(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プログラミング可能なオフセット信号による高いダイナミックレンジを有する光電的な半導体光検知装置であって、半導体フォトエレメントを有し、当該半導体フォトエレメントによって当該半導体フォトエレメントに当たる光強度が比例した光電流に変換可能である半導体光検知装置において、
ドレインが前記半導体フォトエレメント（１）と連結されており且つソースが一定のポテンシャルＶiに保たれている、対応したチャネルタイプの、飽和状態で作動される第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）と、
予め定められた可変の電荷量を前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲートに与えることのできる第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（５）と、
前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられたキャパシター（４）と、
オフセット電流と光電流からの差をインテグレートすることのできるインテグレーション装置と、
前記インテグレーション装置を読み取ることができ且つ定められた値に再びリセットすることのできる、スイッチとして作動可能な第三のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（８）と、
を設けたことを特徴とする半導体光検知装置。
【請求項２】
前記半導体フォトエレメントがフォトダイオード（１）であり、そのカソードあるいはアノードが、前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタのチャネルタイプに依存してそのドレインと接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられたキャパシター（４）が、前記第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（５）との直接的な接続部を有するインテグレートされたキャパシターとして構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（２）のゲート（３）に設けられたキャパシター（４）が、前記第二のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（５）との直接的な伝導接続部を伴わないフローティングゲート・キャパシターとして構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記差電流が前記フォトダイオード（１）の障壁キャパシターあるいはチャージインテグレータ（７）でインテグレートされることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
イメージセンサー装置において、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光電的な半導体光検知装置の一次元あるいは二次元の多重配置から構築されていることを特徴とするイメージセンサー装置。
【請求項７】
各光電的な半導体光検知装置を、個々に、可変の速度で、オフセット電流によってプログラミングすることのできる装置が設けられており、当該オフセット電流が光検知の際に減じられることを特徴とする、請求項６に記載のイメージセンサー。
【請求項８】
すべての光電的な半導体光検知装置が同一のオフセット電流でプログラミング可能であることを特徴とする、請求項６に記載のイメージセンサー。
【発明の詳細な説明】
本発明は、請求項１の前提部に記載した、プログラム化可能なオフセット信号すなわちプログラミング可能なオフセット信号による高いダイナミクスすなわち高いダイナミックレンジを有する光電的な半導体光検知装置に関する。
光電的な半導体光検知装置の感度を、全体で、すなわち同時にすべてのイメージポイント（スキャニングエレメント）について低下させる周知の方法は、例えばH.Akimoto、H.Ono、M.Nakai、A.Sato、T.Sakai、M.Maki、M.Hikiba、及びH.Andoの"Lateral overflow-gate shutter for CCD image sensors",Proc.SPIE,Bd.1656,S.550-557(1992)に記載されているような、いわゆる電子シャッターである。その際、電子スイッチは、インテグレーション時間（積分時間）の一部の間だけ、すなわちいわゆる露出時間の間だけ、フォトンによって発生されるキャリア（チャージキャリア）のインテグレーションのために開かれる。それによって、すべてのイメージポイントの感度が同時にインテグレーション時間／露出時間のファクタ分だけ低下させられ得る。
このオン・オフ・スイッチング技術をイメージセンサーの各イメージポイントについて個別に利用することを可能にする方法は、S.Chen及びR.Ginosarの"Adaptive sensitivity CCD image sensor",Proc.SPIE,Bd.2415,SUM.303-309(1995)に記載されている。しかしながら、この技術では、すべてのイメージポイントがイメージ記録すなわちイメージ獲得のあいだに迅速に且つ何度も繰り返して制御される、すなわちアクセスされることになる。したがって、この技術は、実際的に、数十万のイメージポイントを有する比較的大きなイメージセンサーには使用できない。
オフセット電荷量を、フォトンによって発生されてインテグレートされた電荷量から減ずる周知の技術は、W.Yangの"Analog CCD processors for image filtering",Proc.SPIE,Bd.1473,SUM.114-127(1991)に記載されているような、CCD技術のいわゆる「フィル・アンド・スピル」法("Fill-and-Spill"-Methode)である。その際、オフセット電荷量に対応する深さのポテンシャル井戸が作り出される。これのほかに、フォトンによって発生された電荷量に対応する深さをもち且つそれゆえ比較していくらか深くに位置するポテンシャル井戸が作り出される。これらのポテンシャル井戸にキャリアをあふれるほど供給した場合には、いくらか深いほうのポテンシャル井戸に、オフセット電荷量と光電荷との間の差電荷量に比例する電荷量が残ることになる。この技術は、差電荷量がオフセット電荷量のパーセント領域、すなわちほぼ１パーセントの領域にある場合にだけ確実に働く。
別の周知の技術は、電荷増幅器のフィードバック回路内に電流蓄積エレメントを使用すること、すなわちフィードバック回路内にキャパシター（コンデンサー）を備える演算増幅器(オペアンプ)を使用することに基づく。これは、E.R.Fossum及びB.Painの"Infrared Readout Electronics for Space Science Sensors:State of the Art and Future Directions",Proc.SPIE,Bd.2020,S.262-285(1993)に記載されている。インテグレーションキャパシターに電流源が並列に接続されているので、実質的にインテグレートされている電荷量として、フォトンによって発生されている電荷量から。その電流源より供給されるオフセット電荷量を引いた差が生じる。この刊行物には、赤外線センサー技術のためのこの技術によってバックグラウンド電流と固定パターンノイズとの有効な補整が達成されたことが記載されている。しかし、これには著しい回路技術的な経費がともなうことになる。キャパシターにかかる、kT/eと比較して小さい電圧に対し、すなわち数十mVに対し、トランジスタは、もはや飽和領域では作動させられ得ず、したがってこの技術では非線形性をもって計算されなければならない。
本発明の課題は、請求項１の前提部に記載された形式の光電的な半導体光検知装置を、高いダイナミックレンジを有する光電的な半導体光検知装置においてオフセット電流がプログラミングされ得るように構成することである。
前記課題は、本発明により、請求項１の特徴部に記載した構成によって解決される。
有利には、本発明は、半導体光検知装置の感度が低下させられ、それと共に、検知すべき大きなダイナミックレンジに適合され得ることを可能にする。このことは、複数の半導体光検知装置が設けられている場合、プログラミング可能な方式で各半導体光検知装置で個々に実行され得る。本発明に従う半導体光検知装置は、大きな線形性により傑出している。
本発明の対象の有利な別の構成は、従属項に記載されている。
本発明に従う光電的な半導体光検知装置では、オフセット電流が調整可能であり且つ１０7よりも多くの範囲にわたって選択され得る。
本発明による光電的な半導体光検知装置は、最も簡単な構成では、一つのフォトダイオード、三つのトランジスタ、及び一つのキャパシターだけからなる。それによって、多数のそのような光電的な半導体光検知装置が簡単な方法で一次元の及び二次元のイメージセンサーに組み合わされ得る。その際、当該センサーの最大サイズについて基本的に限界はない。オフセット・フォトダイオード・イメージポイントの最小面積は、従来のオフセット・プログラマブルでないフォトダイオード・イメージポイントよりも本質的でない程度にしか大きくない。それによって、個々のイメージポイントの不均一性を互いに補整するために、及びイメージセンサーのダイナミックレンジをプログラミング可能に且つ問題に適合して既知の値の何倍にも増大させるために、非常に有効な手段が与えられる。
本発明の一つの実施形態では、フォトダイオード及びプログラミング可能なオフセット電流源からなる前述の装置に、周期的な信号の解析のための周知の評価装置が続いている。ここで、本発明は、バックグラウンド信号の大部分が減じられ得ることによって、わずかな変調深度、すなわち変調振幅を有する信号の周知の交流カップリングの代理をする。この形式によって、本発明は、光学的な測定技術において、周期的な振動過程を解析する必要があり、且つ非常に小さい変調深度をもつ信号が発生する全ての所で用いられる。これらの場合には、本発明によって、比較して顕著に大きい電気的な変調深度が達成され得る。そのような使用の例は、脈動された、すなわち時間的に変調された光源の使用を基礎とするすべての測定原理を含んでいる。これについての一つの例は、光学的な距離測定のための伝播時間測定、すなわち走行時間測定である。
本発明は、高ダイナミックレンジであり時間的に変化する一次元及び二次元のイメージデータの検知も可能にする。その際、時間的に及び位置的に、オフセット電流の適当な選択及びプログラミングによって信号のダイナミックレンジが減少され、それによって、もはや多くの小さな電荷差を測定しさえすればよい。典型的な使用は、高いダイナミックレンジと大きなバックグラウンド信号とが生じる、電子写真、ビデオ技術、及び光学的な測定技術において提供される。
本発明は、電磁放射線を光電的な半導体光検知装置を使って検知する必要があり、且つ高いダイナミックレンジを要求するすべての分野で有利に使用され得る。ダイナミックレンジとしては、この関連において、最大の検知可能な放射線と最小の検出可能な放射線との比のことを意味する。
特に、本発明による光電的な半導体光検知装置は、一次元及び二次元の多重配置として組み立てられ得る。それによって、極度に高いダイナミックレンジをもつ行センサーすなわちラインセンサーあるいはイメージセンサーが生まれる。各々の光電的な半導体検知装置は、個々にプログラミングされ得る。
本発明の別の有利な応用は、ビデオ技術用のような可視スペクトル領域及び近赤外線スペクトル領域におけるイメージデータの検知に関する。自然のシーン（光景）のイメージデータが非常に大きなダイナミックレンジを有することは周知である。
本発明の別の応用領域は、赤外線センサー技術である。その際、イメージデータには、しばしば大きなバックグラウンド信号が重なっており、且つ主要な測定データは、結局、局所的な温度差に基づくこのバックグラウンドに対する差にすぎない。
本発明の別の応用分野は、次のような光学的な測定技術である。すなわち、当該測定技術では、測定課題としては興味が無く且つ邪魔であるだけの大きなバックグラウンドと重ね合わされている変調された光分布が発生する。
さらに、本発明は、検知原理あるいは製造時の欠陥に基づいて測定の邪魔になる大きなバックグラウンドを有する（例えば、オフセット電流あるいは小さなリーク抵抗）光電的な光検知エレメントによる信号の改善のために使用され得る。
その他の応用分野は、広い範囲の距離内で可変の周囲光内にある対象（物体）において拡散して後方散乱される光の検知に基づく測定原理に関する。後方散乱された光の強度は近似的に対象の距離の二乗で減少するが、しかしバックグラウンド光は第一近似では短時間には変化しないままであるので、本発明が周囲光の補整のために使用され得る。その際、信号光検知のダイナミックレンジははるかに高められ得る。
以下に、本発明の対象を実施形態をもとにして図面に関連して詳細に説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態を示す図である。
図２は、本発明の可能な信号読み取り方式を示す図である。
図３は、第一のＭＯＳ型電界効果トランジスタを通る電流の推移を、ゲート電圧の関数として示す図である。
図１に示された実施形態の場合には、光電的な半導体光検知装置がフォトダイオード１の形式の半導体フォトエレメントを有する。当該フォトダイオード１は、入射する光強度を、比例した光電流密度に変換する。この光電流密度は、技術のこの分野で知られているように、１０を単位とする１０8〜１０10にわたり、入射する光強度に対して厳密にリニアすなわち線形である。フォトダイオード１のカソードは、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ２のドレインと接続されている。このＭＯＳ型電界効果トランジスタ２において、ソースとドレインとの間には、明らかにkT/eよりも大きい電圧Ｖiが印加されている。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは電気素量を表す。それによって、当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタ２は、飽和と呼ばれる状態で作動させられる（C.A.Mead,"Analog VLSI and Neural Systems",Addison,Wesley,Reading(1989)参照）。この際、当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタ２を通る電流は、ソースとドレインとの間の電圧差にほとんど依存せず、ゲート・ソース・電圧に依存するにすぎない。前述の文献では初期効果(Early-Effekt)と呼ばれる、この電流源の理想的な特性からの僅かなずれは、本発明に係るこの実施形態の作動方式に対しては二義的である。なぜならば、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ２のドレインにおける電圧変化が、半導体フォトエレメントとしてのフォトダイオードの場合には、光強度とともに対数的にしか増大しないからである。
このＭＯＳ型電界効果トランジスタ２のゲート３に電圧が印加されると、数百ミリボルトまでのゲート電圧の場合には、ゲート電圧に指数関数的に依存する電流が流れる。この領域は、サブスレショールド領域と呼ばれる。１ボルトよりいくらか低い典型的な電圧の場合、電流・電圧特性曲線は傾斜がゆるやかになり、電流増大は、ゲート電圧に二乗で依存するだけである。それによって、対応するイメージポイントについてオフセット電流がフェムトアンペアからマイクロアンペアまであるいはより大きい値までの範囲内でゲート電圧を介して調整されうるプログラミング可能な電流源が与えられる。これに関しては図３を参照のこと。
フォトダイオード１のカソードにおいてｐチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタと組み合わされたフォトダイオード１を有する図示された構成の代わりに、選択的に、電圧を意味に即して選択することにより、フォトダイオード１のアノードを伴うｎチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタも構成され得る。
ゲート３に必要とされる電圧は、二つの方式で蓄積され得る。一つの可能性は、そのつどプログラミングＭＯＳ型電界効果トランジスタ５を介して電圧源Ｖrに接続され得るメモリキャパシター４である。また、プログラミングされた電圧値が比較的長い時間間隔にわたって維持され得るもう一つの可能性は、トンネル電流によってアナログ電荷量が付与され得るいわゆるフローティングゲートとしてゲート３を構成するということである。
この原理は電気的にプログラミング可能なメモリ構成要素(EEPROM)の技術から知られている（１９９４年８月９日に特許を付与されたT.P.Allen及びJ.B.Cserの米国特許第０５３３６９３６号、名称"One-transistor adaptable analog storage element and array"参照）。この技術の利用の際には、プログラミングＭＯＳ型電界効果トランジスタ５を介してコントロールが行われる。しかしながら、当該プログラミングＭＯＳ型電界効果トランジスタ５は、ゲート３との直接伝導接点をもはやもっておらず、薄いゲート酸化物を介してゲート３と接続されているにすぎない。
読み取りのためにメモリキャパシターをイメージポイントについて個々にアクセスすることは、第三のＭＯＳ型電界効果トランジスタ８を用いて行われる。当該ＭＯＳ型電界効果トランジスタ８においては、そのゲートが対応してコントロールされる。このことは、同時に実行され得る、あるいは時間的に相前後して連続しても実行され得る。このようにして、固有のオフセット電流を有する個々のイメージエレメント（ピクセル）の各電流源がプログラミングされ得る。
それによって、フォトダイオードのアウトプットには、光電流と個々にプログラミングされたオフセット電流との間の差に等しい信号電流が与えられる。この信号電流は、周知の技術によって所望の信号にインテグレートされ得る。このために、最も簡単な場合には、（逆バイアスされた）フォトダイオード１の障壁キャパシター６が使用される。
しかし、上述のように、図２に従い、リセット可能なチャージインテグレータ（電荷積分器）７が使用されてもよい。それによって、光電的な光検知装置の場合に比較的長い波長領域において周知のごとく発生するような光電的な光検知装置の小さい並列抵抗に対し、感度が減少させられるという利点が生じる。従来技術から周知であるような、差電流をインテグレーションするための別の周知の実施形態は、例えば、E.R.Fossum及びB.Painの前述の刊行物に記載されている。
一つまたは複数のインテグレーションキャパシターの読み取り及びリセットは、周知の読み取りトランジスタ８によって行われる。当該読み取りトランジスタ８は、周期的に読み取り導線を各イメージポイントと接続する。この読み取り導線を使って、信号電荷が流れ出ることが可能であり、それが周知の検知回路によって検出される。その代わりに、電荷信号の第一のインピーダンス変換が、イメージポイントの箇所でも、アクティブ・ピクセル・センサー(APS)の分野で使用される周知の技術によって行われ得る。それによって、アウトプットノイズレベルの低下も達成され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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