JP3560298B2 - Photoelectric conversion device, driving method thereof, and system having the same - Google Patents

Photoelectric conversion device, driving method thereof, and system having the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステムに係わり、たとえばファクシミリ、デジタル複写機あるいはX線撮像装置等の等倍読み取りを行う事の可能な一次元もしくは二次元の光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステムに関する。
【0002】
【従来技術】
従来、ファクシミリ、デジタル複写機あるいはX線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系とCCD型センサを用いた読み取り系が用いられていたが、近年、水素化アモルファスシリコン(以下、「a−Si」と記す)に代表される光電変換半導体材料の開発により、光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成し、情報源と等倍の光学系で読み取る、いわゆる密着型センサの開発がめざましい。特にa−Siは光電変換材料としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ(以下、「TFT」と記す)としても用いることができるので光電変換半導体層とTFTの半導体層とを同時に形成することができる利点を有している。
【0003】
図21は従来の光センサの構成断面図を示す。図21(a)、図21(b)は二種類の光センサの層構成を示し、図21(c)は共通した代表的な駆動方法を示している。図21(a)、図21(b)は共にフォト・ダイオード型の光センサであり、図21(a)はPIN型、図21(b)はショットキー型と称されている。図中、1は絶縁基板、2は下部電極、3はp型半導体層(以下、「p層」と記す)、4は真性半導体層(以下、「i層」と記す)、5はn型半導体層(以下、「n層」と記す)、および6は透明電極である。ショットキー型図21(b)では下部電極2の材料を適当に選び、下部電極2からi層4に電子が注入されないようショットキーバリア層が形成されている。10は上記光センサを記号化して表わした光センサを示し、11は電源、12は電流アンプ等の検出部を示している。光センサ10中Cで示された方向は図21(a)、図21(b)中の透明電極6側、Aで示された方向が下部電極2側であり、電源11はA側に対しC側に正の電圧が加わるように設定されている。
【0004】
ここで動作を簡単に説明する。矢印で示された方向から光が入射され、i層4に達すると、光は吸収され電子とホールが発生する。i層4には電源11により電界が印加されているため電子はC側、つまりn層5を通過して透明電極6に移動し、ホールはA側、つまり下部電極2に移動する。よって光センサ10に光電流が流れたことになる。また、光が入射しない場合i層4で電子もホールも発生せず、また、透明電極6内のホールはn層5がホールの注入阻止層として働き、下部電極2内の電子はPIN型図21(a)ではp層3が、ショットキー型図21(b)ではショットキーバリア層が、電子の注入阻止層として働き、電子、ホール共に移動できず、電流は流れない。したがって、光の入射の有無で電流が変化し、これを図21(c)の検出部12で検出すれば光センサとして動作する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光センサでSN比が高く、低コストの光電変換装置を生産するのは困難であった。以下その理由について説明する。
【0006】
第一の理由は、PIN型図21(a)、ショットキー型図21(b)は共に2カ所に注入阻止層が必要なところにある。PIN型センサにおいて注入阻止層であるn層5は電子を透明電極6に導くのを阻止すると同時にホールがi層4に注入するのを阻止する特性が必要である。また、ショットキー型センサにおいては、ショットキーバリア層4が下部電極からの電子を阻止し、n層5からのホールを阻止する特性がある。このどちらかの特性を逸すれば光電流が低下したり、光が入射しない時の電流(以下、「暗電流」と記す)が発生、増加することになりSN比の低下の原因になる。この暗電流はそれ自身がノイズと考えられると同時にショットノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含んでおり、たとえ検出部12で暗電流を差し引く処理をしても、暗電流に伴う量子ノイズを小さくすることはできない。
【0007】
通常この特性を向上させるため、i層4やn層5の成膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化を図る必要がある。しかし、もう一つの注入阻止層であるp層3についても電子ホールが逆ではあるが同等の特性が必要であり、同様に各条件の最適化が必要である。
【0008】
通常、前者n層の最適化と後者p層の最適化の条件は同一でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難である。つまり、同一光センサ内に二カ所の注入阻止層が必要なことは高SN比の光センサの形成を困難にする。これはショットキー型図21(b)においても同様である。またショットキー型図21(b)においては片方の注入阻止層にショットキーバリア層を用いているが、これは下部電極2とi層4の仕事関数の差を利用するもので、下部電極2の材料が限定されたり、界面の局在準位の影響が特性に大きく影響し、条件を満足させるのはさらに困難である。また、さらにショットキーバリア層の特性を向上させるために、下部電極2とi層4の間に100オングストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、窒化膜を形成することも報告されているが、これはトンネル効果を利用し、ホールを下部電極2に導き、電子のi層4への注入を阻止する効果を向上させるもので、やはり仕事関数の差を利用しているため下部電極2の材料の限定は必要であるし、電子の注入の阻止とトンネル効果によるホールの移動という逆の性質を利用するため、酸化膜や窒化膜は100オングストローム前後と非常に薄いところに限定され、かつ、厚さや膜質の制御は難しく生産性を低下させられる。
【0009】
また、注入阻止層が2カ所必要なことは生産性を低下させコストもアップする。これは注入阻止層が特性上重要なため2カ所中1カ所でもゴミ等で欠陥が生じた場合、光センサとしての特性が得られないからである。
【0010】
第二の理由を図22を用いて説明する。図22は薄膜の半導体層で形成した電界効果型トランジスタ(TFT)の層構成を示している。TFTは光電変換装置を形成するうえで制御部の一部として利用することがある。図中、図21と同一なものは同番号で示してある。7はゲート絶縁膜であり、60は上部電極である。形成法を順を追って説明する。絶縁基板1上にゲート電極として働く下部電極2、ゲート絶縁膜7、i層4、n層5、ソース、ドレイン電極として働く上部電極60を順次成膜し、上部電極60をエッチングによりソース、ドレイン電極を形成し、その後n層5をエッチングによりチャネル部を構成している。TFTの特性はゲート絶縁膜7とi層4の界面の状態に敏感で通常その汚染を防ぐために同一真空内で連続的に堆積する。
【0011】
従来の光センサをこのTFTと同一基板上に形成する場合この層構成が問題となり、コストアップや特性の低下を招く。この理由は図21で示した従来の光センサの構成が、図21(a)のPIN型センサが電極/p層/i層/n層/電極、図21(b)のショットキー型センサが電極/i層/n層/電極という構成であるのに対し、TFTは電極/絶縁膜/i層/n層/電極という構成で両者が異なるからである。これは同一プロセスで形成できないことを示し、プロセスの複雑化による歩留まりの低下、コストアップを招く。また、i層/n層を共通化するにはゲート絶縁層7やp層3のエッチング工程が必要となり、先に述べた光センサの重要な層である注入阻止層のp層3とi層4が同一真空内で成膜できなかったり、TFTの重要なゲート絶縁膜7とi層4の界面がゲート絶縁膜のエッチングにより汚染され、特性の劣化やSN比の低下の原因になる。
【0012】
また、前述した図21(b)のショットキー型センサの特性を改善するため、下部電極2とi層4の間に酸化膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順は同一ではあるが、先に述べたように酸化膜や窒化膜は100オングストローム前後である必要があり、ゲート絶縁膜7と共用することは困難である。図23にゲート絶縁膜7とTFTの歩留まりについて、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜厚が1000オングストローム以下で歩留まりは急激に低下し、800オングストロームで約30%、500オングストロームで歩留まり0%、250オングストロームではTFTの動作すら確認できなかった。トンネル効果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と、電子やホールを絶縁しなければならないTFTのゲート絶縁膜を共用化することは明らかに困難であり、これをデータが示している。
【0013】
またさらに、図示はしていないが電荷や電流の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子(以下、「コンデンサ」と記す)を従来の光センサと同一の構成でリークが少ない良好な特性ものを作るのは難しい。コンデンサは2つの電極間に電荷を蓄積するのを目的とするため、電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を阻止する層が必要であるのに対し、従来の光センサは電極間に半導体層のみ利用しているため熱的に安定したリークの少ない良好な特性の中間層を得るのは難しいからである。
【0014】
このように光電変換装置を構成するうえで重要な素子であるTFTやコンデンサと、プロセス的にまたは特性的にマッチングが良くないことは複数の光センサを一次元もしくは二次元に多数配置しこの光信号を順次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程が多くかつ複雑になるため歩留まりが非常に悪く、低コストで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題になる。
【0015】
[発明の目的]
本発明の目的はSN比が高く、特性が安定している光電変換装置、及びその駆動方法及びそれを有するシステムを提供することを目的とする。
【0016】
具体的には、本発明の光電変換装置は、光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑えるために、光電変換動作をしているときと逆方向の電界を光電変換素子に印加し、結果的にダイナミックレンジを小さくしないこと、即ちSN比が高く、特性が安定していることを目的とする。
【0017】
又、本発明は、歩留まりが高く、特性が安定している光電変換装置及びそれを有するシステムを提供することを目的とする。
【0018】
加えて本発明は、TFTと同一プロセスで形成することが可能で、生産プロセスの複雑化を生じること無く、低コストで作製可能な光電変換装置、及びその駆動方法及びそれを有するシステムを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、絶縁基板上に、第一の電極層、第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を順次堆積した光電変換素子を有する光電変換装置にいて、
前記光電変換素子の各層に電界を与える以下の三つの動作モード、
(1)入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換モード、
(2)光電変換素子をリフレッシュするリフレッシュモード、
(3)光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制するフラットバンド電圧シフト抑制モード、
を一定の順序で繰り返し動作させる為のスイッチ手段を有することを特徴とする光電変換装置を提供する。
【0020】
又、本発明は、前記光電変換素子の各層に電界を与える以下の三つの動作モード、
(1)入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換モード、
(2)光電変換素子内に蓄積された電荷をリフレッシュするリフレッシュモード、
(3)光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制するフラットバンド電圧シフト抑制モード、
をスイッチ手段により切り替え、さらに前記三つの動作モードを一定の順序で繰り返し動作させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法を提案する。
【0021】
更に、本発明は、本発明の光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられ、入射するX線を光に変換する蛍光体と、前記X線を発生させるX線源と、前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段からの信号を記録する為の記録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示する為の表示手段と、前記信号処理手段からの信号を電送するための電送手段と、を有するシステムを提供する。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0023】
[実施形態1]
本発明の実施形態1の説明の前に、以前発明者等が提案した先行技術の特願平6−313392号及びそのリフレッシュ動作の説明を行う。
【0024】
図10(a)及び図10(b)は、それぞれ順に、発明者等が以前提案した光電変換装置の光電変換素子を説明するための模式的層構成図、光電変換装置の概略的回路図である。
【0025】
図10(a)においては、1はガラスなどで形成される絶縁基板、2はA1やCrなどで形成される下部電極である。70は電子、ホ−ル共に通過を阻止する窒化シリコン(SiN)などで形成される絶縁層であり、その厚さはトンネル効果により電子、ホ−ルが通過できないほどの厚さである500オングストロ−ム以上に設定される。4は水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)の真性半導体i層で形成される光電変換半導体層、5は光電変換半導体層4に透明電極6側からのホ−ルの注入を阻止するa−Siのn層で形成される注入阻止層、透明電極6はITOのようなインジウム又はスズを含む化合物、酸化物などで形成される。
【0026】
図10(b)において、100は図10(a)で示した光電変換素子を記号化したものでDが透明電極6側、Gが下部電極2側の電極を示している。120は光電変換素子100に流れる電流を検出する検出部、110は電源部であり、電源部110はD電極に正の電位を与える正電源111、負の電位を与える負電源112と、その両者を切り換えるスイッチ113で構成される。スイッチ113はリフレッシュモ−ドではrefresh側の負電源112に、光電変換モ−ドではread側の正電源111に接続されるよう制御される。
【0027】
ここで光電変換素子100の動作について説明する。図11(a)、図11(b)はそれぞれ光電変換素子100のリフレッシュモ−ドおよび光電変換モ−ドの動作を示す光電変換部のエネルギ−バンド図で、光電変換素子の各層の厚さ方向の状態を表している。
【0028】
図11(a)のリフレッシュモ−ド(a)において、D電極はG電極に対して負の電位が与えられているため、i層4中の黒丸で示されたホ−ルは電界によりD電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に注入される。この時一部のホ−ルと電子はn層5、i層4において再結合して消滅する。充分に長い時間この状態が続けばi層4内のホ−ルはi層4から掃き出される。
【0029】
この状態で図11(b)の光電変換モ−ド(b)になると、D電極はG電極に対して正の電位が与えられるため、i層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる。しかしホ−ルはn層5が注入阻止層として働くためi層4に導かれることはない。この状態でi層4内に光が入射すると光は吸収され、電子・ホ−ル対が発生する。この電子は電界によりD電極に導かれ、ホ−ルはi層4内を移動し絶縁層70の界面に達する。しかし、絶縁層70内には移動できないため、i層4内に留まることになる。この時電子はD電極に移動し、ホ−ルはi層4内の絶縁層70界面に移動するため、素子内の電気的中性を保つため、電流がG電極から検出部120に流れる。この電流は光により発生した電子・ホ−ル対に対応するため入射した光に比例する。
【0030】
ある期間光電変換モ−ド(b)を保った後、再びリフレッシュモ−ド(a)の状態になると、i層4内に留まっていたホ−ルは前述のようにD電極に導かれ、同時にこのホ−ルに対応した電荷が検出部120に流れる。このホ−ルの量は光電変換モ−ド期間に入射した光の総量に対応し、検出部120に流れる電荷は光の総量に対応する。この時i層4内に注入される電子の量に対応した電荷も流れるが、この量はおよそ一定なため差し引いて検出すればよい。
【0031】
つまり、光電変換部100は、リアルタイムに入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入射した光の総量を出力することもできる。このことは発明者等が以前提案した構成例の大きな特徴といえる。検出部120は目的に応じて電子の流れ又はホールの流れのどちらか一方、もしくは両方を検出すればよい。また、図11(c)は後述するように、入射する光の照度が強い場合の図11(b)からしばらく経過した結果の状態図を示す。
【0032】
ここで図12を用いて発明者等が以前提案した光電変換装置の動作について説明する。
【0033】
図12は、図10の光電変換装置における動作のタイミングチャ−トである。図中、Vdgは光電変換部100のG電極に対するD電極の電位であり、Pは光の入射の状態を示し、オンで光が入射の状態、オフで光の入射がない。つまりダ−ク状態を示している。ISは検出部120に流れ込む電流を示し、横軸方向は時間の経過を示す。
【0034】
初めにスイッチ113がrefresh方向に接続されるとリフレッシュモ−ドに入り、Vdgは負電圧となり、図11(a)のようにホ−ルが掃き出され、また電子がi層4に注入されるにともない検出部120には図12のEで示される負の突入電流Eが流れる。その後リフレッシュモ−ドは終了し、スイッチ113がread方向に接続されるとi層4内の電子が掃き出され正の突入電流E’が流れ光電変換モ−ドに入る。この時光が入射されているとAで示される光電流Aが流れる。もし同様な動作でダ−ク状態であればA’で示されるように電流は流れない。よって光電流Aを直接、もしくは一定の期間、光電流Aを積分すれば光の入射を検出できる。
【0035】
また、Aの状態からスイッチ113がrefresh方向に接続されると突入電流Bが流れる。これは直前の光電変換モ−ド期間における光の入射の総量に反映された量になり、この突入電流Bを積分もしくは積分相当の値を得ればよい。直前の光電変換モ−ドで光が入射していなければ突入電流はB’のように小さくなり、その差を検出すれば、光の入射を検出できる。また前述の突入電流E’やE”はおよそ突入電流B’と等しいため、突入電流Bからこれらを差し引いてもよい。
【0036】
また、さらに、同じ光電変換モ−ド期間であっても光の入射の状態が変化すれば、C、C’のように電流ISは変化する。これを検出しても光の入射状態を検出できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレッシュモ−ドにする必要はないことを示している。しかしながら、何らかの理由により、光電変換モ−ドの期間が長くなったり、入射する光の照度が強い場合、Dのように光の入射があるにもかかわらず電流が流れないことがある。これは図11(c)のように、i層4内にホールが多数留まり、このホールのためi層4内の電界が小さくなり、発生した電子がD電極に導びかれなくなり、i層4内のホールと再結合してしまうからである。この状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモードにすればi層4内のホールは掃き出され、次の光電変換モードではA”のようにAと等しい電流が得られる。
【0037】
以上の説明において、入射光は一定で説明したが、入射光の強弱によりA,B,Cの電流はともに連続的に変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱についても定量的に検出できることはいうまでもない。
【0038】
また、前述の説明において、リフレッシュモードで、i層4内のホールを掃き出す場合、全てのホールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き出すだけでも効果はあり、光電流であるAもしくはCにおいて全てを掃き出した場合と値は変わらず、問題はない。また、常に一定量が残るように掃き出せば、Bの電流によっても光の量を定量的に検出することができる。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において電流値がDの状態、すなわち図11(c)の状態にならなければよく、リフレッシュモードのVdgの電圧、リフレッシュモードの期間、および、n層5の注入阻止層の特性を決めればよい。
【0039】
また、さらに、リフレッシュモードにおいて、i層4への電子の注入は必要条件でなく、Vdgの電圧は負に限定されるものでもない。ホールの一部がi層4から掃き出されればよい。ホールが多数i層4に留まっている場合には、たとえVdgが正の電圧であってもi層4内の電界はホールをD電極に導く方向に加わるからである。n層5の注入阻止層の特性も同様に電子をi層4に注入できることが必要条件ではない。
【0040】
図13(a)、図13(b)、図13(c)、図13(d)は、それぞれ検出部の較正例を示したものである。121は電流Ampで代表される電流計、122は電圧計、123は抵抗器、124はコンデンサ、125はスイッチ素子、126はオペアンプである。
【0041】
図13(a)は直接電流を検出するもので、電流計121の出力は電圧や、増幅された電流である。図13(b)は電流を抵抗器123に流して電圧を電圧計122で検出している。図13(c)は電荷をコンデンサ124に蓄積し、その電圧を電圧計122で検出している。図13(d)はオペアンプ126により電流の積分値を電圧として検出している。図13(c)、図13(d)においてスイッチ素子125は毎回の検出に対して初期値を与える役割をし、検出の方法によって高抵抗の抵抗器に置き換えることも可能である。
【0042】
電流計や電圧計は、トランジスタやこれを組み合せたオペアンプ、抵抗、コンデンサ等で構成し、高速で動作するものを使用することができる。検出部はこれら4種に限定するものでなく、電流もしくは電荷を直接もしくは積分値を検出できればよく、電流もしくは電圧値を検出する検出器と、抵抗器、コンデンサ、スイッチ素子を組合せ、複数の光電変換部を同時もしくは順次出力するよう構成することもできる。
【0043】
ラインセンサやエリアセンサを構成する場合は、電源部の配線やスイッチ素子と組合せてマトリックスで、例えば1000ケ以上の光電変換部の電位を制御し、また検出して電気信号として出力する。この場合、スイッチ素子やコンデンサ、抵抗の一部は光電変換部と同一基板上に構成すると、SN比や、コスト面で有利である。この場合、発明者等が以前提案した構成例の光電変換部は、代表的なスイッチ素子であるTFTと同一膜構成のため、同一プロセスで同時に形成することが可能であり、低コストで、高SN比の光電変換装置が実現できる。
【0044】
次に、リフレッシュモードにおけるリフレッシュ電圧値による光電変換装置の特性の違いについて、以前発明者等が提案した光電変換装置を用いて説明する。
【0045】
図14はTFT1700及び電源1115で構成される光電変換装置の1ビット等価回路図であり、図15がその動作を示すタイミングチャートである。
【0046】
ここでは、TFT1700を介して光電変換素子100のG電極に正の電位を与えるリフレッシュの場合であるところの図14に示した光電変換装置の1ビット等価回路図を用いて説明を行う。そして光電変換素子100のD電極の電位は電源114によりVDに設計され、リフレッシュ動作時のG電極の電位は電源1115によりVrGに設定されるものとする。
【0047】
まず図10(a)に示すように光電変換素子100のG電極の電位(Vo)をD電極の電位(VD)以上にリフレッシュする場合(V0=VrG≧VD)について説明する。このような状態にリフレッシュされると光電変換素子100のi層4内に留まっていたホール及びi層4と絶縁層70との界面に存在する界面欠陥にトラップされていたホールの全てがD電極に完全に掃き出される。逆に電子はこの時D電極からi層4内へ流れ込み、その一部はi層4と絶縁層70との界面に存在する界面欠陥にトラップされる。以下この電流を負の突入電流B,B’という。そしてリフレッシュ動作終了後、光電変換素子100のG電極の電位をGND電位等に初期化する時、i層4内及び界面欠陥にトラップされていた電子が全てD電極へ掃き出される。以下この電流を正の突入電流E,E’という。i層4と絶縁層70との界面に存在する界面欠陥は一般にエネルギー準位が深い為、界面欠陥位置に存在する電子及びホールを移動させるエネルギー、及びほかの位置から界面欠陥位置へ電子及びホールを移動させるエネルギーは相対的に高く、見かけ上の移動度も低くなる。その為、正の突入電流がゼロになるまで、即ち界面欠陥にトラップされていた電子の全てがD電極へ掃き出されるまで数十マイクロ秒から数秒かかることになり、G電極リセット動作が終了しても大きな突入電流が流れる。その結果、G電極が持つ容量に蓄積された電荷の中にはノイズ成分である突入電流による電荷が含まれ、結果的にその電荷分SN比が低下してしまうのである。
【0048】
上記の理由について、更に図14と図15を用いて詳細に説明する。図14のPa、Pb、Pc、Pdは、各々図14におけるスイッチ素子1125、転送用TFT1300、リフレッシュ用TFT1700、リセット用TFT1400を駆動するパルスのタイミングを示している。ここでHは各駆動素子をオン状態にするハイレベルを示しており、一般に結晶シリコン半導体スイッチ素子では+5v〜+12v、a−SiのTFTでは+8v〜+15v位が用いられる。又、Lは一般的に0vが多く用いられる。IsとV0は、図14中の矢印で示す様に、各々光電変換素子100に一定の信号光が照射された状態において、矢印の方向へ流れる電流とG電極の電位を示している。ここで、Pa〜Pdのパルス幅を20μsの動作時におけるIsとV0を図15に示している。
【0049】
図15において、光電変換素子100のG電極電位V0は、リフレッシュ用パルスPcの立ち上がりから、Pdのリセット用パルス立ち上がりまで一定の高い電位に保たれている。その為正の突入電流はその間に発生せず、Pdのパルス立ち上がり時に初めて、界面欠陥にトラップされていた電子の掃き出しによると考えられる。正の突入電流が発生している。この正の突入電流が減衰し、ほぼゼロになるまで、発明者等の作製した装置では約80〜100μ秒かかる為、G電極がもつ容量に信号電荷を蓄積しはじめるPdのパルスの立ち下がり時には、正の突入電流が多く発生しており、図中の斜線で示した部分の電荷及び電圧値がノイズ成分として蓄積されてしまうのである。その結果、その蓄積分SN比が低下してしまうのである。正の突入電流を低減する方法としてはPdの初期化パルスの時間を長くすることが考えられるが、その時間にも限界があり、又時間を長くすることにより装置全体の信号読み取り時間が長くなり、装置の低速化即ち性能ダウンを引き起こすことになる。
【0050】
次に、図16を用いて光電変換素子100をリフレッシュさせる時の印加電圧の条件について説明する。図16は光電変換素子100のエネルギーバンド図であり、両端の各々の電極(D電極及びG電極)は開放(オープン)状態である。光電変換素子100は一般にいわれているMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造であり両端の電極に加わる電圧条件により全容量が相対的に小さい状態(デプレッション状態)と全容量が相対的に大きい状態(アキュムレーション状態)が現れる。
【0051】
図16における各デバイスの両端はオープンであるが、エネルギーバンド図については図16(b)の場合が上記デプレッション状態のエネルギーバンド図と同じであり、図16(c)の場合がアキュムレーション状態のエネルギーバンド図と同じである。
【0052】
一般にMIS型のコンデンサは、作製直後において図16の(a)の状態、即ちi層のバンドがフラットな状態(フラットバンド電圧VFB=0V)又は図16(b)の状態即ち若干デプレッション状態(3V≧VFB>0V)である事が多い。又、MISコンデンサの両端に電圧を加える事によりVFBはある程度任意の正及び負の値にする事も可能である。
【0053】
図10に示す1ビット回路を図12に示すタイミングで駆動する場合、リフレッシュ時間は光電変換時間より短くすることが可能となる。2次元的に光電変換素子を配列しマトリクス駆動を行う場合は、光電変換素子の数が増えれば増えるほどリフレッシュ時間と光電変換時間の比は大きくなる。
【0054】
又、一般にMIS型コンデンサのフラットバンド電圧VFBは、電界、時間、温度に大きく依存することが知られているが、本発明の光電変換装置における光電変換素子はリフレッシュ時においてフラットバンド電圧VFBは正の電圧方向へ移動し、反対に光電変換時にはフラットバンド電圧VFBは負の電圧方向へ移動する。
【0055】
よって本発明の図10に示す光電変換装置における光電変換素子はフラットバンド電圧VFBが結果的に負の電圧方向に移動し、光電変換素子のダイナミックレンジを小さくしてしまう。そうなると、光電変換装置としてのSN比は小さくなり、安定した特性が得られなくなってしまう。
【0056】
又、ここで正の突入電流(減衰時間が長く、且つ電流値が大であること)をもたらす電圧値の条件を以下においてまとめる。まず、光電変換素子100のi層のフラットバンド電圧VFBがゼロの時はリフレッシュ時のG電極の電位(VrG)はD電極の電位(VD)より高ければ、即ちVrG>VDであれば、上述した問題の正の突入電流が流れる。
【0057】
又、光電変換素子100のi層のフラットバンド電圧VFBがゼロでない時はリフレッシュ時のG電極の電位(VrG)はD電極の電位(VD)からVFBを差し引いた電圧値よりも高ければ、即ちVrG≧VD−VFBであれば上述した問題の正の突入電流が流れるのである。
【0058】
上記のメカニズムを図17を用いて説明する。図17はVrG≧VD−VFBの場合の光電変換素子100のエネルギーバンド図で、図17(a)の下部電極2から透明電極6の各層の厚さ方向の状態を表している。リフレッシュ動作の図17(a)において、D電極はG電極に対して負の電位が与えられているため、i層4中の黒丸で示されたホールは電界によりD電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に注入される。又、i層4と絶縁層70の界面欠陥にトラップされていたホールはある程度の時間を費しD電極に導かれ、i層4に注入された電子のうち一部は逆に、ある程度の時間を費してi層4と絶縁層70の界面欠陥にトラップされる。この時一部のホールと電子はn層5、i層4において再結合して消滅する。十分に長い時間この状態が続けばi層4内のホールはi層4から掃き出される。この状態で光電変換動作の図17(b)になるとD電極はG電極に対して正の電位が与えられるためi層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる。そしてi層4と絶縁層70の界面欠陥にトラップされていた電子は、ある程度時間を費してD電極へ導かれる。この界面欠陥にトラップされていた電子が前述した問題の突入電流の原因である。ここでホールはn層5が注入阻止層として働く為、i層4に導かれることはない。この状態でi層4内に光が入射すると、光は吸収され電子・ホール対が発生する。この電子は電界によりD電極に導かれ、ホールはi層4内を移動しi層4と絶縁層70の界面に達する。しかし、絶縁層70内には移動できない為、i層4内に留まることになる。そしてある期間光電変換動作の図17(b)を保った後の状態が図17(c)である。
【0059】
次に、このようなリフレッシュ条件における光電変換素子100のダイナミックレンジ(D・R)について説明する。図14に示される光電変換素子100のD・Rを電荷量で示すと、D・R=VrG×Csとなる。ここでCsは光電変換素子100の容量である。よって、光電変換素子100のダイナミックレンジ(D・R)はリフレッシュ電圧VrGが高いほど大きくなる。そのため光電変換素子100に照射される信号光が多く得られる場合は光による信号量を多く得ることができるのでSN比が大きくなる。
【0060】
次に、光電変換素子100のG電極の電位(V0)以下にリフレッシュする場合(VrG<VD−VFB)について説明する。
【0061】
図18は、光電変換装置の1ビットの概略的等価回路図である。図19は図18の光電変換装置を実際に駆動した時のタイミングチャートである。
【0062】
図18において図14と同じ番号で示される部分については同じものを示しているので説明は省略する。図14に示される概略的等価回路と図18に示される概略的等価回路との違いはTFT1700に接続される電源1115の大きさである。なお、ここで光電変換素子100は図10(a)と同一の構造をしているので、i層と第2の電極層との間の注入阻止層はn型であり、注入が阻止されるキヤリアはホールである。その為注入が阻止されるキヤリア1個の電荷をqとすると、この場合もq>0となる。
【0063】
なお、図18において信号検出部は図18の点線内の検出手段とTFT1300及びハイレベルパルスPbを印加する手段を含む。
【0064】
図18において図14と異なる点は、光電変換素子100のリフレッシュ動作においてG電極に正の電位を与える電源1115の電位VrGが、D電極に正の電位を与える電源114の電位VDに比べて低くしている点のみである。詳細にいえば、光電変換素子100には、i層のエネルギーバンドをフラットにする為にG電極に印加するフラットバンド電圧(VFB)が存在するので実際には、図14の例ではVrG≧VD−VFBの状態で駆動していたのに対し、図18ではVrG<VD
−VFBの状態で駆動するのである。
【0065】
次に図19においてVrG<VD−VFBの状態での光電変換装置の動作を説明する。図19において図15と異なる点は、光電変換素子100の電流ISと電流ISによるG電極の電位V0の振舞いである。
【0066】
図19において、Pcのリフレッシュパルスが立ち上がり、光電変換素子100のG電極に電圧VrG(VrG<VD−VFB)が印加されると光電変換素子100のi層内に留まっていたホールの一部がD電極に掃き出される。この時、i層と絶縁層の界面欠陥にトラップされていたホールのほぼ全てはそのままの状態であると考えられる。又、この時電子はD電極に掃き出された一部のホールに相当する量もしくはそれ以下の数量がD電極からi層内へ流れ込むが、i層内における電界はG電極側の電位が低い為、i層と絶縁層の界面欠陥にトラップされる電子はほぼゼロであると考えられる。よって図19におけるISはPcのリフレッシュパルス立ち上がり時において小さな負の突入電流しか生じることなく、又減衰時間も短くなっている。又、Pcのリフレッシュパルス立ち上がりからPdのG電極リセットパルス立ち上がりまでのG電極の電圧V0はVrGにほぼ一致しており、その電位はVD−VFBより下がっていることを図19は示している。
【0067】
次にG電極リセットパルスが立ち上がり、光電変換素子100のG電極がGNDに接地されるとi層内に留まっていた若干の電子は全てD電極に流れ出すことになる。この時、i層と絶縁層の界面欠陥には電子は存在しない為、電子は少量で且つ瞬時に流れ出ると考えられる。又、この時界面欠陥に存在するホールはほとんど移動しないと思われる。よってPdのG電極リセットパルス立ち上がり時において、ISは小さな正の突入電流しか生じることなく、又減衰時間も短くなっている。PdのG電極リセットパルスの立ち上がりから立ち下がりまでを約20マイクロ秒で動作させると、図のように光電変換動作開始となるPdのパルスの立ち下がり時には、ほぼ突入電流はゼロになる。よってPdのパルスの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、ほぼすべてが光電変換素子100内に入射した信号光による電荷となり、その信号電圧を読み出すことによりSN比の高い情報を得ることが可能となる。
【0068】
発明者等が以前提案した構成例における基本的なメカニズムについて図を用いてさらに以下で説明する。
【0069】
図20(a)〜図20(c)はVrG<VD−VFBの場合の光電変換素子100の動作を示すエネルギーバンド図であり、図17(a)〜図17(c)に示したエネルギーバンド図に対応している。
【0070】
リフレッシュ動作の図20(a)において、D電極はG電極に対して正の電位が与えられている為、i層4中の黒丸で示されたホールの一部が電界によりD電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に注入される。ここでi層4と絶縁層70の界面欠陥にトラップされていたホールはほとんど移動せず、又電子が界面欠陥にトラップされることもない。
【0071】
この状態で光電変換動作の図20(b)になるとG電極はD電極に対して更に大きな負の電位が与えられる為、i層4中の電子は瞬時にD電極に導かれるが、界面欠陥にトラップされた電子はほとんど存在しない為、先に説明した図14の光電変換装置で問題となる突入電流はほとんど存在しなくなる。
【0072】
そしてある期間光電変換動作の図20(b)を保った後の状態の図20(c)になる。
【0073】
このようにVrG<VD−VFBの条件にリフレッシュする場合においては、i層4と絶縁層70の界面欠陥に電子が存在することはほとんどない為、電子の出入りに長い時間を費すことがなくなり、結果的にノイズ成分となる突入電流を大きく削減することが可能となる。
【0074】
しかしながら、このようなリフレッシュ条件であり、図18に示される光電変換素子100のダイナミックレンジ(D・R)は、D・R=VrG×Csとなり、VrG≧VD−VFBの場合に比べて、VrG<VD−VFBの場合のダイナミックレンジは小さくなる。その為、信号処理が多い場合には、信号光による発生電荷が飽和し、SN比を下げることが生じる。
【0075】
ここで以前発明者等が提案した光電変換装置において、SN比を保ち特性を安定させるべき項目について再度説明する。
【0076】
図10に示す1ビット回路を図12に示すタイミングで駆動する場合リフレッシュ時間は光電変換時間より短くすることが可能となる。2次元的に光電変換素子を配列しマトリクス駆動を行う場合は光電変換素子の数が増えれば増えるほどリフレッシュ時間と光電変換時間の比は大きくなる。
【0077】
又、一般にMIS型コンデンサのフラットバンド電圧VFBは、電界、時間、温度に大きく依存することが知られているが、本発明の光電変換装置における光電変換素子はリフレッシュ時においてフラットバンド電圧VFBは正の電圧方向へ移動し、反対に光電変換時にはフラットバンド電圧VFBは負の電圧方向へ移動する。
【0078】
よって本発明の図10に示す光電変換装置における光電変換素子はフラットバンド電圧VFBが結果的に負の電圧方向に移動し、光電変換素子のダイナミックレンジを小さくしてしまう。そうなると、光電変換装置としてのSN比は小さくなり、安定した特性が得られなくなってしまう。
【0079】
以上の点を鑑み、本発明において新たに考案した実施形態が以下に示すものである。
【0080】
図1は本発明による第1の実施形態に係る光電変換装置の1ビットの等価回路図である。図1において、図10(b)と同じ番号で示される部分は同じものを示す。
【0081】
図10(b)と異なる点は、光電変換素子100のフラットバンド電圧(VFB)の移動を抑えるための電源115が追加されており、光電変換素子100が光電変換モード時とは逆の電界が印加されるよう電源115が配置されている。
【0082】
図1においては、光電変換モードとして電源111を光電変換素子100のD電極に正の電圧を印加して光電変換の電荷を読出し、次にリフレッシュモードとして電源112の負の電圧を印加して光電変換素子に蓄えられて読み出されなかった残余の電荷を放電し、その後に更にフラットバンド電圧シフト抑制モードとして負の大きな電圧を印加して光電変換素子の残余の電荷を放電することで、光量に応じた正確な電荷を読み出すことができ、且つサイクル的に高速で短時間の繰り返し読出しを可能として、S/Nの高い画像信号を得ることができる。ここで、光電変換素子100のD電極のリフレッシュ電源112を負の値に設定しているが、上記で説明したように突入電流を小さくする目的でリフレッシュ電源112を正の値で用いることも可能である。
【0083】
また、ここでは電源115を比較的大きな電圧を印加できる電源にすることにより、フラットバンド電圧の移動を抑制する時間、即ち電源115をスイッチ113の可動接点を接続する時間を比較的短くすることを可能とし、総合的な光電変換装置の駆動時間を短くすることが可能となる。
【0084】
このような回路にすることにより、光電変換素子100は光電変換モード(read側にスイッチ113が接続された状態)とリフレッシュモード(refresh側にスイッチ113が接続された状態)とフラットバンド電圧シフト抑制モード(compensation側にスイッチ113が接続された状態)を、順番に切り替えて駆動することが可能となり、上記で説明したフラットバンド電圧のシフトを小さくすることが可能となる。この為センサのダイナミックレンジが小さくなることを防ぐことができ、高いSN比を保ち、安定した特性を得ることが可能となる。
【0085】
上記フラットバンド電圧シフト抑制モードの場合を言い換えれば、フラットバンド電圧抑制モードが、光電変換素子の第一の電極層の電圧(VrG)と第一の型のキャリアの電荷(q)との積(VrG・q)が第二の電極層の電圧(VD)から、フラットバンド電圧(VFB)を差し引いた電圧(VD−VFB)と前記第一の型のキャリアの電荷(q)との積{(VD−VFB)・q}より大きい条件
(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)
により各層に電界を与えられる動作モードであることを意味する。
【0086】
具体的に説明すれば、本光電変換装置の使用において、長時間駆動される状態、即ち光電変換モードでは((VrG・q)<(VD・q−VFB・q)の状態となり、光電変換素子のフラットバンド電圧が負の方向へ移動してしまう。これを戻すために、本発明においては、フラットバンド電圧シフト抑制モードを設定し、上記と反対の状態、即ち(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)の状態にすることにより、フラットバンド電圧の移動を戻し、それによりダイナミックレンジの低下を防いでいる。
【0087】
[実施形態2]
図2は本発明の光電変換装置の第2の実施形態を示す全体回路図であり、図3(a)は本実施形態中の1画素に相当する各素子の平面図、図3(b)は図3(a)のA−B線断面図である。
【0088】
図2において、S11〜S33は光電変換素子で下部電極側をG、上部電極側をDで示している。C11〜C33は蓄積用コンデンサ、T11〜T33は転送用TFTである。Vsは読み出し用電源、Vgはリフレッシュ用電源、Vcはフラットバンド電圧シフト抑制用電源であり、各電源は各々スイッチSWs、スイッチSWg、スイッチSWcを介して全光電変換素子S11〜S33のG電極に接続されている。ここで、センサのG電極に印加される各電源の電位はVc>Vg>0>Vsと設定している。スイッチSWs、スイッチSWg、スイッチSWcは直接にシフトレジスタSR3に接続されており、スイッチSWs、スイッチSWg、スイッチSWcは同時にオンしないように制御されている。又、各スイッチのオン時間は任意に設定可能である。
【0089】
1画素は1個の光電変換素子とコンデンサ、およびTFTで構成され、その信号出力は信号配線SIGにより検出用集積回路ICに接続されている。本実施形態の光電変換装置は計9個の画素を3つのブロックに分け1ブロックあたり3画素の出力を同時に転送しこの信号配線SIGを通して検出用集積回路ICによって順次出力に変換され出力される(Vout)。また1ブロック内の3画素を横方向に配置し、3ブロックを順に縦に配置することにより各画素を二次元的に配置している。
【0090】
図中破線で囲んだ部分は大面積の同一絶縁基板上に形成されているが、このうち第1画素に相当する部分の平面図を図3(a)に示す。また図中破線A−Bで示した部分の断面図を図3(b)に示す。S11は光電変換素子、T11はTFT、C11はコンデンサ、およびSIGは信号配線である。本実施形態においてはコンデンサC11と光電変換素子S11とは特別に素子を分離しておらず、光電変換素子S11の電極の面積を大きくすることによりコンデンサC11を形成している。これは本実施形態の光電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可能なことである。また、画素上部にはパッシベーション用窒化シリコン膜SiNとヨウ化セシウム等の蛍光体CsIが形成されている。上方よりX線(X−ray)が入射すると蛍光体CsIより光(破線矢印)に変換され、この光が光電変換素子に入射される。なお、パシベーション材や蛍光体材料は上記に限らず、本機能を有すれば、他の材料でもよい。
【0091】
次に図2乃至図4を用いて本実施形態の光電変換装置の動作について説明する。
【0092】
図4は本実施形態の動作を示すタイミングチャートである。はじめにシフトレジスタSR1およびSR2により制御配線g1〜g3、sg1〜sg3にHiが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33とスイッチM1〜M3がオンして導通し、全光電変換素子S11〜S33のD電極はGND電位になる(積分検出器Ampの入力端子はGND電位に設計されているため)。
【0093】
これと同時にシフトレジスタSR3がRFにHiを出力しスイッチSWgがオンし全光電変換素子S11〜S33のG電極はリフレッシュ用電源Vgになる。リフレッシュ用電源のVg>0を選択した場合は、先に図14で説明したVrG≧VD−VFBと同じ条件になる為、先に説明したようにVg<0を選択した図18のVrG<VD−VFBの条件と比較して突入電流が多く発生し、ノイズが増える。しかしながら光電変換素子のダイナミックレンジは増大する。その後全光電変換素子S11〜S33はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。
【0094】
つぎにシフトレジスタSR3がRFにLoを、REにHiを出力しスイッチSWgがオフし、スイッチSWsがオンし、全光電変換素子S11〜S33のG電極は読み取り用電源Vsにより負電位になる。すると全光電変換素子S11〜S33は光電変換モードになり同時にコンデンサC11〜C33は初期化される。この状態でシフトレジスタSR1およびSR2により制御配線g1〜g3、sg1〜sg3にLoが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33のスイッチM1〜M3がオフし全光電変換素子S11〜S33のD電極はDC的にはオープンになるがコンデンサC11〜C33によって電位は保持される。しかしこの時点ではX線は入射されていないため全光電変換素子S11〜S33には光は入射されず光電流は流れない。この状態でX線がパルス的出射され人体等を通過し蛍光体CsIに入射さると光に変換され、その光がそれぞれの光電変換素子S11〜S33に入射する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれている。この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれのコンデンサC11〜C33に蓄積されX線の入射終了後も保持される。つぎにシフトレジスタSR1により制御配線g1にHiの制御パルスが印加され、シフトレジスタSR2の制御配線sg1〜sg3への制御パルス印加によって転送用TFT・T11〜T33、スイッチM1〜M3を通してv1〜v3が順次出力される。これにより人体等の内部構造の二次元的情報がv1〜v9として得られる。
【0095】
その後、シフトレジスタSR3のREはLoになり、COがHiとなる。又、シストレジスタSR1およびSR2により制御配線g1〜g3、sg1〜sg3にHiが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33とスイッチM1〜M3がオンし導通し、全光電変換素子S11〜S33のD電極はGND電位になる(積分検出器Ampの入力端子はGND電位に設計されているため)。よって、全光電変換素子S11〜S33のG電極は正の電位(Vc)になり、全光電変換素子S11〜S33はフラットバンド電圧シフトモードになる。
【0096】
静止画像を得る場合はここまでの動作であるが、動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。一般に動画像を得る場合は静止画像を得る場合と比較して照射されるX線の強度は弱いが、照射時間は長い場合が多い。その為、信号光量が多くなり、大きなダイナミックレンジが必要となる。また、一般に動画像を得る場合は、おおまかな位置決めをする場合が多く、多少のノイズ等は無視できる場合が多い。よって動画像を得る場合はダイナミックレンジが大きいVrG≧VD−VFBの条件即ちVg>0を選択する方がよい。このように本実施形態においては必要とする画像毎にリフレッシュ電圧を変えることが可能となる。
【0097】
また、第1の実施形態と同様に、ほん実施形態においても、フラットバンド電圧抑制モードが、光電変換素子の第一の電極層の電圧(VrG)と第一の型のキャリアの電荷(q)との積(VrG・q)が、第二の電極層の電圧(VD)から、フラットバンド電圧(VFB)を差し引いた電圧(VD−VFB)と、第一の型のキャリアの電荷(q)との積{(VD−VFB)・q}より大きい条件、
(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)
により各層に電界を与えられる動作モードであれば、ダイナミックレンジ(D・R)を高く、S/Nの良い特性を得ることができる。
【0098】
より具体的に説明すれば、本光電変換装置の使用において、長時間駆動される状態、即ち光電変換モードでは((VrG・q)<(VD・q−VFB・q)の状態となり、光電変換素子のフラットバンド電圧が負の方向へ移動してしまう。これを戻すために、本発明においては、フラットバンド電圧シフト抑制モードを設定し、上記と反対の状態、即ち(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)の状態にすることにより、フラットバンド電圧の移動を戻し、それによりダイナミックレンジを高くすることができる。
【0099】
図1と同様に、図2においては光電変換素子100のG電極のリフレッシュ電源Vgを正の値に設定しているが、上記で説明したように突入電流を小さくする目的でリフレッシュ電源Vgを負の値で用いることも可能である。
【0100】
また、ここでは電源Vcを比較的大きな電圧を印加できる電源にすることにより、フラットバンド電圧の移動を抑制する時間即ち、SWcをオンする時間を比較的短くすることを可能とし、総合的な光電変換装置の駆動時間を短くすることが可能となる。
【0101】
本実施形態の光電変換装置は第1の実施形態と同様に、光電変換モードとリフレッシュモードとフラットバンド電圧シフト抑制モードを、順番に切り替えて駆動することが可能となり、上記で説明したフラットバンド電圧のシフトを小さくすることが可能となる。この為センサのダイナミックレンジが小さくなることを防ぐことができ、高いSN比を保ち、安定した特性を得ることが可能となる。
【0102】
本実施形態では光電変換素子のG電極が共通に接続され、この共通の配線をスイッチSWgとスイッチSWsとスイッチSWcを介してリフレッシュ用電源Vg、読み出し用電源Vs及びフラットバンド電圧抑制電源Vcに接続しているため、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電変換モード及びフラットバンド電圧抑制モードに切り換えることができる。このため複雑な制御なくして1画素あたり1個のTFTで光出力を得ることができる。
【0103】
又、本実施形態では9個の画素を3×3に二次元配置し3画素ずつ同時に、3回に分割して転送・出力したがこれに限らず、例えば縦横1mmあたり5×5個の画素を、2000×2000個の画素として二次元的に配置すれば40cm×40cmのX線検出器が得られる。これをX線フィルムの代わりにX線発生器と組み合わせ、X線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬時にその出力をCRTで映し出すことが可能で、さらに出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して目的に合わせた出力に変換することも可能である。また光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に検索することもできる。また感度もフィルムより良く人体に影響の少ない微弱なX線で鮮明な画像を得ることもできる。
【0104】
図5、図6に2000×2000個の画素を持つ検出器の実装を示す概念図を示す。2000×2000個の検出器を構成する場合、図2で示した破線内の素子を縦・横に数を増せば良いが、この場合制御配線もg1〜g2000と2000本になり信号配線SIGもsig1〜sig2000と2000本になる。またシフトレジスタSR1や検出用集積回路ICも2000本の制御・処理をしなければならず大規模となる。これをそれぞれ1チップの素子で行なうことは1チップが非常に大きくなり製造時の歩留りや価格等で不利である。そこで、シフトレジスタSR1は例えば100段ごと1個のチップに形成し、20個(SR1−1〜SR1−20)を使用すればよい。また検出用集積回路も100個の処理回路ごと1個のチップに形成し、20個(IC1〜IC20)を使用する。
【0105】
図5には左側(L)に20チップ(SR1−1〜SR1−20)と下側(D)に20チップ実装し、1チップあたり100本の制御配線、信号配線をおのおのワイヤーボンディングでチップと接続している。図5中破線部は図2の破線部に相当する。また外部への接続は省略している。また、SWg、SWs、SWx、Vg1、Vg2、RF等も省略している。集積用回路IC1〜IC20からは20本の出力(Vout)があるが、これらはスイッチ等を介して1本にまとめたり、20本をそのまま出力し並列処理すればよい。
【0106】
あるいは図6に示すように左側(L)に10チップ(SR1−1〜SR1−10)、右側(R)に10チップ(SR1−11〜SR1−20)と上側に10チップ(IC1〜10)、下側(D)に10チップ(IC11〜20)を実装してもよい。この構成は上・下・左・右側(U・D・L・R)にそれぞれ各配線を1000本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度も小さく、歩留りが向上する。配線の振り分けは左側(L)にg1,g3,g5,…g1999、右側(R)にg2,g4,g6,…g2000とし、つまり奇数番目の制御線を左側(L)、偶数番目の制御線を右側(R)に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に引き出され配線されるので密度の集中なく一層歩留りが向上する。また、上側(U)下側(D)への配線も同様に振り分ければよい。また、図示していないが別の実施形態として配線の振り分けは左側(L)にg1〜g100,g201〜g300,…g1801〜g1900、右側(R)にg101〜g200,g301〜g400,…g1901〜g2000を振り分け、つまり、1チップごと連続な制御線を振り分け、これを左・右側(L・R)交互に振り分ける。こうすると、1チップ内は連続に制御でき、駆動タイミングが楽で回路を複雑にしなくてよく安価なものが使用できる。上側(U)、下側(D)についても同様で、連続な処理が可能で安価な回路が使用できる。
【0107】
また図5、図6に示される例は共に1枚の基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上にチップを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部の回路基板とチップを実装してもよい。また、チップをフレキシブル基板上に実装して破線部の回路基板に貼り付け接線してもよい。
【0108】
またこのような非常に多くの画素をもつ大面積の光電変換装置は従来の光センサを用いた複雑な工程では不可能であったが、本発明の光電変換装置の工程は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が少なく、簡易的な工程で済むため高歩留まりが可能で低コストで大面積・高性能の光電変換装置の生産を可能としている。また、コンデンサと光電変換素子とが同じ素子内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさらに歩留まりを向上できる。
【0109】
本実施形態をまとめれば、光電変換素子を一次元または二次元的に複数個配置し、光電変換素子毎にスイッチ素子を接続すると共に、全光電変換素子を複数のnブロックに分割し、各ブロック毎に前記スイッチ素子を動作させることにより複数のnブロックに分割したn×m個の全光電変換素子の光信号をマトリクス信号配線により出力し、マトリクス信号配線の交差部が、少なくとも第一電極層、絶縁層、半導体層、第二の電極層の順の積層構造で構成され、この積層構造の各層が光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、光電変換半導体層、第二の電極層の各層と同一層から形成されており、且つ同じ膜厚であることを特徴とし、かかる構成によって、フラットバンド電圧抑制電源の供給を適切に行うことで、ダイナミックレンジ、S/N等で優れた特性を得ることができる。フラットバンド電圧抑制駆動も各ライン毎に同時に行うことができるため、読み取り時間を殆ど増加させることなく、VFB戻しを2次元的な大面積においても行うことができる。
【0110】
[実施形態3]
図7は本発明の光電変換装置を用いたシステム全体を表す模式的ブロック図である。6001はa−Siセンサ基板である。この図では複数のシフトレジスタSR1を直列に、また検出用集積回路ICも複数で駆動している。検出用集積回路ICの出力は処理回路6008内のアナログ−デジタル変換器6002に入力されデジタル化される。この出力は固定パターン補正用の引き算器6003を介してメモリ6004に記憶される。メモリ6004の中の情報はコントローラ6005により制御されバッファ6006を介し信号処理手段としてのイメージプロセッサ6007に転送され、そこで画像処理される。
【0111】
図8(a)、図8(b)は本発明をX線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び模式的断面図である。
【0112】
光電変換素子とTFTは、a−Siセンサ基板6011内に複数個形成され、シフトレジスタSR1と検出用集積回路ICが実装されたフレキシブル回路基板6010が接続されている。フレキシブル回路基板6010の逆側は回路基板PCB1、PCB2に接続されている。前記a−Siセンサ基板6011の複数枚が基台6012の上に接着され、大型の光電変換装置を構成する基台6012の下には基板6018に搭載された処理回路6019内のメモリ6014をX線から保護するため鉛板6013が実装されている。a−Siセンサ基板6011上にはX線を可視光に変換するための蛍光体6030、例えばCsIが、塗布または貼り付けられている。前述の図2で説明したX線検出方法と同じ原理に基き、この光電変換装置は、X線を検出することができる。本実施形態では図8(b)に示されるように全体をカーボンファイバー製のケース6020に収納している。
【0113】
図9は本発明の光電変換装置のX線診断システムへの応用例を示したものである。
【0114】
X線チューブ6050で発生したX線6060は患者あるいは被験者6061の胸部6062を透過し、蛍光体を上部に実装した光電変換装置6040に入射する。この入射したX線には患者6061の体内部の情報が含まれている。X線の入射に対応して蛍光体は発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換されイメージプロセッサ6070により画像処理され制御室のディスプレイ6080で観察できる。
【0115】
また、この情報は電話回線6090等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどで、ディスプレイ6081に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ6100によりフィルム6110に記録することもできる。
【0116】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電変換装置は、光電変換モードとリフレッシュモードとフラットバンド電圧シフト抑制モードを順番に切り替えて駆動することが可能となり、フラットバンド電圧のシフトを小さくすることが可能となる。この為センサのダイナミックレンジが小さくなることを防ぐことができ、高いSN比を保ち、安定した特性を得ることが可能となる。
【0117】
さらに、以上説明したように本発明によればSN比が高く、特性が安定している光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステムを提供することができる。
【0118】
また上記したような優れた特性を有する光電変換装置を利用することでより低コストで大面積・高機能・高特性のファクシミリやX線レントゲン装置を提供できる。
【図の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の光電変換装置を説明するための1ビット等価回路図である。
【図2】本発明の実施形態2の光電変換装置を説明するための概略的回路図である。
【図3】本発明の光電変換装置の一例を説明する為の模式的平面図(a)及び模式的断面図(b)である。
【図4】本発明の光電変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図5】本発明の光電変換装置の実装例を説明するための模式的配置構成図である。
【図6】本発明の光電変換装置の実装例を説明するための模式的配置構成図である。
【図7】本発明の光電変換装置を有するシステムの一例を説明するためのシステム構成図である。
【図8】X線検出用装置に適用した場合の一例を説明する模式的構成図(a)、模式的断面図(b)である。
【図9】本発明の光電変換装置を有するシステムの一例を説明するためのシステム構成図である。
【図10】発明者等が以前提案した電変換部の構成例を説明する模式的断面図(a)、及び概略的回路図(b)である。
【図11】光電変換部のエネルギー状態を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図12】発明者等が以前提案した光電変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図13】検出部の構成例を説明するための概略的回路図である。
【図14】本発明の光電変換装置を説明するための概略的回路図である。
【図15】光電変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図16】光電変換部のエネルギー状態を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図17】光電変換部のエネルギー状態を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図18】光電変換装置を説明するための概略的回路図である。
【図19】光電変換装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図20】
光電変換部のエネルギー状態を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図21】光センサの構成の一例を説明する模式的断面図である。
【図22】光センサの構成の一例を説明する模式的断面図である。
【図23】光センサのゲート絶縁膜の厚さに対する歩留まりの関係グラフである。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 下部電極
4 i層
5 n層
6,60 透明電極
7,70 絶縁層
100 光電変換素子
111 読出し用電源
112 リフレッシュ用電源
113 電源切り換えスイッチ
115 フラットバンド電圧シフト用電源
120 電流検出器
200 リフレッシュ用TFT
300 転送用TFT
400 リセット用TFT
1125 スイッチ素子
1300 転送用TFT
1400 リセット用TFT
1700 リフレッシュ用TFT
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device, a driving method thereof, and a system having the same. For example, a one-dimensional or two-dimensional photoelectric conversion device capable of performing equal-magnification reading of a facsimile, a digital copying machine, an X-ray imaging device, or the like. , A driving method thereof, and a system having the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a reading system using a reduction optical system and a CCD type sensor has been used as a reading system of a facsimile, a digital copying machine, an X-ray imaging device, or the like. In recent years, hydrogenated amorphous silicon (hereinafter referred to as “a-Si The development of a photoelectric conversion semiconductor material typified by ")" has led to the development of a so-called contact type sensor in which a photoelectric conversion element and a signal processing unit are formed on a large-area substrate and read by an information source and an optical system of the same magnification. Remarkable. In particular, a-Si can be used not only as a photoelectric conversion material but also as a thin film field effect transistor (hereinafter, referred to as “TFT”), so that a photoelectric conversion semiconductor layer and a semiconductor layer of a TFT can be formed simultaneously. It has the advantages that can be.
[0003]
FIG. 21 is a sectional view showing the configuration of a conventional optical sensor. FIGS. 21A and 21B show the layer structure of two types of optical sensors, and FIG. 21C shows a common representative driving method. FIGS. 21A and 21B both show a photodiode type optical sensor. FIG. 21A is called a PIN type, and FIG. 21B is called a Schottky type. In the figure, 1 is an insulating substrate, 2 is a lower electrode, 3 is a p-type semiconductor layer (hereinafter referred to as “p layer”), 4 is an intrinsic semiconductor layer (hereinafter referred to as “i layer”), and 5 is n-type. The semiconductor layer (hereinafter, referred to as “n layer”) and 6 are transparent electrodes. In FIG. 21B, the material of the lower electrode 2 is appropriately selected, and a Schottky barrier layer is formed so that electrons are not injected from the lower electrode 2 into the i-layer 4. Numeral 10 denotes an optical sensor which symbolizes the optical sensor, numeral 11 denotes a power source, and numeral 12 denotes a detection unit such as a current amplifier. The direction indicated by C in the optical sensor 10 is the transparent electrode 6 side in FIGS. 21A and 21B, and the direction indicated by A is the lower electrode 2 side. It is set so that a positive voltage is applied to the C side.
[0004]
Here, the operation will be briefly described. When light is incident from the direction indicated by the arrow and reaches the i-layer 4, the light is absorbed and electrons and holes are generated. Since an electric field is applied to the i-layer 4 by the power supply 11, electrons move to the transparent electrode 6 through the C-side, that is, the n-layer 5, and holes move to the A-side, that is, the lower electrode 2. Therefore, a photocurrent has flowed through the optical sensor 10. When light does not enter, neither electrons nor holes are generated in the i-layer 4, the holes in the transparent electrode 6 serve as a hole injection blocking layer for the n-layer 5, and the electrons in the lower electrode 2 correspond to the PIN pattern. In FIG. 21A, the p layer 3 functions as a Schottky barrier, and in FIG. 21B, the Schottky barrier layer functions as an electron injection preventing layer. Both electrons and holes cannot move, and no current flows. Therefore, the current changes depending on the presence or absence of the light, and if this is detected by the detection unit 12 in FIG.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been difficult to produce a low-cost photoelectric conversion device having a high SN ratio with the conventional optical sensor. The reason will be described below.
[0006]
The first reason is that both the PIN type FIG. 21 (a) and the Schottky type FIG. 21 (b) require two injection blocking layers. In the PIN sensor, the n-layer 5 which is an injection-blocking layer needs to have a property of preventing electrons from being guided to the transparent electrode 6 and also preventing holes from being injected into the i-layer 4. Further, the Schottky sensor has a characteristic that the Schottky barrier layer 4 blocks electrons from the lower electrode and blocks holes from the n-layer 5. If either of these characteristics is missed, the photocurrent will decrease, or a current when light does not enter (hereinafter referred to as “dark current”) will be generated and increased, causing a reduction in the SN ratio. The dark current itself includes noise, which is considered as noise and fluctuation called shot noise, so-called quantum noise. Even if the dark current is subtracted by the detection unit 12, the quantum noise associated with the dark current is reduced. I can't.
[0007]
Usually, in order to improve this characteristic, it is necessary to optimize the conditions for forming the i-layer 4 and the n-layer 5 and the annealing conditions after the formation. However, the p-layer 3, which is another injection-blocking layer, needs to have the same characteristics although the electron holes are reversed, and similarly, it is necessary to optimize each condition.
[0008]
Usually, the conditions for the optimization of the former n-layer and the optimization of the latter p-layer are not the same, and it is difficult to satisfy both conditions at the same time. In other words, the necessity of two injection blocking layers in the same optical sensor makes it difficult to form an optical sensor having a high SN ratio. This is the same in the Schottky type FIG. 21B. Also, in the Schottky type FIG. 21B, a Schottky barrier layer is used for one of the injection blocking layers, but this utilizes the difference in work function between the lower electrode 2 and the i-layer 4, and the lower electrode 2 The material is limited, and the influence of the localized level of the interface greatly affects the characteristics, and it is more difficult to satisfy the conditions. It has also been reported that a thin silicon or metal oxide film or nitride film of about 100 angstroms is formed between the lower electrode 2 and the i-layer 4 in order to further improve the characteristics of the Schottky barrier layer. This is to improve the effect of introducing holes to the lower electrode 2 by using the tunnel effect to prevent injection of electrons into the i-layer 4. Since the difference in work function is used, the material of the lower electrode 2 is also used. Is necessary, and the oxide film and the nitride film are limited to a very thin place of about 100 angstroms, and the thickness of the oxide film or the nitride film is limited to about 100 Å in order to utilize the opposite property of blocking the injection of electrons and the movement of holes by the tunnel effect. It is difficult to control the pod film quality and the productivity can be reduced.
[0009]
In addition, the need for two injection blocking layers lowers productivity and increases cost. This is because the characteristics of the optical sensor cannot be obtained if a defect occurs due to dust or the like in one of the two places because the injection blocking layer is important in characteristics.
[0010]
The second reason will be described with reference to FIG. FIG. 22 shows a layer structure of a field effect transistor (TFT) formed of a thin semiconductor layer. The TFT may be used as a part of a control unit when forming a photoelectric conversion device. In the figure, the same components as those in FIG. 21 are denoted by the same reference numerals. 7, a gate insulating film; and 60, an upper electrode. The formation method will be described step by step. A lower electrode 2 serving as a gate electrode, a gate insulating film 7, an i-layer 4, an n-layer 5, an upper electrode 60 serving as a source and a drain electrode are sequentially formed on an insulating substrate 1, and the upper electrode 60 is etched to form a source and a drain. After forming an electrode, the n-layer 5 is etched to form a channel portion. The characteristics of the TFT are sensitive to the state of the interface between the gate insulating film 7 and the i-layer 4 and are usually deposited continuously in the same vacuum in order to prevent the contamination.
[0011]
When a conventional optical sensor is formed on the same substrate as the TFT, this layer configuration becomes a problem, resulting in an increase in cost and a decrease in characteristics. The reason for this is that the configuration of the conventional optical sensor shown in FIG. 21 is such that the PIN type sensor shown in FIG. 21A is an electrode / p layer / i layer / n layer / electrode, and the Schottky sensor shown in FIG. This is because the TFT has a configuration of electrode / insulating film / i-layer / n-layer / electrode, whereas the configuration is electrode / i-layer / n-layer / electrode. This indicates that they cannot be formed by the same process, which leads to a decrease in yield and an increase in cost due to complexity of the process. Further, in order to make the i-layer / n-layer common, an etching step of the gate insulating layer 7 and the p-layer 3 is required, and the p-layer 3 and the i-layer of the injection blocking layers, which are important layers of the optical sensor described above. 4 cannot be formed in the same vacuum, or an important interface between the gate insulating film 7 and the i-layer 4 of the TFT is contaminated by etching of the gate insulating film, which causes deterioration of characteristics and a reduction in the SN ratio.
[0012]
In order to improve the characteristics of the above-described Schottky sensor shown in FIG. 21B, an oxide film or a nitride film formed between the lower electrode 2 and the i-layer 4 has the same film configuration in the same order. As described above, the oxide film and the nitride film need to be around 100 angstroms, and it is difficult to share them with the gate insulating film 7. FIG. 23 shows the results of experiments we have performed on the yield of the gate insulating film 7 and the TFT. When the thickness of the gate insulating film was 1000 Å or less, the yield sharply decreased. At 800 Å, the yield was about 30%, when the yield was 500 Å, the yield was 0%, and when the thickness was 250 Å, even the operation of the TFT could not be confirmed. It is obviously difficult to share the oxide film and nitride film of the optical sensor utilizing the tunnel effect with the gate insulating film of the TFT which must insulate electrons and holes, as shown by the data.
[0013]
Further, although not shown, a capacitive element (hereinafter, referred to as a “capacitor”), which is an element necessary to obtain an integrated value of electric charge and current, has the same configuration as a conventional optical sensor and has a small leakage. It is difficult to make things with special characteristics. Since the purpose of a capacitor is to accumulate electric charge between two electrodes, an intermediate layer between the electrodes must have a layer that blocks the movement of electrons and holes, whereas a conventional optical sensor has a layer between the electrodes. This is because it is difficult to obtain an intermediate layer that is thermally stable and has good characteristics with little leakage due to the use of only the semiconductor layer.
[0014]
The poor matching of the TFT or capacitor, which is an important element in the construction of the photoelectric conversion device, in terms of process or characteristics in terms of process or characteristics is caused by arranging a large number of optical sensors in one or two dimensions. Since many steps and complicated steps are required in configuring the entire system for sequentially detecting signals, the yield is extremely low, and this is a serious problem in producing a low-cost, high-performance, multifunctional device.
[0015]
[Object of the invention]
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having a high SN ratio and stable characteristics, a driving method thereof, and a system having the same.
[0016]
Specifically, the photoelectric conversion device of the present invention applies an electric field to the photoelectric conversion element in a direction opposite to that during the photoelectric conversion operation in order to suppress the movement of the flat band voltage of the photoelectric conversion element. It is an object of the present invention not to reduce the dynamic range, that is, to have a high SN ratio and stable characteristics.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having a high yield and stable characteristics and a system having the photoelectric conversion device.
[0018]
In addition, the present invention provides a photoelectric conversion device which can be formed in the same process as a TFT and can be manufactured at low cost without complicating a production process, a driving method thereof, and a system including the same. The purpose is to:
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve the above problems, and a first electrode layer on an insulating substrate, First insulating layer , Photoelectric conversion semiconductor layer, First Blocking layer, which blocks the injection of type carriers, and the second electrode layer Sequentially For photoelectric conversion devices with deposited photoelectric conversion elements You And
The following three operation modes for applying an electric field to each layer of the photoelectric conversion element,
(1) a photoelectric conversion mode in which charges are generated and accumulated according to the amount of incident light,
(2) Photoelectric conversion element Refresh mode to refresh the
(3) Flat band voltage shift suppression mode for suppressing movement of the flat band voltage of the photoelectric conversion element,
And a switch means for repeatedly operating in a predetermined order.
[0020]
Further, the present invention provides the following three operation modes for applying an electric field to each layer of the photoelectric conversion element,
(1) a photoelectric conversion mode in which charges are generated and accumulated according to the amount of incident light,
(2) a refresh mode for refreshing the charge stored in the photoelectric conversion element,
(3) Flat band voltage shift suppression mode for suppressing movement of the flat band voltage of the photoelectric conversion element,
Are switched by a switch means, and the three operation modes are repeatedly operated in a fixed order.
[0021]
Further, the present invention provides Of the present invention Photoelectric conversion device A phosphor provided on the photoelectric conversion device for converting incident X-rays into light, an X-ray source for generating the X-rays, Signal processing means for processing a signal from a photoelectric conversion device, recording means for recording a signal from the signal processing means, display means for displaying a signal from the signal processing means, and the signal processing means Transmission means for transmitting signals from When, A system having:
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
[Embodiment 1]
Prior to the description of the first embodiment of the present invention, a prior art Japanese Patent Application No. 6-313392, which was previously proposed by the inventors, and a refresh operation thereof will be described.
[0024]
FIGS. 10A and 10B are a schematic layer configuration diagram and a schematic circuit diagram of a photoelectric conversion device, respectively, for explaining a photoelectric conversion element of a photoelectric conversion device previously proposed by the present inventors. is there.
[0025]
In FIG. 10A, 1 is an insulating substrate made of glass or the like, and 2 is a lower electrode made of A1 or Cr. Reference numeral 70 denotes an insulating layer formed of silicon nitride (SiN) or the like which blocks passage of both electrons and holes. The thickness of the insulating layer is 500 Å, which is so small that electrons and holes cannot pass due to the tunnel effect. -More than Reference numeral 4 denotes a photoelectric conversion semiconductor layer formed of an intrinsic semiconductor i-layer of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H). Reference numeral 5 denotes a hole for preventing injection of a hole into the photoelectric conversion semiconductor layer 4 from the transparent electrode 6 side. -Si n + The injection blocking layer and the transparent electrode 6 formed of a layer are formed of a compound containing indium or tin, such as ITO, or an oxide.
[0026]
In FIG. 10B, reference numeral 100 denotes a symbol of the photoelectric conversion element shown in FIG. 10A, wherein D denotes an electrode on the transparent electrode 6 side, and G denotes an electrode on the lower electrode 2 side. Reference numeral 120 denotes a detection unit that detects a current flowing through the photoelectric conversion element 100, 110 denotes a power supply unit, and the power supply unit 110 includes a positive power supply 111 that applies a positive potential to the D electrode and a negative power supply 112 that applies a negative potential. Is configured by a switch 113 for changing the setting. The switch 113 is controlled so as to be connected to the negative power supply 112 on the refresh side in the refresh mode and to the positive power supply 111 on the read side in the photoelectric conversion mode.
[0027]
Here, the operation of the photoelectric conversion element 100 will be described. FIGS. 11A and 11B are energy band diagrams of the photoelectric conversion unit showing the operation of the refresh mode and the photoelectric conversion mode of the photoelectric conversion element 100, respectively, and the thickness of each layer of the photoelectric conversion element. It shows the state of the direction.
[0028]
In the refresh mode (a) shown in FIG. 11A, since the D electrode is given a negative potential with respect to the G electrode, the hole indicated by the black circle in the i-layer 4 is caused by the electric field. Guided to the electrodes. At the same time, electrons indicated by white circles are injected into the i-layer 4. At this time, some of the holes and electrons recombine in the n-layer 5 and the i-layer 4 and disappear. If this state continues for a sufficiently long time, the holes in the i-layer 4 are swept out of the i-layer 4.
[0029]
In this state, when the photoelectric conversion mode (b) of FIG. 11B is reached, the D electrode is given a positive potential with respect to the G electrode, so that the electrons in the i layer 4 are instantaneously guided to the D electrode. . However, the hole is not led to the i-layer 4 because the n-layer 5 functions as an injection blocking layer. When light enters the i-layer 4 in this state, the light is absorbed and electron-hole pairs are generated. These electrons are guided to the D electrode by the electric field, and the hole moves in the i-layer 4 and reaches the interface of the insulating layer 70. However, since it cannot move into the insulating layer 70, it stays in the i-layer 4. At this time, the electrons move to the D electrode, and the holes move to the interface of the insulating layer 70 in the i-layer 4, so that a current flows from the G electrode to the detection unit 120 in order to maintain electrical neutrality in the device. This current is proportional to the incident light because it corresponds to the electron-hole pair generated by the light.
[0030]
After the photoelectric conversion mode (b) is maintained for a certain period, when the state is changed to the refresh mode (a) again, the holes remaining in the i-layer 4 are led to the D electrode as described above. At the same time, a charge corresponding to the hole flows to the detection unit 120. The amount of the hole corresponds to the total amount of light incident during the photoelectric conversion mode period, and the charge flowing to the detection unit 120 corresponds to the total amount of light. At this time, a charge corresponding to the amount of electrons injected into the i-layer 4 also flows, but since this amount is approximately constant, it may be detected by subtracting it.
[0031]
That is, the photoelectric conversion unit 100 can output the amount of light incident in real time and also output the total amount of light incident in a certain period. This can be said to be a great feature of the configuration example proposed by the inventors before. The detection unit 120 may detect either one of the flow of electrons or the flow of holes or both depending on the purpose. Further, FIG. 11C shows a state diagram obtained after a while from FIG. 11B when the illuminance of the incident light is strong, as described later.
[0032]
Here, the operation of the photoelectric conversion device proposed by the inventors before will be described with reference to FIG.
[0033]
FIG. 12 is a timing chart of the operation in the photoelectric conversion device of FIG. In the figure, Vdg is the potential of the D electrode with respect to the G electrode of the photoelectric conversion unit 100, P indicates the state of light incidence, and is on when light is incident and off when no light is incident. That is, it shows a dark state. IS indicates the current flowing into the detection unit 120, and the horizontal axis indicates the passage of time.
[0034]
First, when the switch 113 is connected in the refresh direction, the refresh mode is entered, Vdg becomes a negative voltage, holes are swept out as shown in FIG. 11A, and electrons are injected into the i-layer 4. Accordingly, a negative rush current E indicated by E in FIG. Thereafter, the refresh mode ends, and when the switch 113 is connected in the read direction, electrons in the i-layer 4 are swept out, a positive rush current E 'flows, and the photoelectric conversion mode is entered. At this time, if light is incident, a photocurrent A indicated by A flows. If the operation is the same, and the lamp is in the dark state, no current flows as indicated by A '. Therefore, if the photocurrent A is integrated directly or for a certain period, the incidence of light can be detected.
[0035]
When the switch 113 is connected in the refresh direction from the state A, the rush current B flows. This amount is reflected in the total amount of light incident during the immediately preceding photoelectric conversion mode period, and the rush current B may be integrated or a value equivalent to integration may be obtained. If no light is incident in the immediately preceding photoelectric conversion mode, the rush current becomes small as B ', and if the difference is detected, the incidence of light can be detected. Further, since the inrush currents E ′ and E ″ described above are approximately equal to the inrush current B ′, they may be subtracted from the inrush current B.
[0036]
Further, even in the same photoelectric conversion mode period, if the light incident state changes, the current IS changes as indicated by C and C '. Even if this is detected, the incident state of light can be detected. In other words, this indicates that it is not always necessary to set the refresh mode every time a detection opportunity occurs. However, for some reason, if the period of the photoelectric conversion mode is long or the illuminance of the incident light is strong, the current may not flow even though light is incident as indicated by D. This is because, as shown in FIG. 11C, a large number of holes remain in the i-layer 4 and the electric field in the i-layer 4 is reduced due to the holes, so that the generated electrons are not conducted to the D electrode. This is because they are recombined with the holes inside. If the state of light incidence changes in this state, the current may flow in an unstable manner. However, when the refresh mode is set again, holes in the i-layer 4 are swept out, and in the next photoelectric conversion mode, A ″ is obtained. A current equal to A is obtained.
[0037]
In the above description, the incident light has been described as being constant. However, the currents of A, B, and C continuously change depending on the intensity of the incident light. It goes without saying that it can be detected.
[0038]
Further, in the above description, when the holes in the i-layer 4 are to be swept out in the refresh mode, it is ideal to sweep out all the holes. Alternatively, the value does not change from that in the case of sweeping out all in C, and there is no problem. In addition, by sweeping out so that a constant amount always remains, the amount of light can be quantitatively detected also by the B current. In other words, it is sufficient that the current value does not reach the state of D, that is, the state of FIG. 11C at the detection opportunity in the next photoelectric conversion mode, the voltage of Vdg in the refresh mode, the period of the refresh mode, and the n-layer 5. The characteristics of the injection blocking layer may be determined.
[0039]
Further, in the refresh mode, injection of electrons into the i-layer 4 is not a necessary condition, and the voltage of Vdg is not limited to a negative value. A part of the hole may be swept out of the i-layer 4. This is because, when many holes remain in the i-layer 4, even if Vdg is a positive voltage, the electric field in the i-layer 4 is applied in a direction to guide the holes to the D electrode. Similarly, the characteristics of the injection blocking layer of the n-layer 5 are not a necessary condition that electrons can be injected into the i-layer 4.
[0040]
FIGS. 13 (a), 13 (b), 13 (c), and 13 (d) show calibration examples of the detection unit. Reference numeral 121 denotes an ammeter represented by a current Amp, 122 denotes a voltmeter, 123 denotes a resistor, 124 denotes a capacitor, 125 denotes a switch element, and 126 denotes an operational amplifier.
[0041]
FIG. 13A directly detects a current, and the output of the ammeter 121 is a voltage or an amplified current. FIG. 13B shows that a current is passed through the resistor 123 and a voltage is detected by the voltmeter 122. FIG. 13C shows that the electric charge is accumulated in the capacitor 124 and the voltage is detected by the voltmeter 122. In FIG. 13D, the operational amplifier 126 detects the integrated value of the current as a voltage. In FIGS. 13C and 13D, the switch element 125 plays a role of giving an initial value for each detection, and can be replaced with a high-resistance resistor depending on the detection method.
[0042]
The ammeter or the voltmeter may be composed of a transistor, an operational amplifier in which the transistor is combined, a resistor, a capacitor, and the like, and may operate at a high speed. The detection unit is not limited to these four types, and it is sufficient if the current or charge can be detected directly or the integrated value can be detected. A detector that detects the current or voltage value, a resistor, a capacitor, and a switch element are combined, and a plurality of The conversion units may be configured to output simultaneously or sequentially.
[0043]
When a line sensor or an area sensor is configured, the potentials of, for example, 1000 or more photoelectric conversion units are controlled in a matrix in combination with wirings and switch elements of a power supply unit, detected, and output as electric signals. In this case, if a part of the switch element, the capacitor, and the resistor are formed on the same substrate as the photoelectric conversion unit, it is advantageous in terms of the SN ratio and the cost. In this case, the photoelectric conversion unit of the configuration example proposed by the inventors et al. Has the same film configuration as the TFT, which is a typical switch element, so that it can be formed simultaneously in the same process, and at low cost and high cost. A photoelectric conversion device having an SN ratio can be realized.
[0044]
Next, a difference in characteristics of the photoelectric conversion device depending on the refresh voltage value in the refresh mode will be described with reference to a photoelectric conversion device previously proposed by the present inventors.
[0045]
FIG. 14 is a 1-bit equivalent circuit diagram of a photoelectric conversion device including a TFT 1700 and a power supply 1115, and FIG. 15 is a timing chart showing the operation.
[0046]
Here, a description will be given with reference to a 1-bit equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device shown in FIG. 14, which is a refresh case in which a positive potential is applied to the G electrode of the photoelectric conversion element 100 via the TFT 1700. The potential of the D electrode of the photoelectric conversion element 100 is designed to be VD by the power supply 114, and the potential of the G electrode during the refresh operation is set to VrG by the power supply 1115.
[0047]
First, a case where the potential (Vo) of the G electrode of the photoelectric conversion element 100 is refreshed to be higher than the potential (VD) of the D electrode (V0 = VrG ≧ VD) as shown in FIG. When refreshed to such a state, all of the holes remaining in the i-layer 4 of the photoelectric conversion element 100 and the holes trapped in the interface defects existing at the interface between the i-layer 4 and the insulating layer 70 become D electrodes. Completely swept out. Conversely, electrons flow from the D electrode into the i-layer 4 at this time, and a part thereof is trapped by an interface defect existing at the interface between the i-layer 4 and the insulating layer 70. Hereinafter, this current is referred to as a negative inrush current B, B ′. After the refresh operation is completed, when the potential of the G electrode of the photoelectric conversion element 100 is initialized to the GND potential or the like, all the electrons trapped in the i-layer 4 and at the interface defects are swept out to the D electrode. Hereinafter, this current is referred to as positive inrush currents E and E '. Since the interface defect existing at the interface between the i-layer 4 and the insulating layer 70 generally has a deep energy level, the energy for moving electrons and holes existing at the interface defect position, and the electrons and holes from other positions to the interface defect position. Is relatively high in energy, and the apparent mobility is low. Therefore, it takes several tens of microseconds to several seconds until the positive rush current becomes zero, that is, until all the electrons trapped in the interface defect are swept out to the D electrode, and the G electrode reset operation ends. Even a large inrush current flows. As a result, the charge accumulated in the capacitance of the G electrode includes the charge due to the rush current which is a noise component, and as a result, the S / N ratio is reduced by the charge.
[0048]
The above reason will be further described in detail with reference to FIGS. 14, Pa, Pb, Pc, and Pd indicate timings of pulses for driving the switch element 1125, the transfer TFT 1300, the refresh TFT 1700, and the reset TFT 1400 in FIG. Here, H indicates a high level that turns on each driving element. Generally, a crystalline silicon semiconductor switching element uses + 5v to + 12v, and an a-Si TFT uses + 8v to + 15v. In general, L is often 0 V. As shown by arrows in FIG. 14, Is and V0 indicate the current flowing in the direction of the arrow and the potential of the G electrode when the photoelectric conversion element 100 is irradiated with a constant signal light, respectively. FIG. 15 shows Is and V0 when the pulse width of Pa to Pd is 20 μs.
[0049]
In FIG. 15, the G electrode potential V0 of the photoelectric conversion element 100 is kept at a constant high potential from the rising of the refresh pulse Pc to the rising of the reset pulse of Pd. Therefore, it is considered that a positive inrush current is not generated during the period, and the electrons trapped in the interface defect are swept out only when the Pd pulse rises. Positive inrush current has occurred. It takes about 80 to 100 microseconds in the device manufactured by the inventors until the positive inrush current attenuates and becomes almost zero. Therefore, at the time of the falling edge of the Pd pulse which starts to accumulate signal charges in the capacitance of the G electrode. , A large amount of positive rush current is generated, and the charges and voltage values in the hatched portions in the figure are accumulated as noise components. As a result, the accumulated S / N ratio is reduced. As a method of reducing the positive inrush current, it is conceivable to lengthen the time of the Pd initialization pulse. However, there is a limit to the time, and increasing the time lengthens the signal reading time of the entire device. This causes a reduction in the speed of the device, that is, a decrease in performance.
[0050]
Next, the conditions of the applied voltage when the photoelectric conversion element 100 is refreshed will be described with reference to FIG. FIG. 16 is an energy band diagram of the photoelectric conversion element 100. Each electrode (D electrode and G electrode) at both ends is in an open state. The photoelectric conversion element 100 has a generally-known MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure, and a state in which the total capacity is relatively small (depression state) and a state in which the total capacity is relatively large (depression state) depending on the voltage conditions applied to the electrodes at both ends. (Accumulation state) appears.
[0051]
Although both ends of each device in FIG. 16 are open, the energy band diagram in FIG. 16B is the same as the energy band diagram in the depletion state, and the energy band diagram in FIG. 16C is the energy band in the accumulation state. Same as the band diagram.
[0052]
In general, the MIS type capacitor has a state shown in FIG. 16A immediately after fabrication, that is, a state in which the band of the i-layer is flat (flat band voltage VFB = 0 V) or a state shown in FIG. ≧ VFB> 0V) in many cases. Further, by applying a voltage to both ends of the MIS capacitor, VFB can be set to any positive or negative value to some extent.
[0053]
When the one-bit circuit shown in FIG. 10 is driven at the timing shown in FIG. 12, the refresh time can be shorter than the photoelectric conversion time. When two-dimensionally arranging photoelectric conversion elements and performing matrix driving, as the number of photoelectric conversion elements increases, the ratio between the refresh time and the photoelectric conversion time increases.
[0054]
It is generally known that the flat band voltage VFB of the MIS capacitor largely depends on the electric field, time, and temperature. However, the photoelectric conversion element in the photoelectric conversion device of the present invention has a positive flat band voltage VFB during refresh. , And conversely, during photoelectric conversion, the flat band voltage VFB moves in the negative voltage direction.
[0055]
Therefore, in the photoelectric conversion element in the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 10 of the present invention, the flat band voltage VFB eventually moves in the negative voltage direction, and the dynamic range of the photoelectric conversion element is reduced. Then, the SN ratio of the photoelectric conversion device becomes small, and stable characteristics cannot be obtained.
[0056]
Further, conditions of a voltage value that causes a positive inrush current (a long decay time and a large current value) are summarized below. First, when the flat band voltage VFB of the i-layer of the photoelectric conversion element 100 is zero, the potential of the G electrode during refresh (VrG) is higher than the potential of the D electrode (VD), that is, if VrG> VD, The positive rush current of the problem that has occurred flows.
[0057]
When the flat band voltage VFB of the i-layer of the photoelectric conversion element 100 is not zero, the potential of the G electrode (VrG) at the time of refresh is higher than the voltage value obtained by subtracting VFB from the potential of the D electrode (VD), that is, If VrG ≧ VD−VFB, the positive rush current of the problem described above flows.
[0058]
The above mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 17 is an energy band diagram of the photoelectric conversion element 100 when VrG ≧ VD-VFB, and shows a state in a thickness direction of each layer from the lower electrode 2 to the transparent electrode 6 in FIG. In FIG. 17A of the refresh operation, since the D electrode is given a negative potential with respect to the G electrode, holes indicated by black circles in the i layer 4 are guided to the D electrode by an electric field. At the same time, electrons indicated by white circles are injected into the i-layer 4. The holes trapped in the interface defects between the i-layer 4 and the insulating layer 70 take a certain amount of time to be led to the D electrode, and some of the electrons injected into the i-layer 4 have a certain time. Is trapped in interface defects between the i-layer 4 and the insulating layer 70. At this time, some holes and electrons recombine in the n-layer 5 and the i-layer 4 and disappear. If this state continues for a sufficiently long time, holes in the i-layer 4 are swept out of the i-layer 4. In this state, when the photoelectric conversion operation is as shown in FIG. 17B, a positive potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode, so that electrons in the i layer 4 are instantaneously guided to the D electrode. The electrons trapped in the interface defects between the i-layer 4 and the insulating layer 70 are led to the D electrode with some time. The electrons trapped by this interface defect are the cause of the inrush current of the problem described above. Here, the holes are not guided to the i-layer 4 because the n-layer 5 functions as an injection blocking layer. When light enters the i-layer 4 in this state, the light is absorbed and electron-hole pairs are generated. These electrons are guided to the D electrode by the electric field, and the holes move in the i-layer 4 and reach the interface between the i-layer 4 and the insulating layer 70. However, since they cannot move into the insulating layer 70, they stay in the i-layer 4. FIG. 17C shows a state after the photoelectric conversion operation shown in FIG. 17B is maintained for a certain period.
[0059]
Next, the dynamic range (D · R) of the photoelectric conversion element 100 under such refresh conditions will be described. When D · R of the photoelectric conversion element 100 illustrated in FIG. 14 is represented by a charge amount, D · R = VrG × Cs. Here, Cs is the capacitance of the photoelectric conversion element 100. Therefore, the dynamic range (DR) of the photoelectric conversion element 100 increases as the refresh voltage VrG increases. Therefore, when a large amount of signal light is applied to the photoelectric conversion element 100, a large signal amount due to the light can be obtained, so that the SN ratio increases.
[0060]
Next, a case where the voltage is refreshed below the potential (V0) of the G electrode of the photoelectric conversion element 100 (VrG <VD-VFB) will be described.
[0061]
FIG. 18 is a schematic equivalent circuit diagram of one bit of the photoelectric conversion device. FIG. 19 is a timing chart when the photoelectric conversion device of FIG. 18 is actually driven.
[0062]
In FIG. 18, the portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. The difference between the schematic equivalent circuit shown in FIG. 14 and the schematic equivalent circuit shown in FIG. 18 is the size of the power supply 1115 connected to the TFT 1700. Here, since the photoelectric conversion element 100 has the same structure as that of FIG. 10A, the injection blocking layer between the i-layer and the second electrode layer is n-type, and the injection is blocked. Carrier is a hall. Therefore, assuming that the charge of one carrier whose injection is blocked is q, q> 0 also in this case.
[0063]
In FIG. 18, the signal detection unit includes a detection unit indicated by a dotted line in FIG. 18, a TFT 1300, and a unit that applies a high-level pulse Pb.
[0064]
FIG. 18 differs from FIG. 14 in that the potential VrG of the power supply 1115 that applies a positive potential to the G electrode in the refresh operation of the photoelectric conversion element 100 is lower than the potential VD of the power supply 114 that applies a positive potential to the D electrode. The only thing that does. More specifically, since the photoelectric conversion element 100 has a flat band voltage (VFB) applied to the G electrode to flatten the energy band of the i-layer, actually, in the example of FIG. 14, VrG ≧ VD −VFB, whereas in FIG. 18, VrG <VD
It is driven in the state of -VFB.
[0065]
Next, the operation of the photoelectric conversion device in the state of VrG <VD-VFB will be described with reference to FIG. 19 differs from FIG. 15 in the current IS of the photoelectric conversion element 100 and the behavior of the potential V0 of the G electrode due to the current IS.
[0066]
In FIG. 19, when a refresh pulse of Pc rises and a voltage VrG (VrG <VD-VFB) is applied to the G electrode of the photoelectric conversion element 100, a part of the holes remaining in the i-layer of the photoelectric conversion element 100 is removed. It is swept out to the D electrode. At this time, it is considered that almost all of the holes trapped by the interface defect between the i-layer and the insulating layer remain as they are. At this time, the amount of electrons flowing into the i-layer from the D-electrode is equal to or less than the amount of some holes swept out to the D-electrode, but the electric field in the i-layer has a low potential on the G-electrode side. Therefore, it is considered that the number of electrons trapped by the interface defect between the i-layer and the insulating layer is almost zero. Therefore, in the IS of FIG. 19, only a small negative rush current is generated when the refresh pulse of Pc rises, and the decay time is short. FIG. 19 shows that the voltage V0 of the G electrode from the rising of the refresh pulse of Pc to the rising of the reset electrode of Pd is almost equal to VrG, and the potential is lower than VD-VFB.
[0067]
Next, when the G electrode reset pulse rises and the G electrode of the photoelectric conversion element 100 is grounded to GND, all the electrons remaining in the i-layer flow out to the D electrode. At this time, since no electrons exist at the interface defect between the i-layer and the insulating layer, it is considered that the electrons flow out in a small amount and instantaneously. At this time, it seems that holes existing in the interface defects hardly move. Thus, when the Pd G electrode reset pulse rises, IS generates only a small positive rush current, and the decay time is short. If the operation from the rising to the falling of the Pd G electrode reset pulse is performed in about 20 microseconds, the rush current becomes almost zero at the time of the falling of the Pd pulse which starts the photoelectric conversion operation as shown in the figure. Therefore, almost all charges starting to be accumulated from the falling edge of the pulse of Pd become charges due to the signal light incident on the photoelectric conversion element 100, and reading out the signal voltage makes it possible to obtain information with a high SN ratio. .
[0068]
The basic mechanism in the configuration example proposed by the inventors before will be further described below with reference to the drawings.
[0069]
FIGS. 20A to 20C are energy band diagrams illustrating the operation of the photoelectric conversion element 100 in the case of VrG <VD-VFB, and are the energy bands illustrated in FIGS. 17A to 17C. It corresponds to the figure.
[0070]
In FIG. 20A of the refresh operation, since a positive potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode, a part of the hole indicated by a black circle in the i layer 4 is guided to the D electrode by an electric field. . At the same time, electrons indicated by white circles are injected into the i-layer 4. Here, the holes trapped by the interface defects between the i-layer 4 and the insulating layer 70 hardly move, and the electrons are not trapped by the interface defects.
[0071]
In this state, when the photoelectric conversion operation is as shown in FIG. 20B, a larger negative potential is applied to the G electrode with respect to the D electrode, so that the electrons in the i-layer 4 are instantaneously guided to the D electrode. Since almost no electrons are trapped in the photoelectric conversion device of FIG. 14 described above, there is almost no rush current which becomes a problem.
[0072]
FIG. 20C shows a state after FIG. 20B of the photoelectric conversion operation is maintained for a certain period.
[0073]
As described above, when refreshing to the condition of VrG <VD-VFB, since there is almost no electron at the interface defect between the i-layer 4 and the insulating layer 70, it is not necessary to spend a long time for the electron to enter and exit. As a result, it is possible to greatly reduce the rush current that becomes a noise component.
[0074]
However, under such a refresh condition, the dynamic range (D · R) of the photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 18 is D · R = VrG × Cs, and VrG is larger than that in the case of VrG ≧ VD−VFB. The dynamic range in the case of <VD-VFB is reduced. Therefore, when the signal processing is large, the charges generated by the signal light are saturated, and the S / N ratio is lowered.
[0075]
Here, in the photoelectric conversion device proposed by the inventors and the like, items for maintaining the SN ratio and stabilizing the characteristics will be described again.
[0076]
When the one-bit circuit shown in FIG. 10 is driven at the timing shown in FIG. 12, the refresh time can be shorter than the photoelectric conversion time. When two-dimensionally arranging photoelectric conversion elements and performing matrix driving, the ratio between the refresh time and the photoelectric conversion time increases as the number of photoelectric conversion elements increases.
[0077]
It is generally known that the flat band voltage VFB of the MIS capacitor largely depends on the electric field, time, and temperature. However, the photoelectric conversion element in the photoelectric conversion device of the present invention has a positive flat band voltage VFB during refresh. , And conversely, during photoelectric conversion, the flat band voltage VFB moves in the negative voltage direction.
[0078]
Therefore, in the photoelectric conversion element in the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 10 of the present invention, the flat band voltage VFB eventually moves in the negative voltage direction, and the dynamic range of the photoelectric conversion element is reduced. Then, the SN ratio of the photoelectric conversion device becomes small, and stable characteristics cannot be obtained.
[0079]
In view of the above points, embodiments newly devised in the present invention are as follows.
[0080]
FIG. 1 is a 1-bit equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. 10B indicate the same components.
[0081]
10B is different from FIG. 10B in that a power supply 115 for suppressing the movement of the flat band voltage (VFB) of the photoelectric conversion element 100 is added, and an electric field opposite to that in the photoelectric conversion mode when the photoelectric conversion element 100 is in the photoelectric conversion mode is added. A power supply 115 is arranged to be applied.
[0082]
In FIG. 1, in the photoelectric conversion mode, a power supply 111 is applied to the D electrode of the photoelectric conversion element 100 to apply a positive voltage to read out photoelectric conversion charges, and then in a refresh mode, a negative voltage of the power supply 112 is applied to apply a negative voltage. The remaining charge stored in the conversion element and not read out is discharged, and then a large negative voltage is applied as a flat band voltage shift suppression mode to discharge the remaining charge of the photoelectric conversion element, thereby reducing the amount of light. , And an accurate charge can be read out in a short period of time, and an image signal with a high S / N can be obtained. Here, the refresh power supply 112 of the D electrode of the photoelectric conversion element 100 is set to a negative value, but the refresh power supply 112 can be used with a positive value for the purpose of reducing the inrush current as described above. It is.
[0083]
Further, here, by using the power supply 115 as a power supply to which a relatively large voltage can be applied, the time for suppressing the movement of the flat band voltage, that is, the time for connecting the power supply 115 to the movable contact of the switch 113 is relatively shortened. This makes it possible to shorten the overall driving time of the photoelectric conversion device.
[0084]
With such a circuit, the photoelectric conversion element 100 is capable of suppressing the photoelectric conversion mode (the state where the switch 113 is connected to the read side), the refresh mode (the state where the switch 113 is connected to the refresh side), and the flat band voltage shift. The mode (the state in which the switch 113 is connected to the compensation side) can be sequentially switched for driving, and the shift of the flat band voltage described above can be reduced. For this reason, it is possible to prevent the dynamic range of the sensor from being reduced, maintain a high SN ratio, and obtain stable characteristics.
[0085]
In other words, in the case of the flat band voltage shift suppression mode, the flat band voltage suppression mode is the product of the voltage (VrG) of the first electrode layer of the photoelectric conversion element and the charge (q) of the first type carrier (q). VrG · q) is the product of the voltage (VD−VFB) obtained by subtracting the flat band voltage (VFB) from the voltage (VD) of the second electrode layer, and the charge (q) of the first type carrier (q). (VD-VFB) · q}
(VrG · q) ≧ (VD · q−VFB · q)
Means an operation mode in which an electric field is applied to each layer.
[0086]
More specifically, in use of the present photoelectric conversion device, in a state where the photoelectric conversion device is driven for a long time, that is, in the photoelectric conversion mode, ((VrG · q) <(VD · q−VFB · q)), In the present invention, the flat band voltage shifts in the negative direction. In order to restore this, the flat band voltage shift suppression mode is set in the present invention, and the state opposite to the above, that is, (VrG · q) ≧ (VD Q-VFB.q) returns the movement of the flat band voltage, thereby preventing the dynamic range from lowering.
[0087]
[Embodiment 2]
FIG. 2 is an overall circuit diagram showing a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 3A is a plan view of each element corresponding to one pixel in this embodiment, and FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line AB in FIG.
[0088]
In FIG. 2, S11 to S33 are photoelectric conversion elements, in which the lower electrode side is denoted by G and the upper electrode side is denoted by D. C11 to C33 are storage capacitors, and T11 to T33 are transfer TFTs. Vs is a read power supply, Vg is a refresh power supply, and Vc is a flat band voltage shift suppression power supply. Each power supply is connected to the G electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 via a switch SWs, a switch SWg, and a switch SWc. It is connected. Here, the potential of each power supply applied to the G electrode of the sensor is set as Vc>Vg>0> Vs. The switches SWs, SWg, and SWc are directly connected to the shift register SR3, and the switches SWs, SWg, and SWc are controlled so as not to be turned on at the same time. The ON time of each switch can be set arbitrarily.
[0089]
One pixel includes one photoelectric conversion element, a capacitor, and a TFT, and a signal output thereof is connected to the integrated circuit IC for detection by a signal wiring SIG. The photoelectric conversion device of the present embodiment divides a total of nine pixels into three blocks, simultaneously transfers the outputs of three pixels per block, and sequentially converts and outputs the outputs through the signal wiring SIG by the detection integrated circuit IC ( Vout). Each pixel is two-dimensionally arranged by arranging three pixels in one block in the horizontal direction and sequentially arranging the three blocks in the vertical direction.
[0090]
In FIG. 3, a portion surrounded by a broken line is formed on the same insulating substrate having a large area. A plan view of a portion corresponding to the first pixel is shown in FIG. FIG. 3B is a cross-sectional view of a portion indicated by a broken line AB in the drawing. S11 is a photoelectric conversion element, T11 is a TFT, C11 is a capacitor, and SIG is a signal wiring. In the present embodiment, the capacitor C11 and the photoelectric conversion element S11 are not particularly separated from each other, and the capacitor C11 is formed by increasing the area of the electrode of the photoelectric conversion element S11. This is possible because the photoelectric conversion element and the capacitor of the present embodiment have the same layer configuration. In addition, a phosphor CsI such as a passivation silicon nitride film SiN and cesium iodide is formed above the pixel. When an X-ray (X-ray) enters from above, the phosphor CsI converts the X-ray into light (broken arrow), and this light enters the photoelectric conversion element. Note that the passivation material and the phosphor material are not limited to those described above, and other materials may be used as long as they have this function.
[0091]
Next, the operation of the photoelectric conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0092]
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the present embodiment. First, Hi is applied to the control lines g1 to g3 and sg1 to sg3 by the shift registers SR1 and SR2. Then, the transfer TFTs T11 to T33 and the switches M1 to M3 are turned on to conduct, and the D electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 are set to the GND potential (the input terminal of the integration detector Amp is designed to the GND potential. Because).
[0093]
At the same time, the shift register SR3 outputs Hi to RF, the switch SWg turns on, and the G electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 become the refresh power supply Vg. When Vg> 0 of the refresh power supply is selected, the condition is the same as that of VrG ≧ VD−VFB described above with reference to FIG. 14, so that VrG <VD in FIG. 18 where Vg <0 is selected as described above. As compared with the condition of −VFB, more inrush current occurs, and noise increases. However, the dynamic range of the photoelectric conversion element increases. After that, all the photoelectric conversion elements S11 to S33 enter the refresh mode and are refreshed.
[0094]
Next, the shift register SR3 outputs Lo to RF and Hi to RE, switches SWg are turned off, switches SWs are turned on, and the G electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 are set to a negative potential by the reading power supply Vs. Then, all the photoelectric conversion elements S11 to S33 enter the photoelectric conversion mode, and the capacitors C11 to C33 are initialized at the same time. In this state, Lo is applied to the control wires g1 to g3 and sg1 to sg3 by the shift registers SR1 and SR2. Then, the switches M1 to M3 of the transfer TFTs T11 to T33 are turned off, and the D electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 are opened in terms of DC, but the potential is held by the capacitors C11 to C33. However, at this time, since no X-rays have been incident, no light is incident on all the photoelectric conversion elements S11 to S33, and no photocurrent flows. In this state, when X-rays are emitted in a pulsed manner, pass through a human body or the like and enter the phosphor CsI, they are converted into light, and the light enters the respective photoelectric conversion elements S11 to S33. This light contains information on the internal structure of the human body and the like. The photocurrent flowing by this light is accumulated as electric charges in the respective capacitors C11 to C33, and is retained even after the end of X-ray incidence. Next, a control pulse of Hi is applied to the control line g1 by the shift register SR1, and v1 to v3 are passed through the transfer TFTs T11 to T33 and the switches M1 to M3 by applying control pulses to the control lines sg1 to sg3 of the shift register SR2. Output sequentially. Thereby, two-dimensional information on the internal structure of the human body or the like is obtained as v1 to v9.
[0095]
Thereafter, RE of the shift register SR3 becomes Lo, and CO becomes Hi. Hi is applied to the control wirings g1 to g3 and sg1 to sg3 by the cyst registers SR1 and SR2. Then, the transfer TFTs T11 to T33 and the switches M1 to M3 are turned on to conduct, and the D electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 have the GND potential (the input terminal of the integration detector Amp is designed to have the GND potential). For). Therefore, the G electrodes of all the photoelectric conversion elements S11 to S33 have a positive potential (Vc), and all the photoelectric conversion elements S11 to S33 are in the flat band voltage shift mode.
[0096]
The above operation is performed when a still image is obtained, but the above operation is repeated when a moving image is obtained. In general, when a moving image is obtained, the intensity of the irradiated X-ray is weaker than when a still image is obtained, but the irradiation time is often long. Therefore, the signal light amount increases, and a large dynamic range is required. In general, when obtaining a moving image, rough positioning is often performed, and in some cases, some noise or the like can be ignored. Therefore, when obtaining a moving image, it is better to select the condition of VrG ≧ VD−VFB, that is, Vg> 0, which has a large dynamic range. As described above, in the present embodiment, the refresh voltage can be changed for each required image.
[0097]
In the same manner as in the first embodiment, also in the embodiment, the flat band voltage suppression mode is such that the voltage (VrG) of the first electrode layer of the photoelectric conversion element and the charge (q) of the first type carrier are set. (VrG · q) is the voltage (VD−VFB) obtained by subtracting the flat band voltage (VFB) from the voltage (VD) of the second electrode layer, and the charge (q) of the first type carrier. Condition larger than the product {(VD−VFB) · q}
(VrG · q) ≧ (VD · q−VFB · q)
Therefore, if the operation mode is such that an electric field can be applied to each layer, a dynamic range (D · R) can be increased and characteristics with good S / N can be obtained.
[0098]
More specifically, in the use of the present photoelectric conversion device, in a state of being driven for a long time, that is, in the photoelectric conversion mode, ((VrG · q) <(VD · q−VFB · q), and the photoelectric conversion is performed. In order to return the flat band voltage of the device to the negative direction, in the present invention, the flat band voltage shift suppression mode is set in the present invention, and the state opposite to the above, that is, (VrG · q) ≧ ( VD · q−VFB · q), the movement of the flat band voltage can be returned, and the dynamic range can be increased.
[0099]
As in FIG. 1, the refresh power supply Vg for the G electrode of the photoelectric conversion element 100 is set to a positive value in FIG. 2, but as described above, the refresh power supply Vg is set to a negative value in order to reduce the inrush current. Can also be used.
[0100]
Further, here, by using the power supply Vc as a power supply to which a relatively large voltage can be applied, the time for suppressing the movement of the flat band voltage, that is, the time for turning on the SWc can be made relatively short, and the overall photoelectric The driving time of the converter can be shortened.
[0101]
As in the first embodiment, the photoelectric conversion device of the present embodiment can be driven by sequentially switching between the photoelectric conversion mode, the refresh mode, and the flat band voltage shift suppression mode. Can be reduced. For this reason, it is possible to prevent the dynamic range of the sensor from being reduced, maintain a high SN ratio, and obtain stable characteristics.
[0102]
In the present embodiment, the G electrodes of the photoelectric conversion elements are commonly connected, and this common wiring is connected to the refresh power supply Vg, the read power supply Vs, and the flat band voltage suppression power supply Vc via the switches SWg, SWs, and SWc. Accordingly, all the photoelectric conversion elements can be simultaneously switched to the refresh mode, the photoelectric conversion mode, and the flat band voltage suppression mode. Therefore, an optical output can be obtained with one TFT per pixel without complicated control.
[0103]
Further, in the present embodiment, nine pixels are two-dimensionally arranged in 3 × 3 and three pixels are simultaneously transferred and output by dividing three times, but the present invention is not limited to this. For example, 5 × 5 pixels per 1 mm in length and width are used. Are two-dimensionally arranged as 2000 × 2000 pixels, an X-ray detector of 40 cm × 40 cm can be obtained. If this is combined with an X-ray generator instead of an X-ray film to constitute an X-ray radiograph, it can be used for a chest X-ray examination or breast cancer examination. Then, unlike a film, the output can be instantly projected on a CRT, and the output can be converted to digital, processed by a computer and converted into an output suitable for the purpose. It can also be stored on a magneto-optical disk, and past images can be searched instantaneously. Further, the sensitivity is better than that of a film, and a clear image can be obtained with weak X-rays having little effect on the human body.
[0104]
5 and 6 are conceptual diagrams showing the implementation of a detector having 2000 × 2000 pixels. In the case of configuring 2000 × 2000 detectors, the number of elements within the broken line shown in FIG. 2 may be increased in the vertical and horizontal directions. In this case, the number of control wirings is g1 to g2000 and the number of signal wirings SIG is also 2000. sig1 to sig2000 and 2,000. In addition, the shift register SR1 and the integrated circuit IC for detection also need to control and process 2,000 lines, resulting in a large scale. Performing this process using one chip element is disadvantageous in terms of yield, cost, and the like during manufacture because one chip becomes very large. Therefore, the shift register SR1 may be formed on one chip for every 100 stages, for example, and 20 (SR1-1 to SR1-20) may be used. Also, the detection integrated circuit is formed on one chip for every 100 processing circuits, and 20 (IC1 to IC20) are used.
[0105]
In FIG. 5, 20 chips (SR1-1 to SR1-20) are mounted on the left side (L) and 20 chips are mounted on the lower side (D), and 100 control wirings and signal wirings per chip are connected to the chip by wire bonding. Connected. 5 corresponds to the broken line in FIG. Connection to the outside is omitted. Also, SWg, SWs, SWx, Vg1, Vg2, RF, etc. are omitted. Although there are 20 outputs (Vout) from the integration circuits IC1 to IC20, these may be integrated into one via a switch or the like, or may be output as they are and processed in parallel.
[0106]
Alternatively, as shown in FIG. 6, 10 chips (SR1-1 to SR1-10) on the left side (L), 10 chips (SR1-11 to SR1-20) on the right side (R) and 10 chips (IC1 to 10) on the upper side. Alternatively, 10 chips (ICs 11 to 20) may be mounted on the lower side (D). In this configuration, since each wiring is distributed to 1000 lines each in the upper, lower, left and right sides (UDD, L, R), the density of the wiring on each side is reduced, and the wire bonding of each side is reduced. The density is small, and the yield is improved. .. G2000 on the left (L) and g2, g4, g6,... G2000 on the right (R), that is, the odd-numbered control lines are on the left (L) and the even-numbered control lines. To the right (R). In this case, the wirings are drawn out at equal intervals and wired, so that the yield is further improved without concentration. In addition, the wiring to the upper side (U) and the lower side (D) may be similarly allocated. Although not shown, as another embodiment, wiring distribution is performed on the left side (L) as g1 to g100, g201 to g300,. g2000, that is, a continuous control line is distributed for each chip, and the control lines are distributed left and right (LR) alternately. In this way, the inside of one chip can be controlled continuously, the drive timing is easy, the circuit is not complicated, and an inexpensive device can be used. The same applies to the upper side (U) and the lower side (D), and an inexpensive circuit capable of continuous processing can be used.
[0107]
In each of the examples shown in FIGS. 5 and 6, after forming a circuit indicated by a broken line on one substrate, a chip may be mounted on the substrate, or a circuit indicated by a broken line may be mounted on another large substrate. A substrate and a chip may be mounted. Alternatively, the chip may be mounted on a flexible substrate and attached to the circuit board indicated by a broken line to make a tangential connection.
[0108]
Further, such a large-area photoelectric conversion device having a very large number of pixels was impossible with a complicated process using a conventional optical sensor, but the process of the photoelectric conversion device of the present invention uses common elements. Since the film is formed at the same time, the number of steps is small, and a simple step is enough. Therefore, a high yield can be achieved, and a large-area, high-performance photoelectric conversion device can be produced at low cost. Further, the capacitor and the photoelectric conversion element can be configured in the same element, and the number of elements can be substantially reduced by half, and the yield can be further improved.
[0109]
To summarize the present embodiment, a plurality of photoelectric conversion elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, a switch element is connected for each photoelectric conversion element, and all the photoelectric conversion elements are divided into a plurality of n blocks. By operating the switch element every time, optical signals of all n × m photoelectric conversion elements divided into a plurality of n blocks are output by a matrix signal wiring, and an intersection of the matrix signal wiring is at least a first electrode layer. , An insulating layer, a semiconductor layer, and a second electrode layer in this order. Each layer of the stacked structure is a first electrode layer, an insulating layer, a photoelectric conversion semiconductor layer, and a second electrode layer of a photoelectric conversion element. This layer is formed from the same layer as each layer and has the same film thickness. With this configuration, by appropriately supplying a flat band voltage suppression power supply, the dynamic range, S / N In it is possible to obtain excellent characteristics. Since flat band voltage suppression driving can be performed simultaneously for each line, VFB return can be performed even in a two-dimensional large area without substantially increasing the reading time.
[0110]
[Embodiment 3]
FIG. 7 is a schematic block diagram showing the entire system using the photoelectric conversion device of the present invention. Reference numeral 6001 denotes an a-Si sensor substrate. In this figure, a plurality of shift registers SR1 are driven in series, and a plurality of integrated circuits IC for detection are also driven. The output of the detection integrated circuit IC is input to an analog-to-digital converter 6002 in the processing circuit 6008 and digitized. This output is stored in the memory 6004 via the fixed pattern correction subtracter 6003. The information in the memory 6004 is controlled by the controller 6005, transferred to the image processor 6007 as signal processing means via the buffer 6006, and subjected to image processing there.
[0111]
FIGS. 8A and 8B are a schematic configuration diagram and a schematic cross-sectional view when the present invention is applied to a photoelectric conversion device for X-ray detection.
[0112]
A plurality of photoelectric conversion elements and TFTs are formed in an a-Si sensor substrate 6011, and a shift register SR1 and a flexible circuit substrate 6010 on which a detection integrated circuit IC is mounted are connected. The opposite side of the flexible circuit board 6010 is connected to the circuit boards PCB1 and PCB2. A plurality of the a-Si sensor substrates 6011 are bonded on a base 6012, and a memory 6014 in a processing circuit 6019 mounted on a substrate 6018 is mounted under the base 6012 constituting a large-sized photoelectric conversion device. A lead plate 6013 is mounted for protection from wires. On the a-Si sensor substrate 6011, a phosphor 6030 for converting X-rays into visible light, for example, CsI is applied or pasted. This photoelectric conversion device can detect X-rays based on the same principle as the X-ray detection method described with reference to FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 8B, the whole is housed in a case 6020 made of carbon fiber.
[0113]
FIG. 9 shows an application example of the photoelectric conversion device of the present invention to an X-ray diagnostic system.
[0114]
X-rays 6060 generated by the X-ray tube 6050 pass through the chest 6062 of the patient or subject 6061 and enter a photoelectric conversion device 6040 on which a phosphor is mounted. The incident X-ray contains information on the inside of the body of the patient 6061. The phosphor emits light in response to X-ray incidence, and photoelectrically converts the light to obtain electrical information. This information is converted into digital data, image-processed by an image processor 6070, and can be observed on a display 6080 in the control room.
[0115]
Further, this information can be transferred to a remote place by a transmission means such as a telephone line 6090, and can be displayed on a display 6081 or stored in a storage means such as an optical disk in a doctor room at another place. Diagnosis is also possible. Further, it can be recorded on a film 6110 by a film processor 6100.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, the photoelectric conversion device of the present invention can be driven by sequentially switching between the photoelectric conversion mode, the refresh mode, and the flat band voltage shift suppression mode, and can reduce the shift of the flat band voltage. It becomes. For this reason, it is possible to prevent the dynamic range of the sensor from being reduced, maintain a high SN ratio, and obtain stable characteristics.
[0117]
Further, as described above, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device having a high SN ratio and stable characteristics, a driving method thereof, and a system having the same.
[0118]
In addition, by using a photoelectric conversion device having the above-described excellent characteristics, a facsimile or an X-ray X-ray apparatus having a large area, high performance, and high characteristics can be provided at lower cost.
[Brief explanation of the figure]
FIG. 1 is a 1-bit equivalent circuit diagram for explaining a photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic circuit diagram for explaining a photoelectric conversion device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic plan view (a) and a schematic cross-sectional view (b) for explaining an example of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 4 is a timing chart illustrating an example of the operation of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic layout diagram for explaining a mounting example of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic layout diagram for explaining a mounting example of the photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 7 is a system configuration diagram for explaining an example of a system having a photoelectric conversion device of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are a schematic configuration diagram (a) and a schematic cross-sectional view (b) illustrating an example when applied to an X-ray detection device.
FIG. 9 is a system configuration diagram for explaining an example of a system having the photoelectric conversion device of the present invention.
FIGS. 10A and 10B are a schematic cross-sectional view and a schematic circuit diagram illustrating a configuration example of a power conversion unit previously proposed by the inventors.
FIG. 11 is an energy band diagram for explaining an energy state of a photoelectric conversion unit.
FIG. 12 is a timing chart for explaining an example of the operation of the photoelectric conversion device proposed by the inventors before.
FIG. 13 is a schematic circuit diagram illustrating a configuration example of a detection unit.
FIG. 14 is a schematic circuit diagram for explaining a photoelectric conversion device of the present invention.
FIG. 15 is a timing chart illustrating an example of an operation of the photoelectric conversion device.
FIG. 16 is an energy band diagram for explaining an energy state of a photoelectric conversion unit.
FIG. 17 is an energy band diagram for explaining an energy state of a photoelectric conversion unit.
FIG. 18 is a schematic circuit diagram illustrating a photoelectric conversion device.
FIG. 19 is a timing chart illustrating an example of the operation of the photoelectric conversion device.
FIG.
FIG. 4 is an energy band diagram for explaining an energy state of a photoelectric conversion unit.
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a configuration of an optical sensor.
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a configuration of an optical sensor.
FIG. 23 is a graph showing the relationship between the thickness of the gate insulating film of the optical sensor and the yield.
[Explanation of symbols]
1 insulating substrate
2 Lower electrode
4 i-layer
5 n layers
6,60 transparent electrode
7,70 insulating layer
100 photoelectric conversion element
111 Reading power supply
112 Power supply for refresh
113 Power switch
115 Flat band voltage shift power supply
120 current detector
200 TFT for refresh
300 TFT for transfer
400 TFT for reset
1125 switch element
1300 Transfer TFT
1400 Reset TFT
1700 Refresh TFT

Claims (6)

絶縁基板上に、第一の電極層、第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を順次堆積した光電変換素子を有する光電変換装置において、
前記光電変換素子の各層に電界を与える以下の三つの動作モード、
(1)入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換モード、
(2)光電変換素子をリフレッシュするリフレッシュモード、
(3)光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制するフラットバンド電圧シフト抑制モード、
を一定の順序で繰り返し動作させる為のスイッチ手段を有することを特徴とする光電変換装置。
On an insulating substrate, a first electrode layer, a first insulating layer , a photoelectric conversion semiconductor layer, an injection blocking layer for preventing injection of a first type carrier into the semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially deposited. Photoelectric conversion device having a photoelectric conversion element,
The following three operation modes for applying an electric field to each layer of the photoelectric conversion element,
(1) a photoelectric conversion mode in which charges are generated and accumulated according to the amount of incident light,
(2) a refresh mode for refreshing the photoelectric conversion element ,
(3) Flat band voltage shift suppression mode for suppressing movement of the flat band voltage of the photoelectric conversion element,
Characterized by having switch means for repeatedly operating in a predetermined order.
前記フラットバンド電圧シフト抑制モードが、前記光電変換素子の第一の電極層の電圧(VrG)と前記第一の型のキャリアの電荷(q)との積(VrG・q)が第二の電極層の電圧(VD)から、フラットバンド電圧(VFB)を差し引いた電圧(VD−VFB)と前記第一の型のキャリアの電荷(q)との積{(VD−VFB)・q}より大きい条件{(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)}により各層に電界を与えられる動作モードであることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。In the flat band voltage shift suppression mode, the product (VrG · q) of the voltage (VrG) of the first electrode layer of the photoelectric conversion element and the charge (q) of the first type carrier is the second electrode. It is larger than the product {(VD-VFB) .q} of the voltage (VD-VFB) obtained by subtracting the flat band voltage (VFB) from the voltage (VD) of the layer and the charge (q) of the carrier of the first type. 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the operation mode is an operation mode in which an electric field is applied to each layer according to a condition {(VrG · q) ≧ (VD · q−VFB · q)}. 前記光電変換素子を一次元または二次元的に複数個配置し、前記光電変換素子毎に前記スイッチ素子を接続すると共に、全光電変換素子を複数のnブロックに分割し、各ブロック毎に前記スイッチ素子を動作させることにより前記複数のnブロックに分割したn×m個の全光電変換素子の光信号をマトリクス信号配線により出力し、前記マトリクス信号配線の交差部が、少なくとも第一電極層、絶縁層、半導体層、第二の電極層の順の積層構造で構成され、この積層構造の各層が前記光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、光電変換半導体層、第二の電極層の各層と同一層から形成されており、且つ同じ膜厚であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。A plurality of the photoelectric conversion elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the switch elements are connected for each of the photoelectric conversion elements, and all the photoelectric conversion elements are divided into a plurality of n blocks, and the switch is provided for each block. By operating the element, the optical signals of all the n × m photoelectric conversion elements divided into the plurality of n blocks are output by the matrix signal wiring, and the intersection of the matrix signal wiring is formed by at least the first electrode layer and the insulating layer. A layer, a semiconductor layer, and a second electrode layer in the order of lamination. Each layer of the lamination structure is a first electrode layer, an insulating layer, a photoelectric conversion semiconductor layer, and a second electrode layer of the photoelectric conversion element. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the photoelectric conversion device is formed of the same layer as each layer and has the same thickness. 請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置上に設けられ、入射するX線を光に変換する蛍光体と、前記X線を発生させるX線源と、前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段からの信号を記録する為の記録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示する為の表示手段と、前記信号処理手段からの信号を電送するための電送手段と、を有することを特徴とするシステム。A photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, a phosphor provided on the photoelectric conversion device for converting incident X-rays into light, and an X-ray source for generating the X-rays. a signal processing means for processing signals from the photoelectric conversion device, and a recording means for recording a signal from said signal processing means, and display means for displaying the signal from said signal processing means, said signal system characterized by having a electrical transmission means for electrical transmission of the signal from the processing means. 絶縁基板上に、第一の電極層、第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を順次堆積した光電変換素子を有する光電変換装置において、
前記光電変換素子の各層に電界を与える以下の三つの動作モード、
(1)入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換モード、
(2)光電変換素子内に蓄積された電荷をリフレッシュするリフレッシュモード、
(3)光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制するフラットバンド電圧シフト抑制モード、
をスイッチ手段により切り替え、さらに前記三つの動作モードを一定の順序で繰り返し動作させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
On an insulating substrate, a first electrode layer, a first insulating layer , a photoelectric conversion semiconductor layer, an injection blocking layer for preventing injection of a first type carrier into the semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially deposited. Photoelectric conversion device having a photoelectric conversion element,
The following three operation modes for applying an electric field to each layer of the photoelectric conversion element,
(1) a photoelectric conversion mode in which charges are generated and accumulated according to the amount of incident light,
(2) a refresh mode for refreshing the charge stored in the photoelectric conversion element,
(3) Flat band voltage shift suppression mode for suppressing movement of the flat band voltage of the photoelectric conversion element,
And a switch means, and the three operation modes are repeatedly operated in a fixed order.
前記フラットバンド電圧シフト抑制モードが、前記光電変換素子の第一の電極層の電圧(VrG)と前記第一の型のキャリアの電荷(q)との積(VrG・q)が第二の電極層の電圧(VD)から、フラットバンド電圧(VFB)を差し引いた電圧(VD−VFB)と前記第一の型のキャリアの電荷(q)との積{(VD−VFB)・q}より大きい条件{(VrG・q)≧(VD・q−VFB・q)}により前記各層に電界を与えられる動作モードであることを特徴とする請求項5に記載の光電変換装置の駆動方法。In the flat band voltage shift suppression mode, the product (VrG · q) of the voltage (VrG) of the first electrode layer of the photoelectric conversion element and the charge (q) of the first type carrier is the second electrode. It is larger than the product {(VD-VFB) .q} of the voltage (VD-VFB) obtained by subtracting the flat band voltage (VFB) from the voltage (VD) of the layer and the charge (q) of the first type carrier. 6. The driving method for a photoelectric conversion device according to claim 5, wherein the operation mode is an operation mode in which an electric field is applied to each of the layers according to a condition {(VrG · q) ≧ (VD · q−VFB · q)}.
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