DE69511960T2

DE69511960T2 - Schaltung zur Unterdrückung des Dunkelstromes eines Photodetektors

Info

Publication number: DE69511960T2
Application number: DE69511960T
Authority: DE
Inventors: Pierre Dautriche
Original assignee: Thomson SCF Semiconducteurs Specifiques
Current assignee: Teledyne e2v Semiconductors SAS
Priority date: 1994-07-12
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2015-07-05
Also published as: FR2722635B1; DE69511960D1; CA2153645C; CA2153645A1; EP0692907A1; US5656806A; EP0692907B1; FR2722635A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor und insbesondere eine Leseschaltung für den Photodiodenstrom, womit der Dunkelstrom des Photodetektors bestmöglich unterdrückt werden kann.
Photodetektoren, die beispielsweise für die sichtbare oder Infrarotabbildung verwendet werden, bestehen aus zwei Hauptelementen: einem lichtempfindlichen Element und einem Multiplexer. Das lichtempfindliche Element besteht aus Photodioden, die in Form von Zeilen oder Matrizen angeordnet sind und die Erzeugung von Ladungen durch einen photoelektrischen Effekt ermöglichen. Der Multiplexer wandelt die so erzeugten Ladungen um und überträgt sie, wobei ein elektrisches Nutzsignal erzeugt wird.
Nach dem Stand der Technik ist jede Photodiode mit einer relativ hohen Spannung in Sperrichtung vorgespannt. Daraus folgt, daß der Rückwärtsstrom, der bei Abwesenheit von Strahlung durch die Diode fließt und gemeinhin Dunkelstrom heißt, ebenfalls relativ hoch ist. Bei Vorliegen einer Strahlung mit schwacher Amplitude enthält das erfaßte Signal dann einen starken Rauschpegel. Dies ist sicherlich von Nachteil.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die verschiedenen Photodioden, aus denen die Zeile oder die Matrix besteht, nicht perfekt identisch sind.
Daraus folgt, daß ihre Dunkelströme unterschiedliche Werte haben. Dann muß eine Kalibrierungsoperation für den Detektor durchgeführt werden, um diese Streuung zu berücksichtigen. Diese Kalibrierungsoperation ist eine langwierige Operation.
Die Erfindung weist diese Nachteile nicht auf.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Photodetek tor, der Mittel aufweist, mit denen der Dunkelstrom und damit das Detektionsrauschen unterdrückt werden können, das mit diesem Dunkelstrom in Verbindung steht.
Erfindungsgemäß wird die Photodiode nicht durch eine negative Polarisationsspannung versorgt, sondern man verbindet eine nichtlineare Last mit den Anschlüssen der Photodiode, die als Spannungsbegrenzer wirkt und die Polarisation der Diode tendenziell in der Nähe von null Volt hält, man kopiert durch eine Kopierschaltung vom Typ Stromspiegel den Strom in der nichtlinearen Last und man mißt den derart kopierten Strom. Die Photodiode wird nicht wie im Stand der Technik von einer Spannungsquelle versorgt; die Polarisationsspannung, die sich an ihren Anschlüssen aufbaut, liegt alleine an der von der Photodiode erzeugten photoelektrischen Energie.
Dank dieser Schaltung ist der Dunkelstrom niedrig, denn die Photodiode bleibt immer auf einer sehr schwachen Spannung polarisiert, bei der der Dunkelstrom minimal ist; dieser Strom bleibt sowohl zu Beginn einer Beleuchtungsmeßphase als auch am Ende dieser Phase niedrig. Im Stand der Technik rief die Anfangspolarisation der Photodiode einen hohen Dunkelstrom hervor, und der Wert des Dunkelstroms veränderte sich darüber hinaus zwischen dem Beginn und dem Ende der Meßphase, im übrigen in Abhängigkeit von der Beleuchtung. Der mittlere Dunkelstrom war während der Messung um so größer, je geringer die gemessene Beleuchtung war, was besonders unselig ist. Diese Nachteile sind durch die Erfindung beseitigt.
Es wurden bereits Photodetektoren vorgeschlagen, deren Leseschaltung Mittel zur Begrenzung des Dunkelstroms aufweist. In der US-Patentschrift 4,945,418 ist die Photodiode mit dem Gate- Anschluß eines MOS-Transistors verbunden und lädt diesen. Allerdings ändert sich der Polarisationspunkt der Photodiode mit der Zeit, was nicht erwünscht ist, da sich die Photodiode allmählich auflädt. In dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik" (ISBN 3-540-19475-4), 1989, neunte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage, U. Tietze, Ch. Schenk, Kapitel 6.3 Photodiode (Seiten 106-108) versucht man die Polarisation der Photodiode um null Volt zu halten, um den Dunkelstrom zu reduzieren, aber die vorgeschlagene Schaltung benötigt einen Operationsverstärker. Sie verwendet keinen Stromspiegel, um den Strom in der Photodiode zu kopieren.
Erfindungsgemäß wird also ein Photodetektor mit wenigstens einer lichtempfindlichen Diode und einer Leseschaltung für den von der Photodiode erzeugten Strom vorgeschlagen, wobei die Leseschaltung eine nichtlineare Last aufweist, die mit den Anschlüssen der Photodiode verbunden und zur Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen der Photodiode geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Last durch einen ersten Feldeffekttransistor gebildet ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Drain- Anschluß und einem ersten Anschluß der Photodiode verbunden ist, und dessen Source-Anschluß mit dem zweiten Anschluß der Photodiode verbunden ist, und daß er ferner einen zweiten Transistor, der als Stromspiegel mit dem ersten geschaltet ist, um den Strom in dem ersten Transistor zu kopieren, sowie eine Leseschaltung für den in dem zweiten Transistor kopierten Strom aufweist.
Der Gate-Anschluß und der Drain-Anschluß des ersten Transistors sind mit der Anode der Photodiode verbunden, wenn der Transistor ein n-Kanal-Transistor ist, und mit ihrer Katode bei einem p-Kanal-Transistor.
Der zweite Transistor ist im Prinzip vom gleichen Typ wie der erste und weist gleiche Dimensionen wie der erste oder dazu proportionale auf, und sein Gate-Anschluß und sein Source- Anschluß sind mit dem Gate-Anschluß bzw. dem Source-Anschluß des ersten verbunden.
Die Meßschaltung für den kopierten Strom kann dann einfach eine von der Kopierschaltung versorgte Integrationskapazität und einen periodisch gesteuerten Schalter aufweisen, um die Kapazität vor jedem neuen Lesen zu entladen.
Die Erfindung ist im wesentlichen im Falle von Zeilen oder Matrizen von mehreren Photodioden von Interesse, wobei jeweils eine Leseschaltung jeder Photodiode zugeordnet ist. Sie ist insbesondere auf Infrarotdetektoren anzuwenden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der Lektüre einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:
- Fig. 1 das elektrische Grundsatzschema einer Detektorschaltung nach dem Stand der Technik; und
- Fig. 2 das elektrische Grundsatzschema einer Detektorschaltung nach der Erfindung.
In allen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente.
Fig. 1 stellt das elektrische Grundsatzschema einer Detektorschaltung nach dem Stand der Technik dar.
Diese Schaltung weist nur eine einzige Photodiode D auf. Wie oben erwähnt, stellen sich die Detektoren in Form von Zeilen oder Matrizen dar. Sie weisen also mehrere Photodioden auf. Aus Gründen der einfacheren Darstellung weist die Schaltung nur eine einzige Photodiode auf.
Fig. 1 ist in zwei Zonen unterteilt. In einer ersten Zone A sind die Elemente dargestellt, die im lichtempfindlichen Teil des Detektors liegen. Die Anode einer Photodiode D, deren Elemente des gleichwertigen Schemas Rd und Cd gestrichelt dargestellt sind, ist über einen von dem Signal Q1 gesteuerten Transistor T1 mit einer positiven Polarisationsspannung +Vcc verbunden, und ihre Katode ist mit einer positiven Spannung +Vk verbunden, die höher als Vcc ist.
In einer zweiten Zone B sind die Elemente der elektrischen Schaltung dargestellt, die in dem Multiplexer liegen und die Wiedergewinnung der Information an den Anschlüssen der Photodiode ermöglichen. Diese Elemente bestehen aus einem Schalter K und einem Verstärker A. Der Schalter K verbindet die Anode der Photodiode mit dem Eingang des Verstärkers A. Die Ausgangsspannung Vs des Detektors wird zwischen dem Ausgang des Verstärkers A und der Masse der Schaltung abgenommen.
Wie dies dem Fachmann bekannt ist, wird die positive Spannung +Vcc unter der Wirkung der Steuerung Q1 an die Anode der Photodiode D angelegt. Die Kapazität Cd der Photodiode ist dann durch Anlegen der inversen Spannung Vinv = Vk - Vcc an ihre Anschlüsse geladen. Ist der Schalter K geöffnet, dann wird die Kapazität Cd entladen. Der Arbeitspunkt der Photodiode wird bei dieser Entladung verändert: er beschreibt die Strom-Spannungskennlinie der Photodiode. Der die Photodiode durchfließende Strom ist ein inverser Strom, der aus dem Dunkelstrom und im Falle einer beleuchteten Diode aus einem Photostrom besteht. Wenn der Schalter K geschlossen ist, wird die abgetastete Spannung von dem Verstärker A verstärkt.
Oben wurde bereits erwähnt, daß sich daraus zahlreiche Nachteile ergeben. Insbesondere weisen Photodioden vom Typ III-V wie Photodioden vom Typ InGaAs starke Dunkelströme auf, wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind. Dann sind die Veränderungen ihres Polarisationspunktes sehr stark und bringen dadurch eine starke Schwankung der Dunkelströme mit sich. Insbesondere im Falle von Detektoren vom Typ InGaAs, wo positive Ladungen gelesen werden, ist die Photodiode D stark depolarisiert, damit sie eine maximale Ladung speichern kann. Diese Depolarisation ruft dann eine starke Dunkelspannung hervor, die die Auflösung des Detektors auf niedrigem Pegel begrenzt.
Andererseits ist das Abtastrauschen aufgrund der Kommutation der Spannung +Vcc, die in regelmäßigen Intervallen an die Kapazität Cd angelegt wird, relativ hoch. Der Pegel N dieses Rauschens ist in etwa durch folgende Formel ausgedrückt: N = 400 Cd. Hat die Kapazität Cd einen Wert in der Größenordnung von 0,5 pF, dann kann der Rauschpegel N mit 280 Elektron bewertet werden.
Fig. 2 stellt das elektrische Grundsatzschema einer Detektorschaltung nach der Erfindung dar.
Aus den gleichen Gründen, die oben angegeben wurden, weist die in Fig. 2 dargestellte Schaltung nur eine einzige Diode D auf, obwohl die Erfindung Detektoren betrifft, die mehrere, in Form von Zeilen oder Matrizen angeordnete Photodioden aufweist.
Fig. 2 ist wie Fig. 1 in zwei Zonen A und B unterteilt. In einer ersten Zone A ist die Photodiode D dargestellt, deren Elemente des gleichwertigen Schemas Rd und Cd gestrichelt dargestellt sind. In einer zweiten Zone B sind die Elemente der elektrischen Schaltung dargestellt, mit denen die Information an den Anschlüssen der Photodiode wiedergewonnen werden kann. Die Elemente der Zone B bestehen aus drei Transistoren T2, T3, T4, einer Integrationskapazität Ci, einem Schalter K und einem Verstärker A.
Der MOS-Transistor T2, z. B. vom Typ NMOS ist mit der Diode D parallelgeschaltet.
Der Drain-Anschluß und der Gate-Anschluß des Transistors T2 sind miteinander und mit der Anode der Photodiode D verbunden, und sein Source-Anschluß ist sowohl mit der Katode der Photodiode als auch der Masse der Schaltung verbunden. Der Gate- Anschluß des Transistors T3 ist mit dem Gate-Anschluß des Transistors T2 verbunden, und sein Drain-Anschluß ist einerseits über einen Transistor T4 mit einer Spannung von +Vec, z. B. +5 V, und andererseits mit einem der Anschlüsse eines Schalters K verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Eingang eines Verstärkers A verbunden ist. Der Source-Anschluß des Transistors T3 ist seinerseits mit der Masse der Schaltung verbunden. Die Integrationskapazität Ci ist mit dem Transistor T4 parallelgeschaltet.
Wie beim Stand der Technik wird die Ausgangsspannung des Detektors zwischen dem Ausgang des Verstärkers A und der Masse der Schaltung abgenommen wird.
Erfindungsgemäß ist keine Sperrspannung an die Photodiode D angelegt, die also durch ihren Widerstand Rd auf Nullpotential gebracht ist. Ein Vorteil der Erfindung liegt also in der Unterdrückung des Dunkelstroms, der im Stand der Technik aufgrund der daran angelegten Sperr-Vorspannung durch die Diode fließt. Wird die Photodiode beleuchtet, dann fließt in der Schaltung aus der Photodiode D und dem Transistor T2 ein Photostrom. Die Photodiode funktioniert dann als Stromgenerator, der in die Ladung abgibt, die aus dem Transistor T2 besteht.
Der Transistor T2 ist mit einer relativ hohen Schwellenspannung, z. B. in der Größenordnung von 0,7 Volt gewählt, so daß in der dem Fachmann unter dem Namen Kennlinienzone mit schwacher Inversion bekannten Zone gearbeitet wird. Der durch den Transistor fließende Strom Id ist dann mit der an seinen Anschlüssen anliegenden Spannung Vd durch folgende Beziehung verbunden:
Id = Is exp qVd / kT
mit
Is = Sättigungsstrom des Transistors
q = Ladung des Elektrons
k = Boltzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur des Transistors
Die an den Gate-Anschluß des Transistors T2 angelegte Spannung Vd ist dann in Abhängigkeit von dem Photostrom Id durch folgende Beziehung gegeben:
Vd = kT/ q Log Id / Is
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Spannung Vd logarithmisch in Abhängigkeit von dem Photostrom Id verändert wird, womit die Änderungen der Spannung Vd in Abhängigkeit von dem Strom Id begrenzt werden können.
Der Sättigungsstrom Is ist proportional zu dem Verhältnis der Breite des Gate-Anschlusses zur Länge des Gate-Anschlusses des Transistors. Die Geometrie des Transistors T2 ist dann so gewählt, daß sich die Spannung Vd auf einem gegebenen Wert, z. B. gleich 0,1 Volt stabilisiert.
Wie oben erwähnt, sind die Gate-Anschlüsse der Transistoren T2 und T3 miteinander verbunden.
Die an den Anschlüssen der Diode D vorliegende Spannung Vd wird demnach an den Gate-Anschluß des Transistors T3 angelegt. Dieser hat Abmessungen, die zu denjenigen des Transistors T2 proportional sind. Der Proportionalitätsfaktor k ist eine positive Zahl kleiner, größer oder gleich 1. Der Transistor T3 bildet also einen Stromspiegel des Transistors T2. Daraus folgt, daß der Strom I, der durch den Transistor T3 fließt, eine Stärke gleich kId hat. Ein Vorteil der Erfindung liegt also darin, daß eine Stromverstärkung geliefert werden kann, falls k größer als 1 ist, oder auch eine Stromdämpfung, falls k kleiner als 1 ist.
Ist der Schalter K geöffnet, dann lädt der den Transistor T3 durchfließende Strom Id die Integrationskapazität Ci, wobei diese vorher unter der Wirkung der Steuerung Q2 durch Kurzschluß entladen wurde, die an den Gate-Anschluß des Transistors T4 angelegt wurde. Ist der Schalter K geschlossen, dann wird die erfaßte Spannung durch den Verstärker A verstärkt.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Unterdrückung des Dunkelstroms und damit des Erfassungsrauschens, das mit diesem Dunkelstrom in Verbindung steht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, das Rauschen aufgrund der Kommutation der an die Integrationskapazität angelegten Spannung zu verringern. Oben wurde daran erinnert, daß der Pegel N dieses Rauschens durch folgende Formel ausgedrückt ist:
N = 400 Ci
Erfindungsgemäß kann der Wert der Kapazität Ci beispielsweise in der Größenordnung von 0,05 pF gewählt werden. Der Kommutationsrauschpegel ist dann vorteilhaft auf etwa 100 Elektron gebracht.
Nach dem gewählten Ausführungsbeispiel sind die Transistoren T2 und T3 NMOS-Transistoren, die Katode der Photodiode D ist mit der Masse der Vorrichtung verbunden und ihre Anode ist mit dem Gate-Anschluß und dem Drain-Anschluß des Transistors T2 verbunden.
Die Erfindung betrifft aber auch andere Ausführungsformen, wo die Transistoren T2 und T3 PMOS-Transistoren sind, die Anode der Photodiode D mit der Masse der Vorrichtung verbunden ist und ihre Katode mit dem Gate-Anschluß und dem Drain-Anschluß des Transistors T2 verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung ist auf jeden Detektortyp anzuwenden, insbesondere auf Infrarotdetektoren, deren lichtempfindliches Element aus Photodioden besteht, die in Matrixform angeordnet und mit den in dem Multiplexer enthaltenen elektrischen Schaltungen durch Indiumkugeln gekoppelt sind.
Als Ausführungsbeispiel zur Durchführung der vorliegenden Erfindung sei eine Zeile von Infrarotphotodetektoren auf der Basis eines ternären GaInAs-Materials genannt, die mit der oben beschriebenen Eingangsstufe verbunden ist, wobei diese wiederum mit einem CCD-Register verbunden ist, das die Aufgabe hat, die von dem Photodetektor gelesenen Ladungen zu der Informationsverarbeitungsschaltung zu übertragen.

Claims

1. Photodetektor mit wenigstens einer lichtempfindlichen Diode (D) und einer Leseschaltung für den von der Photodiode erzeugten Strom, wobei die Leseschaltung eine nichtlineare Last (T2) aufweist, die mit den Anschlüssen der Photodiode verbunden und zur Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen der Photodiode geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Last durch einen ersten Feldeffekttransistor (T2) gebildet ist, dessen Gate- Anschluß mit dem Drain-Anschluß und einem ersten Anschluß der Photodiode verbunden ist, und dessen Source-Anschluß mit dem zweiten Anschluß der Photodiode verbunden ist, und daß er ferner einen zweiten Transistor (T3), der als Stromspiegel mit dem ersten geschaltet ist, um den Strom in dem ersten Transistor zu kopieren, sowie eine Leseschaltung (Ci, Q2, K, A) für den in dem zweiten Transistor kopierten Strom aufweist.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Anschluß die Anode bzw. die Katode der Photodiode sind, und daß der erste und der zweite Transistor (T2, T3) NMOS-Transistoren sind.

3. Photodetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Anschluß die Katode bzw. die Anode der Photodiode sind, und daß der erste und der zweite Transistor (T2, T3) PMOS-Transistoren sind.

4. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (T3) vom gleichen Typ wie der erste ist und gleiche Dimensionen wie der erste oder dazu proportionale aufweist, und daß sein Gate-Anschluß und sein Source-Anschluß mit dem Gate-Anschluß bzw. dem Source- Anschluß des ersten verbunden sind.

5. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T2) derart gewählt ist, daß er in der sogenannten Kennlinienzone mit schwacher Inversion arbeitet.

6. Photodetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung für den kopierten Strom eine von dem zweiten Transistor versorgte Integrationskapazität (Ci) und einen periodisch gesteuerten Schalter (K) aufweist, um die Kapazität vor jedem neuen Lesen zu entladen.

7. Photodetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor (T4) mit der Integrationskapazität (Ci) parallelgeschaltet ist, um diese vor dem Laden aufgrund des Stroms zu entladen, der durch den zweiten Transistor (T3) fließt.

8. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden (D) in Form von Zeilen angeordnet sind.

9. Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden (D) in Form von Matrizen angeordnet sind.