(57)【要約】【課題】  受光素子の検出感度低下を抑えながら受光素子の配置密度を高める。【解決手段】  この発明の受光素子アレイは、短冊状の光電変換用フォトダイオード領域ＰＤ（ＰＤ領域）を持つ複数個の受光素子１が隣接する各受光素子１同士がＰＤ領域の長辺側で対向してアレイ状に配置され、ＰＤ領域の短辺側に隣接する電荷蓄積用のフローティング・ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は受光素子１の間に介在せず、受光素子１がＰＤ領域の短辺の長さ相当の短い配置間隔で並ぶので、受光素子１の配置密度が高まる。また、短冊状のＰＤ領域の短辺は短くても長辺は十分長く、ＰＤ領域全体としては十分な大きさが確保できるので、受光素子１の検出感度低下が抑えられる。よって、受光素子１の検出感度低下を抑えながら受光素子１の配置密度を高めることができる。【選択図】        図１
2005164363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域が設けられているとともに、光電変換用受光領域の短辺側に隣接して光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の受光素子において、短冊状の光電変換用受光領域の両短辺側のそれぞれに電荷蓄積用キャパシタ領域が形成されており、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間では静電容量が異なっていて、光電変換用受光領域で生じた電荷が送り込まれる電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御により選択可能に構成する受光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の受光素子において、両電荷蓄積用キャパシタ領域の間で大きさが異なっていて、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間で静電容量が異なっている受光素子。
【請求項４】
入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域が設けられているとともに、光電変換用受光領域の短辺側に隣接して光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられている受光素子を複数個備え、隣接する各受光素子同士が光電変換用受光領域の長辺側で対向してアレイ状に配置されていることを特徴とする受光素子アレイ。
【請求項５】
請求項４に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子では、短冊状の光電変換用受光領域の両短辺側のそれぞれに電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられており、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間では静電容量が異なっていて、光電変換用受光領域で生じた電荷が送り込まれる電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御で選択可能に構成する受光素子アレイ。
【請求項６】
請求項５に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子では、両電荷蓄積用キャパシタ領域の間で大きさが異なっていて、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間で静電容量が異なっている受光素子アレイ。
【請求項７】
請求項５または６に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子は、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域と狭い方の電荷蓄積用キャパシタ領域の位置が交互に入れ替わる向きに配置されているとともに、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域が受光素子の配置方向に沿って光電変換用受光領域の長辺側端縁より先へ突出している受光素子アレイ。
【請求項８】
請求項４から８のいずれかに記載の受光素子アレイにおいて、受光素子をアレイ状に配置した受光素子のアレイ状ラインが複数段にわたり、受光素子の配置方向と直角の方向に向けて配置されている受光素子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射光を電荷に変換する光電変換用受光領域に光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が隣接して設けられている受光素子、および、この受光素子が複数個分アレイ状に配置されている受光素子アレイに係り、受光素子の配置密度を高めるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分光光度計の光ディテクターとして用いられている１次元の受光素子アレイは、図７に示すように、複数個の受光素子５１が、１本の直線ラインに沿ってアレイ状に配置されている。この受光素子アレイでは、プリズムや回折格子などの分光器（図示省略）によって分光された光が、各受光素子５１の配置方向に沿って受光素子５１の受光波長が順次変化して入射して入射し、各受光素子５１で入射光が光電変換されて光電検出信号が出力される。さらに、各受光素子５１から出力される光電検出信号の信号強度と各受光素子５１の受光波長とを対応させてチャート上に表示することにより分光スペクトルのグラフが作成される。
【０００３】
従来の受光素子アレイの受光素子５１は、図８に示すように、入射光を電荷に変換する光電変換用受光領域としての正方形のフォトダイオード領域ｐｄにフォトダイオード領域ｐｄから取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域としての大小２個の正方形のフローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２がフォトダイオード領域ｐｄの直角に隣り合う２辺に隣接して設けられている。さらにフォトダイオード領域ｐｄと各フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２との間には、それぞれ、フォトダイオード領域ｐｄで生じた電荷を取り出す制御のための電気信号が印加されるゲート電極ｇ１，ｇ２が設けられている。フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２のうちフォトダイオード領域ｐｄで生じた電荷を送り込むフローティング・ディフュージョン領域をゲート電極ｇ１，ｇ２のいずれかに制御用の電気信号を印加することで選択することができる。
【０００４】
フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２は逆バイアスされたｐｎジャンクションによる静電容量をもつコンデンサ素子（キャパシタ）であって、フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２は大きさ（面積）に正比例する静電容量を有している。さらに各フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２にはＭＯＳタイプのアンプ（図示省略）がそれぞれ接続されている。フォトダイオード領域ｐｄから取り出された電荷がフローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１あるいはｆｄ２に蓄積されることで生じる電圧信号は、アンプ（増幅器）で増幅されて光電検出信号として出力される。
【０００５】
フローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２間には静電容量の違いがあるので、フォトダイオード領域ｐｄから取り出された電荷が同じ電荷の量であってもフローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２のいずれかに蓄積されることによって電荷の蓄積で生じる電圧信号の信号強度には静電容量の違いに相応する差（電圧差）がある。その結果、電荷を蓄積するフローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１，ｆｄ２（つまり制御用の電気信号を印加するゲート電極ｇ１，ｇ２）の選択によってダイナミックレンジ（検出可能範囲）の切り換えが行える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の従来の１次元受光素子アレイは、受光素子５１の配置密度を高めることが難しいという問題がある。受光素子の配置密度を高めることが難しい場合、例えば、分光スペクトルを測定する時の波長分解能は受光素子の配置密度に比例するので、分光スペクトルを測定する時の波長分解能が上げられない。受光素子５１の間にフローティング・ディフュージョン領域ｆｄ１が介在するので、受光素子５１を高密度に配置することができないのである。
【０００７】
もちろん、受光素子５１の大きさをそのまま小さくすれば、受光素子５１の配置密度が高まるが、受光素子５１を小さくするとフォトダイオード領域ｐｄも小さくなって、受光素子５１の検出感度が大きく低下してしまうという別の問題が生じる。したがって、受光素子５１の大きさをそのまま小さくすることで受光素子５１の配置密度を高めるということでは、事実上、問題を解決することはできない。
【０００８】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、受光素子の検出感度低下を抑えながら受光素子の配置密度を高めることができる受光素子、および、受光素子アレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項1に記載の発明は、入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域が設けられているとともに、光電変換用受光領域の短辺側に隣接して光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
［作用・効果］請求項1の発明の受光素子による入射光の検出の際には、光電変換用受光領域で受光される入射光が光電変換用受光領域で電荷に変換され、光電変換用受光領域から取り出された電荷が電荷蓄積用キャパシタ領域で蓄積される。
【００１１】
そして、請求項１の発明の受光素子の場合、隣接する各受光素子同士を光電変換用受光領域の長辺側で対向させてアレイ状に配置すれば、光電変換用受光領域の短辺側に隣接する電荷蓄積用キャパシタ領域は受光素子の間に介在しなくなり、光電変換用受光領域の短辺の長さ相当の短い配置間隔で受光素子が並ぶので、受光素子の配置密度が高まる。
【００１２】
また、短冊状の光電変換用受光領域は短辺が短くても長辺は十分長く、光電変換用受光領域全体としては十分な大きさが確保できるので、受光素子の検出感度低下を抑えることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の受光素子において、短冊状の光電変換用受光領域の両短辺側のそれぞれに電荷蓄積用キャパシタ領域が形成されており、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間では静電容量が異なっていて、光電変換用受光領域で生じた電荷が送り込まれる電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御により選択可能に構成するものである。
【００１４】
［作用・効果］請求項２の発明の場合、短冊状の光電変換用受光領域の両短辺側のそれぞれに形成されている電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間で静電容量が異なっていて、光電変換用受光領域から取り出された電荷が同じ電荷の量であっても、二つの電荷蓄積用キャパシタ領域のいずれかに蓄積されることによって電荷の蓄積で生じる電圧信号には静電容量の違いに相応する電圧差がある。また光電変換用受光領域から取り出された電荷が蓄積される電荷蓄積用キャパシタ領域の静電容量を電気信号による制御により選択することができる。
【００１５】
したがって、請求項２の発明の受光素子によれば、電荷蓄積用キャパシタ領域を静電容量の大きい方を選んだ場合は、電荷の蓄積で生じる電圧信号が静電容量の小さい時よりも下がるので、ダイナミックレンジ（検出可能範囲）が大きくなり、逆に電荷蓄積用キャパシタ領域を静電容量の小さい方を選んだ場合は、電荷の蓄積で生じる電圧信号が静電容量の大きい時よりも上がるので、ダイナミックレンジが大きくなる。その結果、光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御により選択するだけでダイナミックレンジの切り換えが行える。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の受光素子において、両電荷蓄積用キャパシタ領域の間で大きさが異なっていて、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間で静電容量が異なっているものである。
【００１７】
［作用・効果］請求項３の発明の受光素子によれば、２つの電荷蓄積用キャパシタ領域の間に大きさが異なるように構成するだけで、ダイナミックレンジの切り換えを可能とする両電荷蓄積用キャパシタ領域の間の静電容量を異ならすことができる。
【００１８】
さらに、この発明は、上記の目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項４に記載の発明に係る受光素子アレイは、入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域が設けられているとともに、光電変換用受光領域の短辺側に隣接して光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられている受光素子を複数個備え、隣接する各受光素子同士が光電変換用受光領域の長辺側で対向してアレイ状に配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
［作用・効果］請求項４の発明の受光素子アレイによれば、上述のように、請求項１の発明の受光素子を複数個備え、隣接する各受光素子同士が光電変換用受光領域の長辺側で対向してアレイ状に配置されているものとなる。
【００２０】
したがって、請求項４の発明の受光素子アレイの場合も、隣接する各受光素子同士が光電変換用受光領域の長辺側で対向してアレイ状に配置されていて、光電変換用受光領域の短辺側に隣接する電荷蓄積用キャパシタ領域は受光素子の間に介在しなくなり、光電変換用受光領域の短辺の長さ相当の短い配置間隔で受光素子が並ぶので、受光素子の配置密度が高まる。
【００２１】
また、短冊状の光電変換用受光領域は短辺が短くても長辺は十分長く、光電変換用受光領域全体としては十分な大きさを確保できるので、受光素子の検出感度低下を抑えることができる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子では、短冊状の光電変換用受光領域の両短辺側のそれぞれに電荷蓄積用キャパシタ領域が設けられており、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間では静電容量が異なっていて、光電変換用受光領域で生じた電荷が送り込まれる電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御で選択可能に構成するものである。
【００２３】
［作用・効果］請求項５の発明の受光素子アレイによれば、上述のように、各受光素子が請求項２の発明の受光素子となっているので、光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域を電気信号による制御で選択するだけでダイナミックレンジの切り換えが行える。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子では、両電荷蓄積用キャパシタ領域の間で大きさが異なっていて、両電荷蓄積用キャパシタ領域同士の間で静電容量が異なっているものである。
【００２５】
［作用・効果］請求項６の発明の受光素子アレイによれば、上述のように、各受光素子が請求項３の発明の受光素子となっているので、ダイナミックレンジの選択を可能とする両電荷蓄積用キャパシタ領域の間の静電容量を異ならすことができる。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の受光素子アレイにおいて、各受光素子は、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域と狭い方の電荷蓄積用キャパシタ領域の位置が交互に入れ替わる向きに配置されているとともに、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域が受光素子の配置方向に沿って光電変換用受光領域の長辺側端縁より先へ突出しているものである。
【００２７】
［作用・効果］請求項７の発明の受光素子アレイによれば、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域は、受光素子の配置方向に沿って光電変換用受光領域の長辺側端縁より先へ突出していて、十分な広さがあって大きな静電容量を有するので、広い方の電荷蓄積用キャパシタ領域を用いる時のレンジ幅が大きくとれる。
【００２８】
また、請求項８に記載の発明は、請求項４から８のいずれかに記載の受光素子アレイにおいて、受光素子をアレイ状に配置した受光素子のアレイ状ラインが複数段にわたり、受光素子の配置方向と直角の方向に向けて配置されているものである。
【００２９】
［作用・効果］請求項８の発明の受光素子アレイによれば、受光素子をアレイ状に配置した受光素子のアレイ状ラインが複数段設けられていて、１次元の受光素子アレイが複数個配備されるので、複数の光の同時検出を行うことができる。複数段にわたって設けられている受光素子のアレイ状ラインは、受光素子の配置方向と直角の方向に向けて配置されているので、受光素子の配置方向と同じ方向に向けて配置されている場合に比べて、アレイの全長を短くすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明に係る受光素子の場合、入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域の短辺側に光電変換用受光領域から取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域が隣接して設けられていて、隣接する各受光素子同士を光電変換用受光領域の長辺側で対向させてアレイ状に配置すれば、光電変換用受光領域の短辺側に隣接する電荷蓄積用キャパシタ領域は受光素子の間に介在することなく、光電変換用受光領域の短辺の長さ相当の短い配置間隔で受光素子が並ぶようになるので、受光素子の配置密度が高まる。また、短冊状の光電変換用受光領域は短辺が短くても長辺は十分長く、光電変換用受光領域全体としては十分な大きさが確保できるので、受光素子の検出感度低下を抑えることができる。よってこの発明の受光素子によれば、受光素子の検出感度低下を抑えながら受光素子の配置密度を高めることができる。
【００３１】
この発明に係る受光素子アレイの場合、請求項１の発明の受光素子を複数個備え、隣接する各受光素子同士が短冊状の光電変換用受光領域の長辺側で対向してアレイ状に配置されていて、光電変換用受光領域の短辺側に隣接する電荷蓄積用キャパシタ領域は受光素子の間に介在しなくなり、光電変換用受光領域の短辺の長さ相当の短い配置間隔で受光素子が並ぶので、受光素子の配置密度が高まる。また、短冊状の光電変換用受光領域は短辺が短くても長辺は十分長く、光電変換用受光領域全体としては十分な大きさが確保できるので、受光素子の検出感度低下を抑えることができる。よって、この発明の受光素子アレイによれば、受光素子の検出感度低下を抑えながら受光素子の配置密度を高めることができる。
【実施例１】
【００３２】
この発明の受光素子および受光素子アレイの実施例を図面を参照して説明する。図１は実施例１に係る受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図、図２は実施例１の受光素子アレイの各受光素子の電気回路を示す等価回路図である。実施例１の受光素子アレイはこの発明の受光素子の一実施例を用いて構成されており、例えば分光スペクトル測定用の分光光度計の光ディテクターなどに好適である。
【００３３】
実施例１の受光素子アレイは、図１に示すように、複数個の受光素子１が１本の直線ラインに沿ってアレイ状に配置されている１次元受光素子アレイである。図１では、便宜上、受光素子１を６個だけ示してあるが、受光素子１の配置個数は６個に限られるものではなく、数十個から数百個、さらには千個を越える数であってもよい。
【００３４】
実施例１の受光素子アレイが分光光度計に用いられる場合、例えば、プリズムや回折格子等の分光器（図示省略）で分光された光が、１次元受光素子アレイの各受光素子１の配置方向に沿って受光素子１の受光波長が順次変化して入射するように受光素子アレイがセットされる。
【００３５】
実施例１の受光素子アレイの各受光素子１は、入射光を電荷に変換する短冊状の光電変換用受光領域としてのフォトダイオード領域ＰＤの両短辺側のそれぞれにフォトダイオード領域ＰＤから取り出された電荷を蓄積する電荷蓄積用キャパシタ領域としてのフローティング・ディフュージョン領域（以下、適宜「ディフュージョン領域」と略記）ＦＤ１，ＦＤ２が隣接して設けられている。フォトダイオード領域ＰＤと各ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の境界には、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２がそれぞれ設けられており、フォトダイオード領域ＰＤで生じた電荷を取り出す制御のための電気信号Ｓ１，Ｓ２がゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ印加される。両ゲート電極Ｇ１，Ｇ２は多数の受光素子１にわたって形成されていて、共通電極となっている。
【００３６】
ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は逆バイアスされたｐｎジャンクションによる静電容量をもつコンデンサ素子（キャパシタ）であって、ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量は領域の大きさ（面積）に略正比例している。ディフュージョン領域ＦＤ１はディフュージョン領域ＦＤ２よりも大きい。ディフュージョン領域ＦＤ１が、例えばディフュージョン領域ＦＤ２の４倍の面積であると、ディフュージョン領域ＦＤ２の略４倍の静電容量となる。
【００３７】
ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電荷取り出し用の電気信号Ｓ１，Ｓ２が印加されなければ、フォトダイオード領域ＰＤとディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の間は電気的に絶縁状態で、フォトダイオード領域ＰＤでは入射光から変換された電荷はフォトダイオード領域ＰＤに留まっている。
【００３８】
そして、ゲート電極Ｇ１だけに電荷取り出し用の電気信号Ｓ１が印加されると、フォトダイオード領域ＰＤとディフュージョン領域ＦＤ１が電気的に導通し、フォトダイオード領域ＰＤの電荷はディフュージョン領域ＦＤ１へ移動して蓄積される。またゲート電極Ｇ２だけに電荷取り出し用の電気信号Ｓ２が印加されると、フォトダイオード領域ＰＤとディフュージョン領域ＦＤ２が電気的に導通し、フォトダイオード領域ＰＤの電荷はディフュージョン領域ＦＤ２へ移動して蓄積される。
【００３９】
ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２はコンデンサ素子であるので、電荷が蓄積されると電荷量に略正比例する信号強度の電圧信号が生じることになる。ただし、ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２間には静電容量の違いがあるので、フォトダイオード領域ＰＤから取り出された電荷が同じ電荷の量であってもディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２のいずれかに蓄積されることによって電荷の蓄積で生じる電圧信号の信号強度には静電容量の違いに相応する差（電圧差）がある。電荷を蓄積するディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２（つまり制御用の電気信号Ｓ１，Ｓ２を印加するゲート電極Ｇ１，Ｇ２）の選択によってディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２に生じる電圧信号の信号強度をコントロールすることができる。
【００４０】
さらに、ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２にはアンプ領域ＡＭ１，ＡＭ２が接続されている。アンプ領域ＡＭ１はＭＯＳタイプのアンプ（増幅器）ａｍｐ１と電子スイッチＳＷ１を有し、アンプ領域ＡＭ２はＭＯＳタイプのアンプ（増幅器）ａｍｐ２と電子スイッチＳＷ２を有する。アンプａｍｐ１はディフュージョン領域ＦＤ１に生じた電圧信号を増幅して光電検出信号として出力する。アンプａｍｐ２はディフュージョン領域ＦＤ２に生じた電圧信号を増幅して光電検出信号として出力する。
【００４１】
電子スイッチＳＷ１は、短絡用の電気信号Ｓ３が印加されるとスイッチが閉じて（短絡状態となって）、ディフュージョン領域ＦＤ１の蓄積電荷の放電排出と雑音電荷の蓄積阻止を行う。電子スイッチＳＷ２は、短絡用の電気信号Ｓ４が印加されるとスイッチが閉じて（短絡状態となって）、ディフュージョン領域ＦＤ２の蓄積電荷の放電排出と雑音電荷の蓄積阻止を行う。
【００４２】
ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の電圧信号の信号強度がアンプａｍｐ１，ａｍｐ２の出力が飽和する値を越えると正常な増幅機能を壊失する。ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の電圧信号の信号強度は蓄積電荷量に比例するが、電荷量が同じであっても静電容量の大きいディフュージョン領域ＦＤ１の方が電圧信号の信号強度が低い。したがって、フォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ１の側へ取り出す方が、フォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ２の側へ取り出すよりも、アンプａｍｐ１は広い範囲の電荷量に対して正常な増幅機能を維持でき、レンジ幅が大きい。すなわち、フォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ１の側へ取り出す方が、ダイナミックレンジが広くなる。さらに、フォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ２の側へ取り出すと、レンジ幅は小さくなるが、同じ電荷量で信号強度が高い電圧信号が生じるので、検出感度が上がることになる。
【００４３】
さらに、実施例１の受光素子アレイでは、各受光素子１が、図１に示すように、隣接する各受光素子１同士がフォトダイオード領域ＰＤの長辺側で対向してアレイ状に配置されている。その結果、フォトダイオード領域ＰＤの短辺側に隣接して設けられているディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は受光素子１の間に介在しなくなり、フォトダイオード領域ＰＤの短辺の長さ程度の短い配置間隔で受光素子１が並ぶので、受光素子１の配置密度が格段に高まる。また、短冊状のフォトダイオード領域ＰＤは短辺が短くても長辺は十分長く、フォトダイオード領域ＰＤ全体としては十分な大きさが確保できるので、受光素子１の検出感度低下を抑えられる。よって、実施例１の受光素子１および受光素子アレイによれば、受光素子１の検出感度低下を抑えながら受光素子１の配置密度を高めることができる。
【００４４】
続いて、実施例１の受光素子アレイの光検出動作を図面を参照しながら説明する。図３は実施例１における受光素子アレイ作動用の電気信号Ｓ１〜Ｓ４の経時変化を示すグラフである。
【００４５】
先ず受光素子アレイにおいてフォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ１の側へ取り出して光電検出信号を得る場合を説明する。図３（ａ）に示すように、ディフュージョン領域ＦＤ１の側へ電荷を取り出す場合、ゲート電極Ｇ２には電気信号Ｓ２が全く印加されない。またゲート電極Ｇ１に電気信号Ｓ１が印加されるまではフォトダイオード領域ＰＤに光電変換された電荷が留まるとともに、電気信号Ｓ３が電子スイッチＳＷ１に印加され続け、電子スイッチＳＷ１が閉じた状態が維持されてディフュージョン領域ＦＤ１への雑音電荷の蓄積が阻止される。
【００４６】
そして、ゲート電極Ｇ１に電気信号Ｓ１が印加されると同時に電気信号Ｓ３の印加が停止されるのに伴って、フォトダイオード領域ＰＤの電荷がディフュージョン領域ＦＤ１の側へ取り出されて蓄積されることで電圧信号が生じる。アンプａｍｐ１はディフュージョン領域ＦＤ１に生じた電圧信号を増幅して光電検出信号として出力する。光電検出信号の出力が終わった後、電気信号Ｓ１の印加が停止されると同時に電気信号Ｓ３の印加が再開されるのに伴って、フォトダイオード領域ＰＤの電荷の取り出しは停止される。停止の一方で、電子スイッチＳＷ１は閉じてディフュージョン領域ＦＤ１の蓄積電荷の放電排出と雑音電荷の蓄積阻止を行う。以後、光検出動作が続く間は上記の動作が繰り返される。
【００４７】
次に受光素子アレイにおいてフォトダイオード領域ＰＤの電荷をディフュージョン領域ＦＤ２の側へ取り出して光電検出信号を得る場合を説明する。図３（ｂ）に示すように、ディフュージョン領域ＦＤ２の側へ電荷を取り出す場合、ゲート電極Ｇ１には電気信号Ｓ１が全く印加されない。またゲート電極Ｇ２に電気信号Ｓ２が印加されるまでは、フォトダイオード領域ＰＤに光電変換された電荷が留まるとともに、電気信号Ｓ４が電子スイッチＳＷ２に印加され続け、電子スイッチＳＷ２が閉じた状態が維持されてディフュージョン領域ＦＤ２への雑音電荷の蓄積が阻止される。
【００４８】
そして、ゲート電極Ｇ２に電気信号Ｓ２が印加されると同時に電気信号Ｓ４の印加が停止されるのに伴って、フォトダイオード領域ＰＤの電荷がディフュージョン領域ＦＤ２の側へ取り出されて蓄積されることで電圧信号が生じる。アンプａｍｐ２はディフュージョン領域ＦＤ２に生じた電圧信号を増幅して光電検出信号として出力する。光電検出信号の出力が終わった後、電気信号Ｓ２の印加が停止されると同時に電気信号Ｓ４の印加が再開されるのに伴って、フォトダイオード領域ＰＤの電荷の取り出しが停止される。停止の一方で、電子スイッチＳＷ２は閉じてディフュージョン領域ＦＤ２の蓄積電荷の放電排出と雑音電荷の蓄積阻止を行う。以後、光検出動作が続く間は上記の動作が繰り返される。
【００４９】
また前述したように、静電容量の大きいディフュージョン領域ＦＤ１の側へ電荷を取り出す方を選んだ場合は、電荷の蓄積で生じる電圧信号が静電容量の小さい時よりも下がるので、ダイナミックレンジが大きくなる。その結果、フォトダイオード領域ＰＤから取り出された電荷を蓄積するディフュージョン領域を電気信号Ｓ１，Ｓ２による制御により選択するだけでダイナミックレンジの切り換えが行える。実施例１の場合、ダイナミックレンジの切り換えを可能とする両ディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の間の静電容量の相違を領域の大きさを変えるだけで実現できる。
【００５０】
なお、実施例１の受光素子アレイが分光光度計に用いられている場合には、各受光素子１から出力される光電検出信号の信号強度を受光素子１の受光波長と対応させてチャート上に表示することによって分光スペクトルのグラフが作成される。この場合、実施例１の受光素子アレイは受光素子１の配置密度が高められるので、高い波長分解能の分光スペクトルが測定できる。
【実施例２】
【００５１】
次に実施例２の受光素子アレイを図面を参照して説明する。図４は実施例２に係る受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。実施例２の受光素子アレイもこの発明の受光素子の一実施例を用いて構成されていて、図４に示すように、受光素子２の向きが交互に反転してディフュージョン領域ＦＤ３，ＦＤ４の位置を交替させるとともに領域の広さ（静電容量）の大きい方のディフュージョン領域ＦＤ３の形状が著しく異なる。ゲート電極Ｇ３，Ｇ４が個別電極である他は、実施例１の受光素子アレイと実質的に同一のものであるので、実施例１と相違する点のみを説明し、実施例１と共通する点の説明は省略する。
【００５２】
すなわち、図４に示すように、実施例２の受光素子アレイでは、広い方のディフュージョン領域ＦＤ３と狭い方のディフュージョン領域ＦＤ４の位置が交互に入れ替わるように各受光素子２の向きが交互に反転する。そして、広い方のディフュージョン領域ＦＤ３が受光素子１の配置方向に沿ってフォトダイオード領域ＰＤの長辺側端縁より先へ右隣の受光素子２の幅一杯にまで突出している。また、ゲート電極Ｇ３，Ｇ４は各受光素子２ごとに分離されていて、共通電極ではなく個別電極となっている。
【００５３】
このように、実施例２の受光素子アレイの場合、広い方のディフュージョン領域ＦＤ３が受光素子２の配置方向へ大きく突出していて、十分な広さがあって大きな静電容量を有するので、広い方のディフュージョン領域ＦＤ３を用いて光検出を行う時のレンジ幅を大きくとることができる。なお、ディフュージョン領域ＦＤ３は受光素子２の配置方向の右側にだけ突出しているが、図５に示すように、ディフュージョン領域ＦＤ５が受光素子３の配置方向の左右両右側に突出している受光素子３を用いた他は実施例２と同一の構成である受光素子アレイでも、同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００５４】
続いて、実施例３の受光素子アレイの図面を参照して説明する。図６は実施例３に係る受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。実施例３の受光素子アレイは、複数個の受光素子１をアレイ状に配置した受光素子１のアレイ状ラインが複数段にわたり、受光素子１の配置方向と直角の方向へ向けて配置されている。すなわち、実施例３の受光素子アレイは、実施例１の１次元の受光素子アレイを複数段、受光素子１の配置方向＋直角の方向に向けて配置した２次元の受光素子アレイとなっている。各段の１次元の受光素子アレイは実施例１と同一のものであるので、その説明は省略する。
【００５５】
このように、実施例３の受光素子アレイの場合、１次元の受光素子アレイが複数個配備されているので、各受光素子アレイごとに光の検出を行わせることによって、複数の光の同時検出ができる。例えば、実施例３の受光素子アレイをエシェル型分光タイプの装置に用いた場合には複数の光の分光スペクトルが同時に測定できる。
【００５６】
また、実施例３の受光素子アレイの場合、複数段の１次元の受光素子アレイは、受光素子１の配置方向と直角の方向に向けて配置されているので、受光素子１の配置方向と同じ方向に向けて配置される場合に比べて、アレイの全長を短くすることができる。
【００５７】
なお、受光素子１の代わりに受光素子２または受光素子３を用いた他は実施例３と同一の構成である２次元の受光素子アレイでも、同様の効果が得られる。
【００５８】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００５９】
（１）実施例１〜３の受光素子１〜３は、フォトダイオード領域ＰＤの両短辺側にディフュージョン領域がそれぞれ設けられている構成であったが、フォトダイオード領域ＰＤの一方の短辺側にだけディフュージョン領域が設けられている受光素子を用いた他は実施例１〜３と同一の構成である各受光素子アレイを、それぞれ変形例として挙げることができる。
【００６０】
（２）実施例１〜３の受光素子１〜３ではアンプ領域ＡＭ１，ＡＭ２も設けられていたが、この発明に係る受光素子では、アンプ領域が設けられていることは必須事項ではなく、フォトダイオード領域とディフュージョン領域だけで構成されていてもよい。
【００６１】
（３）実施例１〜３の受光素子１〜３では短冊状の光電変換用受光領域がフォトダイオード領域ＰＤであったが、光電変換用受光領域はフォトダイオード領域ＰＤ以外のものであってもよい。また実施例１〜３の受光素子１〜３のアンプａｍｐ１，ａｍｐ２は、ＭＯＳタイプのアンプであったが、ＭＯＳタイプ以外のアンプであってもよい。
【００６２】
（４）実施例１〜３においては、受光素子アレイを分光光度計に用いる場合を例示したが、この発明の受光素子および受光素子アレイは、分光光度計以外のものに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施例１の受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。
【図２】実施例１の受光素子アレイの受光素子の電気回路を示す等価回路図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、実施例１における受光素子アレイ作動用の電気信号の経時変化を示すグラフである。
【図４】実施例２の受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。
【図５】実施例２の変形例の受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。
【図６】実施例３の受光素子アレイの要部構成を示す模式的平面図である。
【図７】従来の受光素子アレイの要部構成を示す概略図である。
【図８】従来の受光素子アレイに用いられている受光素子を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１〜３      …受光素子
ＰＤ        …フォトダイオード領域（光電変換用受光領域）
ＦＤ１〜５  …フローティング・ディフュージョン領域（電荷蓄積用キャパシタ領域）
Ｓ１，Ｓ２  …電気信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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