專利名稱：光電檢測器、使用光電檢測器的空間信息檢測裝置和光電檢測法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種穩定地獲得關于作為檢測對象的信號光所接收的光輸出的技術，即使在充足的環境光如來自太陽和室內照明光的自然光的情況下，也能穩定地獲得。
背景技術：
過去，各種光電檢測器如光電二極管、光電晶體管和CCD圖像傳感器是眾所周知的，并且廣泛用在以下應用中光電傳感器，用于根據接收的光量變化來檢測對象是否存在；光通信，其使用光作為傳輸介質；距離傳感器，用于通過使用三角測量原理或者投射和接收的光之間的時間差或相位差，光學地測量距離；以及用于視頻和數字照相機的圖像拾取裝置。
在這種光電檢測器中，當所接收的光量處在適當的范圍內時，能夠獲得具有對應于接收光量的量值的接收光輸出。然而，當所接收的光量變得過度時，存在接收光輸出飽和的問題。例如，在存在環境光如陽光的條件下，當使用光電檢測器時，所述光電傳感器用于檢測打擾者；光通信裝置，如光遙控單元；距離傳感器，用于自動聚焦的照相機和機器人的眼睛；以及圖像拾取裝置，其與發光源結合使用以獲得距離圖像，除了從發光源照射的光之外，環境光被入射在光電檢測器上，所以與僅接收從發光源照射的光的情況相比，接收的光量增加。然而，關于光電檢測器能夠生成的載流子的量存在限制。因此，當接收的光量過度增加時，載流子的生成量將會飽和。所以，光電檢測器的動態范圍取決于環境光的光量而減少。這導致下述不便不能穩定地獲得信號光的接收光輸出。這個問題在CCD圖像傳感器的領域中也被稱為“浮散(blooming)效應”。
為了改善上述問題，例如，日本專利早期公布號62-272773提議，將大的正電壓施加到通過絕緣層在p型硅基底上形成的電極，以將勢阱置于反狀態，從而在與絕緣層的接觸面處收集的大量載流子與過量的載流子重新結合來控制電極之下聚積的少量載流子不大于預定量。然而，根據這種方法，通過接收光而生成的過量載流子是通過使用從外部電路提供的電荷重新結合的，所述外部電路用于提供基底的基準電位，即，預先填充在基底中的大量載流子(當使用p型基底時，載流子為空穴，而當使用n型基底時，載流子為電子)。另外，重要的是，根據曝光時間改變用于重新結合表面電荷的操作頻率。因此，存在的問題是控制變得復雜來通過抑制接收光量的動態范圍而獲得適當范圍內的接收光輸出。
另一方面，當信號光和環境光混合時，環境光的變化使得難以將信號光從環境光分開。作為將信號光從環境光分開的技術，提議使用濾光器，用于僅通過具有特定波長的信號光。然而，由于環境光如陽光具有寬頻譜范圍，所以環境光的影響不能僅通過濾光器來充分去除。
為了改善上述問題，例如，日本專利早期公布號2001-337166提議，在消光周期通過光電檢測器獲得的接收光輸出被用作僅對應于環境光的分量，所述消光周期為信號光未被獲得和從發光源沒有照射光的周期；并且在光照周期通過光電檢測器獲得的接收光輸出被用作信號光和環境光的疊加分量，所述光照周期為信號光被獲得和光從發光源照射的周期。在這種情況下，通過從光照周期中光電檢測器的接收光輸出減去消光周期中的光電檢測器的接收光輸出，能夠提取僅對應于信號光的分量。然而，在有環境光的情況下，光電檢測器的信號光的動態范圍減少。當光電檢測器飽和時，仍然存在對于信號光不能提取大量的接收光輸出的問題。簡而言之，在存在環境光的情況下，即使當從發光源發射的光量增加，或者光電檢測器的光接收時間延長時，也由于用于光電檢測器的信號光的動態范圍減少，而難以獲得足夠大的信噪比。
發明內容
因此，本發明首要關注的是提供一種光電檢測器，其具有下述優點載流子的重新結合概率根據接收光量來確定，并且由環境光引起的飽和被阻止，以抑制信號光的動態范圍減少，從而穩定地獲得用于信號光的接收光輸出。
亦即，本發明的光電檢測器包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；至少一個電極，其通過絕緣層布置在所述光電轉換部分上；第一聚積區，其為通過向所述電極施加電壓而在所述光電轉換部分中形成的勢阱，以便聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的電子和空穴中的一種；第二聚積區，其被形成在所述光電轉換部分中，以便聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的電子和空穴中的另一種；控制單元，其被配置成對將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性中的至少一個進行控制；以及輸出單元，其被配置成在通過在所述第一和第二聚積區之間傳送所述電子和空穴來重新結合所述第一和第二聚積區中聚積的所述電子和空穴之后，輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
在上述光電檢測器中，優選地，所述至少一個電極為一對第一和第二電極，其通過所述絕緣層布置在所述光電轉換部分上，并且所述控制單元將電壓施加到所述第一電極以形成所述第一聚積區，并且將電壓施加到所述第二電極以形成勢阱作為所述第二聚積區。在這種情況下，特別優選地，所述控制單元控制將所述電壓施加到所述第一和第二電極的時序以及所述電壓的極性，以便通過光照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區中，而通過光照射在所述光電轉換部分中在不同時間生成的所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述第二聚積區中。
在這種配置中，第一電極(即，稍后描述的實施例中的“聚積電極”)和第二電極(即，稍后描述的實施例中的“保持電極”)相對于一個光電轉換部分而形成，所以兩個勢阱能夠在光電轉換部分中被形成為第一聚積區(即，稍后描述的實施例中的“聚積區”)和第二聚積區(即，稍后描述的實施例中的“保持區”)。例如，當與光電檢測器合作使用發光源時，在接收信號光和環境光的周期中，電子被聚積在第一聚積區中，然后所聚積的電子被傳送并被保持在第二聚積區中。此時，通過絕緣層和第一聚積區之間的接觸面部分處的自由鍵或界面勢，穩定地捕捉電子的部分。因此，事實上，電子的部分保留在第一聚積區中，并且結余的電子被傳送并保持在第二聚積區中。其次，在僅接收環境光的周期中，空穴被聚積在第一聚積區中。此時，來到第一聚積區的空穴的部分用于與在絕緣層和第一聚積區之間的接觸面部分處捕捉的電子重新結合，并且它們消失。隨后，當在第一聚積區和第二聚積區之間相互傳送電子和空穴時，發生第一和第二聚積區中聚積的空穴和電子的重新結合。可以認為，重新結合發生在第一和第二聚積區中的概率高于重新結合發生在傳送的過程中的概率。因此，通過將接收信號光和環境光的周期中聚積的電子與僅接收環境光的周期中聚積的空穴重新結合，就使得能夠抵消環境光分量。亦即，通過使用通過接收光而生成的載流子(電子和空穴)執行的重新結合，而不是使用預先填充在基底中的載流子執行的重新結合，來抵消環境光分量。結果，光電檢測器的飽和變得難以發生，并且可以抑制光電檢測器的信號光的動態范圍減少。
另外，與從光電檢測器中取出通過接收信號光和環境光而獲得的接收光輸出以及通過僅接收環境光而獲得的接收光輸出中的每一個、然后運算這兩個接收光輸出之間的差的情況相比較，當環境光分量通過在接收信號光和環境光時的電子和空穴的重新結合而被抵消時，光電檢測器的飽和難以發生，并且光電檢測器的信號光的動態范圍減少能夠被更加有效地抑制。
另外，優選地，所述控制單元將具有相反極性的電壓施加到所述第一和第二電極(即，稍后描述的第六實施例中的“分布電極”)，以便通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區中，并且同時所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述第二聚積區中。在這種情況下，由于向第一電極施加的電壓對于向第二電極施加的電壓具有相反極性，所以在光電轉換部分中生成的電子和空穴被分開發送并被聚積在第一和第二聚積區的勢阱中，然后通過在第一和第二聚積區之間傳送電子和空穴來進行重新結合。因此，如上述情況下那樣，能夠通過電子和空穴的重新結合來抵消環境光分量。結果，光電檢測器的飽和變得難以發生，并且能夠抑制光電檢測器的信號光的動態范圍減少。另外，由于涉及重新結合的載流子的量取決于接收光量而變化，所以，在不用外部控制的情況下，存在抑制或壓縮接收光量的波動寬度進一步的效果。
在傳統的光電檢測器如CCD圖像拾取裝置中，已知的是，每個象素的輸出電平(接收光輸出電平)的波動(散粒噪聲)由于通過光的照射生成的電子和空穴的發生概率(發生數目)而發生。為了減少散粒噪聲的影響，載流子(電子或空穴)被集成以獲得接收光輸出。然而，由于集成時間延長，所以響應速度變慢，取代了減少散粒噪聲的影響。另一方面，根據本發明，由于重新結合概率隨著電子和空穴的產生數目下降而變低，所以重新結合概率在抑制接收光輸出的波動的趨勢上變化。因此，具有減少散粒噪聲的優點。
另外，優選地，所述光電檢測器在所述第二電極上具有光屏蔽膜。在這種情況下，所述控制單元控制將所述電壓施加到所述第一和第二電極的時序以及所述電壓的極性，以便在電子或空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區之后，它們被傳送并被保持在所述第二聚積區，并且電子和空穴中的另一種被聚積在所述第一聚積區。由于對應于第二電極的第二聚積區被光屏蔽，所以可以防止光電轉換部分中生成的電子和空穴被直接聚積在第二聚積區中。另外，可以防止通過將來自光電轉換部分的載流子混合到第二聚積區中保持的載流子而造成電荷量的誤差(即，接收光輸出的誤差)。這種效果也能夠通過放置透鏡來實現，所述透鏡用于允許入射光會聚在第一電極上。當使用透鏡時，存在另一個優點通過會聚入射光，孔徑比增加(即，靈敏度改善)。
在上述光電檢測器中，優選地，所述第一電極通過一對第一電極而提供，所述第二電極通過一對第二電極而提供，傳送電極在所述第一電極之間和所述第二電極之間通過所述絕緣層形成在所述光電轉換部分上，并且所述控制單元控制向所述第一電極、所述第二電極和所述傳送電極施加的電壓，以便余留的電子和空穴中的至少一種被傳送到所述輸出單元。在這種情況下，通過相對增加相鄰聚積電極之間的距離，光電轉換部分中生成的電子和空穴之間的分開變得容易。另外，借助于傳送電極勢阱被形成在光電轉換部分中以取出接收光輸出。因此，具有提供接收光輸出的載流子(電子或空穴)能夠被容易傳送的優點。此外，通過控制向傳送電極施加的電壓，可以調節電子或空穴的聚積效率。
另外，當第一電極通過一對第一電極而提供、并且第二電極通過一對第二電極而提供時，優選地，至少一個控制電極在所述第一電極之間和/或所述第二電極之間通過所述絕緣層被形成在所述光電轉換部分上，并且所述控制單元向所述控制電極施加電壓以形成勢阱的疏散區，以便電子和空穴經由所述疏散區在所述第一聚積區和所述第二聚積區之間傳送。特別優選地，所述控制單元控制向所述第一電極、所述第二電極和所述控制電極施加的電壓，以便在所述第一聚積區、所述第二聚積區和所述疏散區之中的一定方向上產生電位梯度。根據這種配置，即使當其中電子或空穴不能被保持在第一聚積區(聚積區)或第二聚積區(保持區)的勢阱中的周期發生時，在這樣的周期期間，電子或空穴也臨時被保持在疏散區中。因此，能夠防止電子或空穴的擴散。
另外，優選地，所述光電轉換部分被提供有基底、形成在所述基底上的中間層以及形成在所述中間層上的主功能層，所述控制單元控制復位電壓的極性，以便向所述中間層施加的復位電壓對于向所述基底施加的基底電壓為反向偏壓，從而經由所述基底和所述中間層中的一個丟棄在所述光電轉換部分中余留的電子和空穴。在這種情況下，能夠丟棄在光電轉換部分中余留的不想要的載流子中的電子和空穴，并因此抑制了從光電轉換部分中取出的接收光輸出的誤差。
本發明進一步的目的是提供一種使用上述光電檢測器的空間信息檢測裝置。這種空間信息檢測裝置特征在于包括光投射單元，其被配置成向目標空間照射通過具有預定頻率的調制信號進行強度調制的光；所述光電檢測器，所述光電檢測器的所述光電轉換部分通過從所述目標空間接收光而生成電子和空穴；所述光電檢測器的所述控制單元在將電壓施加到所述第一和第二電極以便電子被聚積在所述第一聚積區并且空穴被聚積在所述第二聚積區的狀態和將電壓施加到所述第一和第二電極以便空穴被聚積在所述第一聚積區并且電子被聚積在所述第二聚積區的狀態之間切換，從而在所述第一和第二聚積區之間重新結合所述電子和空穴，并且所述輸出單元輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種；以及估計單元，其被配置成根據所述光電檢測器的輸出來估計所述目標空間。
根據這種裝置，當在第一聚積區中聚積電荷的時序通過具有不同強度的信號光的兩個周期來確定時，接收光輸出提供了對應于所述兩個周期的接收光量之間的差。因此，能夠獲得對應于所述兩個周期之間的信號光變化的接收光輸出。簡而言之，由于不需要在光電檢測器的外部運算差，所以具有下述優點在需要差以獲得目標空間信息的情況下，能夠簡化估計單元。作為要被檢測的空間信息，例如有到目標空間中的對象的距離、目標空間中的對象的反射率以及目標空間中的介質的透射率。
在上述空間信息檢測裝置中，優選地，所述控制單元在調制信號的相位的每180度、在將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便電子被聚積在所述第一聚積區并且空穴被聚積在所述第二聚積區的狀態和將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便空穴被聚積在所述第一聚積區并且電子被聚積在所述第二聚積區的狀態之間交替地切換，從而在所述第一和第二聚積區之間重新結合所述電子和空穴，并且所述估計單元相對于在所述調制信號的相位上是不同的兩個部分中的每一個確定的在通過重新結合之后在所述第一聚積區中余留的電子和空穴中的一種提供的輸出和通過重新結合之后在所述第二聚積區中余留的電子和空穴中的另一種提供的輸出之間的差，然后根據相對于所述兩個部分確定的所述差中估計所述目標空間。另外，優選地，所述估計單元包括距離運算單元，其被配置成將通過在所述兩個部分中的一個中確定的所述差除以在另一個部分中確定的所述差而獲得的值轉換成距離。根據這些配置，由于使用了在相位相差180度的狀態下獲得的接收光輸出之間的差，并且通過在相位相差90度的兩個部分中的一個中確定的差除以在另一個部分中確定的差而獲得的值被轉換成距離，所以能夠取消聚積區中電子和空穴的聚積效率與電子和空穴的重新結合概率之間的差，并因此通過公式計算準確地確定距離，如下面詳細地說明的那樣。
本發明進一步提供了光電檢測器，包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；電極，其通過絕緣層被布置在所述光電轉換部分上；電荷聚積區，其為通過將電壓施加到所述電極而形成在所述光電轉換部分中的勢阱；控制單元，其被配置成控制將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性，以便通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種被保持在所述光電轉換部分和所述電荷聚積區中的所述絕緣層之間的接觸面部分，然后通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述電荷聚積區，從而在所述接觸面部分重新結合所述電子和空穴；以及輸出單元，其被配置成輸出所述重新結合之后未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
根據這種光電檢測器，由于通過控制向通過絕緣層放置的電極施加的電壓使在光電轉換部分中生成的電子或空穴聚積在電荷聚積區中，所以電子和空穴中的一種通過接觸面部分處的自由鍵或界面勢而被捕捉。另一方面，電子和空穴中的另一種通過反轉電壓的極性而在不同的時間被聚積在電荷聚積區中。因此，在不同時間生成的電子和空穴被聚積在光電轉換部分中形成的勢阱的電荷聚積區中。簡而言之，在電子和空穴中的一種在電荷聚積區中被捕捉的條件下，電子和空穴中的另一種被聚積在電荷聚積區中，以便電子和空穴重新結合并且消失。因此，通過使用在重新結合之后未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種，能夠提供對應于光電轉換部分中不同時間生成的電子和空穴之間的差的接收光輸出。
本發明的另一個關注是提供一種光電檢測方法，其基于對上述光電檢測器的普通技術概念，并且其特征在于包括以下步驟預備光電檢測裝置，該光電檢測裝置包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；以及一對電極，其通過絕緣層形成在所述光電轉換部分上；在第一聚積區中聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的至少一種，所述第一聚積區為通過將電壓施加到所述電極中的一個而在所述光電轉換部分中形成的勢阱；在第二聚積區中聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的另一種，所述第二聚積區為通過將電壓施加到另一個電極而在所述光電轉換部分中形成的勢阱；控制將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性，以便所述電子和空穴在所述第一和第二聚積區之間傳送，以重新結合聚積在所述第一和第二聚積區中的所述電子和空穴，然后輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
根據這種方法，在電子(或空穴)在接收信號光和環境光的周期中被聚積在第一聚積區中且被聚積在第一聚積區中的電子被傳送到第二聚積區之后，空穴(或電子)能夠在僅接收環境光的周期中被聚積在第一聚積區中。隨后，通過控制將電壓施加到成對的電極的時序和電壓的極性，聚積在第一和第二聚積區中的電子和空穴重新結合，所以能夠抵消環境光分量。
從下面描述的用于實施本發明的最佳方式中，將會清楚地理解由此帶來的進一步的特性和優點。
圖1是示出根據本發明的第一實施例的使用光電檢測器的空間信息檢測裝置的方框圖；圖2是本實施例的光電檢測器的示意性橫截面圖；
圖3A到3C是示出施加電壓的時序的解釋性圖；圖4A到4F是示出空間信息檢測裝置的距離測量原理的解釋性圖；圖5A到5D是示出空間信息檢測裝置的距離測量原理的解釋性圖；圖6是根據本發明的第二實施例的光電檢測器的示意圖；圖7是具有光屏蔽膜的光電檢測器的部分橫截面圖；圖8是具有會聚透鏡的光電檢測器的部分橫截面圖；圖9A和9B是根據本發明的第三實施例的光電檢測器的部分橫截面圖和解釋性圖；圖10是根據本發明的第四實施例的光電檢測器的前視圖；圖11是沿著圖10的線A-A所取的橫截面圖；圖12是光電檢測器的修改的部分橫截面圖；圖13是根據本發明的第五實施例的光電檢測器的部分橫截面圖；圖14A到14H是示出施加電壓的時序的解釋性圖；圖15是根據本發明的第六實施例的光電檢測器的示意性橫截面圖；以及圖16是示出本發明的光電檢測器的工作原理的解釋性圖。
具體實施例方式
(工作原理)首先說明本發明的工作原理。如圖16所示，本發明的光電檢測器具有下述結構通過絕緣層14(例如，氧化硅膜)，聚積電極12被形成在主功能層11(例如，n型硅層)的表面上，其構造光電轉換部分1。向聚積電極12施加的聚積電壓通過關于作為基準電位的主功能層11的電位(或者中間層(圖2)的電位，在所述中間層上堆疊主功能層11，如下所述)的正電壓或負電壓來提供。當正聚積電壓被施加到聚積電極12時，用于聚積電子的勢阱被形成為主功能層11中的聚積區11b。當負聚積電壓被施加到聚積電極12時，用于聚積空穴的勢阱被形成為主功能層11中的聚積區11b。
在主功能層11中，相鄰于聚積電極12的部分起到光敏部分11a的作用，用于當光在該部分上入射時生成電子和空穴。根據向聚積電極12施加的聚積電壓的極性，光敏部分11a中生成的電子和空穴中的一種被聚積在聚積區11b中。亦即，當聚積電壓為正時，電子被聚積在聚積區11b中。相反，當聚積電壓為負時，空穴被聚積在聚積區11b中。
在以下說明中，強度調制的信號光從發光源(未示出)被投射，并且信號光由光電轉換部分1接收。另外，信號光的強度由矩形波調制。發光源的光照和消光交替地重復。亦即，當發光源處在光照周期中時，信號光和環境光在光電轉換部分1上入射，而當發光源處在消光周期時，只有環境光在光電轉換部分1上入射。因此，電子能夠在光照周期期間被聚積在聚積區11b中，而空穴能夠在消光周期期間被聚積在聚積區11b中。另外，說明由于未考慮各種因素而被簡化。亦即，可以認為，當對應于關于信號光和環境光兩者的接收光輸出的電子量與對應于僅關于環境光的接收光輸出的空穴量重新結合時，重新結合過程之后的余留電子量對應于關于信號光的接收光輸出。事實上，重新結合過程之后余留的載流子不限于電子。空穴或者電子與空穴兩者可以余留。無論如何，可以說，與未進行重新結合的情況相比較，當余留的載流子(電子和/或空穴)被取出作為接收光輸出時，獲得了具有減少的環境光分量的接收光輸出。
在圖16中，電子用(e)指示，而空穴則用(h)指示。這個附圖示出了將正聚積電壓施加到聚積電極12以聚積電子的狀態切換到將負聚積電壓施加到聚積電極12以聚積空穴的另一種狀態的時刻。在這個時刻，大多數的聚積電子被從聚積區11b去除，這是因為聚積電壓變成了負值。然而，將通過自由鍵或界面勢而在主功能層11的表面附近捕捉的電子保持在聚積區11b中。另外，將通過光的照射而生成的電子從主功能層11去除，并且將通過光的照射而生成的空穴收集在聚積區11b中。亦即，從聚積區11b去除的電子的部分和在聚積區11b中收集的空穴的部分被重新結合并抵消。此外，聚積區11b中捕捉的電子和聚積區11b中聚積的空穴被重新結合并抵消。在重新結合過程之后，電子和空穴中的至少一種余留在聚積區11b中。因此，余留的載流子能夠被取出作為接收光輸出。
在上述情況下，將單個聚積電極12形成在光電轉換部分1上，并且在不同時間生成在光電轉換部分1中的電子和空穴被重新結合，以便將重新結合過程之后的余留載流子取出作為接收光輸出。然而，當形成單個聚積區11b時，存在下述擔心在切換聚積電壓的極性時從聚積區11b去除的載流子不能有效地對重新結合做出貢獻。因此，在以下實施例中，對下述情況進行說明用于保持從聚積區11b去除的載流子的保持區11c(圖1)與聚積區11b分開地形成，而載流子在聚積區11b和保持區11c之間互換，以有效地實現重新結合。
(第一實施例)圖1顯示了距離測量裝置，其是一種使用了本實施例的光電檢測器6的空間信息檢測裝置。在這個距離測量裝置中，光從發光源2向包括要被測量的對象3的目標空間投射，并且光電檢測器6從目標空間接收包括對象上反射光的光，以便從光電檢測器6獲得具有反射光的光量的接收光輸出。為了通過這種配置測量到對象的距離，主要利用了使用三角測量原理的技術，或者測量光從發光源2到光電檢測器6的飛行時間的技術。
當使用三角測量原理時，預定圖案的平行光束從發光源2向目標空間投射，并且目標3上投射的圖案通過用于接收光的光學系統由光電檢測器6接收，以便將光電檢測器6上的接收光位置轉換成距離。另一方面，當測量光的飛行時間時，從發光源2向目標空間投射的光被適當的調制波形預先強度調制，并且確定從發光源2投射的光和光電檢測器6接收的光的調制波形之間的時間差或相位差。該時間差能夠用作飛行時間。選擇地，通過將該相位差變換成飛行時間，能夠根據飛行時間確定距離。以下實施例使用了這樣的技術，即，從發光源投射強度調制的光，并且根據光的飛行時間確定到對象3的距離。本發明還可用于在使用三角測量原理的情況下減少環境光的影響。另外，本發明的技術概念不限于測量到對象的距離的目的。亦即，本發明可用于需要檢測接收光量的各種目的，例如，用于根據接收光量的變化來檢測細微顆粒的細微顆粒傳感器，所述接收光量的變化是由于光被細微顆粒如煙、灰塵和雜質散射或削弱造成的。
在本實施例中，發光源2由具有恒定調制頻率(例如，10MHz)的調制信號驅動，該調制信號從控制電路4輸出，所以向目標空間投射的光的強度由調制信號調制。在本實施例中，將矩形波用作調制信號的波形。重復發光源2的光照和消光。作為調制信號的波形，可以使用別的波形如正弦波、鋸齒波或三角波。在以下說明中，發光源2被接通的持續時間為光照周期，而發光源2被斷開的持續時間為消光時間。當發光源2被斷開時，在光電檢測器6上入射的光只有環境光，因此從發光源在目標空間中投射的光未被包括。當發光源2被接通時，在光電檢測器6上入射的光為環境光和從發光源2在目標空間中投射的信號光之和。因此，光電檢測器6在消光周期接收的光主要由環境光提供，而光電檢測器6在光照周期接收的光則主要由信號光和環境光兩者提供。當光照周期和消光周期的長度相互為一對一的關系時，環境光分量在理論上能夠通過從光照周期中獲得的接收光量減去消光周期中獲得的接收光量來去除，以僅提取信號光分量。
將從光電檢測器6提供的接收光輸出發送到作為估計單元的距離運算電路5。在距離運算電路5中，通過使用從光電檢測器6在多個時序獲得的接收光輸出，根據由發光源2照射的強度調制的光和由光電檢測器6接收的強度調制的光的波形之間的時間差或相位差來確定光的飛行時間，然后根據光的飛行時間確定到對象3的距離。
光電檢測器6具有用于將光轉換成電信號的(一個或多個)光電轉換部分1。當僅使用一個光電轉換部分1時，能夠檢測僅關于存在于在光電轉換部分1的特定方向上的對象3的距離。另一方面，如圖1所示，當以多個光電轉換部分1的配置形成光電檢測器6、光接收光學系統放置在光電檢測器6的前面以及通過光接收光學系統從光電檢測器6觀察目標空間的方向與每個光電轉換部分1的位置相關聯時，能夠生成距離圖像，其中，象素值中的每一個具有各個方向上的距離信息。在本實施例中，對使用光電檢測器6的情況進行說明，光電檢測器6包括光電轉換部分1，其被布置在具有矩形單元格的平面格的格點上；以及電荷排出部分7，用于將光電轉換部分1的輸出排出到外面，并且借助于這個光電檢測器6生成距離圖像。亦即，光電檢測器6起到用于生成距離圖像的圖像拾取裝置的作用。如下所述，作為光電檢測器的輸出單元的電荷排出部分7由CCD提供，并且光電轉換部分1起到部分的電荷排出部分7的作用。另外，作為這個實施例的光電檢測器的控制單元的控制電路4控制施加到下面描述的電極中的每一個以及電荷排出部分7的電壓，并且向光投射單元的發光源2和估計單元的距離運算電路5輸出調制信號。
在具有圖2中所示結構的光電轉換部分1的每一個中，n型硅層的主功能層11經由p型硅層的中間層16被形成在n型硅層的基底10上。主功能層11的表面(即，在主功能層11的厚度方向上與基底10相反的一般表面)用氧化硅膜的絕緣層14覆蓋。另外，使基底10、主功能層11和中間層16由多個光電轉換部分1共享。聚積電極12和保持電極13通過絕緣層14被形成在主功能層11的一般表面上。保持電極13和一部分聚積電極12用光屏蔽膜15覆蓋。通過分別向聚積電極12和保持電極13施加聚積電壓和保持電壓，勢阱被形成為主功能層11中的聚積區11b和保持區11c。
聚積電極12和絕緣層14具有半透明物。因此，在未被光屏蔽膜15覆蓋的部分上入射的光通過聚積電極12到達主功能層11。亦即，基底10、主功能層11和中間層16的未被光屏蔽膜15覆蓋的部分起到用于在光電轉換部分1中生成電子和空穴的光敏部分11a(圖1)的作用。在附圖中，將一部分的光屏蔽膜15延伸到聚積電極12。這是為了防止通過發光激勵而在主功能層11中生成的電子和空穴被直接聚積在保持區11c中，將保持區11c形成在對應于主功能層11的保持電極13的區域中。
在上述光電轉換部分1中，當將光入射在未被光屏蔽膜15覆蓋的光敏部分11a上時，生成電子和空穴。另外，當將聚積電壓施加到聚積電極12時，勢阱被形成為主功能層11中的聚積區11b，并且當將保持電壓施加到保持電極13時，勢阱被形成為主功能層11中的保持區11c。設置聚積電極12和保持電極13之間的距離以及聚積電壓和保持電壓的量值，使得電子和空穴能夠在形成為勢阱的聚積區11c和保持區11b之間傳送。
在電子和空穴在光敏部分11a中生成以獲得對應于在光敏部分11a上入射的光量的接收光輸出的周期中，使中間層16維持在基準電位(地電位)，并且使基底10維持在比基準電位高的電位。亦即，在基底10和中間層16之間存在反偏壓關系。向基底10施加的基底電壓和向中間層16施加的復位電壓中的每一個能夠以三個等級來切換。亦即，基底電壓能夠在高電位和地電位的兩個等級中被切換。復位電壓能夠在低電位、地電位和高電位中被切換。基底電壓和復位電壓由控制電路4控制，以便當基底電壓為地電位時，復位電壓為低電位，當基底電壓為高電位中較高的一個時，復位電壓為高電位，而當基底電壓為高電位中較低的一個時，復位電壓為地電位。在以下說明中，關于基準電位具有高電位的情況被稱為正極性，而關于基準電位具有低電位的情況則被稱為負極性。
在圖2的配置中，通過DC電源(E3，E4)和開關(SW3，SW4)的組合，能夠切換基底電壓和復位電壓中的每一個。亦即，能夠使三種不同電壓，即，高和低正電壓以及地電壓中的一個從DC電源“E4”輸出。另外，能夠使三種不同電壓，即，正和負電壓以及地電壓中的一個從DC電源“E3”輸出。開關“SW3”和“SW4”中的每一個為三觸點開關，通過所述三觸點開關，各個DC電源(E3，E4)的輸出電壓中的一個被選擇性地提供。切換基底電壓和復位電壓的時序由控制電路4控制。亦即，通過控制單元4選擇基底電壓和復位電壓對應于切換開關(SW3，SW4)。在這種情況下，開關(SW3，SW4)被聯鎖，以便基底電壓對于復位電壓的電位差不變，并且響應復位電壓而在三個等級中切換基底電壓。可選擇地，不管復位電壓，具有比復位電壓高的電位的恒定電壓可被用作基底電壓，這是因為當基底電壓關于復位電壓為較高電位時，在基底10和中間層16之間存在反偏壓關系。
能夠使向聚積電極12施加的聚積電壓和向保持電極13施加的保持電壓中的每一個在正和負值之間的兩個等級中切換。切換聚積電壓和保持電壓的時序由控制電路4控制，如切換基底電壓和復位電壓的情況下那樣。在圖2中，通過DC電池(E1，E2)和開關(SW1，SW2)的組合示意性地示出了控制電路4中的施加聚積電壓和保持電壓的功能。用于施加聚積電壓和保持電壓的DC電池(E1，E2)中的每一個有能力輸出正和負電壓中的一個，其能夠由開關(SW1，SW2)切換。亦即，在控制電路4中選擇聚積電壓和保持電壓對應于切換開關(SW1，SW2)。
當聚積電壓為正值時，電子能被聚積在聚積區11b。當聚積電壓為負值時，空穴能被聚積在聚積區11b。類似地，當保持電壓為正值時，電子能被聚積在保持區11c。當保持電壓為負值時，空穴能被聚積在保持區11c中。在本實施例中，作為載流子生成在光敏部分11a中的電子被用作接收光輸出。
在上述光電檢測器6中，取決于在光敏部分11a上入射的光量而生成的電子和空穴在不同時序被聚積。在聚積的電子和空穴被重新結合后，未被重新結合的余留電子被取出。因此，當將期望的光入射在光敏部分11a上前電子和空穴存在于光敏部分11a中時，意味著不希望的分量被包括在從光敏部分11a取出的電子中。亦即，從光敏部分11a取出的電子數目不對應于光敏部分11a接收的光量。因此，在聚積區11b中聚積電子和空穴之前，需要從光電轉換部分1丟棄不想要的電子和空穴。
在光電轉換部分1中丟棄不想要的電子和空穴的情況下，它們被分開丟棄。例如，當首先丟棄空穴時，聚積電壓和保持電壓被設置為正值以將空穴置于聚積區11b和保持區11c之外。此時，復位電壓被設置為負值。在這種狀態下，由于空穴朝向中間層16移動，所以考慮到空穴的遷移率，這種狀態會持續一周期，直到空穴基本上從光電轉換部分1消失為止。在空穴被丟棄之后，電子仍然存在于光電轉換部分1中。下一步，為了丟棄電子，聚積電極和保持電極被設置為負值，復位電壓被設置為正值，并且基底電壓被設置為高于復位電壓。存在于光電轉換部分1中的不想要的電子朝向中間層16移動。部分電子從中間層16丟棄。穿過中間層16的結余的電子從基底10丟棄。如上所述，通過從光電轉換部分1中丟棄電子和空穴以復位光電檢測器6，存在于光電轉換部分1中的電子和空穴的量成為它們在熱平衡狀態下的量。每次從光電檢測器6取出接收光輸出，都復位光電檢測器6。
在光電檢測器6被復位后，正聚積電壓被施加到聚積電極12，以便在聚積區11b中聚積電子。此時，將負保持電壓施加到保持電極13，以便電子不聚積在保持區11c中。盡管通過光的入射而在光敏部分11a中生成電子和空穴，但是在主功能層11中從聚積電極11b向保持區11c產生電位梯度，這是因為聚積電壓為正值，并且保持電壓為負值。另外，通過選擇地電位作為向中間層16施加的復位電壓，在主功能層11的向其照射光的部分附近，從聚積區11b向中間層16產生電位梯度。此外，在主功能層11的由光屏蔽膜15覆蓋的部分處，從中間層16向保持區11c產生電位梯度。然而，由于光沒有向這個部分照射，所以空穴很難被聚積在保持區11c中。
在電子被聚積在聚積區11b后，在復位電壓被維持在地電位的條件下，聚積電壓和保持電壓分別被設置為負和正值。此時，從中間層16向主功能層11中的聚積區11b產生電位梯度，并且從保持區11c向聚積區11b產生電位梯度。另外，從保持區11c向中間層16產生電位梯度。因此，聚積區11b中聚積的電子向保持區11c移動。另一方面，作為通過光的照射而在光敏部分11a中生成的電子和空穴中的一種的電子向中間層16移動，并且空穴向聚積區11b移動。根據這些過程，在光敏部分11a中生成的電子和空穴能夠被分開傳送到保持區11c和聚積區11b。
在這點上，當空穴存在于保持區11c中時，空穴也向聚積區11b移動。由于電子從聚積區11b向保持區11c移動，并且空穴從光敏部分11a或保持區11c向聚積區11b移動，所以電子和空穴彼此偶遇并重新結合。另一方面，電子的部分在聚積區11b的表面處通過自由鍵(或界面勢)而被捕捉。捕捉的電子與聚積在聚積區11b中的空穴被重新結合并消失。類似地，空穴的部分在保持區11c的表面處通過自由鍵(或界面勢)而被捕捉。捕捉的空穴與被傳送到保持區11c的電子被重新結合并消失。
隨后，當聚積電極和保持電極的極性被切換(即，聚積電壓為正值，而保持電壓為負值)時，保持區11c的電子向聚積區11b移動，而聚積區11b的空穴向保持區11c移動。結果，電子和空穴彼此偶遇，以便它們被重新結合并消失。另外，光敏部分11a中生成的電子被聚積在聚積區11b中，并且從光敏部分11a被聚積在聚積區11b中的電子的部分貢獻于與空穴重新結合。在這點上，由于存在于聚積區11b中的空穴的部分在聚積區11b的表面處通過自由鍵(或界面勢)而被捕捉，所以它們與從光敏部分11a聚積的或者從保持區11c傳送到聚積區11b中的電子重新結合并消失。類似地，由于存在于保持區11c中的電子的部分在保持區11c的表面處通過自由鍵(或界面勢)而被捕捉，所以使它們與被傳送到保持區11c的空穴重新結合并消失。
當切換聚積電壓和保持電壓的極性的操作被重復多次時，電子和空穴被重新結合，從而空穴幾乎完全消失，并且只有電子余留。在這點上，當切換聚積電壓和保持電壓的極性的操作被執行一次時，電子和空穴彼此偶遇的概率不高。然而，通過多次重復極性切換操作，重新結合概率能夠增加。亦即，當聚積電壓和保持電壓的極性被切換多次時，涉及重新結合的電子和空穴的密度增加，所以重新結合概率變高。
在本實施例中，將切換聚積電壓和保持電壓的時序與發光源2的光照周期和消光周期相匹配并不重要。然而，當切換聚積電壓和保持電壓的時序與光照周期和消光周期匹配時，使得易于理解操作。因此，首先關于將切換聚積電壓和保持電壓的時序與發光源2的光照周期和消光周期相匹配的情況進行說明。亦即，如圖3A所示，發光源2的光照和消光被交替地重復。在光照周期“Pb”，將正聚積電壓施加到聚積電極12(圖3B)，而將負保持電壓施加到保持電極13(圖3C)。在消光周期“Pd”，將負聚積電壓施加到聚積電極12(圖3B)，而將正保持電壓施加到保持電極13(圖3C)。
在光照周期“Pb”和消光周期“Pd”的每一個中，電子和空穴以一對一的方式被生成在光敏部分11a中。在光照周期“Pb”中，光敏部分11a中生成的電子被聚積在聚積區11b中。在消光周期“Pd”中，光敏部分11a中生成的空穴被聚積在聚積區11b中，并且存在于聚積區11b中的電子欲從聚積區11b向保持區11c移動。在這點上，由于在聚積區11b和絕緣層14之間的界面處存在自由鍵，所以在光照周期“Pb”中被聚積在聚積區11b中的電子的部分通過懸空鍵(或界面勢)而被捕捉，所以捕捉的電子不能向保持區11c移動。捕捉的電子與消光周期“Pb”中的聚積區11b中聚積的空穴重新結合并消失。
光照周期“Pb”中聚積區11b中聚積的電子量對應于通過使發光源2發光而提供的信號光和除了信號光之外的環境光的總光量。消光周期“Pd”中聚積區11b中聚積的空穴量僅對應于環境光的光量。因此，當一些電子在消光周期“Pd”中在聚積區11b與空穴重新結合并消失時，意味著至少對應于環境光的光量的電子的部分消失。保持區11c中保持的電子量小于與信號光和環境光的總光量相對應的電子量。亦即，保持區11c中保持的電子量對應于通過從信號光和環境光的總光量中去除一部分環境光的光量確定的光量。
在下一個光照周期“Pb”中，保持區11c中保持的電子欲向聚積區11b移動，并且光敏部分11a中生成的電子被聚積在聚積區11b中。另一方面，在聚積區11b中余留的空穴在以前的光照周期“Pd”中沒有與電子重新結合，而與聚積區11b中聚積的電子偶遇，所以它們重新結合。另外，大多數的未被重新結合的余留空穴主要向保持區11c移動。這是因為在保持區11c附近，朝向保持區11c的電位梯度大于朝向主功能層11的深度部分的電位梯度。
根據上述操作，環境光生成的大多數的空穴通過與電子重新結合而被抵消。因此，通過多次重復光照周期“Pb”和消光周期“Pd”，能夠減少對應于環境光的電子量關于信號光的電子量的比率。因此，通過在重新結合過程之后從光電檢測器6取出余留在保持區11c中的電子作為接收光輸出，環境光分量能夠在某種程度上從接收光輸出被消除。
順便提及，根據上述操作，當在重新結合之后從光電檢測器6取出余留在保持區11c中的電子時，通過調節向聚積電極12和保持電極13施加的電壓，來控制主功能層11中形成的勢阱，以傳送保持區11c中保持的電子。亦即，主功能層11、聚積電極12和保持電極13被作為CCD操作，以便能夠在圖1中的左和右方向中的一個上傳送電子。主功能層11的這個功能包括在圖1中所示的電荷排出部分7中。
如上所述，有必要具有這樣的周期，其中，通過重復發光源2的光照和消光來重新結合電子和空穴，允許對應于信號光的電子量余留在保持區11c中，以及有必要具有這樣的周期，其中，從光電檢測器6中取出保持區11c中的余留電子。在以下說明中，前面的周期被稱為光接收周期，而后面周期則被稱為排出周期。在光接收周期中，控制電路4交替地切換極性，以便向聚積電極12施加的聚積電壓和向保持電極13施加的保持電壓具有彼此不同的極性。在排出周期中，控制電路4控制施加電壓的時序，以便電子在一個方向上傳送。另外，可以與時序一起控制電壓值。
在排出周期中向聚積電極12和保持電極13施加的電壓能被控制，如控制向CCD的傳送門施加的電壓的情況下那樣。亦即，在本實施例中，如傳統的幀傳送CCD圖像傳感器的情況下那樣，主功能層11也被用作傳送載流子的垂直傳送電阻器。在光電檢測器6中，主功能層11用作垂直傳送電阻器。從垂直傳送電阻器提供的電子也被水平傳送電阻21(圖10)傳送，以便接收光輸出關于光敏部分11a中的每一個被取出到半導體基底的外面。在上述配置中，盡管主功能層11用作傳送電阻器，但是可以使用與傳統的行間(interline)傳送CCD圖像傳感器類似的另一種配置。在這種情況下，主功能層11的保持區11c中保持的載流子被傳送到單獨形成的垂直傳送電阻器。因此，載流子就能夠通過垂直和水平傳送電阻器被取出到半導體基底的外面。
為了借助于上述光電檢測器6測量到對象3的距離，需要確定發光源2的調制信號和各個光電轉換部分1(各個光敏部分11a)接收的光中包括的調制信號之間的時間差或相位差。在本實施例中，由于矩形波被用作調制信號的波形，所以能夠確定時間差。圖4A示出了從發光源2投射的光的強度變化，而圖4B則示出了光電轉換部分1接收的光的強度變化。為了確定附圖中所示的時間差“td”，具有以下技術在對應于與發光源2的光照和消光同步的多個相位的時序，使用光電轉換部分1接收的光量，以及具有這樣的技術在不與發光源2的光照和消光同步的多個時序，使用光電轉換部分1接收的光量。
首先，對關于使用在與發光源2的光照和消光同步的時序獲得的接收光量的技術進行說明。為了易于理解操作，在調制信號的相位中每90度設置180度的部分，并且對于部分中的每一個確定接收光量。亦即，相對于調制信號的0到180度、90到270度、180到360度和270到90度的四個部分確定接收光量。各個部分的接收光量對應于圖4C到4F中顯示的陰影區域的面積。在這點上，各個部分的接收光量用“A0”到“A3”指示，對應于信號光和環境光總和的接收光的強度用“Ab”指示，并且僅對應于環境光的接收光的強度用“Ad”指示。另外，調制信號的周期為“4T”，并且時間差為“td”。接收光量“A0”到“A3”能夠表示如下。
A0＝Ab×(2T-td)+Ad×tdA1＝Ab×(T+td)+Ad×(T-td)A2＝Ab×td+Ad×(2T-td)A3＝Ab×(T-td)+Ad×(T+td)從這些關系中，(A1-A3)/(A0-A2)由td/(T-td)提供。當s＝(A1-A3)/(A0-A2)時，時間差“td”能夠用以下方程表示td＝sT/(s+1)。
亦即，通過使用調制信號的周期“4T”和上述四個部分的接收光量“A0”到“A3”，能夠確定時間差“td”。由于接收光量“A0”到“A3”對應于接收光輸出，所以距離運算電路5通過使用從光電檢測器6給出的光電轉換部分1的接收光輸出代替接收光量“A0”到“A3”來確定時間差“td”，并且將時間差變換成到對象3的距離。適當選擇上述方程的運算結果的符號，以便時間差“td”具有正值。
順便提及，如上所述，確定接收光輸出“A0”的周期對應于調制信號中的0到180度的部分，如圖4C所示。另一方面，確定接收光輸出“A2”的周期對應于調制信號中的180到360度的部分，如圖4E所示。在這個實施例中，假設在不考慮光敏部分11a中生成的電子被聚積在聚積區11b中的概率和光敏部分11a中生成的空穴被聚積在聚積區11b中的概率之間的差的情況下，電子和空穴中的每一種以相同的概率(聚積效率)被聚積在聚積區11b中。另外，假定重新結合電子和空穴的概率(重新結合概率)為1。
在上述假定之下，當向聚積電極12施加正聚積電壓的周期與調制信號中的0到180度的部分相匹配，并且向聚積電極12施加負聚積電壓的周期與調制信號中的180到360度的部分相匹配時，在光敏部分11a中生成的并且在聚積區11b中聚積的電子的量(數目)對應于接收光量“A0”，而且在光敏部分11a中生成的并且在聚積區11b中聚積的空穴的量(數目)對應于接收光量“A2”。亦即，可以說，在調制信號中的0到180度的部分和180到360度的部分之間交替切換聚積電壓的極性的操作之后余留在保持區11c中的電子量對應于(A0-A2)。類似地，在聚積電壓的極性在調制信號中的90到270度的部分中被設置為正、并且聚積電壓的極性在調制信號中的270到90度的部分中被設置為負之后，余留在保持區11c中的電子量對應于(A1-A3)。因此，當通過與調制信號同步地交替切換向聚積電極12施加的聚積電壓和向保持電極13施加的保持電壓的極性來重新結合電子和空穴、然后將余留在保持區11c中的電子取出到光電檢測器6的外面作為接收光輸出時，等效于執行(A0-A2)或(A1-A3)的運算。結果，能夠減少距離運算電路5中進行的運算量。
在上文中，為了易于理解操作，已關于發光源2的光照和消光被重復的情況進行了說明。然而，如上所述，別的波形如正弦波、三角波或鋸齒波能夠用作用于驅動發光源2的調制信號的波形。因此，下面關于正弦波被用作調制信號波形的情況進行說明，如圖5A所示。
亦即，在光電轉換部分1上入射的光強度是相位“θ”的函數，并且用這樣的方程表示g(θ)＝(Ab-Ad)sinθ+(Ab+Ad)/2(圖5B)。在這種情況下，由于調制信號的0到180度、90到270度、180到360度以及270到90度的各個部分中的接收光量“A0”到“A3”對應于圖5C和5D中顯示的陰影區域的面積，所以它們能夠通過限定下面所示的積分來表示。在這點上，相位“θ”是時間“t”的函數，并且用方程θ＝ωt(ω＝2πf，“f”為調制頻率)來表示。“Ψ”是投射和接收光之間的相位差(當“Ψ”的單位為弧度時，到對象3的距離為L[m]，光速為“c”[m/s]，L＝Ψ·c/2ω)。光電轉換部分1接收的光強度的最大值用“Ab”指示。光電轉換部分1接收的光強度的最小值用“Ad”指示。“Ad”對應于與光電轉換部分1接收的環境光相對應的光強度。在以下方程中，括號中所示的值是積分間隔。
A0＝∫g(θ)dθ[-Ψ，80°-Ψ]A1＝∫g(θ)dθ[90°-Ψ，270°-Ψ]A2＝∫g(θ)dθ[180°-Ψ，360°-Ψ]A3＝∫g(θ)dθ[270°-Ψ，90°-Ψ]當Aa＝Ab-Ad并且 Ac＝(Ab+Ad)/2時，接收光量“A0”到“A3”用以下方程表示。
A0＝-2Aa·cosΨ+Ac·πA1＝-2Aa·sinΨ+Ac·πA2＝2Aa·cosΨ+Ac·πA3＝2Aa·sinΨ+Ac·π當(A1-A3)/(A0-A2)根據這些關系確定時，它等于tanΨ。因此，“Ψ”能夠用以下方程表示。
Ψ＝tan-1(A1-A3)/(A0-A2)...(1)亦即，即使當調制信號的波形為正弦波時，相位差“Ψ”也能夠通過上述方程確定。因此，如當調制信號的波形為矩形波時使用時間差“td”的情況下那樣，能夠確定到對象3的距離。另外，即使當正弦波用作調制信號的波形時，也能從光電轉換部分1獲得對應于(A0-A2)和(A1-A3)的接收光輸出，如使用矩形波的情況下那樣。
獲得對應于(A0-A2)或(A1-A3)的接收光輸出是基于下述假定的在聚積區11b中聚積電子的效率等于在聚積區11b中聚積空穴的效率，以及下述假定電子和空穴的重新結合概率為1(即，當電子和空穴偶遇時，它們確實被重新結合)。事實上，聚積效率并不相同，并且重新結合概率比1小得多(例如，0.1)。因此，在重新結合概率為1的假定下，考慮到電子的聚積效率不同于空穴的聚積效率的事實，對方程(1)進行補償。
在上述情況下，由于在調制信號的相位中的0到180度和90到270度的部分的每一個中電子被聚積在聚積區11b中，所以對應于接收光量(A0，A1)的電子從光敏部分11a被聚積在聚積區11b中，并且對應于接收光量(A2，A3)的空穴從光敏部分11a被聚積在聚積區11b中。
現在，聚積區11b中的空穴聚積效率相對于電子的聚積效率的比率為“α”(0＜α＜1)。亦即，空穴的聚積效率小于電子的聚積效率。作為對聚積區11b中聚積的電子和空穴的數目給予大的影響的參數，認為有主功能層11的厚度尺度和接收光的波長以及接收光量、聚積電壓和施加聚積電壓的周期。由于不能電控制主功能層11的厚度尺度和接收光的波長，所以它們是固定值，并且從參數中排除。當聚積電壓為“Va”，并且施加聚積電壓“Va”的周期為“Pa”時，相對于接收光量“A0”和“A1”的聚積在聚積區11b中的電子數(N0，N1)能夠被分別方程N0＝h(A0，Va，Pa)和N1＝h(A1，Va，Pa)表示，其中“h”是適當的函數。類似地，相對于接收光量“A2”和“A3”的聚積在聚積區11b中的空穴數(N2，N3)能夠分別被方程N2＝αh(A2，Va，Pa)和N3＝αh(A3，Va，Pa)表示。
另外，當聚積電壓“Va”和施加周期“Pa”恒定，并且數目(N0，N1，N2，N3)被認為僅僅是接收光量(A0，A1，A2，A3)的函數時，獲得N0＝h(A0)，N1＝h(A1)，N2＝αh(A2)以及N3＝αh(A3)。另一方面，對應于光電轉換部分1中的每一個的接收光輸出等效于電子和空穴的重新結合過程之后余留的電子數，并且事實上等效于(N0-N2)和(N1-N3)。亦即，在(N0-N2)、(N1-N3)和接收光量(A0，A1，A2，A3)之中存在以下關系。
N0-N2＝h(A0)-αh(A2)N1-N3＝h(A1)-αh(A3)另外，當借助于電子數(N0，N1)和空穴數(N2，N3)表示接收光量(A0，A1，A2，A3)時，A0＝h-1(N0)，A1＝h-1(N1)，A2＝h-1(N2/α)并且A3＝h-1(N3/α)，其中“h-1”是“h”的反函數。因此，能夠修改用于確定相位差“Ψ”的方程(1)，如下所示。
Ψ＝tan-1SS＝{h-1(N1)-h-1(N3/α)}/{h-1(N0)-h-1(N2/α)}在生成的電子或空穴的量對于接收光量(A0，A1，A2，A3)不飽和的條件下，能夠認為函數“h”是線性函數，其中接收光量(A0，A1，A2，A3)為參數。因此，通過進一步修改上述方程獲得以下方程。
Ψ＝tan-1{(αN1-N3)/(αN0-N2)}...(2)因此，當利用取決于在保持區11c中余留的電子量獲得的接收光量在距離測量電路5中從運算表達式確定到對象3的距離時，必須認為接收光輸出為(N1-N3)和(N0-N2)，并且需要對聚積效率“α”的補償。例如，準備使用(N1-N3)和(N0-N2)的方程(2)的近似表達式，并且近似表達式中包括的聚積效率“α”被用在距離運算電路5的調整因數中。可選擇地，接收光輸出通過距離運算電路5中的數據表與距離相關聯，并且聚積效率“α”也被包括在數據表中。
方程(2)具有電子和空穴的數(N0，N1，N2，N3)作為參數，并且電子和空穴的數(N0，N1，N2，N3)是接收光量(A0，A1，A2，A3)、聚積電壓“Va”和施加周期“Pa”的函數。因此，通過調整接收光量(A0，A1，A2，A3)、聚積電壓“Va”和施加周期“Pa”中的至少一個，相位差“Ψ”能夠使用方程(2)來確定。
在調整接收光量(A0，A1，A2，A3)的情況下，需要調整調制信號的波形。例如，根據諸如折線近似的技術借助于函數發生器能夠調整調制信號的波形。另外，在上述說明中，在聚積區11b中聚積電子的情況下的聚積電壓“Va”的絕對值被設置為等于在聚積區11b中聚積空穴的情況下的聚積電壓“Va”的絕對值。可選擇地，當聚積空穴情況下的聚積電壓“Va”的絕對值可以被設置為大于聚積電子情況下的聚積電壓“Va”的絕對值時，能夠獲得更接近于1的聚積效率“α”。此外，當聚積空穴情況下的聚積電壓“Va”的施加周期“Pa”被設置為長于聚積電子情況下的聚積電壓“Va”的施加周期“Pa”時，能夠獲得接近于1的聚積效率“α”。
類似地，即使當調制信號為矩形波時，通過考慮到電子和空穴的聚積效率進行補償，也能夠準確地確定時間差“td”。另外，對于使用別的波形作為調制信號的情況大致一樣。
順便提及，在上述情況下假定重新結合概率為1。事實上，通過重新結合抵消電子和空穴的重新結合概率取決于電子和空穴的密度。另一方面，存在下述情況當接收光量減少時，希望盡可能防止電子消失，并且當接收光量增加時，希望更大量的電子消失以防止光電檢測器6飽和。在這樣的情況下，根據接收光量調整重新結合概率成為必要。在本實施例中，由于在光敏部分11a處生成的電子和空穴被重新結合，所以空穴的量隨著電子的量而變化。結果，重新結合概率能夠根據接收光量而自動調整。
下一步，簡短地說明借助于與發光源2的光照和消光異步地獲得的接收光量來確定相位差“Ψ”的技術。這種技術基于當具有與調制頻率不同頻率的信號被對應于接收光量變化的信號干涉(混合)時，獲得振幅被等效于其間頻率差的頻率改變的拍頻信號(beat signal)。拍頻信號的包絡曲線涉及相位差“Ψ”。因此，通過在包絡曲線的不同相位處取出對應于包絡曲線的接收光量，能夠確定相位差“Ψ”。例如，當關于包絡曲線的相位中的0到180度、90到270度、180到360度以及270到90度的四個部分中的每一個積分接收光量、并且獲得的接收光量由A0’、A1’、A2’和A3’給出時，通過簡單地在方程(1)中使用接收光量(A0’，A1’，A2’和A3’)代替接收光量(A0，A1，A2和A3)，能夠確定相位差“Ψ”。
作為獲得拍頻信號的方法，可以認為取出與接收光量成比例的接收光輸出、從控制電路4輸出頻率與調制信號不同的本地信號以及將接收光輸出與本地信號混合。然而，存在下述擔心電路配置由于混合電路的形成而變得復雜。例如，當將聚積電壓施加到聚積電極12、并且將保持電壓施加到保持電極13的時序由本地信號控制時，混合電路的功能能夠借助于聚積區11b和保持區11c而實現。簡而言之，通過借助于頻率與調制信號的調制頻率不同的本地信號在主功能層11中形成聚積區11b和保持區11c，使得在保持區11c中余留的電子量等效于拍頻信號的振幅。因此，在不使用混合電路的情況下，能夠向距離運算電路5給出對應于拍頻信號振幅的接收光輸出。
(第二實施例)如圖6所示，本實施例的特征在于，對于光電轉換部分1中的每一個形成兩個聚積電極(12a，12b)和兩個保持電極(13a，13b)。亦即，兩個聚積電極(12a，12b)和兩個保持電極(13a，13b)被定義為一個組(或者一個象素)。兩個保持電極(13a，13b)被布置得彼此隔開。兩個聚積電極(12a，12b)被布置在保持電極(13a，13b)之間。另外，聚積電極(12a，12b)彼此隔開間隙“g”，其大于聚積電極(12a，12b)中的每一個與相鄰保持電極(13a，13b)之間的距離。在這種配置中，通過用于覆蓋保持電極(13a，13b)的光屏蔽膜15之間的孔徑，光在光敏部分11a上入射。另外，如圖7所示，光屏蔽膜15被形成，以在相鄰光電轉換部分1的保持電極(13a，13b)之間延伸。聚積電極12a和保持電極13a的組合以及聚積電極12b和保持電極13b的組合中的每一個，以與第一實施例中的聚積電極12和保持電極13的組合相同的方式起作用。在這點上，在光接收周期期間，將具有相反極性的聚積電壓施加到兩個聚積電極(12a，12b)，并且將具有相反極性的保持電壓施加到兩個保持電極(13a，13b)。
圖6示出了將具有相反極性的電壓施加到聚積電極(12a，12b)或保持電極(13a，13b)，向保持電極13a施加的電壓關于向相鄰聚積電極12a施加的電壓具有相反極性，并且向保持電極13b施加的電壓關于向相鄰聚積電極12b施加的電壓具有相反極性。作為通過控制電路4施加聚積電壓和保持電壓的裝置，使用了一對DC電源(E1，E2)和一對雙觸點開關(SW1，SW2)，其用于在DC電源(E1，E2)和聚積電極(12a，12b)與保持電極(13b，13a)之間切換連接關系。另外，聚積電壓的電壓值等于保持電壓的電壓值。
在本實施例中，當調制信號的相位處在0到180度的范圍內時，電子被聚積在對應于聚積電極12a的聚積區11b中，并且空穴被聚積在對應于聚積電極12b的聚積區11b中。在這點上，電子被取出作為接收光輸出。亦即，根據稍后描述的操作，通過對應于保持電極13a的保持區11c中保持的電子和對應于聚積電極12b的聚積區11b中余留的電子，來確定接收光輸出。
如第一實施例的情況下那樣，對于驅動發光源2的調制信號具有矩形波的情況來說明這個實施例的原理。另外，在以與調制信號同步的時序切換聚積電壓和保持電壓的條件下來說明本實施例。其它條件已經在第一實施例中說明，并且除了這個實施例中說明的操作之外的操作與第一實施例相同。
在本實施例中，在發光源2的光照周期期間，將向聚積電極12a施加的聚積電壓設置為正值，而將向聚積電極12b施加的聚積電壓設置為負值。另外，在光照周期期間，將向保持電極13a施加的保持電壓設置為負值，而將向保持電極13b施加的保持電壓設置為正值。如第一實施例中所述，在聚積區11b中聚積電子和空穴之前，將存在于主功能層11中的不想要的電子和空穴丟棄。
當將具有上述極性的聚積電壓施加到聚積電極(12a，12b)、并將具有上述極性的保持電壓施加到保持電極(13a，13b)時，通過光的照射而在主功能層11中生成的電子被聚積在聚積區11b中，將所述聚積區11b形成在主功能層11中的對應于聚積電極12a的部分。另外，將通過光的照射而在主功能層11中生成的空穴聚積在聚積區11b中，將所述聚積區11b形成在主功能層11中的對應于聚積電極12b的部分。亦即，主功能層11中生成的電子和空穴被分開地聚積在形成于主功能層11中的對應于聚積電極(12a，12b)的部分的兩個聚積區11b中。
接著，在僅存在環境光的消光周期中，切換向聚積電極(12a，12b)施加的聚積電壓和向保持電極(13a，13b)施加的保持電壓的極性。亦即，將向聚積電極12a施加的聚積電壓設置為負值，而將向保持電極13a施加的保持電壓設置為正值。另外，將向聚積電極12b施加的聚積電壓設置為正值，而將向保持電極13b施加的保持電壓設置為負值。此時，關于光敏部分11a中生成的電子和空穴，空穴被聚積在對應于聚積電極12a的聚積區11b中，而電子被聚積在對應于聚積電極12b的聚積區11b中。
光照周期中存在于對應于聚積電極12a的聚積區11b中的電子的部分通過自由鍵而被捕捉，并且結余的電子向對應于保持電極13a的保持區11c移動。另一方面，光照周期中存在于對應于聚積電極12b的聚積區11b中的空穴的部分通過自由鍵而被捕捉，并且結余的空穴向對應于保持電極13b的保持區11c移動。亦即，在對應于聚積電極12a的聚積區11b中余留的電子與聚積的空穴重新結合，并且在對應于聚積電極12b的聚積區11b中余留的空穴與聚積的電子重新結合。
在消光周期中，向聚積電極12a施加的聚積電壓為負值，而向保持電極13a施加的保持電壓和向聚積電極12b施加的聚積電壓兩者均為正值。電子欲從對應于聚積電極12a的聚積區11b向對應于聚積電極12b的聚積區11b以及對應于保持電極13a的保持區11c移動。然而，電子向對應于聚積電極12b的聚積區11b的移動被間隙“g”的存在所抑制。類似地，空穴欲從對應于聚積電極12b的聚積區11b向對應于聚積電極12a的聚積區11b以及對應于保持電極13b的保特區11c移動。然而，空穴向對應于聚積電極12a的聚積區11b的移動被間隙“g”的存在所抑制。因此，由于聚積電極被相對大的距離相互隔開，所以使光電轉換部分中生成的電子和空穴能夠容易地分開到兩個聚積區中。
在消光周期之后的下一個光照周期中，主功能層11中生成的電子和對應于保持電極13a的保持區11c中保持的電子被聚積在對應于聚積電極12a的聚積區11b中，所以以前聚積在對應于聚積電極12a的聚積區11b中的空穴與這些電子偶遇，并且它們通過重新結合而抵消。類似地，光敏部分11a中生成的空穴和對應于保持電極13b的保持區11c中保持的空穴被聚積在對應于聚積電極12b的聚積區11b中，從而以前聚積在對應于聚積電極12b的聚積區11b中的電子與這些空穴偶遇，并且它們通過重新結合而抵消。
當光照周期中對應于聚積電極12b的聚積區11b中聚積的空穴在隨后的消光周期中向對應于保持電極13b的保持區11c移動時，空穴與從光敏部分11a或保持區11c提供的電子偶遇，并且它們被重新結合。類似地，當消光周期中對應于聚積電極12a的聚積區11b中聚積的空穴在隨后的光照周期中向對應于保持電極13a的保持區11c移動時，空穴與從光敏部分11a或保持區11c提供的電子偶遇，并且它們被重新結合。
在重復上述操作多次之后，關于余留在對應于保持電極13a的保持區11c中的電子，能夠抵消對應于環境光的分量，如第一實施例的情況下那樣。另一方面，當電子和空穴的聚積效率相同，并且電子和空穴的重新結合概率為1時，電子不應當余留在對應于聚積電極12b的聚積區11b中。然而，事實上，由于重新結合概率小于1，所以一些電子余留在對應于聚積電極12b的聚積區11b中。余留電子是在消光周期中生成的。然而，由于它們中的部分通過與光照周期中生成的空穴重新結合而被抵消，所以余留的電子具有光照周期的信息。換言之，對應于聚積電極12b的聚積區11b中的余留電子等效于通過從包括信號光和環境光兩者的分量中去除對應于環境光的分量而獲得的分量。
考慮到上述，對根據對應于光電檢測器6的光電轉換部分1中的每一個的接收光輸出來確定距離的情況進行說明。在這個實施例中，對應于聚積電極12b的聚積區11b中的余留電子被用作接收光輸出。當空穴的聚積效率“α”小于1、并且重新結合概率“β”小于1時，電子余留在對應于聚積電極12b的聚積區11b中。在這點上，為了在距離運算電路5中根據接收光輸出確定距離，通過考慮聚積區11b中空穴的聚積效率“α“(0＜α＜1)和電子與空穴的重新結合概率“β”(0＜β＜1)，來修改方程(1)。不管電子或空穴，聚積電壓“Va”和施加周期“Pa”是相同的條件。
如第一實施例的情況下那樣考慮，關于對應于聚積電極12a的聚積區11b，當接收光量為“A0”和“A1”時，聚積在聚積區11b中的電子數(N0，N1)分別用方程N0＝h(A0)和N1＝h(A1)表示。另外，當接收光量為“A2”和“A3”時，聚積在聚積區11b中的空穴數(N2，N3)分別用方程N2＝αh(A2)和N3＝αh(A3)表示。另一方面，由于電子和空穴之間的關系在對應于聚積電極12b的聚積區11b中變反，所以空穴的數目由“N0”和“N1”提供，并且電子的數目由“N2”和“N3”提供。因此，獲得N0＝αh(A0)，N1＝αh(A1)，N2＝h(A2)以及N3＝h(A3)。
另外，關于對應于聚積電極12a的聚積區11b和對應于保持電極13a的保持區11c，電子和空穴的重新結合過程之后余留的電子數用(N0-βN2)和(N1-βN3)表示。另一方面，關于對應于聚積電極12b的聚積區11b和對應于保持電極13b的保持區11c，它們用(N2-βN0)和(N3-βN1)表示。因此，關于聚積電極12a和保持電極13a的組合，電子和空穴的重新結合過程之后余留的電子數用以下方程表達。
N0-βN2＝h(A0)-αβh(A2)...(a)N1-βN3＝h(A1)-αβh(A3)...(b)另外，關于聚積電極12b和保持電極13b的組合，電子和空穴的重新結合過程之后余留的電子數用以下方程表達。
N2-βN0＝h(A2)-αβh(A0)...(c)N3-βN1＝h (A3)-αβh(A1)...(d)亦即，對應于(a)、(b)、(c)和(d)的四個輸出被獲得作為接收光輸出。通過確定(a)-(c)和(b)-(d)，獲得以下方程。
(N0-βN2)-(N2-βN0)＝(1+β)(N0-N2)＝{h(A0)-αβh(A2)}-{h(A2)-αβh(A0)}＝(1+αβ){h(A0)-h(A2)}...(e)(N1-βN3)-(N3-βN1)＝(1+β)(N1-N3)＝{h(A1)-αβh(A3)}-{h(A3)-αβh(A1)}＝(1+αβ){h(A1)-h(A3)}...(f)當函數“h”被認為是線性函數時，獲得(e)/(f)＝(A0-A2)/(A1-A3)。結果，根據這個實施例，在不用補償的情況下通過使用四個輸出能夠確定方程(1)中使用的(A0-A2)/(A1-A3)。
能將上述過程簡短總結如下。關于根據調制信號的相位限定的四個部分中的兩個，它們彼此相差180度，在重復聚積和保持電子的操作之后，將接收光輸出從對應于保持電極13a的保持區11c取出以獲得等效于(a)和(c)的輸出。這些輸出之間的差由距離運算電路5確定。接著，關于與根據調制信號的相位限定的四個部分中的上述兩個部分不同的兩個部分，在聚積和保持電子的操作被重復之后，將接收光輸出從對應于聚積電極12b的聚積區11b取出，以獲得等效于(b)和(d)的輸出。這些輸出之間的差由距離運算電路5確定。當如此獲得的兩個差值中的一個除以另一個時，除的結果對應于方程(1)的(A0-A2)/(A1-A3)，因此能夠確定相位差“Ψ”。簡而言之，根據這個實施例，通過使用對應于保持電極13a的保持區11c中聚積的電子量和對應于聚積電極12b的聚積區11b中聚積的電子量之間的差，能夠消除聚積效率“α”和重新結合概率“β”的影響，并且確定相位差“Ψ”。
在本實施例中，保持電極(13a，13b)被光屏蔽膜15覆蓋，以便沒有光在對應于光電轉換部分1的每一個中形成的兩個保持電極(13a，13b)的保持區11c上入射。可選擇地，可以使用用于光電轉換部分1的具有多個透鏡19a的透鏡陣列19，如圖8所示。透鏡陣列19能夠通過用合成樹脂整體地模制透鏡來形成。可選擇地，借助于透鏡框可以支撐分開形成的透鏡。透鏡19a中的每一個為凸面透鏡(plane-convex len)，其具有配置成凸形的光入射表面。另外，布置透鏡19a，使得透鏡之間的邊界與光電轉換部分1之間的邊界一致。
透鏡19a為會聚透鏡。如圖8中的箭頭所示，它具有允許入射光會聚在光電轉換部分1的中心部分的功能。通過這種功能，能夠防止光在保持電極(13a，13b)上入射。亦即，如形成光屏蔽膜15的情況那樣，能夠防止光在對應于保持電極(13a，13b)的保持區11c上入射。另外，由于對應于光電轉換部分1的整個表面的區域上入射的光會聚、并且前進到光敏部分11a中，所以與形成光屏蔽膜15的情況相比，能夠增加孔徑比并且增強光利用的效率。
(第三實施例)在第二實施例中，因為間隙“g”變得較寬，所以電子和空穴能夠容易被分開。在通過布置多個光電轉換部分1來形成光電檢測器6并且主功能層11還被用作垂直傳送晶體管的情況下，由于通過控制借助于聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)而在主功能層11中形成的勢阱來傳送載流子(電子或空穴)，所以存在這樣的擔心當間隙“g”過度增加時，不能在間隙“g”的部分形成用于傳送載流子的勢阱。
如圖9A所示，本實施例通過在聚積電極(12a，12b)之間形成傳送電極22來表征。在這種情況下，存在這樣的優點通過增加聚積電極(12a，12b)之間的距離，使電子和空穴易于分開，并且也使傳送保持區11c中的余留電子和空穴容易。
在這種配置中，在將電子和空穴聚積在保持區11c中的周期期間，通過不向傳送電極22施加傳送電壓，即，將傳送電極保持在0V，寬度比傳送電極22的寬度大的間隙“g”能夠被形成在聚積電極(12a，12b)之間。另外，當傳送保持區11c中聚積的載流子時，使用傳送電極22以及聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)。亦即，通過在適當的時序施加傳送電壓，勢阱能夠被形成在主功能層11中以增強載流子移動性。
在光電檢測器6中，在垂直方向上、在相鄰光電轉換部分1之間提供用于抑制載流子從保持區11c泄漏的區域。當傳送電極23被添加到對應于該區域的部分時，使得能夠在垂直方向上、在相鄰光電轉換部分1之間分開電子和空穴，并且還形成勢阱，用于在傳送載流子時增強載流子的移動性。在這種配置中，對于1個組(1個象素)使用了6個電極聚積電極(12a，12b)、保持電極(13a，13b)以及傳送電極(22，23)。簡而言之，形成了多個組，在所述多個組的每一個中，主功能層11由聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)共享，并且傳送電極(22，23)分別被布置在每個組中的相鄰聚積電極(12a，12b)之間以及相鄰組的保持電極(13a，13b)之間。
順便提及，在上述情況下，在聚積區11b中空穴的聚積效率比電子的聚積效率小。如第二實施例中討論的那樣，當兩個聚積電極(12a，12b)和兩個保持電極(13a，13b)被形成在光電轉換部分1的每一個中、并且使用對應于這個光電轉換部分1的接收光輸出時，聚積效率“α”和重新結合概率“β”的影響能夠被消除以確定距離。然而，當空穴的聚積效率極其小于電子的聚積效率時，不能充分獲得通過使用電子和空穴的重新結合帶來的效果。因此，在這樣的情況下，通過在將電子和空穴聚積在聚積區11b中的周期中向傳送電極22施加適當的電壓，可以增加空穴的聚積效率。
亦即，當向聚積電極12a(或12b)施加負聚積電壓、并且向聚積電極12b(或12a)施加正聚積電壓時，將絕對值比施加到聚積電極12a(或12b)的聚積電壓小的負電壓施加到傳送電極22。當不施加電壓而將傳送電極22保持在0V時，這對空穴的聚積不做出貢獻。然而，通過向傳送電極22施加具有適當量值的負電壓，光敏部分11a處生成的空穴能被聚積在對應于傳送電極22的區域以及對應于聚積電極12a(或12b)的聚積區11b處形成的勢阱中，如圖9B所示。由于對應于傳送電極22的勢阱比用作用于空穴的聚積區11b的勢阱淺，所以對應于傳送電極22的勢阱中聚積的空穴流入到聚積區11b中。因此，與僅使用聚積電極12a(或12b)的情況相比，大量的空穴能被聚積在聚積區11b中。在上述情況下，它是基于空穴的聚積效率小于電子的聚積效率的假設下。相反，當電子的聚積效率小于空穴的聚積效率時，具有適當量值的正電壓可以被施加到傳送電極22，以使用用于電子聚積的傳送電極22。其它配置和操作與第二實施例相同。
(第四實施例)如圖10和11所示，本實施例通過以下來表征相鄰于光電轉換部分1形成丟棄電極17，并且控制向丟棄電極17施加的丟棄電壓，以丟棄余留在光電轉換部分1中的電子和空穴。
當將多個光電轉換部分1布置成平面內的矩陣時，沿著垂直和水平方向中的一個延伸的丟棄電極17被放置在垂直和水平方向中的另一個上的相鄰光電轉換部分1之間。例如，如圖10所示，當使用主功能層11作為垂直傳送電阻器時，聚積電極(12a，12b)、保持電極(13a，13b)和傳送電極(22，23)被布置在垂直方向上(圖10中的縱向方向)，并且丟棄電極17被形成以沿著相鄰列之間的垂直方向延伸，在所述列的每一個中，光電轉換部分1布置在垂直方向上。換言之，丟棄電極17被形成在光電轉換部分1的表面上，以便從聚積電極和保持電極中的每一個延伸基本上相等的距離，并且在與配置成矩形形狀的聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)的縱向方向正交的方向上延伸。在這種配置中，載流子被從垂直傳送電阻器(即，主功能層11)的一端送到水平傳送電阻器21，其與垂直傳送電阻器合作構建了電荷排出部分7。在圖10中，每個由聚積電極(12a，12b)、保持電極(13a，13b)和傳送電極(22，23)形成的4個垂直列在水平方向上相互隔開。可選擇地，水平方向上布置的4個電極可以被整體地形成，而不用形成4個垂直列。
將丟棄電極17形成在距離由n型半導體層提供的主功能層11的一般表面有預定的深度(2到3μm)的區域中。在主功能層11和丟棄電極17之間形成歐姆結。通過向丟棄電極17施加正或負的丟棄電壓，通過丟棄電極17從主功能層11能夠丟棄余留在主功能層11中的不想要的電子和空穴。另外，當將丟棄電極17保持在0V而不施加電壓時，能夠防止電子或空穴在聚積區11b之間或者在保持區11c之間混合，其被形成在水平方向上的相鄰主功能層11中。結果，丟棄電極17能夠對改善光電轉換部分1的電荷分離特性做出貢獻。亦即，丟棄電極17起到了分離電極的作用，以便將光電轉換部分1在水平方向上相互分離。考慮到確實地丟棄余留在主功能層11中的載流子(具體為空穴)并且防止在光電轉換部分1之間載流子的泄漏，來確定丟棄電極17的深度。可選擇地，通過為了將光電轉換部分1相互分開的目而形成導電材料的分離電極來代替形成丟棄電極17，可以經由基底10和中間層16丟棄余留在主功能層11中的電子和空穴。
當借助于丟棄電極17丟棄余留在主功能層11中的電子和空穴時，將極性取決于要被丟棄的載流子的種類來確定的丟棄電壓施加到丟棄電極17。例如，假定電子余留在對應于保持電極13a的保持區11c中，并且空穴余留在對應于聚積電極12a的聚積區11b中。如第一實施例的情況下那樣，需要預先丟棄余留在主功能層11中的不想要的空穴。在將負的丟棄電壓首先施加到丟棄電極17以丟棄空穴之后，將正的丟棄電壓施加到丟棄電極17以丟棄不想要的電子。具體而言，當將負的丟棄電壓施加到丟棄電極17時，余留在對應于聚積電極12a的聚積區11b中的空穴被丟棄。隨后，當將正的丟棄電壓施加到丟棄電極17時，余留在對應于保持電極13a的保持區11c中的電子被丟棄。不用說，當基底10的導電類型為n型時，這種配置可用。另外，即使當基底10的導電類型為p型，并且載流子不能經由基底10被丟棄時，余留在主功能層11中的載流子也能夠經由丟棄電極17被丟棄。
因此，由于余留在光電轉換部分中的電子和空穴兩者都能夠通過使用丟棄電極17來丟棄，所以通過去除余留在光電轉換部分中的不想要的載流子，關于預期周期中的接收光量，能夠抑制從光電轉換部分排出的接收光輸出的誤差。另外，當作為分離電極起作用時，能夠防止電子和空穴在相鄰列之間混合，因此改善了列之間的分離特性。
另外，為了改善水平方向上相鄰光電轉換部分1之間的分離特性，絕緣隔離物18可以被形成在相鄰光電轉換部分1之間而代替丟棄電極17，如圖12所示。絕緣隔離物18由絕緣材料的氧化硅層(SiO2)形成，并且與絕緣層14整體地形成。絕緣隔離物18的目的是要防止載流子在水平方向上在相鄰光電轉換部分1之間泄漏。因此，距離絕緣隔離物18的一般表面的深度由保持區11c的深度確定，并且例如該深度能夠被設置為2到3μm。在形成絕緣隔離物18的情況下，用于丟棄余留在主功能層11中的載流子的電極被分開地形成。例如，當溢漏(overflow drain)被形成在構造光電檢測器6的半導體基底的周圍時，如傳統CCD圖像傳感器的情況那樣，載流子能夠經由溢漏而丟棄。
在附圖中，示出了有關光電檢測器6，其中主功能層11被用作垂直傳送電阻器。可選擇地，垂直傳送電阻器可以與主功能層11分開地被形成，以通過傳送門將載流子從主功能層11送到垂直傳送電阻器。在這種配置中，除了主功能層11的每一個中形成傳送門的部分之外的部分可以用丟棄電極17或絕緣隔離物18圍繞。
(第五實施例)如圖13所示，本實施例的特征在于通過形成兩個控制電極(24a，24b)來代替在第三實施例中說明的傳送電極22的，以及兩個控制電極(25a，25b)來代替傳送電極23。
亦即，關于一個光電轉換部分1，本實施例使用兩個聚積電極(12a，12b)、兩個保持電極(13a，13b)、兩個控制電極(24a，24b)以及兩個控制電極(25a，25b)。簡而言之，這8個電極被用于一個象素。在附圖中，這些電極等距離地相互隔。在一個光電轉換部分1中，將對光透明的控制電極(24a，24b)布置在相鄰聚積電極(12a，12b)之間。另外，將被光屏蔽膜15覆蓋的控制電極(25a，25b)布置在相鄰兩個光電轉換部分1的保持電極(13a，13b)之間。
參考圖14A到14H來說明這個實施例的操作。這些附圖示出了通過向控制電極25a、保持電極13a、聚積電極12a、控制電極24a、控制電極24b、聚積電極12b、保持電極13b和控制電極25b施加電壓形成的勢阱中的每一個的深度變化。在附圖的每一個中，中心水平線指示勢阱未被形成的狀態。中心水平線的下方指示形成了用于電子的勢阱的狀態。中心水平線的上方指示形成了用于空穴的勢阱的狀態。換言之，當中心水平線為基準電位時，形成用于電子的勢阱的持續時間對應于施加正電壓的周期，而形成用于空穴的勢阱的持續時間對應于施加負電壓的周期。
如從圖14A到14H清楚理解的那樣，向聚積電極(12a，12b)施加的聚積電壓中的每一個，以及向保持電極(13a，13b)施加的保持電壓中的每一個，能夠在正電位、負電位和基準電位中的三個等級中被切換。另一方面，控制電極(24a，24b，25a，25b)中的每一個能夠在正電位、高負電位、低負電位和基準電位中的四個等級中被切換。在附圖中，“e”指示電子，而“h”指示空穴。另外，電子和空穴的移動用箭頭示出。其中“e”或“h”的圓圈示出了從光敏部分11a聚積的電子或空穴。
如第一實施例中所述，作為基本操作，重復進行發光源2的光照和消光，并且根據光照周期“Pb”和消光周期“Pd”中獲得的接收光量之間的差，獲得接收光輸出。在本實施例中，聚積周期“Tc1”和傳送周期“Tm1”對應于光照周期“Pb”，而聚積周期“Tc2”和傳送周期“Tm2”對應于消光周期“Pd”。在第一到第四實施例的基本操作中，重要的是，將在光照周期“Pb”和消光周期“Pd”之間切換的時序與在聚積電壓和保持電壓之間切換的時序相匹配，如圖3所示。這意味著只有用于聚積周期“Tc1”和“Tc2”的操作被執行。在這個實施例的操作中，它是通過在聚積周期(Tc1，Tc2)之間設置傳送周期(Tm1，Tm2)來表征的。在這種情況下，電子或空穴的擴散能夠通過在傳送周期(Tm1，Tm2)在聚積區11b和保持區11c之間生成電位梯度來阻止，并且控制電子或空穴的移動方向。亦即，通過在傳送周期(Tm1，Tm2)向控制電極(24a，24b，25a，25b)施加適當的電壓，能夠在主功能層11中的對應于控制電極(24a，24b，25a，25b)的部分處形成疏散區。在電子或空穴被臨時保持在疏散區中后，它們被傳送到聚積區11b或保持區11c。因此，在使聚積電壓和保持電壓的極性反轉的時序，能夠組織電子或空穴的擴散。
以下是進一步詳細的說明。在圖14A到14H的操作中，存在由向聚積電極(12a，12b)施加的聚積電壓、向保持電極(13a，13b)施加的保持電壓和向控制電極(24a，24b，25a，25b)施加的電壓的不同組合提供的10種狀態。施加這些電壓的時序由控制電路4控制，以便10種狀態呈現一個周期(循環)。為了將這10種狀態彼此區分開，在圖14A到14H中使用了附圖標記“1”到“10”。將10種狀態的每一種中的電壓變化列在表1中。在表1中，電壓用“+2V”、“+V”、“0”、“-V”和“-2V”按五級示出。“0”為基準電位，并且有“+2V”＞“+V”＞“0”＞“-V”＞“-2V”的關系。
表1
狀態“1”對應于聚積周期“Tc1”，而狀態“6”對應于聚積周期“Tc2”。在聚積周期“Tc1”和“Tc2”的每一個中，光敏部分11a中生成的電子或空穴被聚積在聚積區11b中，并且將在聚積周期“Tc1”和“Tc2”之前被傳送到保持區11c的電子或空穴保持在保持區11c中。用于聚積周期“Tc1”和“Tc2”的操作基本上與第一到第四實施例相同。
狀態“2”到“5”對應于傳送周期“Tm1”，而狀態“6”到“9”對應于傳送周期“Tm2”。在傳送周期“Tm1”和“Tm2”的每一個中，聚積電壓和保持電壓的極性被切換。在這點上，基準電位的狀態(“3”，“8”)臨時存在于兩個極性之間。在聚積電壓和保持電壓變成基準電位的狀態(“3”，“8”)中，勢阱在對應于控制電極(24a，24b，25a，25b)的區域處被形成為疏散區，并且電位梯度被賦予主功能層11，以便電子或空穴分別從對應于聚積電極(12a，12b)的聚積區11b被傳送到對應于控制電極(25b，25a)的疏散區，并且電子或空穴分別從對應于保持電極(13a，13b)的保持區11c被傳送到對應于控制電極(24a，24b)的疏散區。由于存在于聚積區11b中的載流子與存在于保持區11c中的載流子不同(當一種為電子時，另一種為空穴)，所以電子和空穴能夠通過將電子或空穴傳送到疏散區來重新結合。亦即，在另一實施例中，電子和空穴的重新結合主要在聚積電壓和保持電壓的極性被切換之后被執行。在本實施例中，重新結合能夠在切換聚積電壓和保持電壓的極性時以及聚積電壓和保持電壓的極性被切換之后被執行。亦即，由于當聚積電壓和保持電壓轉變基準電位時，電子和空穴被傳送到疏散區一次，所以電子和空穴能夠在傳送操作期間被重新結合。在圖14A到14H中，這個傳送操作通過箭頭交叉的部分來示出。另外，如別的實施例的情況那樣，聚積區11b和保持區11c處的主功能層11的表面中捕捉的電子或空穴能夠與從聚積區11b和保持區11c移動的電子和空穴重新結合。
總之，在傳送周期“Tm1”和“Tm2”之內，電子從保持電子的保持區11c和聚積區11b中的一個向位于相對于保持空穴的區域的相對側的疏散區移動。到達疏散區而沒有與空穴重新結合的電子進一步移動到與保持電子的保持區11c和聚積區11b中的一個不同的區域，以便它們與余留在前述區域中的空穴重新結合。類似地，空穴從保持空穴的保持區11c和聚積區11b中的一個向位于相對于保持電子的區域的相對側的疏散區移動。到達疏散區而沒有與電子重新結合的空穴進一步移動到與保持空穴的保持區11c和聚積區11b中的一個不同的區域，以便它們與余留在前述區域中的電子重新結合。根據這些操作，當聚積電壓和保持電壓變為基準電位時，換言之，當聚積電壓和保持電壓的極性被切換時，電位梯度被給出，以便電子或空穴通過聚積區11b或保持區11c向疏散區移動，而沒有不想要的電子和空穴的擴散，并且隨后電子或空穴被拉回到短時間以前剛剛經過的聚積區11b或保持區11c。
傳送周期(“Tm1”，“Tm2”)中的狀態(“2”，“7”)是切換聚積電壓和保持電壓的極性之前的準備周期。通過在狀態“2”和“7”準備疏散區，能夠賦予電位梯度給主功能層11，并且防止電子和空穴的擴散。在圖14A到14H中，10種狀態“1”到“10”中的對應于聚積周期(“Tc1”，“Tc2”)的狀態(“1”，“6”)被設置得時間長于其它狀態，以在聚積區11b中收集更大量的電子和空穴。另外，僅通過顛倒涉及電子和空穴的狀態，狀態“1”到“5”和狀態“6”到“10”不同。因此，兩者基于相同的原理。
因此，根據本實施例，當聚積電壓和保持電壓變為基準電位(狀態“3”、“8”)時，在相鄰的聚積區11b和保持區11c位于兩個疏散區之間的條件下，電位梯度在兩個疏散區之間產生，以便防止電子和空穴的擴散。因此，能夠防止電子和空穴在相鄰光電轉換部分1之間混合的情形，并且改善了光電轉換部分1的分離特性。此外，在當前的配置中，當取出重新結合過程之后余留的電子作為接收光輸出時，控制電極(24a，24b，25a，25b)以及聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)能夠用于電子傳送。其它配置和操作與別的實施例相同。
如從圖14A到14H所示的操作中清楚地理解的那樣，構造一個象素的八個電極被提供有聚積電極12a、保持電極13a和控制電極(24a，25a)的組合以及聚積電極12b、保持電極13b和控制電極(24b，25b)的組合。由于電子和空穴在組合的每一個中的四個電極中移動，所以不存在電子和空穴向各個組合的外面的泄漏。因此，能夠防止電子和空穴從組合中的一個混合到另一個組合中。上述關于電壓控制的說明僅僅是例子。在電子和空穴在切換聚積電壓和保持電壓時被傳送到疏散區并且然后從疏散區被傳送到聚積區11b和保持區11c的條件下，別的操作是可用的。另外，上述說明是基于這樣的情況，即，關于一對聚積電極(12a，12b)和一對保持電極(13a，13b)，使用兩對控制電極(24a，24b，25a，25b)。可選擇地，關于聚積電極(12a，12b)和保持電極(13a，13b)，可以只使用兩個控制電極。亦即，即使當使用與具有兩個傳送電極22、23的第三實施例相同的配置時，電壓也能夠被控制，以便電子和空穴在切換聚積電壓和保持電壓時被傳送到疏散區。
(第六實施例)在這個實施例的光電檢測器中，如圖15所示，n型硅層的主功能層11通過p型硅層的中間層16被形成在n型硅層的基底10上，并且氧化硅膜的絕緣層14被形成在主功能層11上。另外，多個分布電極32a和32b通過絕緣層14以面對的方式形成在主功能層11的一般表面上。亦即，彼此相鄰地布置兩個分布電極32a、32b。因此，一個光電轉換部分1具有一對分布電極32a、32b。一個光電轉換部分1的基底10、主功能層11、絕緣層14和中間層16與其它光電轉換部分1共享。
當將分布電壓施加到分布電極(32a，32b)時，在主功能層11中形成勢阱(31a，31b)。另外，分布電極(32a，32b)和絕緣層14具有半透明性。因此，光能夠通過分布電極(32a，32b)到達主功能層11。
當光被入射在光電轉換部分1上時，生成電子和空穴。當將適當的電壓施加到分布電極(32a，32b)時，光電轉換部分1中生成的電子和空穴被聚積在勢阱(31a，31b)中，其被形成在主功能層11中的對應于分布電極(32a，32b)的區域處。在這點上，一個組中的分布電極(32a，32b)之間的距離以及分布電壓的量值被如此設置，以便電子和空穴能夠在勢阱(31a，31b)之間被移動。
為了獲得對應于光電轉換部分1上入射的光量的接收光輸出，在光電轉換部分1中生成電子和空穴的周期中向基底10施加的基底電壓和向中間層16施加的復位電壓與第一實施例相同，因此省略重復的說明。
向分布電極(32a，32b)施加的分布電壓中的每一個能夠在正和負值之間的兩個等級中被切換。當分布電壓中的每一個為正值時，能夠在勢阱(31a，31b)中收集電子。當分布電壓中的每一個為負值時，能夠在勢阱(31a，31b)中收集空穴。在本實施例中，光電轉換部分1中生成的載流子(電子和空穴)中的至少一種被用作接收光輸出。
接著，當向分布電極32a施加的分布電壓為正值、并且向分布電極32b施加的分布電壓為負值時，電子被聚積在對應于放電電極32a的勢阱31a中，而空穴被聚積在對應于放電電極32b的勢阱31b中。亦即，光電轉換部分1中同時生成的電子和空穴被分開地聚積在勢阱(31a，31b)中。
在電子被聚積在勢阱31a中并且空穴被聚積在勢阱31b中后，向分布電極(32a，32b)中的每一個施加的分布電壓的極性被切換，以便電子向勢阱31b傳送，而空穴向勢阱31a傳送。此時，傳送的電子和空穴與各個勢阱(31a，31b)的自由鍵(或界面勢)所捕捉的電子和空穴重新結合。另外，電子和空穴在向各個勢阱傳送的過程中被重新結合。因此，傳送之后余留在勢阱(31a，31b)中的電子和空穴的數目小于傳送之前聚積在勢阱(31a，31b)中的電子和空穴的數目。在這點上，由于沒有進行光屏蔽，所以在將電子和空穴向勢阱傳送的過程中，主功能層11中生成的電子和空穴也被聚積在勢阱(31a，31b)中。
在傳送電子和空穴進行多次之后，希望的載流子，即，電子和空穴中的一種，被取出作為接收光輸出。此時，載流子的數目變得小于簡單地輸出聚積的載流子的情況。結果，飽和難以在光電轉換部分1中發生。另外，電子和空穴的重新結合概率通常取決于電子和空穴的密度，并且當密度增加時，重新結合概率變得較高。因此，當密度由于接收光量減少而低時，重新結合難以發生，并且余留的電子和空穴相對于主功能層11等中生成的電子和空穴的比率增加。相反地，當密度由于接收光量增加而高時，重新結合易于發生，并且余留的電子和空穴相對于主功能層11等中生成的電子和空穴的比率減少。亦即，由于接收光輸出的動態范圍相對于接收光量的動態范圍被抑制，所以飽和難以在光電轉換部分1中發生的優點是期待的。另外，由于接收光量的差造成的散粒噪聲被抑制，所以與接收光輸出被取出而沒有重新結合過程的情況相比，可以通過減少散粒噪聲的影響縮短集成時間(光接收時間)，并且改善響應速度。
接著，說明光電轉換部分1的基本操作。取決于光電轉換部分1上入射的光量而在光電轉換部分1中同時生成的電子和空穴被分開地聚積在兩個勢阱(31a，31b)中。在聚積的電子和空穴被重新結合后，未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種被取出作為接收光輸出。在這點上，當預期的光在光電轉換部分1上入射之前電子和空穴就存在于光電轉換部分1中時，不想要的分量被包括在從光電轉換部分1取出的接收光輸出中。這意味著，從光電轉換部分1獲得的接收光輸出并不對應于光電轉換部分1接收的光量。因此，在預期的電子和空穴被聚積在勢阱(31a，31b)中之前，首先丟棄存在于光電轉換部分1中的不想要的電子和空穴。這種電荷丟棄處理能夠如第一實施例的情況下那樣進行，因此省略重復的說明。
在光電轉換部分1被復位之后，將正的分布電壓施加到分布電極32a以將電子聚積在勢阱31a中，并且同時將負的分布電壓施加到分布電極32b以將空穴聚積在勢阱31b中。通過光的照射，在光電轉換部分1中生成電子和空穴。在這種情況下，由于向分布電極32a施加的分布電壓為正值，并且向分布電極32b施加的分布電壓為負值，所以在主功能層11中從勢阱31a向中間層16產生電位梯度，并且同時在主功能層11中從中間層16向勢阱31b產生電位梯度。因此，光電轉換部分1中生成的電子被聚積在勢阱31a中，而光電轉換部分1中生成的空穴被聚積在勢阱31b中。另外，此時，從勢阱31a向勢阱31b產生電位梯度。當空穴存在于勢阱31a中時，它們被傳送到勢阱31b。當電子存在于勢阱31b中時，它們被傳送到勢阱31a。
在電子被聚積在勢阱31a中后，在復位電壓被保持在地電位的條件下，向分布電極32a施加的分布電壓被設置為負值，而向分布電極32b施加的分布電壓被設置為正值。此時，在主功能層11中從中間層16向勢阱31a產生電位梯度，并且同時在主功能層11中從勢阱31b向中間層16產生電位梯度。亦即，光電轉換部分1中生成的電子被聚積在勢阱31b中，而光電轉換部分1中生成的空穴被聚積勢阱31a中。另外，此時，由于從勢阱31b向勢阱31a產生電位梯度，所以勢阱31a中聚積的電子被傳送到勢阱31b，而勢阱31b中聚積的空穴被傳送到勢阱31a。在這點上，由于電子中的一些被勢阱31a的表面部分處的自由鍵或界面勢捕捉，所以它們不能被傳送。類似地，由于空穴中的一些被勢阱31b的表面部分處的自由鍵或界面勢捕捉，所以它們不能被傳送。這些未被傳送的電子和空穴與勢阱(31a，31b)中聚積的電子和空穴或者向勢阱(31a，31b)傳送的電子和空穴重新結合。另外，由于在勢阱(31a，31b)之間傳送電子和空穴的過程中，電子和空穴以高密度的方式在彼此相反的方向上移動，所以電子和空穴的重新結合概率變得較高。結果，電子和空穴的部分通過傳送過程中的重新結合而被抵消。
隨后，當向分布電極(32a，32b)中的每一個施加的分布電壓的極性被切換時(即，向分布電極32a施加的分布電壓被設置為正值，而向分布電極32b施加的分布電壓被設置為負值)，使復位狀態恢復。此時，在主功能層11中從勢阱31a向中間層16產生電位梯度，并且同時在主功能層11中從中間層16向勢阱31b產生電位梯度。結果，從勢阱31a向勢阱31b產生電位梯度。在這種情況下，光電轉換部分1中生成的電子被聚積在勢阱31a中，而光電轉換部分1中生成的空穴被聚積在勢阱31b中。另外，勢阱31a中聚積的空穴被傳送到勢阱31b，并且勢阱31b中聚積的電子被傳送到勢阱31a。此外，勢阱(31a，31b)中捕捉的電子和空穴能夠與勢阱(31a，31b)中聚積的電子和空穴或者向勢阱(31a，31b)傳送的電子和空穴重新結合。進而，電子和空穴中的一些通過傳送過程中的重新結合而被抵消。
即使當將向分布電極(32a，32b)中的每一個施加的分布電壓的極性切換一次時，光電轉換部分1中生成的電子和空穴的部分也能夠被抵消。另一方面，當一次聚積在勢阱(31a，31b)中的空穴的數目下降(即，聚積周期被縮短)時，光電轉換部分1的飽和難以發生。因此，希望縮短聚積周期，并且將切換分布電壓極性的操作執行多次。另外，當切換分布電壓的極性僅一次時，電子與空穴偶遇的概率由于電子和空穴的低密度而變低。通過切換分布電壓的極性多次，能夠增加電子和空穴的密度，并且提高重新結合概率。
順便提及，為了在根據上述操作使電子與空穴重新結合之后從光電轉換部分1中取出未被重新結合的余留在勢阱31b中的電子，通過調節向分布電極(32a，32b)施加的電壓來控制主功能層11中形成的勢阱(31a，31b)，以便傳送勢阱31b中保持的電子。亦即，通過使用主功能層11和分布電極(32a，32b)，能夠在圖1中的左和右方向的一個上傳送電子，如傳統CCD的情況那樣。
如上所述，需要設置光接收周期，其中，通過重復發光源2的光照和消光并且重新結合電子和空穴，允許對應于信號光的電子和空穴的量保留在勢阱(31a，31b)中，以及需要設置排出周期，其中，余留在勢阱(31a，31b)中的電子和空穴中的至少一種被從光電轉換部分1取出。用于這些周期的電壓控制已經在第一實施例中說明，因此省略重復的說明。在使用與行間CCD圖像傳感器相同的配置的情況下，兩列垂直傳送電阻器可以被用于分開地傳送電子和空穴。勢阱(31a，31b)的每一個中保持的載流子可以被分開地向各個垂直傳送電阻器傳送。在這種配置中，還希望分開地形成用于電子和空穴的水平傳送電阻器。
在具有相反極性的電壓被同時施加到分布電極(32a，32b)的本實施例中，傳送電極可以被布置在分布電極(32a，32b)之間，如上述實施例所述。在這種情況下，存在下述優點通過增加分布電極之間的距離，易于將電子和空穴彼此分開，并且能夠容易地傳送余留在勢阱(31a，31b)中的電子和空穴。另外，通過以與圖10相同的配置形成丟棄電極，余留在光電轉換部分中的電子和空穴能夠被丟棄。此外，如上所述，絕緣隔離物可以被形成在適當的部分處，或者控制電極可以被形成，使得分布電極(32a，32b)置于控制電極之間。
在上述實施例中，關于主功能層11為n型、中間層16為p型并且基底10為n型的情況進行了說明。然而，它們的導電類型可以改變，只要上述控制是可操作的。另外，關于電子被用作接收光輸出的情況進行了說明。然而，空穴可以被用作接收光輸出。可選擇地，電子和空穴兩者能夠被用作接收光輸出。在圖2的配置中，重新結合概率事實上不為1。在聚積電極和保持電極被控制以重新結合電子和空穴之后，電子和空穴兩者余留，而不僅僅是電子和空穴中的一種余留。
例如，當電子在光照周期“Pb”中主要被聚積在聚積區11b中，而空穴在消光周期“Pd”中主要被聚積在聚積區11b中時，可以認為，對應于光照周期“Pb”中的接收光量的電子數和對應于消光周期“Pd”中的接收光量的空穴數通過重新結合而被均勻地抵消。另外，當光照周期“Pb”中聚積的電子數為“Ne”，消光周期“Pd”中聚積的空穴數為“Nh”，并且通過單一重新結合步驟抵消的電子或空穴的數目為“Nd”時，單一重新結合步驟之后余留的電子和空穴的數目用(Ne-Nd)或(Nh-Nd)表示。因此，通過使用電子或空穴作為接收光輸出，與使用它們而沒有重新結合的情況相比，能夠抑制光電檢測器6的飽和。
另外，當聚積電子的周期是對應于圖4和5中所示的接收光量(A0或A1)的周期，并且聚積空穴的周期是對應于接收光量(A2或A3)的周期時，重新結合過程之后余留的電子數能夠通過從對應于接收光量(A0或A1)的數“NE”減去與“Nd”成比例的某個數“ND”來確定，并且類似地，重新結合過程之后余留的空穴數能夠通過從對應于接收光量(A2或A3)的數“NH”減去與“Nd”成比例的某個數“ND”來確定。亦即，當重新結合過程之后余留的電子和空穴被取出作為接收光輸出然后進行減法時，獲得(NE-ND)-(NH-ND)。由于(NE-ND)-(NH-ND)＝NE-NH，所以，能夠確定A0-A2或A1-A3。這種運算基于電子和空穴的聚積效率彼此相等的假定。因此，當聚積效率不同時，需要對運算進行適當的補償。另外，由于電子與空穴極性不同，所以光電檢測器6的輸出中對應于電子或空穴的接收光輸出的極性被反轉，或者從光電檢測器6獲得的兩個接收光輸出在外部電路(例如，距離運算電路5)中相加，用于進行(A0-A2)或(A1-A3)的運算。
工業實用性如從上述實施例中理解的那樣，根據本發明，能夠防止接收光輸出通過環境光而飽和，并且抑制用信號光的動態范圍的減少。因此，即使在比以前更強的環境光的條件下也能夠檢測信號光。具體地，能夠提供空間信息檢測裝置，其有以高精度穩定地檢測戶外目標空間的信息的能力。因此，使本發明有望在包括犯罪預防系統的應用中廣泛地使用。
權利要求
1.一種光電檢測器，包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；至少一個電極，其通過絕緣層被布置在所述光電轉換部分上；第一聚積區，其為通過向所述電極施加電壓而在所述光電轉換部分中形成的勢阱，以便聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的電子和空穴中的一種；第二聚積區，其被形成在所述光電轉換部分中，以便聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的電子和空穴中的另一種；控制單元，其被配置成控制將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性中的至少一個；以及輸出單元，其被配置成在通過在所述第一和第二聚積區之間傳送所述電子和空穴來重新結合所述第一和第二聚積區中聚積的所述電子和空穴后，輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
2.如權利要求1所述的光電檢測器，其中，所述至少一個電極為一對第一和第二電極，其通過所述絕緣層布置在所述光電轉換部分上，并且所述控制單元將電壓施加到所述第一電極以形成所述第一聚積區，并且將電壓施加到所述第二電極以形成勢阱作為所述第二聚積區。
3.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述控制單元控制將所述電壓施加到所述第一和第二電極的時序以及所述電壓的極性，以便通過光照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區中，而通過光照射在所述光電轉換部分中在不同時間生成的所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述第二聚積區中。
4.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述控制單元將具有相反極性的電壓施加到所述第一和第二電極，以便通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區中，而同時所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述第二聚積區中。
5.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述控制單元在將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便電子被聚積在所述第一聚積區中并且空穴被聚積在所述第二聚積區中的狀態和將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便空穴被聚積在所述第一聚積區中并且電子被聚積在所述第二聚積區中的狀態之間切換，從而所述電子和空穴在所述第一聚積區和所述第二聚積區之間被重新結合。
6.如權利要求2所述的光電檢測器，包括在所述第二電極上的光屏蔽膜，其中，所述控制單元控制將所述電壓施加到所述第一和第二電極的時序以及所述電壓的極性，以便電子和空穴中的一種被聚積在所述第一聚積區之后，它們被傳送并被保持在所述第二聚積區中，并且電子和空穴中的另一種被聚積在所述第一聚積區中。
7.如權利要求2所述的光電檢測器，包括透鏡，用于允許入射光會聚在所述第一電極上。
8.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述第一電極通過一對第一電極提供，所述第二電極通過一對第二電極提供，并且將所述第一電極放置在所述第二電極之間。
9.如權利要求8所述的光電檢測器，其中，所述第一電極之間的距離大于所述第一電極中的一個和與其相鄰的所述第二電極之間的距離。
10.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述第一電極通過一對第一電極來提供，所述第二電極通過一對第二電極來提供，在所述第一電極之間和所述第二電極之間通過所述絕緣層在所述光電轉換部分上形成傳送電極，并且所述控制單元控制向所述第一電極、所述第二電極和所述傳送電極施加的電壓，以便余留的電子和空穴中的至少一種被傳送到所述輸出單元。
11.如權利要求8所述的光電檢測器，包括電荷丟棄電極，其被形成在所述光電轉換部分的表面上，以便在與所述第一和第二電極的每個縱向方向正交的方向上并離開所述第一和第二電極中的每一個延伸基本相等的距離，其中，所述控制單元控制向所述電荷丟棄電極施加的電壓，以從所述光電轉換部分丟棄電子和空穴。
12.如權利要求2所述的光電檢測器，其中，所述第一電極通過一對第一電極來提供，所述第二電極通過一對第二電極來提供，至少一個控制電極在所述第一電極之間和/或在所述第二電極之間通過所述絕緣層被形成在所述光電轉換部分上，并且所述控制單元向所述控制電極施加電壓以形成勢阱的疏散區，以便電子和空穴經由該疏散區在所述第一聚積區和所述第二聚積區之間傳送。
13.如權利要求12所述的光電檢測器，其中，所述控制單元控制向所述第一電極、所述第二電極和所述控制電極施加的電壓，以便在所述第一聚積區、所述第二聚積區和所述疏散區中的一定方向上產生電位梯度。
14.如權利要求2所述的光電檢測器，包括控制電極，其中，所述第二電極被放置在所述第一電極和所述控制電極之間，并且所述控制單元將電壓施加到所述控制電極以形成勢阱的疏散區，從而使所述第一聚積區中聚積的所述電子和空穴中的一種經由所述疏散區傳送到所述第二聚積區。
15.如權利要求1所述的光電檢測器，其中，所述光電轉換部分被提供有基底、形成在所述基底上的中間層以及形成在所述中間層上的主功能層，所述控制單元控制復位電壓的極性，以便向所述中間層施加的復位電壓相對于向所述基底施加的基底電壓為反向偏壓，從而經由所述基底和所述中間層中的一個丟棄所述光電轉換部分中余留的電子和空穴。
16.一種使用如權利要求2所述的光電檢測器的空間信息檢測裝置，所述裝置包括光投射單元，其被配置成向目標空間照射通過具有預定頻率的調制信號進行強度調制的光；所述光電檢測器，所述光電檢測器的所述光電轉換部分通過從所述目標空間接收所述光而生成電子和空穴，所述光電檢測器的所述控制單元在將電壓施加到所述第一和第二電極以便電子被聚積在所述第一聚積區中并且空穴被聚積在所述第二聚積區中的狀態和將電壓施加到所述第一和第二電極以便空穴被聚積在所述第一聚積區中并且電子被聚積在所述第二聚積區中的狀態之間進行切換，從而在所述第一和第二聚積區之間重新結合所述電子和空穴，并且所述輸出單元輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種；以及估計單元，其被配置成根據所述光電檢測器的輸出來估計所述目標空間。
17.如權利要求16所述的空間信息檢測裝置，其中，所述控制單元在所述調制信號的相位的每180度、在將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便電子被聚積在所述第一聚積區中并且空穴被聚積在所述第二聚積區中的狀態和將所述電壓施加到所述第一和第二電極以便空穴被聚積在所述第一聚積區中并且電子被聚積在所述第二聚積區中的狀態之間進行交替切換，從而在所述第一和第二聚積區之間重新結合所述電子和空穴，以及所述估計單元相對于在所述調制信號的相位中是不同的兩個部分中的每一個確定在通過重新結合之后在所述第一聚積區中余留的電子和空穴中的一種提供的輸出和通過重新結合之后在所述第二聚積區中余留的電子和空穴中的另一種提供的輸出之間的差，然后根據相對于所述兩個部分確定的所述差來估計所述目標空間。
18.如權利要求17所述的空間信息檢測裝置，其中，所述估計單元包括距離運算單元，其被配置成將通過在所述兩個部分中的一個中確定的所述差除以在另一個部分中確定的所述差而獲得的值轉換成距離。
19.一種光電檢測器，包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；電極，其通過絕緣層被布置在所述光電轉換部分上；電荷聚積區，其為通過將電壓施加到所述電極而形成在所述光電轉換部分中的勢阱；控制單元，其被配置成控制將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性，以便使通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的一種保持在所述光電轉換部分和所述電荷聚積區中的所述絕緣層之間的接觸面部分，然后通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的另一種被聚積在所述電荷聚積區中，從而在所述接觸面部分重新結合所述電子和空穴；以及輸出單元，其被配置成在所述重新結合之后輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
20.一種光電檢測方法，包括以下步驟預備光電檢測裝置，該光電檢測裝置包括光電轉換部分，其被配置成通過光的照射來生成電子和空穴；以及一對電極，其通過絕緣層形成在所述光電轉換部分上；在第一聚積區中聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的至少一種，所述第一聚積區為通過將電壓施加到所述電極中的一個而在所述光電轉換部分中形成的勢阱；在第二聚積區中聚積通過光的照射而在所述光電轉換部分中生成的所述電子和空穴中的另一種，所述第二聚積區為通過將電壓施加到另一個電極而在所述光電轉換部分中形成的勢阱；控制將所述電壓施加到所述電極的時序和所述電壓的極性，以便所述電子和空穴在所述第一和第二聚積區之間傳送，以重新結合聚積在所述第一和第二聚積區中的所述電子和空穴，然后輸出未被重新結合的余留電子和空穴中的至少一種。
全文摘要
提供了一種光電檢測器，即使在充足環境光的條件下，其也能夠通過阻止信號光的動態范圍減少而穩定地獲得光電檢測輸出。該光電檢測器包括聚積電極和保持電極，它們通過絕緣層被安排在光電轉換單元上；以及包括控制單元，用于控制向這些電極施加電壓的時序和電壓的極性。光電轉換部分中生成的電子或空穴中的一種被聚積在通過向聚積電極施加電壓而形成的聚積區中，而另一種被聚積在通過向保持電極施加電壓而形成的保持區中。然后，使在聚積區和保持區中的電子和空穴重新結合，并輸出未被重新結合的余留的電子或空穴。
文檔編號H01L27/146GK101095241SQ20058004578
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月28日 優先權日2005年1月5日
發明者橋本裕介, 高田裕司 申請人:松下電工株式會社