記載の受光装置。
［Ａ－６］第２のクランプ素子は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に接続され、ゲート電極が基準電位ノードに接続されたＭＯＳトランジスタから成る、
上記［Ａ－５］に記載の受光装置。
［Ａ－７］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子は、第１半導体基板に配置され、
　抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ａ－５］又は上記［Ａ－６］に記載の受光装置。
［Ａ－８］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子及び抵抗素子は、第１半導体基板に配置され、
　第１のクランプ素子及び第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ａ－５］又は上記［Ａ－６］に記載の受光装置。
［Ａ－９］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子、抵抗素子、及び、第１のクランプ素子は、第１半導体基板に配置され、
　第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ａ－５］又は上記［Ａ－６］に記載の受光装置。
［Ａ－１０］保護回路は、受光素子と読出し回路の入力端との間に接続された抵抗素子から成る、
上記［Ａ－１］に記載の受光装置。
［Ａ－１１］読出し回路の入力端と基準電位ノードとの間に接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタを有し、
　保護回路を構成する抵抗素子は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタに存在するボディダイオードと共にクランプ回路を構成する、
上記［Ａ－１０］に記載の受光装置。
［Ａ－１２］第１のクランプ素子は、ダイオード接続構成のＭＯＳトランジスタから成る、
上記［Ａ－３］に記載の受光装置。
［Ａ－１３］第１のクランプ素子は、
　抵抗素子に対して直列に接続された第２の抵抗素子、及び、
　第２の抵抗素子の出力端と基準電位ノードとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタから成り、
　Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極は、抵抗素子と第２の抵抗素子との共通接続ノードに接続されている、
上記［Ａ－３］に記載の受光装置。
［Ａ－１４］読出し回路は、ＣＭＯＳインバータ回路によって構成されている、
上記［Ａ－１］乃至上記［Ａ－１３］のいずれかに記載の受光装置。
［Ａ－１５］受光素子は、ブレークダウン電圧以上の電圧が印加されて使用される素子である、
上記［Ａ－１］乃至上記［Ａ－１４］のいずれかに記載の受光装置。
［Ａ－１６］受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードから成る、
上記［Ａ－１５］に記載の受光装置。
［Ａ－１７］受光素子は、単一光子アバランシェダイオードから成る、
上記［Ａ－１６］に記載の受光装置。
［Ａ－１８］単一光子アバランシェダイオードは、アノード電極に負のバイアス電圧が印加されて用いられる、
上記［Ａ－１７］に記載の受光装置。
［Ａ－１９］単一光子アバランシェダイオードは、カソード電極に正のバイアス電圧が印加されて用いられる、
上記［Ａ－１７］に記載の受光装置。
≪Ｂ．測距装置≫
［Ｂ－１］測距対象物に対して光を照射する光源部、及び、
　光源部からの照射光に基づく、測距対象物からの反射光を受光する受光装置、
を具備し、
　受光装置は、
　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
　受光素子と読出し回路との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
を備える測距装置。
［Ｂ－２］保護回路は、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路から成る、
上記［Ｂ－１］に記載の測距装置。
［Ｂ－３］クランプ回路は、
　受光素子に対して一端が接続された抵抗素子、及び、
　抵抗素子の他端と基準電位ノードとの間に接続された第１のクランプ素子、
を有する、
上記［Ｂ－２］に記載の測距装置。
［Ｂ－４］第１のクランプ素子は、カソード電極が抵抗素子の他端に接続され、アノード電極が基準電位ノードに接続されたクランプダイオードから成る、
上記［Ｂ－３］に記載の測距装置。
［Ｂ－５］クランプ回路は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に設けられた第２のクランプ素子、
を有する、
上記［Ｂ－３］又は上記［Ｂ－４］に記載の測距装置。
［Ｂ－６］第２のクランプ素子は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に接続され、ゲート電極が基準電位ノードに接続されたＭＯＳトランジスタから成る、
上記［Ｂ－５］に記載の測距装置。
［Ｂ－７］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子は、第１半導体基板に配置され、
　抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ｂ－５］又は上記［Ｂ－６］に記載の測距装置。
［Ｂ－８］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子及び抵抗素子は、第１半導体基板に配置され、
　第１のクランプ素子及び第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ｂ－５］又は上記［Ｂ－６］に記載の測距装置。
［Ｂ－９］第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
　受光素子、抵抗素子、及び、第１のクランプ素子は、第１半導体基板に配置され、
　第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
上記［Ｂ－５］又は上記［Ｂ－６］に記載の測距装置。
［Ｂ－１０］保護回路は、受光素子と読出し回路の入力端との間に接続された抵抗素子から成る、
上記［Ｂ－１］に記載の測距装置。
［Ｂ－１１］読出し回路の入力端と基準電位ノードとの間に接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタを有し、
　保護回路を構成する抵抗素子は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタに存在するボディダイオードと共にクランプ回路を構成する、
上記［Ｂ－１０］に記載の測距装置。
［Ｂ－１２］第１のクランプ素子は、ダイオード接続構成のＭＯＳトランジスタから成る、
上記［Ｂ－３］に記載の測距装置。
［Ｂ－１３］第１のクランプ素子は、
　抵抗素子に対して直列に接続された第２の抵抗素子、及び、
　第２の抵抗素子の出力端と基準電位ノードとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタから成り、
　Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極は、抵抗素子と第２の抵抗素子との共通接続ノードに接続されている、
上記［Ｂ－３］に記載の測距装置。
［Ｂ－１４］読出し回路は、ＣＭＯＳインバータ回路によって構成されている、
上記［Ｂ－１］乃至上記［Ｂ－１３］のいずれかに記載の測距装置。
［Ｂ－１５］受光素子は、ブレークダウン電圧以上の電圧が印加されて使用される素子である、
上記［Ｂ－１］乃至上記［Ｂ－１４］のいずれかに記載の測距装置。
［Ｂ－１６］受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードから成る、
上記［Ｂ－１５］に記載の測距装置。
［Ｂ－１７］受光素子は、単一光子アバランシェダイオードから成る、
上記［Ｂ－１６］に記載の測距装置。
［Ｂ－１８］単一光子アバランシェダイオードは、アノード電極に負のバイアス電圧が印加されて用いられる、
上記［Ｂ－１７］に記載の測距装置。
［Ｂ－１９］単一光子アバランシェダイオードは、カソード電極に正のバイアス電圧が印加されて用いられる、
上記［Ｂ－１７］に記載の測距装置。
　１・・・測距装置、１０・・・被写体、２０・・・光源部、２１・・・レーザ駆動部、２２・・・レーザ光源、２３・・・拡散レンズ、３０・・・受光装置、３１・・・受光レンズ、３２・・・光センサ、３３・・・信号処理部、４０・・・制御部、５０・・・画素、５１・・・ＳＰＡＤ素子、５６・・・読出し回路、５７・・・時間計測部（ＴＤＣ）、６０・・・保護回路、７０・・・クランプ回路

Claims (20)

  1. 　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
    　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
    　受光素子と読出し回路の入力端との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
    を備える受光装置。
  2. 　保護回路は、過電圧を一定の電圧にクランプするクランプ回路から成る、
    請求項１に記載の受光装置。
  3. 　クランプ回路は、
    　受光素子に対して一端が接続された抵抗素子、及び、
    　抵抗素子の他端と基準電位ノードとの間に接続された第１のクランプ素子、
    を有する、
    請求項２に記載の受光装置。
  4. 　第１のクランプ素子は、カソード電極が抵抗素子の他端に接続され、アノード電極が基準電位ノードに接続されたクランプダイオードから成る、
    請求項３に記載の受光装置。
  5. 　クランプ回路は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に設けられた第２のクランプ素子、
    を有する、
    請求項３に記載の受光装置。
  6. 　第２のクランプ素子は、第１のクランプ素子と読出し回路の入力端との間に接続され、ゲート電極が基準電位ノードに接続されたＭＯＳトランジスタから成る、
    請求項５に記載の受光装置。
  7. 　第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
    　受光素子は、第１半導体基板に配置され、
    　抵抗素子、第１のクランプ素子、及び、第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
    請求項５に記載の受光装置。
  8. 　第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
    　受光素子及び抵抗素子は、第１半導体基板に配置され、
    　第１のクランプ素子及び第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
    請求項５に記載の受光装置。
  9. 　第１半導体基板及び第２半導体基板の少なくとも２つの半導体基板が積層されて成る積層型チップ構造を有し、
    　受光素子、抵抗素子、及び、第１のクランプ素子は、第１半導体基板に配置され、
    　第２のクランプ素子は、第２半導体基板に配置されている、
    請求項５に記載の受光装置。
  10. 　保護回路は、受光素子と読出し回路の入力端との間に接続された抵抗素子から成る、
    請求項１に記載の受光装置。
  11. 　読出し回路の入力端と基準電位ノードとの間に接続されたＮ型ＭＯＳトランジスタを有し、
    　保護回路を構成する抵抗素子は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタに存在するボディダイオードと共にクランプ回路を構成する、
    請求項１０に記載の受光装置。
  12. 　第１のクランプ素子は、ダイオード接続構成のＭＯＳトランジスタから成る、
    請求項３に記載の受光装置。
  13. 　第１のクランプ素子は、
    　抵抗素子に対して直列に接続された第２の抵抗素子、及び、
    　第２の抵抗素子の出力端と基準電位ノードとの間に接続されたＰ型ＭＯＳトランジスタから成り、
    　Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極は、抵抗素子と第２の抵抗素子との共通接続ノードに接続されている、
    請求項３に記載の受光装置。
  14. 　読出し回路は、ＣＭＯＳインバータ回路によって構成されている、
    請求項１に記載の受光装置。
  15. 　受光素子は、ブレークダウン電圧以上の電圧が印加されて使用される素子である、
    請求項１に記載の受光装置。
  16. 　受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードから成る、
    請求項１５に記載の受光装置。
  17. 　受光素子は、単一光子アバランシェダイオードから成る、
    請求項１６に記載の受光装置。
  18. 　単一光子アバランシェダイオードは、アノード電極に負のバイアス電圧が印加されて用いられる、
    請求項１７に記載の受光装置。
  19. 　単一光子アバランシェダイオードは、カソード電極に正のバイアス電圧が印加されて用いられる、
    請求項１７に記載の受光装置。
  20. 　測距対象物に対して光を照射する光源部、及び、
    　光源部からの照射光に基づく、測距対象物からの反射光を受光する受光装置、
    を具備し、
    　受光装置は、
    　光子の受光に応じて信号を発生する受光素子、
    　受光素子が発生する信号を読み出す読出し回路、及び、
    　受光素子と読出し回路との間に設けられ、読出し回路の回路素子を過電圧から保護する保護回路、
    を備える測距装置。
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