JP6137522B2 - 光電変換装置のリセット方法と、光電変換装置、光電変換アレイ、および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光強度、光波長などの光情報、光学像を、電流若しくは電圧又はデジタルデータを含む電子情報に変換する光電変換装置に関し、特に、性能が改善された光電変換装置に関する。本発明は更に、本発明を適用した光電変換セル、それをアレイ構成とした光電変換アレイ及びそれから構成される撮像装置に関するものである。

本発明はフォトトランジスタのベースを電気的に浮遊状態として該フォトトランジスタのベースを流れる光電流を一定時間蓄積して電気信号として読出す利用技術において、ベースに蓄積していた電位または電荷が読出時に完全に排出されない場合、読出後にベースに残留した電位または電荷をリセットする（初期状態にもどす）必要があった。該フォトトランジスタが撮像装置の構成要素として用いられる場合はこの残留電位または電荷は残像として撮像プロセスに悪影響を与えた。

これを解決する手段として、フォトトランジスタのベースに電極を設け、読出後に該ベース電極を通してベース電位を一定値にリセットする方法が開示されている（特許文献１）。さらに、当該特許文献１の第２頁右下欄第７乃至１０行では、「また、エミッタまたはベースのリセット電位を、信号線のリセット電位よりもコレクタ電位に近くすることにより露光量に対する出力の直線性を改善するものである」と述べている。

しかし、露光量ゼロにたいしても出力が得られるようにコレクタ電位に近いリセット電位を選ぶと、ベースライン出力があるため微小光量に対する感度が得られなくなるという問題が内在していた。一方、リセット電位をコレクタ電位から遠くして、露光量ゼロにたいして出力が得られないようにすると微小光量に対する出力も得られなくなってしまう。後者の問題は特許文献１においても指摘されているがそれでは最適リセット電位について具体的知見は開示されていない。さらに、実際はベース電位の絶対値ではなく、ベース・エミッタ間電圧の設定が本質的であるのに、ベース・エミッタ電圧についてのリセット方法も、最適ベース・エミッタ電圧についても具体的知見は開示されていない。

また、上記リセット機構のために必要なスイッチ回路、配線が光電変換装置の面積を増大するという問題があった。さらに特許文献１記載のベース電極を設けることはベース暗電流を増加させる原因となり、かつフォトトランジスタの光照射面に陰を形成して効率を落とし、また、光電変換装置の面積を増大させるという問題もあった。

一方、フォトトランジスタのベースを電気的に浮遊状態として該フォトトランジスタのベース・コレクタ接合を流れる光電流をベースに接続されている電気容量（ベース・コレクタ間接合容量、ベース浮遊容量等）に一定時間充放電して蓄積電気量の変化を電気信号として読み出す場合、光強度が該蓄積時間（上記一定時間に相当、積分時間ともいう）に対して大きいと、該ベースに接続されている電気容量の電圧変化が大きくなりすぎて、該ベース・コレクタ接合には該光電流が順方向に流れるようになり、深い順方向電圧にバイアスされ、該ベース・コレクタ接合を構成する互いに逆導電型の２つの半導体領域の中にそれぞれ過剰少数キャリアが蓄積されるため、該ベース・コレクタ接合を逆バイアス方向へスイッチングしようとすると、少数キャリアの寿命（lifetime）に関連した「飽和時間」と呼ばれる時間の間は逆バイアスにスイッチングされる時間が遅れて応答速度が損なわれるという問題があった。この現象を飽和現象という。

ベース・コレクタ接合が深い順方向電圧にバイアスされるのを防ぐ技術−飽和制御技術としては、該ベース・コレクタ接合にショットキ（Schottky）接合を並列接続する技術が知られていた（特許文献２参照）。同じ電流がベース・コレクタ接合に流れる場合とショットキ接合に流れる場合とで、順方向電圧がショットキ接合のほうが小さいのでほとんどの電流がベース・コレクタ接合でなく、並列に接続されているショットキ接合に流れて、ベース・コレクタ接合が深くバイアスされるのを防ぐことができる。しかし、ショットキ接合の逆方向電流がベース・コレクタ接合と桁違いに大きいので光電変換素子としての総合的な暗電流が増加し高感度光電変換装置には使用できなかった。

特開平１−１９８１８３号公報 特公昭４７−１８５６１号公報

本発明では上記の問題点である。
１．ベース・エミッタリセット電圧設定の方法と最適電圧の提供、
２．ベース電極の除去、
３．リセット機能のために使用され、光電変換装置の面積を増大させるスイッチ回路、配線を活用した、飽和制御技術の提供、を課題とする。
該飽和制御技術はベース・コレクタ接合が「深い順方向電圧にバイアスされる」、いわゆる飽和状態を防止するが、前記ベース・コレクタ接合の逆方向電流にショットキ接合の逆方向電流ほど大きくならない技術である。

なお本発明では「深い順方向電圧にバイアスされる」とは、順方向に該光電流がすべて前記ベース・コレクタ接合へ流れたときの前記ベース・コレクタ接合の順方向電圧状態を指し、たとえば光電流の１／１０以下しか流れない状態では、上記飽和時間も１／１０程度に改善されるので、問題が改善されたとみなす。その場合の前記ベース・コレクタ接合の順方向電圧は該「深い順方向電圧にバイアスされた」状態より２．３ＫＴ／ｑ（＝常温で約６０ｍＶ）だけ小さい。放置しておけばｐｎ接合が深い順方向電圧にバイアスされる環境で、前記ベース・コレクタ接合をこの深い順方向電圧よりも２．３ｋＴ／ｑだけ小さく順方向バイアスされた状態、および、前記ベース・コレクタ接合をゼロバイアスまたは逆バイアス状態に保つことを「飽和制御」と本発明では呼ぶ。ここで、ここでｋはボルツマン（Boltzmann）定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である。

また第１導電型の第１半導体領域に接して逆導電型の第２半導体領域を設けることでこの前記ベース・コレクタ接合を形成した場合、この蓄積された過剰少数キャリアは前記ベース・コレクタ接合の位置から該第１半導体領域の中に少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。同様に第２半導体領域の中にもこの蓄積された過剰少数キャリアは前記ベース・コレクタ接合から少数キャリアの拡散長の範囲に広がる。なお、少数キャリアの拡散長はキャリアの種類（電子または正孔）、半導体領域の電気特性によって異なる。したがって第１半導体領域と第２半導体領域では拡散長の値は異なる。

更に、この拡散長の距離に光電変換機能を有する別の第２ベース・コレクタ接合を設けると、該別の第２ベース・コレクタ接合近傍に光が当たっていなくても該別の第２ベース・コレクタ接合に電流がながれ、あたかも該第２ベース・コレクタ接合の位置にも光が当たっているかのような誤動作を生ずる。この問題は第１半導体領域中に多くの光電変換機能を有するベース・コレクタ接合など光電変換素子を配列して光電変換素子アレイを形成し、撮像装置を作った場合に、映像のボケを生じ、等価的に解像度が落ちた結果となる。

本発明では前記リセット機構のために光電変換装置の面積を増大させるスイッチ回路、配線を活用したこの映像のボケ、解像度の等価的な劣化を改善することも課題とする。

なお、飽和を起こす過剰少数キャリア（電荷）蓄積と、電子情報としての光電流によるベース電気容量（たとえばベース・コレクタ間接合容量Ｃｂｃ、ベース・エミッタ間接合容量Ｃｂｅ、ベース・接地間容量Ｃｂｓｔ）での充放電とは別の現象である。本発明では光電流によるベース電気容量の充電、または放電の結果生ずるベース電気容量の電荷量変化を光蓄積電荷と呼ぶ。

本発明では上記課題を解決するために次の各技術を提供する。
ベース電位とエミッタ電位を同時にリセットする時間帯を設けることにより、ベース・エミッタ間電圧が意図した値にリセットされる方法としては次の方法が提供される。また、フォトトランジスタの暗電流の増大とベース電極によるシャドウイングによる光−電子情報変換効率の減少、光電変換装置全体の占有面積の増加を改善する方法も提供される。
この具体構造の一つが（５）で提供される。
（１）第１コレクタ、第１ベース、第１エミッタを有するフォトトランジスタと、
第１ソース、第１ドレイン、第１ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ベースと該第１電界効果トランジスタの第１ソースまたは第１ドレインの一方とが共通領域または連続領域を有することでベース電極を設けることなしに接続され、
該第１ソース、第１ドレインの他方へベースリセット電位が供給される光電変換装置のリセット方法であって、
該第１エミッタへ第１エミッタ電位を供給している時間と、該第１ゲートへ該第１電界効果トランジスタをオンとする第１オン電位を供給する時間とが重複する時間を有し、
前記ベースリセット電位は、前記第１エミッタ電位に前記フォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は前記フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が前記フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
ことを特徴とする光電変換装置のリセット方法。

前記ベースリセット電位は目的に応じた値をとりうるが、感度を最大限確保するために望ましいベースリセット電位は上述のとおりである。

（２）前記第１エミッタ電位は読出時に供給される参照電位であることを特徴とする（１）記載の光電変換装置のリセット方法。
前記光電荷は増幅された電荷またはその充放電電流として前記フォトトランジスタのコレクタまたはエミッタから読み出すことができる。その読出時にエミッタに供給する電位を本発明では参照電位と呼ぶ。

前記フォトトランジスタの第１エミッタに前記第２トランジスタの第２ベースを接続したときは前記第２エミッタに、さらに前記第２トランジスタのエミッタに前記第３トランジスタの第３ベースを接続したときは前記第３エミッタに前記参照電位を供給する。このとき光電荷または光電流の読み出しは第２または第３トランジスタの第２エミッタ、第３エミッタからさらに増幅した形でおこなわれる。この場合でも前記フォトトランジスタの第１コレクタからも可能である。

（３）（１）記載の光電変換装置は前記フォトトランジスタにさらに第２トランジスタが設けられ、該第２トランジスタは第２ベースと第２エミッタを有し、
前記フォトトランジスタの第１エミッタは該第２トランジスタの第２ベースへ接続され、
前記第１エミッタ電位は該第２エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置のリセット方法。

（４）（３）記載の光電変換装置は前記フォトトランジスタにさらに第３トランジスタが設けられ、該第３トランジスタは第３ベースと第３エミッタを有し、
前記第２トランジスタの第２エミッタは該第３トランジスタの第３ベースへ接続され、
前記第１エミッタ電位は該第３エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置のリセット方法。
なお、（３）、（４）の場合、感度を最大限確保するためには、前記第１エミッタ電位は次の値をとることが望ましい。第２トランジスタを接続した場合には、前記参照電位と前記フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が前記フォトトランジスタにより増幅され、前記第２トランジスタの第２ベース・エミッタに流れたときの第２ベース・エミッタ電圧の和が前記第１エミッタ電位である。更に、第３トランジスタを接続した場合は、増幅された暗電流がさらに第２トランジスタにより増幅されそれが第３トランジスタのベース・エミッタへ流れたときの第３ベース・エミッタ電圧が上記の「和」に更に加えられた値が前期エミッタ電位となる。

該第１ベースと該第１電界効果トランジスタの第１ソース、第１ドレインの一方とが共通領域または連続領域（下記第２半導体領域）を有することでベース電極を設けることなしに接続される構造は下記に構造例が提供される。
（５）第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域と、
少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第５半導体領域へ第１エミッタ電位を供給している時間と、
該第３半導体領域へベースリセット電位が供給され、かつ、
該第１ゲートへ該第２、第３半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を供給している時間とが重複する時間を有し、
該ベースリセット電位は、該第１エミッタ電位に、該第１半導体領域を第１コレクタ、該第２半導体領域を第１ベース、該第５半導体領域を第１エミッタとするフォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は該フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が該フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
ことを特徴とする光電変換装置。

（６）第１導電型を有する第１半導体領域と、
該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、該第２半導体領域に連続し第３半導体領域と離間して設けられた逆導電型の第４半導体領域と、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域と、
少なくとも該第３、第４半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第３、第４半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
該第５半導体領域へ第１エミッタ電位を供給している時間と、
該第３半導体領域へベースリセット電位が供給され、かつ、
該第１ゲートへ該第３、第４半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を供給している時間とが重複する時間を有し、
該ベースリセット電位は、該第１エミッタ電位に、該第１半導体領域を第１コレクタ、該第２半導体領域を第１ベース、該第５半導体領域を第１エミッタとするフォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は該フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が該フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
ことを特徴とする光電変換装置。

（７）前記第１エミッタ電位は読出時に供給される参照電位であることを特徴とする（５）または（６）記載の光電変換装置。

（８）（５）または（６）記載の光電変換装置はさらに前記第２半導体領域と離間して前記第１半導体領域に接して設けられた逆導電型の第６半導体領域と該第６半導体領域に接して設けられた第１導電型の第７半導体領域とからなり、
該第６半導体領域は前記第５半導体領域に電気接続され、
前記第１エミッタ電位は第７半導体領域へ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。

（９）（８）記載の光電変換装置はさらに前記第２半導体領域および第６半導体領域と離間して前記第１半導体領域に接して設けられた逆導電型の第８半導体領域と該第８半導体領域に接して設けられた第１導電型の第９半導体領域とからなり、
該第８半導体領域は前記第７半導体領域に電気接続され、
前記第１エミッタ電位は第９半導体領域へ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。

（１０）（５）または（６）、（８）または（９）記載の光電変換装置は更に、
前記第１半導体に接して設けられた逆導電型の第１０半導体領域と、
前記第１半導体領域に接し、該第１０半導体領域と離間して設けられた逆導電型の第１１半導体領域と、
少なくとも該第１０、第１１半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第２絶縁膜と、該第２絶縁膜上に該第１０、第１１半導体領域を橋渡すごとく設けた第２ゲートから成り、
該第１０半導体領域は第５半導体領域、または第７半導体領域、または第９半導体領域に接続され、参照電位が該第１１半導体領域に供給され、該第２ゲートに供給された第２オン電位により該第１０、第１１半導体領域間の第１半導体領域表面にチャネルまたは電流路が形成され、該参照電位が該第１０半導体領域へ該チャネルまたは電流路をとおして供給され、結果として第５半導体領域へ第１エミッタ電位が供給されることを特徴とする光電変換装置。

前記ベースリセット電位は、フォトトランジスタの第１エミッタ電位と前記フォトトランジスタのベース暗電流に対応するベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧の和で作られることが望ましい。第１エミッタ電位は前記（１）記載の具体例としては参照電位、前記（２）のように第２トランジスタを設けた場合は第２エミッタの電位（具体例としては参照電位）から供給される第１エミッタ電位、前記（４）のように第３トランジスタを設けた場合は第３エミッタの電位（具体例としては参照電位）から供給される。

さらにベースリセット電位は前記光電変換装置の温度変化にしたがって最適な変換をすることが望ましい。これを実現するために、次のベースリセット電位発生装置が提供される。
（１１）第１導電型の第１半導体領域（１０１）の一部をコレクタ、該第１半導体領域の表面に接して設けられた逆導電型の第２半導体領域（１０２）を第１ベース、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域（１０５）を第１エミッタとするフォトトランジスタ（１１００）と同様なベース、エミッタ構造および寸法を有し、遮光手段が設けられた第２フォトトラジスタを少なくとも設け、
該第２フォトトラジスタのエミッタに第１エミッタ電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。
なお、前記フォトトラジスタと同様なベース、エミッタ構造および寸法を有するとは、同じ面積密度のベース電流を流した時に前記フォトトランジスタと±ｋＴ／ｑの誤差範囲で同じベース・エミッタ電圧となる構造および寸法を言う。

（１２）（１１）記載のベースリセット電位発生装置においてさらに第４ベースと第４エミッタを有する第４トランジスタを設け、該第２フォトトラジスタのエミッタを該第４ベースへ接続し、該第４エミッタに読み出し時に供給される参照電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。

（１３）（１２）記載のベースリセット電位発生装置においてさらに第５ベースと第５エミッタを有する第５トランジスタを設け、第４トランジスタの第４エミッタを該第５ベースへ接続し、該第５エミッタに読み出し時に供給される参照電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。

（１１）、（１２）、（１３）はそれぞれ（１）、（２）、（３）、および（４）記載の光電変換装置のリセット方法に使用される。また、（１１）、（１２）、（１３）はそれぞれ（５）または（６）に基づく（７）、（８）、（９）記載の光電変換装置のベースリセット電位として使用される。通常このリセット電圧発生装置はインピーダンスが高いので、バッファ回路を介して請求項（１）から（９）記載の光電変換装置の第１ソース、第１ドレインの他方へ供給される。該バッファ回路は電圧利得１で、該バッファ回路のオフセット電圧と電圧利得誤差は総合してｋＴ／ｑ程度の誤差が許容される。
なお、該第２フォトトラジスタ、第４、第５トランジスタは前記フォトトランジスタと同一チップ上に前記フォトトランジスタと同時に作製されることが望ましい。

リセット機能のために使用され、光電変換装置の面積を増大させるスイッチ回路、配線を飽和制御に活用した光電変換装置としては、下記の光電変換装置が提供される。
（１４）第１コレクタ、第１ベース、第１エミッタを有するフォトトランジスタと、
第１ソース、第１ドレイン、第１ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
該第１ベースと該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが共通領域または連続した領域を有することでベース電極を設けることなしに接続され、
該第１ドレインへ前記ベースリセット電位が供給され、
該第１エミッタへ前記第１エミッタ電位が供給され、次いで、
該第１ゲートへ該第１電界効果トランジスタがオンとなる第１オン電位が供給されたあと、
該第１ゲートへ飽和制御電位が供給され、
該第１エミッタ電位は、読み出し時に供給される参照電位であり、
該第１ドレインへ第１ドレイン電位が供給されることを特徴とする光電変換装置。

前記飽和制御電位は、前記フォトトランジスタの第１コレクタ電位＋前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧Ｖｔｈ、から参照電位までの電位で、参照電位から遠いほうが光蓄積電荷の上限は大きくなる。

前記第１ドレイン電位は、フォトトランジスタのベースに接続された電気容量が過剰に充放電されて、フォトトランジスタのベース・コレクタ間電圧が深く順方向電圧にバイアスされる前に、ベースから光電流を流しとるための電位Ｖｓｉｎｋで、前記フォトトランジスタの第１コレクタ電位から参照電位までの電位である。

光電変換装置の構成により前記第１エミッタ電位を利用形態の１つで特定している。

（１５）（１４）記載の光電変換装置は前記フォトトランジスタに加えてさらに第２トランジスタが設けられ、該第２トランジスタは第２ベースと第２エミッタを有し、
前記フォトトランジスタの第１エミッタは該第２トランジスタの第２ベースへ接続され、
前記第１エミッタ電位は該第２エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。

（１６）（１５）記載の光電変換装置は前記第２トランジスタに加えてさらに第３トランジスタが設けられ、該第３トランジスタは第３ベースと第３エミッタを有し、
前記第２トランジスタの第２エミッタは該第３トランジスタの第３ベースへ接続され、
前記第１エミッタ電位は該第３エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。

（１７）（１４）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記フォトトランジスタの第１エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。

（１８）（１５）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第２トランジスタの第２エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。

（１９）（１６）記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第３トランジスタの第３エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から（電荷または電流の）電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。

（２０）交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記（１４）または（１５）または（１６）記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲートと接続する複数の第３配線と、
前記第１ドレインと接続する少なくとも１つの第４配線と、
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記フォトトランジスタのコレクタは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、
前記（１４）記載の光電変換装置の場合は前記フォトトランジスタの第１エミッタ、
前記（１５）記載の光電変換装置の場合は前記第２トランジスタの第２エミッタ、
前記（１６）記載の光電変換装置の場合は前記第３トランジスタの第３エミッタ、が該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続された、ことを特徴とする光電変換アレイ。

（２１）交差する第１方向と第２方向に複数個配列された前記（１７）または（１８）または（１９）記載の光電変換装置と、
第１方向へ延在する複数の第１配線と、
第２方向へ延在する複数の第２配線と、
前記第１ゲートと接続する複数の第３配線と、
前記第１ドレインと接続する少なくとも１つの第４配線と、
該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
前記第２電界効果トランジスタの第２ゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタの第２ソースまたは第２ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続された、ことを特徴とする光電変換アレイ。

（２２）（２０）または（２１）記載の光電変換アレイと、
前記第１配線をスキャンするＹスキャン回路と、
前記第２配線に接続された（複数の）電流または電荷センス回路と、
前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された（複数の）参照電位設定電界効果トランジスタと、
該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
第３配線に接続されたリセット・飽和制御スキャン回路と、
第４配線に接続された第１ドレイン電位供給手段と、
から構成され、
該電流または電荷センス回路は、信号入力の他に参照電位入力第２入力端子を有する差動形であり、該第２入力端子には参照電位が供給された、ことを特徴とする撮像装置。

ここでＹスキャン回路は、前記第１方向で前記第１配線により接続された第２電界効果トランジスタの第２ゲートへ第２オフ電位から第２オン電位さらに第２オフ電位と変化するパルスを第２方向（Ｙ方向）へ並べられた第１配線へ順次供給する。

リセット・飽和制御スキャン回路は、前記Ｙスキャン回路と同期して前記第３配線により接続された第１電界効果トランジスタの第１ゲートへ飽和制御電位から第１オン電位さらに飽和制御電位と変化するパルスを第２方向へ並べられた第３配線へ順次供給する。

第２オフ電位は、前記第２電界効果トランジスタの第２ソースおよび第２ドレインがセル内の任意の電位にあるとき前記第２電界効果トランジスタをオフとする第２ゲート電位、
第２オン電位は（１０）で構造上は定義されているが更に一般的には、前記第２電界効果トランジスタの第２ソースまたは第２ドレインが参照電位Ｖｒｅｆであるときに前記第２電界効果トランジスタをオンとする第２ゲート電位、
第１オン電位は前記第１電界効果トランジスタの第１ソースおよび第１ドレインがベースリセット電位Ｖｒｅｓであるときに前記第１電界効果トランジスタをオンとする第１ゲート電位、
飽和制御電位はフォトトランジスタの第１コレクタ電位Ｖｃ１に前記第１電界効果トランジスタのゲート閾値電圧Ｖｔｈを加えた電位と前記ベースリセット電位Ｖｒｅｓとの間の電位でベース・コレクタ接合が深い順方向電位にバイアスされる前にベース電位をクランプするために第１ゲートへ供給する電位である。

本発明によれば、フォトとランジスタのベース・エミッタ間電圧のリセットが、高速に、しかもベース暗電流を増加させることなく、かつ最適値に設定できるので、残像がなくしかも感度を損なわない光電変換装置が実現できる。光電変換装置の変換効率はベース電極のシャドウ効果による減少を避け、占有面積は、従来より縮減できる。アレイ形成時のチップ面積の削減に資する。

さらに、フォトトランジスタの過剰少数キャリアの蓄積が少なくなるよう制御されるので、光電変換装置のスイッチング遅延が小さくなり、読み出しの高速化が期待できる。

また本発明の光電変換装置で構成される複数のセルをアレイ化した場合に隣接セルからの光電流の漏洩を防ぎ、そのアレイを用いた撮像装置から得られる画像のボケ、等価的な解像度の劣化を防止できる。

フォトとランジスタのベース電極を設けないでベースと第１トランジスタのソースまたはドレインと接続する構造例を示す本発明の光電変換装置の断面図。 本発明の光電変換装置の１実施例の等価回路。 飽和制御動作説明図。 本発明の他の実施例の等価回路図。 本発明のアレイ、撮像装置の実施例を示す回路、ブロック図。

本発明ではフォトトランジスタのベースへ電極を設けないでベースリセット電位を該ベースへ供給する方法として電界効果とランジスタのソース・ドレインの一方とフォトトランジスタのベースが共有領域を有する、または電界効果とランジスタのソース・ドレイン領域の一方とフォトトランジスタのベース領域を連続させる。この構造例を図１に示す。

図１で、１０１は第１導電型の第１半導体領域、１０２は該第１半導体領域表面に接して設けられた逆導電型の第２半導体領域、１０５は第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域で、１０１の一部をコレクタ、１０２をベース、１０５をエミッタとするフォトトランジスタ１１００を形成している。１０２−１は１０２より表面不純物濃度の大きい逆導電型の第２−１半導体領域で、エミッタ１０３からコレクタ１０１への表面リーク防止と電流増幅率の電流値依存軽減のために設けている。

一方、３１１、３１２は第１半導体領域に接して互いに離間して設けられた逆導電型の第３、第４半導体領域である。３１４は第３、第４半導体領域に挟まれた第１半導体領域表面に設けられた第１ゲート絶縁膜で、この例では、第３、第４半導体領域の端部表面にも設けられている。３１３は第１ゲート絶縁膜３１４上に設けられた第１ゲートである。第１ゲートの電位によって、第３、第４半導体領域間の第１半導体領域表面にチャネルまたは電流路が誘起され、第３半導体領域、第４半導体領域間を電気的に導通させる。このゲート電位に関しては実質的な導通を開始させるゲート・ソース電圧、即ちゲート閾値電圧Ｖｔｈ１が定義できる。
第３半導体領域３１１、第４半導体領域３１２、第３、第４半導体領域近傍の第１半導体領域表面、第１ゲート絶縁膜３１４、第１ゲート３１３から第１電界効果トランジスタ３１００が構成される。

第４半導体領域と第２半導体領域は図では重なってまたは連続して示されており、同じ導電型故にこの２つの領域は電気的にも接続されている。また第２半導体領域が第１ゲート下まで延在する構造である場合は、第４半導体領域は無くても第１電界効果トランジスタはフォトトランジスタの第２半導体領域を共用して、フォトトランジスタのベースと接続された形で構成出来る。
更に、該第４半導体領域と該第２半導体領域は同じ導電型であり、一つの共有領域として総合的に把握することもできる。

図２はこの構造の回路図例である。上記「課題を解決するための手段」記載の（１）の方法を実施する光電変換装置の例でもある。
１０１１、１０１２、１０１３はフォトトランジスタ１１００のコレクタ、ベース、エミッタであり、３０１１、３０１２、３０１３は第１電界効果トランジスタ３１００のドレイン、ソース、ゲートである。ベース電極を介さないでドレイン、ソースのどちらがフォトトランジスタのベースに接続されてもよいが、図２では第１電界効果トランジスタのソースがベースと連続して接続されている。

図２ではフォトトランジスタ１１００の第１エミッタ１０１３に第１エミッタ電位Ｖｅ１が与えられている。第１電界効果トランジスタのドレイン３０１１にリセット電位Ｖｒｅｓが供給されている。ゲート３０１３の電位Ｖｇ１を第１電界効果トランジスタをオンとする第１オン電位に変化させると、ベース・エミッタ間電圧はＶｒｅｓ−Ｖｅ１にリセットされる。この時ベース・コレクタ間電気容量ＣｂｃはＶｃ１−Ｖｒｅｓに充電される。Ｖｃ１はリセット時のコレクタ電位である。

ゲート３０１３の電位Ｖｇ１を、第１電界効果トランジスタをオフとする電位に変化させ、第１エミッタ１０１３を浮遊状態にすると、
例えば、このＶｒｅｓ−Ｖｅ１がこのフォトトランジスタの暗電流に対応するベース・エミッタ間電圧である場合、ベースから流れ出る光電流で該ベース・コレクタ間電気容量Ｃｂｃは放電され始め、リセット時よりΔＶだけ電圧が変化する。このＣｂｃ×ΔＶが本発明で上記定義した光蓄積電荷に近い電気量である。実際は光蓄積電荷にはベース浮遊容量への充電電荷、ベース・エミッタ間容量への充電電荷も含まれるが通常相対的に小さく複雑になるのでここでは言及しない。

この光蓄積電荷量を読み出す時は、フォトトランジスタの第１エミッタ１０１３を浮遊状態からＶｅ１の電位に固定してコレクタ電流またはこの時間積分の電荷を読み出すか、第１エミッタ１０１３へ差動電流または差動電荷センスアンプを接続して差動入力の参照入力端子へＶｒｅｆを供給して読みだす。この時、第１エミッタ１０１３はＶｒｅｆの電位で読みだされる。読みだされる電荷は光蓄積電荷のｈＦＥ倍（第１コレクタ１０１１から読み出す場合）、（ｈＦＥ＋１）倍（第１エミッタ１０１３から読み出す場合）と増幅して得られる。なおｈＦＥはフォトトランジスタの電流増幅率である。

なおこの電流増幅率を更に大きくするために、第２ベース１０２２と第２エミッタ１０２３を有する第２トランジスタ１２００を設け、フォトトランジスタの第１エミッタ１０１３を第２ベース１０２２に接続して第２エミッタ１０２３または第１コレクタ１０１１（第２トランジスタの第２コレクタでも可）から出力を得る、更に第３ベース１０３２と第３エミッタ１０３３を有する第３トランジスタ１３００を設け、第２エミッタを第３ベースへ接続し、第３エミッタまたは第１コレクタ１０１１（第２トランジスタの第２コレクタ、第３トランジスタの第３コレクタでも可）から出力を得ることが出来る。

フォトトランジスタの第１エミッタ１０１３、第２、第３のトランジスタにおける第２、第３エミッタ（それぞれ１０２３、１０３３）を浮遊状態にするためには、第２ソース、第２ドレイン、第２ゲート３０２３を有する第２電界効果トランジスタ３２００を更に設け、第２ソース、第２ドレインの一方をフォトトランジスタの第１エミッタ、または第２エミッタ、または第３エミッタへ接続し、次いで、第２ソースまたは第２ドレインの他方へ参照電位を供給した状態で、第２ゲートへ第２電界効果トランジスタをオンからオフにする電位変化（第２オフ電位へ）を与えればよい。

図４に第２トランジスタ１２００および第３トランジスタ１３００、第２電界効果トランジスタ３２００を設けた場合の回路図を示す。第３エミッタの電位は差動電流または差動電荷センスアンプ９２００を用いた時を想定してＶｒｅｆとしてある。後述のように実際の撮像装置ではＶｒｅｆはセンス前後に電界効果トランジスタ等のスイッチによりパルス状態で与えられる。

上記第２電界効果トランジスタを利用しないでフォトトランジスタの第１ベース１０１２を浮遊状態とする方法として、フォトトランジスタの第１コレクタ１０１１の電位を、リセット終了後第１エミッタ電位近傍かまたは第１エミッタ電位に関してリセット時Ｖｃ１と逆方向の電位Ｖｃ２とする方法を本発明では採用できる。
後に述べる飽和制御回路を利用して、ベースの電気容量が放電してベース電位がＶｃ２へ向かって変化していってもベースの電位変化を設計値で停止出来るので、ベース・コレクタが深く順方向電圧にバイアスされることなく、読み出しのための電位（リセット時の電位と同じにすることができる）Ｖｃ１を第１コレクタ１０１１へ供給するまでは第１コレクタ１０１１または第１エミッタ１０１３から電流が流れだすことはない。
この特性はアレイを構成して各セルを選択的して読み出すときフォトトランジスタのコレクタ電位をセル選択に活用できるので好都合である。

ベースリセット電位設定に用いた第１電界効果トランジスタは、フォトトランジスタの飽和制御にも兼用できる。

図２において、フォトトランジスタの第１エミッタ１０１３はリセット動作が終了して浮遊状態であるとする。リセット直後のベース電位ＶｂはＶｒｅｓである。ベース・コレクタ電気容量Ｃｂｃ（接合容量が大部分）はコレクタ電位Ｖｃ１とベースリセット電位の差の電圧に充電されている。ベース・接地間電気容量Ｃｂｓｔはベース電位分だけ充電されている。ベース・エミッタ間電気容量Ｃｂｅはベース・エミッタ間電圧分だけ充電されている。
蓄積時間ｔｓｔｒの経過とともに光電流でＣｂｃは放電され、Ｃｂｓｔはさらに充電され、ベース電位ＶｂはＶｒｅｓからコレクタ電位Ｖｃ１の方向に向って変化する。なお、Ｃｂｅはベース・エミッタ電圧の変化分（小さい）だけ充放電される。
そのまま放置すれば、ベース・コレクタ接合の電圧は逆バイアス、ゼロバイアスと変化し、ベース電位はＶｃ１を通り越し、ベース・コレクタ接合の電圧は順バイアスと変化し、ついに深い順方向電圧にバイアスされて電位変化は停止する。このため、上記のように過剰少数キャリアが蓄積されて、スイッチ速度阻害、画像の滲みなどの悪影響を及ぼす。

この過剰少数キャリアの蓄積量はベース・コレクタ接合に流れ込む順方向電流にほぼ比例する。この過剰少数キャリアをゼロにすることは望ましいが、ベース・コレクタ接合に流れ込む順方向電流を光電流ｉｐｈの１／１０程度以下に抑えても効果は十分ある。すなわちベース・コレクタ接合が順バイアスされたとしてもその順方向電圧が深い順方向電圧より６０ｍＶ程度以上小さく制御できればよい。もちろんベース・コレクタ接合電圧Ｖｂｃをゼロから逆バイアス電圧に制御できれば申し分ない。
本発明では前記ベース・コレクタ接合が順バイアスされたとしてもその順方向電圧が深い順方向電圧より６０ｍＶ程度以上小さく制御される、またはゼロから逆バイアス電圧に制御されることを飽和制御されると称する。

次にリセット電位設定のために用意された第１電界効果トランジスタ３１００を活用して飽和制御を行う方法の説明をする。説明を簡単にするために、フォトトランジスタはｎｐｎ形で、電界効果トランジスタはｐチャネルである場合を仮定する。リセット動作後第１ゲート電位Ｖｇ１を飽和制御電位ＶｓｃｔｒｌとするわけであるがそのＶｓｃｔｒｌをＶｃ１＋Ｖｔｈとする場合について述べる。Ｖｔｈは通常負の電圧であるから、｜Ｖｔｈ｜だけＶｃ１よりＶｒｅｓ側の電位である。第１ベース１０１２が光電流で放電され、ベース電位ＶｂがＶｒｅｓからＶｃ１の方向へ近づくと、第１ベース１０１２と第１ソース３０１２とは連続または領域共有していて同電位であるから、第１電界効果トラジスタ３１００はオンとなり、光電流をソース３０１２からドレイン３０１１へバイパスし始める。そのためベース電位ＶｂはＶｃ１を超えてさらに大きく正の電位にはならない。すなわち、フォトトランジスタの第１コレクタ１０１１の電位はＶｃ１であるからＶｂ−Ｖｃ１で計算されるフォトトランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｃは深く順方向電圧にバイアスされることはない。このとき第１ドレイン３０１１はＶｃ１またはＶｃ１よりＶｒｅｓ側のシンク電位Ｖｓｉｎｋが供給される。

なお、フォトトランジスタのベースを浮遊状態とするために、前記のようにフォトトランジスタのコレクタ電位をＶｃ２へ駆動する使用方法においては、第１電界効果トランジスタのゲートへ供給する飽和制御電位ＶｓｃｔｒｌはＶｃ２＋ＶｔｈまたはＶｃ２＋ＶｔｈよりＶｃ１から遠い電位である。ＶｓｉｎｋもＶｃ２またはＶｃ２よりＶｃ１から遠い電位とする。
この方法を採用するときは、読み出す直前に第１電界効果トランジスタのゲートの電位をＶｃ１近くへ変化させる必要がある。

フォトトランジスタの第１ベース１０１２を浮遊状態とするもうひとつの方法ではフォトトランジスタの第１エミッタ１０１３を逆バイアスする電位を該エミッタへ与える。該エミッタ電位をＶｅ１からＶｃ１方向に変化させる。この方法は光電変換装置に第２、第３トランジスタが備えられている場合は第２エミッタまたは第３エミッタを逆バイアスする電位を第２エミッタまたは第３エミッタへ供給する。この電位状態では、フォトトランジスタの該エミッタは浮遊状態となっているので光電荷蓄積が開始される。

該第１電界効果トランジスタのＶｔｈをソース・ドレイン間にたとえば１μＡ（の飽和電流）が流れるゲート・ソース間電圧と定義すれば、５０μｍ□以下の受光面積を有するフォトトランジスタであれば、昼間の外光にたいしてもベース・コレクタ電圧は０Ｖ近傍にクランプされる。
第１電界効果トランジスタによりバイパスされる電流Ｉｓｉｎｋは図３に示すようにＶｂがＶｒｅｓからＶｓｃｔｒｌ−Ｖｔｈに近くなると指数関数的に増加して、Ｖｓｃｔｒｌ−ＶｔｈではＩｔｈ（たとえば１μＡ）となる。いわゆるオフ電流値ＩｏｆｆはｐＡレベルに設計できるから、ショットキダイオードを並列接続したときに比べてベース・コレクタ接合の等価暗電流に加算される電流は小さい。Ｖｂが、Ｖｓｃｔｒｌ−Ｖｔｈ−（０．４〜０．５）Ｖから、Ｖｓｃｔｒｌ−Ｖｔｈまで変化する間に、Ｉｓｉｎｋは、ＩｏｆｆのレベルからＩｔｈまで増加する。このＶｂの変化幅０．４〜０．５Ｖは、ｓ×ｌｏｇ（Ｉｔｈ／Ｉｏｆｆ）で与えられる。ここでｓはいわゆるsub-threshold slopeと呼ばれるデバイスパラメータである。

ベース・コレクタ間電圧を逆バイアス範囲に止めるためには前記第１ゲート電位Ｖｇ１をＶｃ１＋ＶｔｈよりＶｒｅｓ側に設定すればよい。フォトトランジスタ１１００の受光面積が５０μｍ□より大きく真夏の直射太陽光を受ける場合の光電流ｉｐｈに対しても飽和制御するためには、同様な第１ゲート電位Ｖｇ１の設定と、第１電界効果トランジスタ３１００のチャネル幅を光電流を流すことができる幅Ｗに設定する。すなわち、ｉｐｈがＩｔｈより大きいときは、Ｖｇ１＜Ｖｃ１＋Ｖｔｈとして、
Ｗ＝（ｉｐｈ−ｉｔｈ）×２Ｌ／（μＣｏｘ（Ｖｓｃｔｒｌ−Ｖｃ１−Ｖｔｈ）^２）
ここで、Ｌはチャネル長、μはキャリア移動度、Ｃｏｘはゲート絶縁膜単位面積電気容量である。この場合のＩｔｈは単位チャネルあたり（Ｗ／Ｌ＝１）の値ｉｔｈを使う。

以上の説明で電位関係の大小、極性は電界効果トランジスタがｐチャネルを例とした場合であったが、ｎチャネルの場合は大小関係、極性が逆になる。

本発明の光電変換装置をアレイ状に展開するにあたって、図４のように、第１、第２電界効果トランジスタを備えた光電変換装置をユニットセルとし場合を例として説明する。図４は第２、第３トランジスタを備えているが、第３トランジスタがない場合、第２トランジスタがない場合も同様である。

図５の１０００で示されるアレイの構成は下記のようである。すなわち、図４に示す光電変換装置がユニットセル１００１−ｉ−ｊ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ、ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）として、交差する第１方向と第２方向に複数個配列されている。
第１方向へ延在する複数の第１配線Ｍ１３１０−ｊ（ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）と、
第２方向へ延在する複数の第２配線Ｍ２３１０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）と、
前記第１ゲート電位を供給する複数の第３配線Ｍ１３２０−ｊ（ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）と、
前記第１ドレイン電位を供給する少なくとも１つの第４配線２３２０と、
が相互に絶縁され配列されている。
該第１方向へ配列された該ユニットセルの前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線Ｍ１３１０−ｊ（ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）の一つに接続され、該第２方向へ配列された該ユニットセルの前記第２電界効果トランジスタの第２ソースまたは第２ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線Ｍ２３１０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）の一つに接続され、
該第１方向へ配列された該ユニットセルの前記第１電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第３配線Ｍ１３２０−ｊ（ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）の一つに接続されている。

本発明を用いた撮像装置の例として、
上記アレイ１０００と、
第１方向へ延在する複数の第１配線Ｍ１３１０−ｊ（ｊ＝１、２、３、・・・、ｎ）をスキャンするＹスキャン回路９０１０、
第２方向へ延在する複数の第２配線Ｍ２３１０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）（本発明では出力線とも言う）に接続された電流または電荷センス回路９０２０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）（複数を仮定。単数の場合は切替用電界効果トランジスタを介して接続）および参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）（複数を仮定。単数の場合は切り替え用電界効果とランジスタを介して接続）からなる図５に例を示す構成が提供される。該電流または電荷センス回路９０２０は参照電位入力端子９２２を有する差動形である。

前記センス回路９０２０の参照電位入力端子９２２へは参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。
参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）のソース・ドレインの一方はそれぞれ、出力線（第２配線）Ｍ２３１０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）に接続され、該ソース・ドレインの他方へは該参照電位供給手段６００１から参照電位Ｖｒｅｆが供給される。
前記センス回路９０２０−ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｍ）の出力は並列直列変換回路９０３０によりｓｅｒｉａｌ信号に変換される。

前記第４配線２３２０へはリセットベース電位Ｖｒｅｓが供給され、選択された第１配線に接続されたセルのセンス直後に該セルに接続された第３配線へ第１電界効果トランジスタがオフからオンとなる電位（第２オン電位）がリセット・飽和制御スキャン回路９０１１（図５から）から与えられ、該第３配線に接続されるセルをリセットする。このとき該セルが接続されている第１配線にも第２電界効果トランジスタがオンとなる第２オン電位がＹスキャン回路９０２０から与えられ、第２配線には参照電位設定電界効果トランジスタを介してＶｒｅｆを供給して、該セルのベース電位だけでなくベース・エミッタ間電位をリセットする。

前記出力線（第２配線）はセンス、その後のリセット後、必要に応じて次のセンス前ですべての第２電界効果トランジスタがオフのときに参照電位設定電界効果トランジスタ３０９０により参照電位Ｖｒｅｆに充電される。図４に示す光電変換装置であるユニットセル１００１内の第１電界効果トランジスタ３１００のゲートの引き出し配線（第３配線）Ｍ１３２０にはリセット・飽和制御スキャン回路９０１１（図５から）から飽和制御電位がＶｃ１＋ＶｔｈまたはＶｃ１＋ＶｔｈよりＶｒｅｓ方向の電位の範囲で与えられる。前記リセット兼飽和制御用第１電界効果トランジスタ３１００のドレイン３０１１の引き出し配線（第４配線）Ｍ２３２０に与えられる電位はリセットベース電位Ｖｒｅｓが与えられる（Ｖｓｉｎｋ代用の条件を満たしている場合）。これにより光電荷蓄積時の飽和制御が行われる。すなわち、ベース・エミッタ電圧リセットと飽和制御の２つが実現される。

本発明は光電変換を利用する、センサー、事務機器、科学機器の応用分野を広げる目的で利用される。高感度の光電変換装置、撮像装置の残像現象の改善を感度の犠牲を最小限にして実現し、要すればこれと同時に光強度、光照度の大きい環境で使う時のスイッチ遅れ、像の滲みを軽減して、利用範囲を拡大する。

１０１ ：第１半導体領域
１０２ ：第２半導体領域
１０２−１ ：第２−１半導体領域
１０５ ：第５半導体領域
３１１ ：第３半導体領域、第１ドレイン
３１２ ：第４半導体領域、第１ソース
３１３ ：第１ゲート
３１４ ：第１ゲート絶縁膜
９２２ ：センス回路９０２０の参照入力
１１００ ：フォトトランジスタ
１０１１ ：フォトトランジスタのコレクタ
１０１２ ：フォトトランジスタのベース
１０１３ ：フォトトランジスタのエミッタ
２０１０ ：第２バイポーラトランジスタ
３１００ ：第１電界効果トランジスタ
３０１１ ：第１ドレイン
３０１２ ：第１ソース
３０１３ ：第１ゲート
３０２３ ；第２ゲート
３２００ ：第２電界効果トランジスタ
１００１−ｉ−ｊ（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ） ：本発明の撮像装置用アレイを構成するセル
３０９０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ） ：参照電位設定電界効果トランジスタ
６００１ ：参照電位供給手段
９０１０ ：Ｙスキャン回路
９０１１ ：リセット・飽和制御スキャン回路
９０２０ ：電流または電荷センス回路
９０３０ ：並列直列変換回路
Ｍ１３１０−ｊ（ｊ＝１〜ｎ） ：複数の第１配線
Ｍ１３２０−ｊ （ｊ＝１〜ｎ） ：第３配線
Ｍ２３１０−ｉ（ｉ＝１〜ｍ） ：第２配線
Ｍ２３２０ ：第４配線

Claims (22)

1. 第１コレクタ、第１ベース、第１エミッタを有するフォトトランジスタと、
   第１ソース、第１ドレイン、第１ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
   該第１ベースと該第１電界効果トランジスタの第１ソースまたは第１ドレインの一方とが共通領域または連続領域を有することでベース電極を設けることなしに接続され、
   該第１ソース、第１ドレインの他方へベースリセット電位が供給される光電変換装置のリセット方法であって、
   該第１エミッタへ第１エミッタ電位を供給している時間と、該第１ゲートへ該第１電界効果トランジスタをオンとする第１オン電位を供給する時間とが重複する時間を有し、
   前記ベースリセット電位は、前記第１エミッタ電位に前記フォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は前記フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が前記フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
   ことを特徴とする光電変換装置のリセット方法。
2. 前記第１エミッタ電位は読出時に供給される参照電位であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置のリセット方法。
3. 請求項１記載の光電変換装置は、前記フォトトランジスタにさらに第２トランジスタが設けられ、該第２トランジスタは第２ベースと第２エミッタを有し、
   前記フォトトランジスタの第１エミッタは該第２トランジスタの第２ベースへ接続され、
   前記第１エミッタ電位は該第２エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置のリセット方法。
4. 請求項３記載の光電変換装置は、前記フォトトランジスタにさらに第３トランジスタが設けられ、該第３トランジスタは第３ベースと第３エミッタを有し、
   前記第２トランジスタの第２エミッタは該第３トランジスタの第３ベースへ接続され、
   前記第１エミッタ電位は該第３エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置のリセット方法。
5. 第１導電型を有する第１半導体領域と、
   該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域と、
   少なくとも該第２、第３半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第２、第３半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
   該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
   該第５半導体領域へ第１エミッタ電位を供給している時間と、
   該第３半導体領域へベースリセット電位が供給され、かつ、
   該第１ゲートへ該第２、第３半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を供給している時間とが重複する時間を有し、
   該ベースリセット電位は、該第１エミッタ電位に、該第１半導体領域を第１コレクタ、該第２半導体領域を第１ベース、該第５半導体領域を第１エミッタとするフォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は該フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が該フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
   ことを特徴とする光電変換装置。
6. 第１導電型を有する第１半導体領域と、
   該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第２半導体領域と、該第２半導体領域と離間して該第１半導体領域に接して設けられた逆導電型を有する第３半導体領域と、該第２半導体領域に連続し第３半導体領域と離間して設けられた逆導電型の第４半導体領域と、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域と、
   少なくとも該第３、第４半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第１絶縁膜と、該第１絶縁膜上に該第３、第４半導体領域を橋渡すごとく設けた第１ゲートから成り、
   該第２半導体領域または該第２半導体領域近傍の第１半導体領域に光が照射され、該第２半導体領域と該第１半導体領域間に光電流が流れる光電変換装置において、
   該第５半導体領域へ第１エミッタ電位を供給している時間と、
   該第３半導体領域へベースリセット電位が供給され、かつ、
   該第１ゲートへ該第３、第４半導体領域間の該第１ゲート下の該第１半導体表面にチャネルまたは電流路が誘起される第１ゲート電位を供給している時間とが重複する時間を有し、
   該ベースリセット電位は、該第１エミッタ電位に、該第１半導体領域を第１コレクタ、該第２半導体領域を第１ベース、該第５半導体領域を第１エミッタとするフォトトランジスタのベース・エミッタリセット電圧を加えた値とし、該ベース・エミッタリセット電圧は該フォトトランジスタのベース・コレクタ間暗電流が該フォトトランジスタのベース・エミッタへ流れたときの該フォトトランジスタのベース・エミッタ電圧およびその±ｋＴ／ｑ以内の電圧であり、ここでｋはボルツマン定数、Ｔは該光電変換装置の絶対温度、ｑは電子の電荷素量である、
   ことを特徴とする光電変換装置。
7. 前記第１エミッタ電位は、読出時に供給される参照電位であることを特徴とする請求項５または６記載の光電変換装置。
8. 請求項５または６記載の光電変換装置は、さらに前記第２半導体領域と離間して前記第１半導体領域に接して設けられた逆導電型の第６半導体領域と該第６半導体領域に接して設けられた第１導電型の第７半導体領域とからなり、
   該第６半導体領域は前記第５半導体領域に電気接続され、
   前記第１エミッタ電位は第７半導体領域へ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。
9. 請求項８記載の光電変換装置は、さらに前記第２半導体領域および第６半導体領域と離間して前記第１半導体領域に接して設けられた逆導電型の第８半導体領域と該第８半導体領域に接して設けられた第１導電型の第９半導体領域とからなり、
   該第８半導体領域は前記第７半導体領域に電気接続され、
   前記第１エミッタ電位は第９半導体領域へ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。
10. 請求項５、６、８または９記載の光電変換装置は、更に、
    前記第１半導体領域に接して設けられた逆導電型の第１０半導体領域と、
    前記第１半導体領域に接し、該第１０半導体領域と離間して設けられた逆導電型の第１１半導体領域と、
    少なくとも該第１０、第１１半導体領域に挟まれる該第１半導体領域表面に設けられた第２絶縁膜と、該第２絶縁膜上に該第１０、第１１半導体領域を橋渡すごとく設けた第２ゲートから成り、
    該第１０半導体領域は、第５半導体領域、第７半導体領域、または第９半導体領域に接続され、参照電位が該第１１半導体領域に供給され、該第２ゲートに供給された第２オン電位により該第１０、第１１半導体領域間の第１半導体領域表面にチャネルまたは電流路が形成され、該参照電位が該第１０半導体領域へ該チャネルまたは電流路をとおして供給され、結果として第５半導体領域へ第１エミッタ電位が供給されることを特徴とする光電変換装置。
11. 第１導電型の第１半導体領域（１０１）の一部をコレクタ、該第１半導体領域の表面に接して設けられた逆導電型の第２半導体領域（１０２）を第１ベース、該第２半導体領域に接して設けられた第１導電型の第５半導体領域（１０５）を第１エミッタとするフォトトランジスタ（１１００）と同様なベース、エミッタ構造および寸法を有し、遮光手段が設けられた第２フォトトラジスタを少なくとも設け、
    該第２フォトトラジスタのエミッタに第１エミッタ電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。
12. 請求項１１記載のベースリセット電位発生装置において、さらに第４ベースと第４エミッタを有する第４トランジスタを設け、第２フォトトラジスタのエミッタを該第４ベースへ接続し、該第４エミッタに読み出し時に供給される参照電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。
13. 請求項１２記載のベースリセット電位発生装置において、さらに第５ベースと第５エミッタを有する第５トランジスタを設け、第４トランジスタの第４エミッタを該第５ベースへ接続し、該第５エミッタに読み出し時に供給される参照電位を供給して該第２フォトトラジスタのベースから得た電位をベースリセット電位とすることを特徴とするベースリセット電位発生装置。
14. 第１コレクタ、第１ベース、第１エミッタを有するフォトトランジスタと、
    第１ソース、第１ドレイン、第１ゲートを有する第１電界効果トランジスタとから少なくとも構成され、
    該第１ベースと該第１電界効果トランジスタの第１ソースとが共通領域または連続した領域を有することでベース電極を設けることなしに接続され、
    該第１ドレインへベースリセット電位が供給され、
    該第１エミッタへ第１エミッタ電位が供給され、かつ、
    該第１ゲートへ該第１電界効果トランジスタがオンとなる第１オン電位が供給されたあと、
    該第１ゲートへ飽和制御電位が供給され、
    該第１エミッタ電位は、読み出し時に供給される参照電位であり、
    該第１ドレインへ第１ドレイン電位が供給されることを特徴とする光電変換装置。
15. 請求項１４記載の光電変換装置は、前記フォトトランジスタに加えてさらに第２トランジスタが設けられ、該第２トランジスタは第２ベースと第２エミッタを有し、
    前記フォトトランジスタの第１エミッタは該第２トランジスタの第２ベースへ接続され、
    前記第１エミッタ電位は該第２エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。
16. 請求項１５記載の光電変換装置は、前記第２トランジスタに加えてさらに第３トランジスタが設けられ、該第３トランジスタは第３ベースと第３エミッタを有し、
    前記第２トランジスタの第２エミッタは該第３トランジスタの第３ベースへ接続され、
    前記第１エミッタ電位は該第３エミッタへ参照電位を供給することにより与えられることを特徴とする光電変換装置。
17. 請求項１４記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記フォトトランジスタの第１エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
18. 請求項１５記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第２トランジスタの第２エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
19. 請求項１６記載の光電変換装置において、さらに第２ソース、第２ドレイン、第２ゲートを備えた第２電界効果トランジスタを設け、該第２ソース・ドレインの一方は前記第３トランジスタの第３エミッタに接続され、該第２ゲートに第２オン電位を供給することにより、該第２ソースまたはドレインの他方から電子情報を得ることを特徴とする光電変換装置。
20. 交差する第１方向と第２方向に複数個配列された請求項１４〜１６のいずれかに記載の光電変換装置と、
    第１方向へ延在する複数の第１配線と、
    第２方向へ延在する複数の第２配線と、
    前記第１ゲートと接続する複数の第３配線と、
    前記第１ドレイン電位と接続する少なくとも１つの第４配線と、
    該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
    前記フォトトランジスタの第１コレクタは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、
    請求項１４記載の光電変換装置の場合は前記フォトトランジスタの第１エミッタ、
    請求項１５記載の光電変換装置の場合は前記第２トランジスタの第２エミッタ、
    請求項１６記載の光電変換装置の場合は前記第３トランジスタの第３エミッタ、
    が該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続された、ことを特徴とする光電変換アレイ。
21. 交差する第１方向と第２方向に複数個配列された請求項１７〜１９のいずれかに記載の光電変換装置と、
    第１方向へ延在する複数の第１配線と、
    第２方向へ延在する複数の第２配線と、
    前記第１ゲートと接続する複数の第３配線と、
    前記第１ドレインと接続する少なくとも１つの第４配線と、
    該第１、第２、第３、第４配線は相互に絶縁され、
    前記第２電界効果トランジスタのゲートは該第１方向へ延在する複数の第１配線の一つに接続され、前記第２電界効果トランジスタの第２ソースまたは第２ドレインの他方は該第２方向へ延在する複数の第２配線の一つに接続された、ことを特徴とする光電変換アレイ。
22. 請求項２０または２１記載の光電変換アレイと、
    前記第１配線をスキャンするＹスキャン回路と、
    前記第２配線に接続された電流または電荷センス回路と、
    前記第２配線にソース・ドレインの一方が接続された参照電位設定電界効果トランジスタと、
    該参照電位設定電界効果トランジスタのソース・ドレインの他方に接続された参照電位供給手段と、
    第３配線に接続されたリセット・飽和制御スキャン回路と、
    第４配線に接続された第１ドレイン電位供給手段と、
    から構成され、
    該電流または電荷センス回路は信号入力の他に参照電位入力第２入力端子を有する差動形であり、該第２入力端子には参照電位が供給された、ことを特徴とする撮像装置。

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