JPH0447983B2 - - Google Patents

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JPH0447983B2
JPH0447983B2 JP58120757A JP12075783A JPH0447983B2 JP H0447983 B2 JPH0447983 B2 JP H0447983B2 JP 58120757 A JP58120757 A JP 58120757A JP 12075783 A JP12075783 A JP 12075783A JP H0447983 B2 JPH0447983 B2 JP H0447983B2
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JP
Japan
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region
base
potential
semiconductor region
voltage
Prior art date
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Japanese (ja)
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Tadahiro Oomi
Nobuyoshi Tanaka
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Canon Inc
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14681Bipolar transistor imagers

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光電変換装置に係り、特に光入射に
より発生したキヤリアを蓄積し、蓄積されたキヤ
リアに基づいて信号を読み出す光電変換装置に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device that accumulates carriers generated by incident light and reads out signals based on the accumulated carriers.

[従来の技術] 近年、光電変換装置殊に、固体撮像装置に関す
る研究が、半導体技術の進展と共に積極的に行わ
れ、一部では実用化され始めている。
[Prior Art] In recent years, research on photoelectric conversion devices, particularly solid-state imaging devices, has been actively conducted along with the progress of semiconductor technology, and some of them have begun to be put into practical use.

これらの固体撮像装置は、大きく分けると
CCD型とMOS型の2つに分類される。CCD型撮
像装置は、MOSキヤパシタ電極下にポテンシヤ
ルの井戸を形成し、光の入射により発生した電荷
をこの井戸に蓄積し、読出し時には、これらのポ
テンシヤルの井戸を、電極にかけるパルスにより
順次動かして、蓄積された電荷を出力アンプ部ま
で転送し読出すという原理を用いている。また
CCD型撮像装置の中には、受光部はpn接合ダイ
オード構造を使い、転送部はCCD構造で行うと
いうタイプのものもある。また一方、MOS型撮
像装置は、受光部を構成するpn接合よりなるフ
オトダイオードの夫々の光の入射により発生した
電荷を蓄積し、読出し時には、それぞれのフオト
ダイオードに接続されたMOSスイツチングトラ
ンジスタを順次オンすることにより蓄積された電
荷を出力アンプ部に読出すという原理を用いてい
る。
These solid-state imaging devices can be broadly classified into
It is classified into two types: CCD type and MOS type. A CCD type imaging device forms a potential well under a MOS capacitor electrode, stores charges generated by incident light in this well, and during readout, these potential wells are sequentially moved by pulses applied to the electrode. The principle is that the accumulated charge is transferred to the output amplifier section and read out. Also
Some CCD imaging devices use a pn junction diode structure for the light receiving section and a CCD structure for the transfer section. On the other hand, a MOS type imaging device accumulates the charge generated by the incidence of light on each photodiode made of a pn junction that constitutes the light receiving section, and when reading out the charge, the MOS switching transistor connected to each photodiode is activated. It uses the principle that the accumulated charge is read out to the output amplifier section by sequentially turning on the transistors.

CCD型撮像装置は、比較的簡単な構造をもち、
また、発生し得る雑音からみても、最終段におけ
るフローテイング・デイフユージヨンよりなる電
荷検出器の容量値だけがランダム雑音に寄与する
ので、比較的低雑音の撮像装置であり、低照度撮
影が可能である。ただし、CCD型撮像装置を作
るプロセス的制約から、出力アンプとしてMOS
型アンプがオンチツプ化されるため、シリコン
と、SiO2膜との界面から画像上、目につきやす
い、1/f雑音が発生する。従つて、低雑音とは
いいながら、その性能に限界が存在している。ま
た、高解像度化を図るためにセル数を増加させて
高密度化すると、一つのポテンシヤル井戸に蓄積
できる最大の電荷量が減少し、ダイナミツクレン
ジがとれなくなるので、今後、固体撮像装置が高
解像度化されていく上で大きな問題となる。ま
た、CCD型の撮像装置は、ポテンシヤルの井戸
を順次動かしながら蓄積電荷を転送していくわけ
であるから、セルの一つに欠陥が存在してもそこ
で電荷転送がストツプしたり、あるいは、極端に
悪くなつてしまい、製造歩留りが上がらないとい
う欠点も有している。
CCD type imaging device has a relatively simple structure,
In addition, considering the noise that can be generated, only the capacitance value of the charge detector consisting of the floating diffusion in the final stage contributes to random noise, so it is a relatively low-noise imaging device and is capable of low-light photography. be. However, due to process constraints in manufacturing CCD type imaging devices, MOS is used as the output amplifier.
Since the type amplifier is on-chip, 1/f noise, which is easily noticeable on images, is generated from the interface between silicon and SiO 2 film. Therefore, although it is said to have low noise, there are limits to its performance. Furthermore, if the number of cells is increased to achieve higher density in order to achieve higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well will decrease, making it impossible to maintain a dynamic range. This becomes a big problem as resolution increases. Furthermore, since a CCD-type imaging device transfers accumulated charge by sequentially moving the potential wells, even if there is a defect in one of the cells, charge transfer may stop at that point, or It also has the disadvantage that the manufacturing yield cannot be improved.

これに対してMOS型撮像装置は、構造的には
CCD型撮像装置、特にフレーム転送型の装置に
比較して少し複雑ではあるが、蓄積容量を大きく
し得る様に構成でき、ダイナミツクレンジを広く
とれるという優位性をもつ。また、たとえセルの
1つに欠陥が存在しても、X−Yアドレス方式の
ためその欠陥による他のセルへの影響がなく、製
造歩留り的には有利である。しかしながら、この
MOS型撮像装置では、信号読出し時に各フオト
ダイオードに配線容量が接続されるため、きわめ
て大きな信号電圧ドロツプが発生し、出力電圧が
下がつてしまうこと、配線容量が大きく、これに
よるランダム雑音の発生が大きいこと、また各フ
オトダイオードおよび水平スキヤン用のMOSス
イツチングトランジスタの寄生容量のばらつきに
よる固定パターン雑音の混入等があり、CCD型
撮像装置に比較して低照度撮影はむずかしいこと
等の欠点を有している。
On the other hand, MOS type imaging devices are structurally
Although it is a little more complicated than a CCD type imaging device, especially a frame transfer type device, it has the advantage of being able to be configured to have a large storage capacity and having a wide dynamic range. Furthermore, even if one of the cells has a defect, because of the X-Y addressing method, the defect does not affect other cells, which is advantageous in terms of manufacturing yield. However, this
In MOS type imaging devices, wiring capacitance is connected to each photodiode during signal readout, which causes an extremely large signal voltage drop and a drop in the output voltage.The wiring capacitance is large, which causes random noise. It also has disadvantages such as fixed pattern noise mixed in due to variations in the parasitic capacitance of each photodiode and MOS switching transistor for horizontal scanning, and that low-light photography is difficult compared to CCD type imaging devices. have.

また、将来の撮像装置の高解像度化においては
各セルのサイズが縮小され、蓄積電荷が減少して
いく。これに対しチツプサイズから決まつてくる
配線容量は、たとえ線幅を細くしてもあまり下が
らない。このため、MOS型撮像装置は、ますま
すS/N的に不利になる。
Furthermore, in the future, as the resolution of imaging devices increases, the size of each cell will be reduced and the amount of accumulated charge will decrease. On the other hand, the wiring capacitance, which is determined by the chip size, does not decrease much even if the line width is made thinner. For this reason, the MOS type imaging device becomes increasingly disadvantageous in terms of S/N.

CCD型およびMOS型撮像装置は、以上の様な
一長一短を有しながらも次第に実用化レベルに近
ずいてきてはいる。しかし、さらに将来必要とさ
れる高解像度化を進めていくうえで本質的に大き
な問題を有しているといえる。
Although CCD type and MOS type imaging devices have the above-mentioned advantages and disadvantages, they are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there are essentially major problems in promoting the higher resolution that will be required in the future.

これに対して、固体撮像装置に関し、特開昭56
−150878号公報“半導体撮像装置”、特開昭56−
157073号公報“半導体撮像装置”、特開昭56−
165473号公報“半導体撮像装置”に新しい方式が
提案されている。CCD型、MOS型の撮像装置が、
光入射により発生した電荷を主電極(例えば
MOSトランジスタのソース)に蓄積するのに対
して、ここで提案されている方式は、光入射によ
り発生した電荷を、制御電極(例えばバイポー
ラ・トランジスタのベース、SIT(静電誘導トラ
ンジスタ)あるいはMOSトランジスタのゲート)
に蓄積し、光により発生した電荷により、流れる
電流をコントロールするという新しい考え方にも
とずくものである。すなわち、CCD型、MOS型、
蓄積された電荷そのものを外部へ読出してくるの
に対して、ここで提案されている方式は、各セル
の増幅機能により電荷増幅してから蓄積された電
荷を読出すわけであり、また見方を変えるとイン
ピーダンス変換により低インピーダンス出力とし
て読出すわけである。従つて、ここで提案されて
いる方式は、高出力、広ダイナミツクレンジ、低
雑音であり、かつ、光信号により励起されたキヤ
リア(電荷)は制御電極に蓄積することから、非
破壊読出しができる等のいくつかのメリツトを有
している。さらに将来の高解像度化に対しても可
能性を有する方式であるといえる。
On the other hand, regarding solid-state imaging devices,
−150878 Publication “Semiconductor Imaging Device”, Japanese Unexamined Patent Publication No. 1983-
Publication No. 157073 “Semiconductor imaging device”, Japanese Patent Application Laid-open No. 1983-
A new method is proposed in Publication No. 165473 "Semiconductor imaging device". CCD type and MOS type imaging devices are
Charges generated by incident light are transferred to the main electrode (e.g.
In contrast, the method proposed here stores the charge generated by incident light on the control electrode (e.g., the base of a bipolar transistor, the SIT (static induction transistor) or the MOS transistor). gate)
It is based on a new concept of controlling the flowing current using the charges accumulated in the light and generated by light. That is, CCD type, MOS type,
In contrast to reading out the accumulated charge itself to the outside, the method proposed here uses the amplification function of each cell to amplify the charge before reading out the accumulated charge. If the output is changed, the impedance is converted and the output is read out as a low impedance. Therefore, the method proposed here has high output, wide dynamic range, and low noise, and because the carriers (charges) excited by the optical signal accumulate on the control electrode, non-destructive readout is possible. It has several advantages such as: Furthermore, it can be said that this method has the potential for higher resolution in the future.

[発明が解決しようとする技術課題] しかしながら、この方式は、基本的にX−Yア
ドレス方式であり、上記公報に記載されている素
子構造は、従来のMOS型撮像装置の各セルにバ
イポーラトランジスタ、SITトランジスタ等の増
幅素子を複合化したものを基本構成としている。
そのため、比較的複雑な構造をしており、高解像
化の可能性を有しながらも、そのままでは高解像
化には限界が存在する。
[Technical Problems to be Solved by the Invention] However, this method is basically an X-Y addressing method, and the element structure described in the above publication is a bipolar transistor in each cell of a conventional MOS type imaging device. The basic configuration is a combination of amplification elements such as , SIT transistors, etc.
Therefore, it has a relatively complicated structure, and although it has the possibility of achieving high resolution, there is a limit to how high resolution can be achieved as it is.

また以下に述べる点においても限界が存在して
いる。上記特開昭56−150878号公報、特開昭56−
157073号公報、特開昭56−165473号公報及び
「SIT(Static Injection Transistor)イメージセ
ンサへの応用、テレビジヨン学会技術報告(以下
TV学会誌と称する)」は、本願発明の発明者の
内一人が係つた従来技術の一代表例を示すもので
ある。
There are also limitations in the points described below. The above-mentioned Japanese Patent Application Publication No. 150878, Japanese Patent Application Publication No. 56-1508-
No. 157073, Japanese Patent Application Laid-open No. 165473, and “Application to SIT (Static Injection Transistor) Image Sensor, Technical Report of the Television Society (hereinafter referred to as
``TV Society Journal'' is a typical example of the prior art in which one of the inventors of the present invention was involved.

特開昭56−150878号公報、特開昭56−157073号
公報には、N+、P+、I(又はP-、N-)、N+領域
からなるフツク構造のP+領域に電荷を蓄積し、
接地電位との間でキヤパシタを形成しているN+
領域の電位をスイツチングトランジスタで読み出
す方式の構成が記載されている。
JP-A-56-150878 and JP-A-56-157073 disclose that charges are added to the P + region of a hook structure consisting of N + , P + , I (or P - , N - ), and N + regions. accumulate,
N + forming a capacitor with ground potential
A configuration is described in which the potential of a region is read out using a switching transistor.

しかしながら、この構成では、高速で直線性の
良い読み出しができず、感度にも限界がある。
However, with this configuration, high-speed readout with good linearity is not possible, and sensitivity is also limited.

一方、特開昭56−165473号公報には、N+領域、
浮遊状態のP+領域、高抵抗領域及びパルス電圧
が印加される透明電極に接続されたN+領域とで
構成される、N+、P+、I(又はP-、N-)、N+
域のフツク構造が示されている。そして浮遊状態
のN+領域は同時に読み出し用トランジスタの主
電極領域の一つとなつており、読み出し動作時に
はトランジスタがオンして正に帯電したN+領域
へ電子が流入してその電圧変化を信号として読み
出しを行う。しかしながら、これも高速で直線性
の良い読み出しができず、感度にも限界がある。
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-open No. 56-165473 describes the N + region,
N + , P + , I (or P - , N - ), N + , consisting of a floating P + region, a high resistance region and an N + region connected to a transparent electrode to which a pulsed voltage is applied. The hook structure of the region is shown. The floating N + region also serves as one of the main electrode regions of the readout transistor, and during readout, the transistor is turned on and electrons flow into the positively charged N + region, and the voltage change is used as a signal. Perform reading. However, this method also does not allow high-speed readout with good linearity, and has a limit in sensitivity.

そして、TV学会誌には、ゲート蓄積型ホトセ
ルとベース蓄積型ホトセルとが示されている。こ
のうちゲート蓄積型ホトセルは、ゲートを浮遊状
態として絶縁膜を介したリフレツシユ線を介して
ゲート領域を予め所定の電圧に逆バイアスし、ソ
ース接地抵抗負荷の出力回路に読み出す構成であ
る。
The TV Society Journal describes gate storage type photocells and base storage type photocells. Among these, the gate storage type photocell has a configuration in which the gate is placed in a floating state, the gate region is reverse biased to a predetermined voltage via a refresh line via an insulating film, and the voltage is read out to an output circuit with a grounded source resistive load.

一方、ベース蓄積型ホトセルは、N+、P+
N-、N+ホトトランジスタ構造を有しており、浮
遊状態とされたベース(P+)、パルス的に電圧が
印加されるコレクタ(N+)と、容量とスイツチ
ングMOSFETとを含むエミツタホロアの出力回
路が接続されたエミツタ(N+)と、で構成され
ている。これらは、いずれにしても高速で直線性
の良い読み出しを行うことができず、感度にも限
界がある。
On the other hand, the base storage type photocell has N + , P + ,
It has an N - , N + phototransistor structure, and has a floating base (P + ), a collector (N + ) to which a pulsed voltage is applied, and an emitter follower output that includes a capacitor and a switching MOSFET. It consists of an emitter (N + ) to which a circuit is connected. In any case, these methods cannot perform high-speed readout with good linearity, and their sensitivity is also limited.

また、以上の従来技術とは別に、米国特許第
3624428号明細書や特公昭50−38531号公報にはベ
ースに絶縁層を介して電極を設けたトランジスタ
にエミツタ接地抵抗負荷の出力回路を接続し、ベ
ースに逆バイアスにして蓄積動作を行い、該エミ
ツタ接地抵抗負荷の出力回路で電流読み出しを行
う構成が示されている。しかし所詮、破壊型セン
サの電流読み出しである為に直線性、残像特性が
悪い。又、感度もよくない。
In addition to the above-mentioned conventional technology, there is also a U.S. patent
In the specification of No. 3624428 and Japanese Patent Publication No. 50-38531, an output circuit with a grounded emitter resistor load is connected to a transistor whose base is provided with an electrode via an insulating layer, and the base is reverse biased to perform an accumulation operation. A configuration is shown in which the current is read out using the output circuit of the emitter-grounded resistive load. However, since this is a current readout from a destructive sensor, linearity and afterimage characteristics are poor. Also, the sensitivity is not good.

[発明の目的] 本発明の目的は、各セルに増幅機能を有するも
きわめて簡単な構造であり、将来の高解像度化に
も十分対処しうるキヤリア蓄積方式の改良された
光電変換装置を提供することにある。
[Object of the Invention] An object of the present invention is to provide an improved photoelectric conversion device using a carrier accumulation method, which has an amplification function in each cell, has an extremely simple structure, and can sufficiently cope with future increases in resolution. There is a particular thing.

本発明の別の目的は、照射された光に対して直
線性の良好な出力信号を極短時間で得ることが可
能で非常に高感度な高速性に優れた光電変換装置
を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device with excellent sensitivity and high speed, which can obtain an output signal with good linearity with respect to irradiated light in a very short time. be.

かかる目的は、第1導電型の第1半導体領域
と、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2
半導体領域と、高抵抗半導体領域と、第1導電型
の第3半導体領域と、第2導電型の第4半導体領
域と、を有し、 前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とは
隣接して配置されており、前記第3半導体領域と
前記第4半導体領域とは隣接して配設されてお
り、前記高抵抗半導体領域は前記第2半導体領域
と前記第3半導体領域との間に配設されており、 前記第1半導体領域と前記第2半導体領域と前
記第3半導体領域と前記高抵抗半導体領域とで第
1トランジスタを構成し、前記第2半導体領域と
前記第3半導体領域と前記第4半導体領域と前記
高抵抗半導体領域とで第2トランジスタを構成
し、 光励起により発生したエレクトロンとホールと
で構成されるキヤリアのうち前記第2半導体領域
と前記第3半導体領域のうちどちらか一方がホー
ルを蓄積し、他方がエレクトロンを蓄積する光電
変換装置であつて、 前記第2半導体領域と容量結合された第1の電
極と、前記第3半導体領域と容量結合された第2
の電極と、を有し、該第2及び第3の半導体領域
にそれぞれ蓄積されたエレクトロンとホールとに
基づいて信号を読み出す為の読み出し手段を具備
し、 前記読み出し手段は、前記第2半導体領域と前
記第3半導体領域とのそれぞれに、前記第1及び
第2の電極により、前記第1及び第4半導体領域
に対して独立的に電位を与え、前記第2半導体領
域と前記第1半導体領域との接合部と、前記第3
半導体領域と前記第4半導体領域との接合部とを
それぞれ順方向にバイアスし、前記信号を読み出
す手段であることを特徴とする光電変換装置によ
り達成される。
This purpose is to form a first semiconductor region of a first conductivity type and a second semiconductor region of a second conductivity type different from the first conductivity type.
It has a semiconductor region, a high-resistance semiconductor region, a third semiconductor region of a first conductivity type, and a fourth semiconductor region of a second conductivity type, and the first semiconductor region and the second semiconductor region are adjacent to each other. The third semiconductor region and the fourth semiconductor region are arranged adjacent to each other, and the high-resistance semiconductor region is located between the second semiconductor region and the third semiconductor region. The first semiconductor region, the second semiconductor region, the third semiconductor region, and the high-resistance semiconductor region constitute a first transistor, and the second semiconductor region and the third semiconductor region constitute a first transistor. A second transistor is configured by the fourth semiconductor region and the high-resistance semiconductor region, and one of the second semiconductor region and the third semiconductor region is a carrier composed of electrons and holes generated by photoexcitation. A photoelectric conversion device in which one side accumulates holes and the other side accumulates electrons, the first electrode capacitively coupled to the second semiconductor region, and the second electrode capacitively coupled to the third semiconductor region.
electrodes, and readout means for reading out signals based on electrons and holes accumulated in the second and third semiconductor regions, respectively, and the readout means includes electrodes in the second and third semiconductor regions. and the third semiconductor region, independently apply a potential to the first and fourth semiconductor regions by the first and second electrodes, and the second semiconductor region and the first semiconductor region and the third
This is achieved by a photoelectric conversion device characterized in that the junction portion between the semiconductor region and the fourth semiconductor region is biased in the forward direction to read out the signal.

[作用] 本発明によれば、光励起によつて発生するキヤ
リアとしてのエレクトロンとホールとの両方を蓄
積し、ゲインを増加させながら、読出すことがで
きるので極めて高感度な光電変換を行うことがで
きる。
[Function] According to the present invention, both electrons and holes as carriers generated by optical excitation can be accumulated and read out while increasing the gain, making it possible to perform extremely sensitive photoelectric conversion. can.

[実施例] 本発明による好適な実施態様例の概略を以下に
説明する。
[Example] An outline of a preferred embodiment according to the present invention will be described below.

その最も特徴的な構成は第1図乃至第13図に
示す実施例、特に第10図乃至第13図に示す実
施例に表現されている。その詳細については後述
するものとして、まずその一例として第1図を取
り上げながらその概略を説明する。
Its most characteristic configuration is expressed in the embodiments shown in FIGS. 1 to 13, particularly in the embodiments shown in FIGS. 10 to 13. The details will be described later, but the outline will first be explained using FIG. 1 as an example.

第1図cの符号360で示される第1トランジ
スタとしてのNPNトランジスタは、第1図bに
おける第1半導体領域としてのn+領域7と、第
2半導体領域としてのp領域6と、第3半導体領
域としてのn+領域351と、高抵抗半導体領域
としてのn-領域5とで構成される。
The NPN transistor as the first transistor indicated by the reference numeral 360 in FIG. 1c includes an n + region 7 as the first semiconductor region in FIG. It is composed of an n + region 351 as a region and an n region 5 as a high resistance semiconductor region.

第2トランジスタとしてのPNPトランジスタ
361は、第2半導体領域としてのp領域6と、
第3半導体領域としてのn+領域351と、第4
半導体領域としてのp+領域350と、高抵抗半
導体領域としてのn-領域5とで構成される。
A PNP transistor 361 as a second transistor includes a p region 6 as a second semiconductor region,
n + region 351 as the third semiconductor region and the fourth
It is composed of a p + region 350 as a semiconductor region and an n region 5 as a high resistance semiconductor region.

ここで、p領域6は光励起により発生したエレ
クトロンとホールとで構成されるキヤリアのうち
ホールを蓄積し、n+領域351はエレクトロン
を蓄積する。
Here, the p region 6 accumulates holes among carriers composed of electrons and holes generated by photoexcitation, and the n + region 351 accumulates electrons.

以下本発明による光電変換装置についての理解
を容易にするために、始めにエレクトロンとホー
ルとで構成されるキヤリアのうちホールのみを蓄
積するタイプのものについて周辺回路を含めて説
明する。
In order to facilitate understanding of the photoelectric conversion device according to the present invention, a type of carrier that stores only holes among carriers composed of electrons and holes will be described below, including its peripheral circuits.

まず、第14図及び第15図を参照すると、第
14図の符号30で示されるようなトランジスタ
を含む光電変換セルの主電極領域の一方(エミツ
タ)には出力回路が接続されている。この出力回
路は垂直ライン38,38′,38″、水平シフト
レジスタ39、MOSトランジスタ40,40′,
40″、出力ライン41、MOSトランジスタ4
2、出力トランジスタ44、負荷抵抗45等で構
成され、垂直ライン38,38′,38″は各々容
量負荷としての第15図の符号21で示すCsの
ように配線容量を有している。
First, referring to FIGS. 14 and 15, an output circuit is connected to one of the main electrode regions (emitter) of a photoelectric conversion cell including a transistor as shown by the reference numeral 30 in FIG. This output circuit includes vertical lines 38, 38', 38'', horizontal shift register 39, MOS transistors 40, 40',
40″, output line 41, MOS transistor 4
2, an output transistor 44, a load resistor 45, etc., and each of the vertical lines 38, 38', 38'' has a wiring capacitance as a capacitive load, such as Cs indicated by reference numeral 21 in FIG.

また蓄積された電荷に基づき光電変換された信
号を読み出す為の読み出し手段として垂直シフト
レジスタ32、バツフアMOSトランジスタ33,
33′,33″、端子34、水平ライン31,3
1′,31″が設けられた回路構成を採つている。
Further, a vertical shift register 32, a buffer MOS transistor 33, a vertical shift register 32, a buffer MOS transistor 33,
33', 33'', terminal 34, horizontal line 31, 3
1', 31'' is provided.

蓄積動作時には、エミツタは接地され、もう一
方の主電極領域(コレクタ)は正電位にバイアス
される。また制御電極領域(ベース)はエミツタ
に対して逆バイアス状態にされるが、この時のベ
ース電位を制御することにより飽和電圧を決定で
きる。こうしてバイアス電圧を適宜設定すればセ
ル自体にスイツチング作用を持たせることができ
る。
During storage operation, the emitter is grounded and the other main electrode region (collector) is biased to a positive potential. Further, the control electrode region (base) is placed in a reverse bias state with respect to the emitter, and the saturation voltage can be determined by controlling the base potential at this time. By appropriately setting the bias voltage in this manner, the cell itself can have a switching effect.

読み出し動作時には、エミツタは浮遊状態にさ
れ、コレクタは正電位にバイアスされる。制御電
極領域は主電極領域とは独立的に読み出し手段に
よつてその電位が制御される。ここでベースをエ
ミツタに対して順方向にバイアスすると良好な直
線性を確保しつつ高速読み出しができる。この時
の動作を第15図を参照して説明する。読み出し
時には浮遊状態にあるエミツタ及び正の電位に保
持されているコレクタに対して、独立的には配線
10より正の電圧VRを印加することでエミツタ
電位に対してベース電位を順方向にバイアスする
ことにより、エミツタベース接合部が順方向に深
くバイアスされる。このようにして、エミツタ電
位がベース電位、即ち光照射により発生した蓄積
電圧に等しくなるまで、電流が流れるのである
が、このときに要する時間は、電圧VRの作用に
より一層短縮され高速読み出しにおいても、優れ
た直線性が確保できるのである。
During a read operation, the emitter is left floating and the collector is biased to a positive potential. The potential of the control electrode region is controlled by the readout means independently of the main electrode region. If the base is biased in the forward direction with respect to the emitter, high-speed readout can be achieved while ensuring good linearity. The operation at this time will be explained with reference to FIG. At the time of reading, a positive voltage VR is applied independently from the wiring 10 to the emitter in a floating state and the collector held at a positive potential, thereby biasing the base potential in the forward direction with respect to the emitter potential. This causes the emitter-base junction to be deeply biased in the forward direction. In this way, a current flows until the emitter potential becomes equal to the base potential, that is, the accumulated voltage generated by light irradiation.The time required for this is further shortened by the action of the voltage VR , allowing high-speed readout. Also, excellent linearity can be ensured.

リフレツシユ動作は、以下のとおりである。 The refresh operation is as follows.

エミツタはスイツチ手段としてのMOSトラン
ジスタ48,48′,48″によりアース記号をも
つて示される第1の基準電圧源に接続され接地さ
れる。このときコレクタは第2の基準電圧源に接
続、即ち正電位または接地電位にされる。ここで
コレクタが接地される場合を第16図に示してあ
る。このような状態において正電位VRHなる電圧
を印加して制御電極領域としてのベースの電位を
制御することにより少がなくともベース・エミツ
タ間が順方向バイアスされてベース領域に蓄積さ
れたホール流れ出したり、ベース領域内に電子が
流入したりして蓄積された電荷が消滅する。この
ような順バイアスを与える為の順バイアス手段と
してはMOSトランジスタ48,48′,48″や
バツフアMOSトランジスタ35,35′,35″、
端子36,37等を設けることで構成される。
The emitter is connected to a first reference voltage source, indicated by the earth symbol, and grounded by means of MOS transistors 48, 48', 48'' as switching means.The collector is then connected to a second reference voltage source, i.e. The voltage is set to positive potential or ground potential.The case where the collector is grounded is shown in Fig. 16.In such a state, a voltage of positive potential VRH is applied to raise the potential of the base as the control electrode region. Through control, at least a forward bias is applied between the base and emitter, holes accumulated in the base region flow out, electrons flow into the base region, and the accumulated charge disappears. Forward bias means for applying forward bias include MOS transistors 48, 48', 48'', buffer MOS transistors 35, 35', 35'',
It is configured by providing terminals 36, 37, etc.

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

先ず、本発明の光電変換装置の説明に先立つ
て、本発明の光電変換装置を構成する光センサセ
ルの基本構造および動作について説明する。
First, prior to explaining the photoelectric conversion device of the present invention, the basic structure and operation of a photosensor cell that constitutes the photoelectric conversion device of the present invention will be explained.

第17図は、本発明に係る光電変換装置を構成
する光センサセルの基本構造および動作を説明す
る図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating the basic structure and operation of a photosensor cell that constitutes a photoelectric conversion device according to the present invention.

第17図aは、光センサセルの平面図を、第1
7図bは、第17図a平面図のAA′部分の断面図
を、第17図cは、それの等価回路をそれぞれ示
す。なお、各部位において第17図a,b,cに
共通するものについては同一の番号をつけてい
る。
FIG. 17a shows a top view of the optical sensor cell in the first
7b is a cross-sectional view of a portion AA' in the plan view of FIG. 17a, and FIG. 17c is an equivalent circuit thereof. In addition, the same numbers are given to the parts common to FIGS. 17a, b, and c in each part.

第17図では、整列配置方式の平面図を示した
が、水平方向解像度を高くするために、画素ずら
し方式(補間配置方式)にも配置できることはも
ちろんのことである。
Although FIG. 17 shows a plan view of the aligned arrangement method, it goes without saying that the pixel shifting method (interpolation arrangement method) can also be used to increase the horizontal resolution.

この光センサセルは、第17図a,bに示すご
とく、 リン(P)、アンチモン(Sb)、ヒ素(As)等
の不純物をドープしてn型又はn+型とされたシ
リコン基板1の上に、通常PSG膜等で構成され
るパシベーシヨン膜2; シリコン酸化膜(SiO2)より成る絶縁酸化膜
3; となり合う光センサセルとの間を電気的に絶縁す
るためのSiO2あるいはSi3N4等よりなる絶縁膜又
はポリシリコン膜等で構成される素子分離領域
4; エピタキシヤル技術等で形成される不純物濃度
の低いn-領域5; その上の例えば不純物拡散技術又はイオン注入
技術を用いてボロン(B)等の不純物をドープしたバ
イポーラトランジスタのベースとなるp領域6; 不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成され
るバイポーラトランジスタのエミツタとなるn+
領域7; 信号を外部へ読出すための、例えばアルミニウ
ム(Al)、Al−Si、Al−Cu−Si等の導電材料で
形成される配線8; 絶縁膜3を通して、浮遊状態になされたp領域
6にパルスを印加するための電極9; それの配線10; 基板1の裏面にオーミツクコンタクトをとるた
めに不純物拡散技術等で形成された不純物濃度の
高いn+領域11; 基板の電位を与える、すなわちバイポーラトラ
ンジスタのコレクタ電位を与えるためのアルミニ
ウム等の導電材料で形成される電極12; より構成されている。
As shown in FIGS. 17a and 17b, this optical sensor cell is constructed on a silicon substrate 1 doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb), and arsenic (As) to make it n-type or n + type. In addition, a passivation film 2 usually made of a PSG film or the like; an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ); and a SiO 2 or Si 3 N 4 film for electrically insulating between adjacent photosensor cells. an element isolation region 4 made of an insulating film or a polysilicon film, etc.; an n - region 5 with a low impurity concentration formed by epitaxial technology, etc.; P region 6 doped with impurities such as boron (B), which becomes the base of the bipolar transistor; n + which becomes the emitter of the bipolar transistor formed by impurity diffusion technology, ion implantation technology, etc.
Region 7; Wiring 8 made of a conductive material such as aluminum (Al), Al-Si, Al-Cu-Si, etc. for reading out signals to the outside; P region made in a floating state through the insulating film 3 electrode 9 for applying a pulse to the substrate 1; its wiring 10; an n + region 11 with a high impurity concentration formed by impurity diffusion technology to establish ohmic contact with the back surface of the substrate 1; , that is, an electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for providing a collector potential of a bipolar transistor;

なお、第17図aの19はn+領域7と配線8
の接続をとるためのコンタクト部分である。又配
線8および配線10の交互する部分はいわゆる2
層配線となつており、SiO2等の絶縁材料で形成
される絶縁領域で、それぞれ互いに絶縁されてい
る。すなわち、金属の2層配線構造になつてい
る。
Note that 19 in FIG. 17a indicates the n + region 7 and the wiring 8.
This is the contact part for making the connection. Also, the alternating portions of the wiring 8 and the wiring 10 are so-called 2
They are layered interconnects, and are insulated from each other by insulating regions made of an insulating material such as SiO 2 . That is, it has a two-layer metal wiring structure.

第17図cの等価回路のコンデンサCox13は
電極9、絶縁膜3、p領域6のMOS構造より構
成され、又バイポーラトランジスタ14はエミツ
タとしてのn+領域7、ベースとしてのp領域6、
不純物濃度の小さいn-領域5、コレクタとして
のn又はn+領域1の各部分より構成されている。
これらの図面から明らかなように、p領域6は浮
遊領域になされている。
The capacitor Cox 13 in the equivalent circuit of FIG .
It is composed of an n - region 5 having a low impurity concentration and an n or n + region 1 serving as a collector.
As is clear from these drawings, p region 6 is made into a floating region.

第17図cの第2の等価回路は、バイポーラト
ランジスタ14をベース・エミツタの接合容量
Cbe15、ベース・エミツタのpn接合ダイオード
Dbe16、ベース・コレクタの接合容量Cbc1
7、ベース・コレクタのpn接合ダイオードDbc1
8を用いて表現したものである。
The second equivalent circuit in FIG. 17c shows the bipolar transistor 14 with base-emitter junction capacitance.
Cbe15, base-emitter pn junction diode
Dbe16, base-collector junction capacitance Cbc1
7. Base-collector pn junction diode Dbc1
This is expressed using 8.

ここでは、本来等価回路図として、pn接合ダ
イオードDbe16及びpn接合ダイオードDbc18
と並列に記されるべき2つの異なる向きの電流源
を示す記号は省略してある。
Here, as the original equivalent circuit diagram, pn junction diode Dbe16 and pn junction diode Dbc18
Symbols indicating two different orientations of current sources that should be written in parallel with are omitted.

以下、光センサセルの基本動作を第17図を用
いて説明する。
The basic operation of the optical sensor cell will be explained below using FIG. 17.

この光センサセルの基本動作は、光入射による
電荷蓄積動作、読出し動作およびリフレツシユ動
作より構成される。
The basic operation of this photosensor cell consists of a charge accumulation operation by light incidence, a readout operation, and a refresh operation.

まず、電荷蓄積動作について説明する。 First, charge storage operation will be explained.

電荷蓄積動作においては、例えばエミツタは、
配線8を通して接地され、コレクタは配線12を
通して正電位にバイアスされている。またベース
は、あらかじめコンデンサCox13に、配線10
を通して正のパルス電圧を印加することにより負
電位、すなわち、エミツタ7に対して逆バイアス
状態にされているものとする。このCox13にパ
ルスを印加してベース6を負電位にバイアスする
動作については、後にリフレツシユ動作の説明の
とき、くわしく説明する。
In charge storage operation, for example, the emitter is
It is grounded through a wiring 8, and its collector is biased to a positive potential through a wiring 12. In addition, the base is connected to the capacitor Cox13 in advance, and the wiring 10
It is assumed that by applying a positive pulse voltage through the emitter 7, a negative potential is applied, that is, a reverse bias state is applied to the emitter 7. The operation of biasing the base 6 to a negative potential by applying a pulse to the Cox 13 will be explained in detail later when the refresh operation is explained.

この状態において、第17図に示す様に光セン
サセルの表側から光20が入射してくると、半導
体内においてレテクトロン・ホール対が発生す
る。この内、エレクトロンは、n領域1が正電位
にバイアスされているのでn領域1側に流れだし
ていつてしまうが、ホールはp領域6にどんどん
蓄積されていく。このホールのp領域への蓄積に
よりp領域6の電位は次第に正電位に向かつて変
化していく。
In this state, when light 20 is incident from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 17, a pair of retectron holes is generated within the semiconductor. Of these, electrons flow toward the n-region 1 side because the n-region 1 is biased to a positive potential, but holes are rapidly accumulated in the p-region 6. Due to the accumulation of holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward a positive potential.

第17図a,bでも各センサセルの受光面下面
は、ほとんどp領域で占められており、一部n+
領域7となつている。当然のことながら、光によ
り励起されるエレクトロン・ホール対濃度は表面
に近い程大きい。このためp領域6中にも多くの
エレクトロン・ホール対が光により励起される。
p領域中に光励起されたエレクトロンが再結合す
ることなくp領域6からただちに流れ出て、n領
域に吸収されるような構造にしておけば、p領域
6で励起されたホールはそのまま蓄積されて、p
領域6を正電位方向に変化させる。p領域6の不
純物濃度が均一になされている場合には、光で励
起されたエレクトロンは拡散で、p領域6とn-
領域5とのpn-接合部まで流れ、その後はn-領域
に加わつている強い電界によるドリフトでnコレ
クタ領域1に吸収される。もちろん、p領域6内
の電子の走行を拡散だけで行つてもよいわけであ
るが、表面から内部に行くほどpベースの不純物
濃度が減少するように構成しておけば、この不純
物濃度差により、ベース内に内部から表面に向う
電界Ed、 Ed=1/WB・kT/q・lnNAS/NAi が発生する。ここで、WBはp領域6の光入射側
表面からの深さ、kはボルツマン定数、Tは絶対
温度、qは単位電荷、NASはpベース領域6の表
面不純物濃度、NAiはp領域6のn-高抵抗領域5
との界面における不純物濃度である。
In FIGS. 17a and 17b, the lower surface of the light-receiving surface of each sensor cell is mostly occupied by the p region, and some n +
It has become area 7. Naturally, the concentration of electron-hole pairs excited by light increases as it approaches the surface. Therefore, many electron-hole pairs are excited in the p-region 6 by the light.
If the structure is such that electrons photoexcited in the p-region immediately flow out of the p-region 6 without recombination and are absorbed in the n-region, the holes excited in the p-region 6 will be accumulated as they are. p
The region 6 is changed to a positive potential direction. When the impurity concentration of p region 6 is uniform, electrons excited by light are diffused and are connected to p region 6 and n -
It flows to the pn - junction with region 5, and is then absorbed by n collector region 1 due to drift due to the strong electric field applied to the n - region. Of course, it is possible for electrons to travel within the p region 6 by diffusion alone, but if the structure is configured so that the p-based impurity concentration decreases from the surface to the inside, this impurity concentration difference , an electric field Ed, Ed=1/W B・kT/q・lnN AS /N Ai , is generated in the base from the inside toward the surface. Here, W B is the depth from the light incident surface of the p region 6, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the unit charge, N AS is the surface impurity concentration of the p base region 6, and N Ai is the p Region 6 n - High resistance region 5
is the impurity concentration at the interface with

ここで、NAS/NAi>3とすれば、p領域6内
の電子の走行は、拡散よりはドリフトにより行わ
れるようになる。すなわち、p領域6内に光によ
り励起されるキヤリアを信号として有効に動作さ
せるためには、p領域6の不純物濃度は光入射側
表面から内部に向つて減少しているようになつて
いることが望ましい。拡散でp領域6を形成すれ
ば、その不純物濃度は光入射側表面にくらべ内部
に行くほど減少している。
Here, if N AS /N Ai >3, the movement of electrons in p region 6 will be performed by drift rather than diffusion. That is, in order to effectively operate carriers excited by light in p-region 6 as signals, the impurity concentration of p-region 6 must decrease from the light-incidence side surface toward the inside. is desirable. When p region 6 is formed by diffusion, its impurity concentration decreases toward the inside compared to the light incident side surface.

センサセルの受光面下の一部は、n+領域7に
より占られている。n+領域7の深さは、通常0.2
〜0.3μm程度、あるいはそれ以下に設計されるか
ら、n+領域7で吸収される光の量は、もともと
あまり多くはないのでそれ程問題はない。ただ、
短波長側の光、特に青色光に対しては、n+領域
7の存在は感度低下の原因になる。n+領域7の
不純物濃度は通常1×1020cm-3程度あるいはそれ
以上に設計される。こうした高濃度に不純物がド
ープされたn+領域7におけるホールの拡散距離
は0.15〜0.2μm程度である。したがつて、n+領域
7内で光励起されたホールを有効にp領域6に流
し込むには、n+領域7も光入射表面から内部に
向つて不純物濃度が減少する構造になつているこ
とが望ましい。n+領域7の不純物濃度分布が上
記の様になつていれば、光入射側表面から内部に
向う強いドリフト電界が発生して、n+領域7に
光励起されたホールはドリフトによりただちにp
領域6に流れ込む。n+領域7、p領域6の不純
物濃度がいずれも光入射側表面から内部に向つて
減少するように構成されていれば、センサセルの
光入射側表面側に存在するn+領域7、p領域6
において光励起されたキヤリアはすべて光信号と
して有効に働くのである。As又はPを高濃度に
ドープしたシリコン酸化膜あるいはポリシリコン
膜からの不純物拡散により、このn+領域7を形
成すると、上記に述べたように望ましい不純物傾
斜をもつn+領域を得ることが可能である。
A portion below the light-receiving surface of the sensor cell is occupied by the n + region 7 . The depth of n + region 7 is typically 0.2
Since the thickness is designed to be approximately 0.3 μm or less, the amount of light absorbed by the n + region 7 is not so large to begin with, so there is no problem. just,
For light on the short wavelength side, especially blue light, the presence of the n + region 7 causes a decrease in sensitivity. The impurity concentration of the n + region 7 is usually designed to be about 1×10 20 cm −3 or more. The diffusion distance of holes in the n + region 7 doped with impurities at such a high concentration is about 0.15 to 0.2 μm. Therefore, in order to effectively flow the holes optically excited in the n + region 7 into the p region 6, the n + region 7 must also have a structure in which the impurity concentration decreases from the light incident surface toward the inside. desirable. If the impurity concentration distribution in the n + region 7 is as described above, a strong drift electric field will be generated from the surface on the light incidence side toward the inside, and the holes photoexcited in the n + region 7 will immediately become p
Flows into area 6. If the impurity concentration of both the n + region 7 and the p region 6 decreases from the light incident side surface toward the inside, then the n + region 7 and the p region existing on the light incident side surface side of the sensor cell 6
All optically excited carriers function effectively as optical signals. If this n + region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or polysilicon film doped with As or P at a high concentration, it is possible to obtain an n + region with the desired impurity gradient as described above. It is.

最終的には、ホールの蓄積によりベース電位は
エミツタ電位まで変化し、この場合は接地電位ま
で変化して、そこでクリツプされることになる。
より厳密に言うと、ベース・エミツタ間が順方向
に深くバイアスされて、ベースに蓄積されたホー
ルがエミツタに流出し始める電圧でクリツプされ
る。つまり、この場合の光センサセルの飽和電位
は、最初にp領域6を負電位にバイアスしたとき
のバイアス電位と接地電位との電位差で略々与え
られるわけである。n+領域7が接地されず、浮
遊状態において光入力によつて発生した電荷の蓄
積を行う場合には、p領域6はn領域1と略々同
電位まで電荷を蓄積することができる。
Eventually, the accumulation of holes will cause the base potential to change to the emitter potential, in this case to ground potential, where it will be clipped.
More precisely, the base and emitter are biased deeply in the forward direction, and the holes accumulated in the base are clipped at a voltage that begins to flow to the emitter. That is, the saturation potential of the photosensor cell in this case is approximately given by the potential difference between the bias potential when p region 6 is initially biased to a negative potential and the ground potential. When n + region 7 is not grounded and accumulates charges generated by optical input in a floating state, p region 6 can accumulate charges to approximately the same potential as n region 1 .

以上は電荷蓄積動作の定性的な概略説明である
が、以下に少し具体的かつ定量的に説明する。
The above is a qualitative and general explanation of the charge accumulation operation, but a more specific and quantitative explanation will be given below.

この光センサセルの分光感度分布は次式で与え
られる。
The spectral sensitivity distribution of this optical sensor cell is given by the following equation.

S(λ)=λ/1.24・exp(−αx) ×{1−exp(−αy)}・T〔A/W〕 但し、λは光の波長〔μm〕、αはシリコン結
晶中での光の減衰係数〔μm-1〕、xは半導体表
面における、再結合損失を起こし感度に寄与しな
い“deed layer”(不感領域)の厚さ〔μm〕、y
はエピタキシヤル層の厚さ〔μm〕、Tは透過率
すなわち、入射してくる光量に対して反射等を考
慮して有効に半導体中に入射する光量の割合をそ
れぞれ示している。この光センサセルの分光感度
S(λ)および放射照度Ee(λ)を用いて光電流
Ipは次式で計算される。
S (λ) = λ/1.24・exp(−αx) × {1−exp(−αy)}・T [A/W] However, λ is the wavelength of light [μm], and α is the light wavelength in the silicon crystal. x is the attenuation coefficient [μm -1 ], x is the thickness of the “dead layer” on the semiconductor surface that causes recombination loss and does not contribute to sensitivity [μm], y
is the thickness of the epitaxial layer [μm], and T is the transmittance, that is, the ratio of the amount of light that effectively enters the semiconductor, taking into account reflection and the like with respect to the amount of incident light. Using the spectral sensitivity S (λ) and irradiance Ee (λ) of this optical sensor cell, we calculate the photocurrent
Ip is calculated using the following formula.

Ip=∫ 0S(λ)・Ee(λ)・dλ〔μA/cm2〕 但し、放射照度Ee(λ)〔μW・cm-2・nm-1
は次式で与えられる。
Ip=∫ 0 S(λ)・Ee(λ)・dλ [μA/cm 2 ] However, irradiance Ee (λ) [μW・cm -2・nm -1 ]
is given by the following equation.

Ee(λ)=EV・P(λ)/6.80∫0V(λ)P(
λ)・dλ 〔μW・cm-2・nm-1〕 但しEVはセンサの受光面の照度〔Lux〕、P
(λ)はセンサの受光面に入射している光の分光
分布、V(λ)は人間の目の比視感度である。
Ee (λ) = E V・P (λ) / 6.80∫ / 0 V (λ) P (
λ)・dλ [μW・cm -2・nm -1 ] However, E V is the illuminance of the sensor's light receiving surface [Lux], P
(λ) is the spectral distribution of light incident on the light receiving surface of the sensor, and V(λ) is the relative luminous efficiency of the human eye.

これらの式を用いると、エピ厚の層4μmをも
つ光センサセルでは、A光源(2854°K)で照射
され、センサ受光面照度が1〔Lux〕のとき、約
280nA/cm-2の光電流が流れ、入射してくるフオ
トンの数あるいは発生するエレクトロン・ホール
体の数は1.8×1012ケ/cm2・sec程度である。
Using these equations, for an optical sensor cell with an epitaxial layer of 4 μm, when irradiated with light source A (2854°K) and the sensor light receiving surface illuminance is 1 [Lux], approximately
A photocurrent of 280 nA/cm -2 flows, and the number of incident photons or the number of generated electron/hole bodies is approximately 1.8×10 12 /cm 2 ·sec.

又、この時、光により励起されたホールがベー
スに蓄積することにより発生する電位VpはVp=
Q/Cで与えられる。Qは蓄積されるホールの電
荷量であり、CはCbe15とCbc17を加算した
接合容量である。
Also, at this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is Vp=
It is given by Q/C. Q is the amount of accumulated hole charge, and C is the junction capacitance that is the sum of Cbe15 and Cbc17.

今、n+領域7の不純物濃度を1020cm-3、p領域
6の不純物濃度を5×1016cm-3、n-領域5の不純
物濃度を1013cm-3、n+領域7の面積を16μm2、p
領域6の面積を64μm2、n-領域5の厚さを3μmに
したときの接合容量は、約0.014pF位になり、一
方、p領域6に蓄積されるホールの個数は、蓄積
時間1/60sec、有効受光面積、すなわちp領域6
の面積から電極8および9の面積を引いた面積を
56μm2程度とすると、1.7×104ケとなる。従つて
光入射により発生する電位Vpは190mV位にな
る。
Now, the impurity concentration of n + region 7 is 10 20 cm -3 , the impurity concentration of p region 6 is 5×10 16 cm -3 , the impurity concentration of n - region 5 is 10 13 cm -3 , and the impurity concentration of n + region 7 is 10 13 cm -3 . The area is 16μm 2 , p
When the area of region 6 is 64 μm 2 and the thickness of n - region 5 is 3 μm, the junction capacitance is approximately 0.014 pF. On the other hand, the number of holes accumulated in p region 6 is determined by the accumulation time 1/ 60sec, effective light receiving area, i.e. p region 6
The area obtained by subtracting the area of electrodes 8 and 9 from the area of
If it is about 56μm 2 , it will be 1.7×10 4 pieces. Therefore, the potential Vp generated by light incidence is about 190 mV.

ここで注目すべきことは、高解像度化され、セ
ルサイズが縮小化されていつた時に、一つの光セ
ンサセルあたりに入射する光量が減少し、蓄積電
荷量Qが共に減少していくが、セルの縮小化に伴
ない接合容量もセルサイズに比例して減少してい
くので、光入射により発生する電位Vpはほぼ一
定に保たれるということである。これは本発明に
おける光サンサセルが第17図に示すごとく、き
わめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめ
て大きくとれる可能性を有しているからである。
What should be noted here is that as the resolution increases and the cell size decreases, the amount of light incident on each photosensor cell decreases, and the amount of accumulated charge Q also decreases. As the cell size decreases, the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size, so the potential Vp generated by light incidence remains almost constant. This is because the optical sensor cell according to the present invention has an extremely simple structure, as shown in FIG. 17, and has the possibility of having an extremely large effective light-receiving surface.

インターラインタイプのCCDの場合と比較し
て本発明における光電変換装置が有利な理由の一
つはここにあり、光解像度化にともない、インタ
ーラインタイプのCCD型撮像装置では、転送す
る電荷量を確保しようとすると転送部の面積が相
対的に大きくなり、このため有効受光面が減少す
るので、感度、すなわち光入射による発生電圧が
減少してしまうことになる。また、インターライ
ンタイプCCD型撮像装置では、飽和電圧が転送
部の大きさにより制限され、どんどん低下してい
つてしまうのに対し、本発明における光センサセ
ルでは、先にも書いた様に、最初にp領域6を負
電位にバイアスした時のバイアス電圧により飽和
電圧は決まるわけであり、大きな飽和電圧を確保
することができる。
This is one of the reasons why the photoelectric conversion device of the present invention is advantageous compared to the case of an interline type CCD. If an attempt is made to ensure this, the area of the transfer section becomes relatively large, which reduces the effective light-receiving surface, resulting in a decrease in sensitivity, that is, the voltage generated by light incidence. In addition, in the interline type CCD type imaging device, the saturation voltage is limited by the size of the transfer section and gradually decreases, whereas in the optical sensor cell of the present invention, as mentioned earlier, the saturation voltage The saturation voltage is determined by the bias voltage when p-region 6 is biased to a negative potential, and a large saturation voltage can be ensured.

以上の様にしてp領域6に蓄積された電荷によ
り発生した電圧を外部へ読出す動作について次に
説明する。
The operation of reading out the voltage generated by the charges accumulated in p region 6 as described above to the outside will be described next.

読出し動作状態では、エミツタ、配線8は浮遊
状態に、コレクタ正電位Vccに保持される。
In the read operation state, the emitter and wiring 8 are held in a floating state at the collector positive potential Vcc.

第15図に等価回路を示す。 FIG. 15 shows an equivalent circuit.

ここでも、本来等価回路として、pn接合ダイ
オードDbe16及びpn接合ダイオードDbc18と
並列に記されるべき2つの異なる向きの電流源を
示す記号は省略してある。
Also here, symbols indicating two current sources in different directions that should originally be written in parallel with the pn junction diode Dbe16 and the pn junction diode Dbc18 as an equivalent circuit are omitted.

今、光を照射する前に、ベース6を負電位にバ
イアスした時の電位を−VBとし、光照射により
発生した蓄積電圧をVPとすると、ベース電位は、
−VB+VPなる電位になつている。この状態で配
線10を通して電極9に読出し用の正の電圧VR
を印加すると、この正の電位VRは酸化膜Cox1
3とベース・エミツタ間接合容量Cbe15、ベー
ス・コレクタ間接合容量Cbc7により容量分割さ
れ、ベースには電圧 Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR が加算される。従つてベース電位は −VB−VP+Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR となる。ここで、 −VB+Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR=0 となる条件が成立するようにしておくと、ベース
電位は光照射により発生した蓄積電圧VPそのも
のとなる。このようにしてエミツタ電位に対して
ベース電位が正方向にバイアスされると、エレク
トロンは、エミツタからベースに注入され、コレ
クタ電位が正電位になつているので、ドリフト電
界により加速されて、コレクタに到達する。この
時に流れる電流は、次式で与えられる。
Now, if the potential when the base 6 is biased to a negative potential before light irradiation is -V B , and the accumulated voltage generated by light irradiation is V P , then the base potential is
The potential is −V B +V P. In this state, a positive voltage V R for reading is applied to the electrode 9 through the wiring 10.
is applied, this positive potential V R is applied to the oxide film Cox1
3, the base-emitter junction capacitance Cbe15, and the base-collector junction capacitance Cbc7, and the voltage Cox/Cox+Cbe+Cbc·V R is added to the base. Therefore, the base potential becomes −V B −V P +Cox/Cox+Cbe+Cbc·V R. Here, if the condition -V B +Cox/Cox+Cbe+Cbc·V R =0 is established, the base potential becomes the accumulated voltage V P generated by light irradiation. When the base potential is biased in a positive direction with respect to the emitter potential in this way, electrons are injected from the emitter to the base, and since the collector potential is positive, they are accelerated by the drift electric field and flow into the collector. reach. The current flowing at this time is given by the following equation.

i=Aj・q・Dn・npe/WB(1+lnNAe/NAc
)×{expq/kT(VP−Ve)−1} 但しAjはベース・エミツタ間の接合面積、q
は単位電荷量(1.6×10-19クーロン)、Doはベー
ス中におけるエレクトロンの拡散定数、npeはp
ベースのエミツタ端における少数キヤリヤとして
のエレクトロン濃度、WBはベース幅、NAeはベ
ースのエミツタ単におけるアクセプタ濃度、NAc
はベースのコレクタ端におけるアクセプタ濃度、
kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Veはエミ
ツタ電位である。
i=A j・q・Dn・n pe /W B (1+lnN Ae /N Ac
)×{expq/kT(V P −V e )−1} where A j is the junction area between the base and emitter, q
is the unit charge (1.6×10 -19 coulombs), D o is the electron diffusion constant in the base, n pe is p
Electron concentration as a minority carrier at the base emitter end, W B is the base width, N Ae is the acceptor concentration at the base emitter end, N Ac
is the acceptor concentration at the collector end of the base,
k is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, and V e is emitter potential.

この電流は、エミツタ電位Veがベース電位、
すなわちここでは光照射により発生した蓄積電圧
VPに等しくなるまで流れることは上式から明ら
かである。この時エミツタ電位Veの時間的変化
は次式で計算される。
This current has an emitter potential V e as a base potential,
In other words, here the accumulated voltage generated by light irradiation
It is clear from the above equation that the flow continues until it becomes equal to V P. At this time, the temporal change in the emitter potential V e is calculated using the following formula.

Cs・dVe/dt=i=Aj・q・Dn・npe/WB (1+lnNAe/NAC)×{expq/kT(VP−Ve)−1} 但し、ここで配線容量Csはエミツタに接続さ
れている配線8のもつ容量21である。
Cs・dV e /dt=i=A j・q・Dn・n pe /W B (1+lnN Ae /N AC )×{expq/kT (V P −V e )−1} However, here, the wiring capacitance Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter.

第18図は、上式を用いて計算したエミツタ電
位の時間変化の一例を示している。
FIG. 18 shows an example of a temporal change in emitter potential calculated using the above formula.

第18図によればエミツタ電位がベース電位に
等しくなるためには、約1秒位を要することにな
る。これはエミツタ電位VeがVPに近くなるとあ
まり電流が流れなくなることに起因しているわけ
である。したがつて、これを解決する手段は、先
に電極9に正電圧VRを印加するときに、 −VB+Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR=0 なる条件を設定したが、この条件の代りに −VB+Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR=VBias なる条件を入れ、ベース電位をVBiasだけ、余分
に順方向にバイアスしてやる方法が考えられる。
この時に流れる電流は次式で与えられる。
According to FIG. 18, it takes about 1 second for the emitter potential to become equal to the base potential. This is because when the emitter potential V e approaches V P , less current flows. Therefore, the means to solve this problem is to set the condition −V B +Cox/Cox+Cbe+Cbc·V R =0 when applying the positive voltage V R to the electrode 9, but instead of this condition − One possible method is to insert the condition that V B +Cox/Cox+Cbe+Cbc・V R =V Bias and bias the base potential by V Bias in the forward direction.
The current flowing at this time is given by the following equation.

i=Aj・q・Dn・npe/WB(1+lnNAe/AAC
)×{expq/kT(VP+VBias−Ve)−1} 第19図aに、VBias=0.6Vとした場合、ある
一定時間の後、電極9に印加していたVRをゼロ
ボルトにもどし、流れる電流を停止させたときの
蓄積電圧VPに対する、読出し電圧すなわちエミ
ツタ電位の関係を示す。但し、第19図aでは、
読出し電圧はバイアス電圧成分による読出し時間
に依存する一定の電位が必ず加算されてくるがそ
のゲタ分をさし引いた値をプロツトしている。電
極9に印加している正電圧VRをゼロボルトにも
どした時には、印加したときとは逆に −Cox/Cox+Cbe+Cbc・VR なる電圧がベース電位に加算されるので、ベース
電位は、正電位VRを印加する前の状態、すなわ
ち、−VBになり、エミツタに対し逆バイアスされ
るので電流の流れが停止するわけである。第19
図aによれば100ns程度以上の読出し時間(すな
わちVRを電極9に印加している時間)をとれば、
蓄積電圧VPと読出し電圧は4桁程度の範囲にわ
たつて直線性は確保され、高速の読出しが可能で
あることを示している。第19図aで、45°の線
は読出しに十分の時間をかけた場合の結果であ
り、上記の計算例では、配線8の容量Csを4pFと
しているが、これはCbe+Cbcの接合容量の
0.014pFと比較して約300倍も大きいにもかかわら
ず、p領域6に発生した蓄積電圧VPが何らの減
衰も受けず、かつ、バイアス電圧の効果により、
きわめて高速に読出されていることを第19図a
は示している。これは上記構成に係る光センサセ
ルのもつ増幅機能、すなわち電荷増幅機能が有効
に働らいているからである。
i=A j・q・Dn・n pe /W B (1+lnN Ae /A AC
)×{expq/kT(V P +V Bias −V e )−1} In Figure 19a, when V Bias = 0.6V, after a certain period of time, the V R applied to the electrode 9 is reduced to zero volts. The relationship between the read voltage, that is, the emitter potential, and the accumulated voltage V P when the current is restored and the flowing current is stopped is shown. However, in Figure 19a,
A constant potential depending on the read time due to the bias voltage component is necessarily added to the read voltage, but the value obtained by subtracting the gain is plotted. When the positive voltage V R applied to the electrode 9 is returned to zero volts, a voltage of -Cox/Cox+Cbe+Cbc・V R is added to the base potential, which is the opposite of when it was applied, so the base potential becomes the positive potential V It becomes the state before applying R , that is, -V B , and the emitter is reverse biased, so the flow of current stops. 19th
According to Figure a, if the readout time is about 100ns or more (that is, the time during which V R is applied to the electrode 9),
The linearity of the storage voltage V P and the read voltage is ensured over a range of about 4 digits, indicating that high-speed read is possible. In Figure 19a, the 45° line is the result when sufficient time is taken for reading.In the above calculation example, the capacitance Cs of the wiring 8 is set to 4pF, which is the junction capacitance of Cbe + Cbc.
Although it is about 300 times larger than 0.014 pF, the accumulated voltage V P generated in the p region 6 is not attenuated in any way, and due to the effect of the bias voltage,
Figure 19a shows that the reading is extremely fast.
shows. This is because the amplification function, that is, the charge amplification function, of the photosensor cell according to the above configuration is working effectively.

これに対して従来のMOS型撮像装置では、蓄
積電圧VPは、このような読出し過程において配
線容量Csの影響でCj・VP/(Cj+Cs)(但しCjは
MOS型撮像装置の受光部のpn接合容量)となり、
2桁位読出し電圧値が下がつてしまうという欠点
を有していた。このためMOS型撮像装置では、
外部へ読出すためのスイツチングMOSトランジ
スタの寄生容量のばらつきによる固定パターン雑
音、あるいは配線容量すなわち出力容量が大きい
ことにより発生するランダム雑音が大きく、S/
N比がとれないという問題があつたが、第17図
a,b,cで示す構成の光センサセルでは、p領
域6に発生した蓄積電圧そのものが外部に読出さ
れるわけであり、この電圧はかなり大きいため固
定パターン雑音、出力容量に起因するランダム雑
音が相対的に小さくなり、きわめてS/N比の良
い信号を得ることが可能である。
On the other hand, in a conventional MOS type imaging device, the accumulated voltage V P is Cj・V P /(Cj + Cs) (however, Cj is
p-n junction capacitance of the light receiving part of the MOS type image pickup device),
It has a drawback that the read voltage value decreases by about 2 digits. For this reason, in MOS type imaging devices,
Fixed pattern noise due to variations in parasitic capacitance of switching MOS transistors for external readout, or random noise caused by large wiring capacitance, that is, output capacitance, is large, and S/
Although there was a problem that the N ratio could not be obtained, in the photosensor cells having the configurations shown in FIGS. 17a, b, and c, the accumulated voltage itself generated in the p region 6 is read out to the outside, and this voltage Since it is quite large, fixed pattern noise and random noise caused by the output capacitance are relatively small, making it possible to obtain a signal with an extremely good S/N ratio.

先に、バイアス電圧VBiasを0.6Vに設定したと
き、4桁程度の直線性が100nsec程度の高速読出
し時間で得られることを示したが、この直線性お
よび読出し時間とバイアス電圧VBiasの関係を計
算した結果をさらにくわしく、第19図bに示
す。
Previously, we showed that when the bias voltage V Bias is set to 0.6 V, linearity of about 4 orders of magnitude can be obtained with a high-speed readout time of about 100 nsec, but the relationship between this linearity, readout time, and bias voltage V Bias is The calculated results are shown in more detail in FIG. 19b.

第19図bにおいて、横軸はバイアス電圧
VBiasであり、また、縦軸は読出し時間をとつて
いる。またパラメータは、蓄積電圧が1mVのと
きに、読出し電圧が1mVの80%、90%、95%、
98%になるまでの時間依存性を示している。第1
9図aに示される様に、蓄積電圧1mVにおい
て、それぞれ80%、90%、95%、98%になつてい
る時は、それ以上の蓄積電圧では、さらに良い値
を示していることは明らかである。
In Figure 19b, the horizontal axis is the bias voltage
V Bias , and the vertical axis shows the read time. Also, the parameters are that when the storage voltage is 1mV, the readout voltage is 80%, 90%, 95% of 1mV,
It shows the time dependence until it reaches 98%. 1st
As shown in Figure 9a, when the storage voltage is 80%, 90%, 95%, and 98% at a storage voltage of 1 mV, it is clear that the values are even better at higher storage voltages. It is.

この第19図bによれば、バイアス電圧VBias
が0.6Vでは、読出し電圧が蓄積電圧の80%にな
るのは読出し時間が0.12μs、90%になるのは
0.27μs、95%になるのは0.54μs、98%になるのは
1.4μsであるのがわかる。また、バイアス電圧
VBiasを0.6Vより大きくすれば、さらに高速の読
出しが可能であることを示している。この様に、
撮像装置の全体の設計から読出し時間および必要
な直線性が決定されると、必要とされるバイアス
電圧VBiasが第19図bのグラフを用いることに
より決定することができる。
According to this FIG. 19b, the bias voltage V Bias
When is 0.6V, the readout time is 0.12μs for the readout voltage to be 80% of the storage voltage, and the readout time to be 90% is
0.27μs, 95% is 0.54μs, 98% is
It can be seen that the time is 1.4μs. Also, the bias voltage
This shows that even higher speed reading is possible if V Bias is made larger than 0.6V. Like this,
Once the readout time and required linearity are determined from the overall design of the imager, the required bias voltage V Bias can be determined by using the graph of FIG. 19b.

上記構成に係る光センサセルのもう一つの利点
は、p領域6に蓄積されたホールはp領域6にお
けるエレクトロンとホールの再結合確立がきわめ
て小さいことから非破壊的に読出し可能なことで
ある。すなわち読出し時に電極9に印加していた
電圧VRをゼロボルトにもどした時、p領域6の
電位は電圧VRを印加する前の逆バイアス状態に
なり、光照射により発生した蓄積電圧VPは、新
しく光が照射されない限り、そのまま保存される
わけである。このことは、上記構成に係る光セン
サセルを光電変換装置として構成したときに、シ
ステム動作上、新しい機能を提供することができ
ることを意味する。
Another advantage of the optical sensor cell having the above configuration is that the holes accumulated in the p region 6 can be read out non-destructively since the probability of recombination of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. That is, when the voltage V R applied to the electrode 9 during readout is returned to zero volts, the potential of the p region 6 becomes the reverse bias state before applying the voltage V R , and the accumulated voltage V P generated by light irradiation becomes , it will be preserved as is unless it is exposed to new light. This means that when the optical sensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, new functions can be provided in terms of system operation.

このp領域6に蓄積電圧VPを保持できる時間
は、きわめて長く、最大の保存時間は、むしろ、
接合の空乏層中において熱的に発生する暗電流に
よつて制限を受ける。すなわち、この熱的に発生
する暗電流により光センサセルが飽和してしまう
からである。しかしながら、上記構成に係る光セ
ンサセルは、空乏層の広がつている領域は、低不
純物濃度領域であるn-領域5であり、このn-
域5は1012cm-3〜1014cm-3程度と、きわめて不純
物濃度が低いため、その結晶性が良好であり、
MOS型、CCD型撮像装置に比較して熱的に発生
するエレクトロン・ホール対は少ない。このた
め、暗電流は、他の従来の装置に比較して小さ
い。すなわち、上記構成に係る光センサセルは本
質的に暗電流雑音の小さい構造をしているわけで
ある。
The time that the accumulated voltage V P can be held in the p region 6 is extremely long, and the maximum storage time is rather
It is limited by the thermally generated dark current in the junction depletion layer. In other words, this thermally generated dark current saturates the optical sensor cell. However, in the photosensor cell having the above configuration, the region in which the depletion layer spreads is the n - region 5 which is a low impurity concentration region, and this n - region 5 is 10 12 cm -3 to 10 14 cm -3 Due to its extremely low impurity concentration, its crystallinity is good.
Compared to MOS and CCD type imaging devices, fewer electron-hole pairs are thermally generated. Therefore, the dark current is small compared to other conventional devices. That is, the optical sensor cell according to the above configuration essentially has a structure with low dark current noise.

次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレツシ
ユする動作について説明する。
Next, the operation of refreshing the charges accumulated in p region 6 will be explained.

上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べ
たごとく、p領域6に蓄積された電荷は、読出し
動作では消滅はしない。このため新しい光情報を
入力するためには、前に蓄積されていた電荷を消
滅させるためのリフレツシユ動作が必要である。
また同時に、浮遊状態になされているp領域6の
電位を所定の負電圧に帯電させておく必要があ
る。
In the photosensor cell having the above configuration, as already mentioned, the charges accumulated in the p region 6 are not eliminated by the read operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation is required to eliminate the previously accumulated charges.
At the same time, it is necessary to charge the potential of p region 6, which is in a floating state, to a predetermined negative voltage.

上記構成に係る光センサセルでは、リフレツシ
ユ動作も読出し動作と同様、配線10を通して電
極9に正電圧を印加することにより行う。このと
き、配線8を通してエミツタを接地する。コレク
タは、電極12を通して接地又は正電位にしてお
く。第16図にリフレツシユ動作の等価回路を示
す。但しコレクタ側を接地した状態の例を示して
いる。
In the optical sensor cell having the above configuration, the refresh operation is also performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10, similarly to the read operation. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is grounded or at a positive potential through the electrode 12. FIG. 16 shows an equivalent circuit for refresh operation. However, an example is shown in which the collector side is grounded.

この状態で正電圧VRHなる電圧が電極9に印加
されると、ベース22には、酸化膜容量Cox1
3、ベース・エミツタ間接合容量Cbe15、ベー
ス・コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割によ
り、 Cox/Cox+Cbe+Cbc・VRH なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的
にかかる。この電圧により、ベース・エミツタ間
接合ダイオードDbe16およびベース・コレクタ
間接合ダイオードDbc18は順方向バイアスされ
て導通状態となり、電流が流れ始め、ベース電位
は次第に低下していく。
When a positive voltage V RH is applied to the electrode 9 in this state, the oxide film capacitance Cox1 is applied to the base 22.
3. Due to the capacitance division of the base-emitter junction capacitance Cbe15 and the base-collector junction capacitance Cbc17, a voltage of Cox/Cox+Cbe+Cbc·V RH is instantaneously applied as in the previous read operation. Due to this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward biased and become conductive, current begins to flow, and the base potential gradually decreases.

この時、浮遊状態にあるベースの電位Vの変化
は近似的に次式で表わされる。
At this time, the change in the potential V of the base in a floating state is approximately expressed by the following equation.

(Cbe+Cbc)dV/dt=−(i1+i2) 但し、 i1=Ab(qDPpoe/Lp+qDonpe/WB) ×{exp(q/kTV)−1} i2=AeqDonpe/WB×{exp(q/kTV)−1} i1はダイオードDbcを流れる電流、i2はダイオ
ードDbeを流れる電流である。Abはベース面積、
Aeはエミツタ面積、Dpはコレクタ中におけるホ
ールの拡散定数、poeはコレクタ中における熱平
衡状態のホール濃度、Lpはコレクタ中における
ホールの平均自由行程、npeはベース中における
熱平衡状態でのエレクトロン濃度である。i2で、
ベース側からエミツタへのホール注入による電流
は、エミツタの不純物濃度がベースの不純物濃度
にくらべて充分高いので、無視できる。
(Cbe + Cbc) dV/dt = - (i 1 + i 2 ) However, i 1 = Ab (qD P poe / Lp + qD o n pe / W B ) × {exp (q / kTV) - 1} i 2 = AeqD o n pe /W B ×{exp(q/kTV)−1} i 1 is the current flowing through the diode Dbc, and i 2 is the current flowing through the diode Dbe. A b is the base area,
Ae is the emitter area, Dp is the hole diffusion constant in the collector, p oe is the hole concentration in the collector at thermal equilibrium, Lp is the mean free path of holes in the collector, n pe is the electron concentration in the base at thermal equilibrium It is. i 2 ,
The current due to hole injection from the base side to the emitter can be ignored because the impurity concentration of the emitter is sufficiently higher than that of the base.

上に示した式は、段階接合近似のものであり実
際のデイバスでは段階接合からはずれており、又
ベースの厚さが薄く、かつ複雑な濃度分布を有し
ているので厳密なものではないが、リフレツシユ
動作をかなりの近似で説明可能である。
The equation shown above is an approximation of a stepwise junction, and the actual device deviates from the stepwise junction, and the base is thin and has a complicated concentration distribution, so it is not exact. , the refresh operation can be explained with a fair approximation.

上式中のベース・コレクタ間に流れる電流i1
内、q・Dp・poe/Lpはホールによる電流、すな
わちベースからホールがコレクタ側へ流れだす成
分を示している。このホールによる電流が流れや
すい様に上記構成に係る光センサセルでは、コレ
クタの不純物濃度は、通常のバイポーラトランジ
スタに比較して少し低めに設計される。
Of the current i 1 flowing between the base and the collector in the above equation, q·Dp· poe /Lp indicates a current due to holes, that is, a component in which holes flow from the base to the collector side. In order to facilitate the flow of current due to these holes, in the optical sensor cell having the above configuration, the impurity concentration of the collector is designed to be slightly lower than that of a normal bipolar transistor.

この式を用いて計算した、ベース電位の時間依
存性の一例を第20図に示す。横軸は、リフレツ
シユ電圧VRHが電極9に印加された瞬間からの時
間経過すなわちリフレツシユ時間を、縦軸は、ベ
ース電位をそれぞれ示す。また、ベースの初期電
位をパラメータにしている。ベースの初期電位と
はリフレツシユ電圧VRHが加わつた瞬間に、浮遊
状態にあるベースが示す電位であり、VRH、Cox、
Cbe、Cbc及びベースに蓄積されている電荷によ
つてきまる。
FIG. 20 shows an example of the time dependence of the base potential calculated using this formula. The horizontal axis shows the passage of time from the moment the refresh voltage V RH was applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the vertical axis shows the base potential. In addition, the initial potential of the base is used as a parameter. The initial potential of the base is the potential exhibited by the floating base at the moment the refresh voltage V RH is applied, and V RH , Cox,
It depends on Cbe, Cbc and the charge stored in the base.

この第20図をみれば、ベースの電位は初期電
位によらず、ある時間経過後に必ず、片対数グラ
フ上で一つの直線にしたがつて下がつていく。
Looking at FIG. 20, the potential of the base always falls along a straight line on the semi-logarithmic graph after a certain period of time, regardless of the initial potential.

第20図bに、リフレツシユ時間に対するベー
ス電位変化の実験値を示す。第20図aに示した
計算例に比較して、この実験で用いたテストデバ
イスは、デイメンシヨンがかなり大きいため、計
算例とはその絶対値は一致しないが、リフレツシ
ユ時間に対するベース電位変化が片対数グラフ上
で直線的に変化していることが実証されている。
この実験例ではコレクタおよびエミツタの両者を
接地したときの値を示している。
FIG. 20b shows experimental values of base potential change with respect to refresh time. Compared to the calculation example shown in Figure 20a, the test device used in this experiment has a much larger dimension, so although the absolute value does not match the calculation example, the base potential change with respect to the refresh time is semi-logarithmic. It has been demonstrated that it changes linearly on the graph.
This experimental example shows the value when both the collector and emitter are grounded.

今、光照射による蓄積電圧VPの最大値を0.4
〔V〕、リフレツシユ電圧VRHによりベースに印加
される電圧Vを0.4〔V〕とすると、第20図に示
すごとく初期ベース電位の最大値は0.8〔V〕とな
り、リフレツシユ電圧印加後10-15〔sec〕後には
直線にのつてベース電位が下がり始め、10-5
〔sec〕後には、光があたらなかつた時、すなわち
初期ベース電位が0.4〔V〕のときの電位変化と一
致する。
Now, set the maximum value of the accumulated voltage V P due to light irradiation to 0.4
[V], and the voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH is 0.4 [V], as shown in Fig. 20, the maximum value of the initial base potential is 0.8 [V], and after the refresh voltage is applied, the voltage V is 0.4 [V]. After [sec], the base potential begins to fall in a straight line and becomes 10 -5
After [sec], the potential change coincides with that when no light was applied, that is, when the initial base potential was 0.4 [V].

p領域6が、MOSキヤパシタCoxを通して正
電圧をある時間印加し、その正電圧を除去すると
負電位に帯電する仕方には、2通りの仕方があ
る。一つは、p領域6から正電荷を持つホール
が、主として接地状態にあるn領域1に流れ出す
ことによつて、負電荷が蓄積される動作である。
p領域6からホールが、n領域1に一方的に流
れ、n領域1の電子があまりp領域6内に流れ込
まないようにするためには、p領域6の不純物密
度をn領域1の不純物密度より高くしておけばよ
い。一方、n+領域7やn領域1からの電子が、
p領域6に流れ込み、ホールと再結合することに
よつて、p領域6に負電荷が蓄積する動作も行え
る。この場合には、n領域1の不純物密度はp領
域6より高くなされている。p領域6からホール
が流出することによつて、負電荷が蓄積する動作
の方が、p領域6ベースに電子が流れ込んでホー
ルと再結合することにより負電荷が蓄積する動作
よりはるかに速い。しかし、これまでの実験によ
れば、電子をp領域6に流し込むリフレツシユ動
作でも、光電変換装置の動作に対しては、十分に
速い時間応答を示すことが確認されている。
There are two ways in which the p region 6 can be charged to a negative potential by applying a positive voltage for a certain period of time through the MOS capacitor Cox and removing the positive voltage. One is an operation in which holes with positive charges flow from p region 6 to n region 1 which is mainly in a grounded state, thereby accumulating negative charges.
In order to prevent holes from flowing unilaterally from p-region 6 to n-region 1 and to prevent electrons from n-region 1 from flowing into p-region 6 too much, the impurity density of p-region 6 must be set to the impurity density of n-region 1. It should be higher. On the other hand, electrons from n + region 7 and n region 1 are
By flowing into the p region 6 and recombining with holes, negative charges can also be accumulated in the p region 6. In this case, the impurity density of n region 1 is higher than that of p region 6. The operation of accumulating negative charges due to holes flowing out from p-region 6 is much faster than the operation of accumulating negative charges due to electrons flowing into the base of p-region 6 and recombining with holes. However, according to experiments conducted so far, it has been confirmed that even the refresh operation in which electrons flow into the p region 6 exhibits a sufficiently fast time response for the operation of the photoelectric conversion device.

上記構成に成る光センサセルをXY方向に多数
ならべて光電変換装置を構成したとき、画像によ
り各センサセルで、蓄積電圧VPは、上記の例で
は0〜0.4〔V〕の間でばらついているが、リフレ
ツシユ電圧VRH印加後10-5〔sec〕には、全てのセ
ンサセルのベースには約0.3〔V〕程度の一定電圧
は残るものの、画像による蓄積電圧VPの変化分
は全て消えてしまうことがわかる。すなわち、上
記構成に係る光センサセルによる光電変換装置で
は、リフレツシユ動作により全てのセンサセルの
ベース電位をゼロボルトまで持つていく完全リフ
レツシユモードと(このときは第20図aの例で
は10〔sec〕を要する)、ベース電位にはある一定
電圧は残るものの蓄積電圧VPによる変動成分が
消えてしまう過渡的リフレツシユモードの二つが
存在するわけである(このときは第20図aの例
では、10〔μsec〕〜10〔sec〕のリフレツシユパル
ス)。以上の例では、リフレツシユ電圧VRHによ
りベースに印加される電圧VAを0.4〔V〕とした
が、この電圧VAを0.6〔V〕とすれば、上記、過
渡的リフレツシユモードは、第20図によれば、
1〔nsec〕でおこり、きわめて高速にリフレツシ
ユすることができる。完全リフレツシユモードで
動作させるか、過渡的リフレツシユモードで動作
させるかの選択は光電変換装置の使用目的によつ
て決定される。
When a photoelectric conversion device is constructed by arranging a large number of optical sensor cells having the above configuration in the XY direction, the image shows that the accumulated voltage V P of each sensor cell varies between 0 and 0.4 [V] in the above example. , 10 -5 [sec] after applying the refresh voltage V RH , a constant voltage of approximately 0.3 [V] remains at the base of all sensor cells, but all changes in the accumulated voltage V P due to the image disappear. I understand that. That is, in the photoelectric conversion device using optical sensor cells according to the above configuration, there is a complete refresh mode in which the base potential of all sensor cells is brought to zero volts by a refresh operation (in this case, in the example of FIG. 20a, 10 [sec]). There are two modes: 1) and a transient refresh mode in which a certain constant voltage remains at the base potential but the fluctuation component due to the accumulated voltage V P disappears (in this case, in the example of Fig. 20a, 10 [μsec] ~ 10 [sec] refresh pulse). In the above example, the voltage V A applied to the base by the refresh voltage V RH was set to 0.4 [V], but if this voltage V A is set to 0.6 [V], the above transient refresh mode According to Figure 20,
It occurs in 1 [ns] and can be refreshed extremely quickly. The choice of whether to operate in the complete refresh mode or the transient refresh mode is determined by the purpose of use of the photoelectric conversion device.

この過渡的リフレツシユモードにおいてベース
に残る電圧をVKとすると、リフレツシユ電圧VRH
を印加後、VRHをゼロボルトにもどす瞬間の過渡
的状態において、 −Cox/Cox+Cbe+Cbc・VRH なる負電圧がベースに加算されるので、リフレツ
シユパルスによるリフレツシユ動作後のベース電
位は VK−Cox/Cox+Cbe+Cbc・VRH となり、ベースはエミツタに対して逆バイアス状
態になる。
If the voltage remaining at the base in this transient refresh mode is V K , then the refresh voltage V RH
In the transient state at the moment when V RH is returned to zero volts after applying , a negative voltage of -Cox/Cox+Cbe+Cbc・V RH is added to the base, so the base potential after the refresh operation by the refresh pulse is V K -Cox /Cox + Cbe + Cbc・V RH , and the base becomes reverse biased with respect to the emitter.

先に光により励起されたキヤリアを蓄積する蓄
積動作のとき、蓄積状態ではベースは逆バイアス
状態で行われるという説明をしたが、このリフレ
ツシユ動作により、リフレツシユおよびベースを
逆バイアス状態に持つていくことの2つの動作が
同時に行われるわけである。
It was explained earlier that during the accumulation operation of accumulating carriers excited by light, the base is in a reverse bias state in the accumulation state, but this refresh operation brings the refresh and base to a reverse bias state. These two operations are performed simultaneously.

第20図cにリフレツシユ電圧VRHに対するリ
フレツシユ動作後のベース電位 VK−Cox/Cox+Cbe+Cbc・VRH の変化の実験値を示す。パラメータとしてCoxの
値を5pFから100pFまでとつている。丸印は実験
値であり、実線は VK−Cox/Cox+Cbe+Cbc・VRH より計算される計算値を示している。このとき
VK=0.52Vであり、また、Cbc+Cbe=4pFであ
る。但し観測用オシロスコープのプローグ容量
13pFがCbc+Cbeに並列に接続されている。この
様に、計算値と実験値は完全に一致しており、リ
フレツシユ動作が実験的にも確認されている。
FIG. 20c shows experimental values of changes in the base potential V K −Cox/Cox+Cbe+Cbc·V RH after the refresh operation with respect to the refresh voltage V RH . The parameter Cox value is set from 5pF to 100pF. The circles are experimental values, and the solid lines are calculated values calculated from V K −Cox/Cox+Cbe+Cbc·V RH . At this time
V K =0.52V, and Cbc+Cbe=4pF. However, the probe capacity of the observation oscilloscope
13pF is connected in parallel to Cbc + Cbe. In this way, the calculated values and experimental values are in complete agreement, and the refresh operation has been experimentally confirmed.

以上のリフレツシユ動作においては、第16図
に示す様に、コレクタを接地したときの例につい
て説明したが、コレクタを正電位にした状態で行
うことも可能である。このときは、ベース・コレ
クタ間接合ダイオードDbc18が、リフレツシユ
パルスに印加されても、このリフレツシユパルス
によりベースに印加される電位よりも、コレクタ
に印加されている正電位の方が大きいと非導通状
態のままなので、電流はベース・エミツタ間接合
ダイオードDbe16だけを通して流れる。このた
め、ベース電位の低下は、コレクタを接地した時
より相対的にゆつくりしたものになるが、基本的
には、前に説明したのと、まつたく同様な高速リ
フレツシユ動作が行われるわけである。
In the above refresh operation, an example has been described in which the collector is grounded as shown in FIG. 16, but it is also possible to perform the refresh operation with the collector at a positive potential. At this time, even if a refresh pulse is applied to the base-collector junction diode Dbc18, if the positive potential applied to the collector is higher than the potential applied to the base by this refresh pulse, it will not work. Since it remains conductive, current flows only through the base-emitter junction diode Dbe16. For this reason, the base potential drops relatively more slowly than when the collector is grounded, but basically the same high-speed refresh operation as explained earlier is performed. be.

すなわち第20図aのリフレツシユ時間に対す
るベース電位の関係は、第20図aのベース電位
が低下する時の斜めの直線が右側の方、つまり、
より時間の要する方向へシフトすることになる。
したがつて、コレクタを接地した時と同じリフレ
ツシユ電圧VRHを用いると、リフレツシユに時間
を要することになるが、リフレツシユ電圧VRH
わずか高めてやればコレクタを接地した時と同
様、高速のリフレツシユ動作が可能である。
In other words, the relationship between the base potential and the refresh time in FIG. 20a is such that the diagonal straight line when the base potential decreases in FIG. 20a is on the right side, that is,
This will result in a shift to a direction that requires more time.
Therefore, if you use the same refresh voltage V RH as when the collector is grounded, it will take time to refresh, but if you slightly increase the refresh voltage V RH , you can achieve a high-speed refresh just like when the collector is grounded. Operation is possible.

以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動
作、リフレツシユ動作よりなる上記構成に係る光
センサセルの基本動作の説明である。
The above is an explanation of the basic operations of the photosensor cell according to the above configuration, which consists of a charge accumulation operation, a readout operation, and a refresh operation by light incidence.

以上説明したごとく、上記構成に係る光センサ
セルの基本構造は、すでにあげた特開昭56−
150878号公報、特開昭56−157073号公報、特開昭
56−165473号公報と比較してきわめて簡単な構造
であり、将来の高解像度化に十分対応できるとと
もに、それらのもつ優れた特徴である増幅機能か
らくる低雑音、高出力、広ダイナミツクレンジ、
非破壊読出し等のメリツトをそのまま保存してい
る。
As explained above, the basic structure of the optical sensor cell according to the above configuration is
Publication No. 150878, Japanese Patent Publication No. 56-157073, Japanese Patent Publication No. 157073, Japanese Patent Publication No. 157073
Compared to Publication No. 56-165473, it has an extremely simple structure and is fully compatible with future higher resolutions, and its excellent characteristics include low noise, high output, wide dynamic range, and a wide dynamic range due to the amplification function.
Advantages such as non-destructive readout are preserved.

次に、以上説明した構成に係る光センサセルを
二次元に配列して構成した本発明の光電変換装置
の一構成例について図面を用いて説明する。基本
光センサセル構造を二次元的に3×3に配列した
光電変換装置の回路構成図を第14図に示す。
Next, a configuration example of the photoelectric conversion device of the present invention, which is configured by two-dimensionally arranging the optical sensor cells according to the configuration described above, will be described with reference to the drawings. FIG. 14 shows a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device in which basic optical sensor cell structures are two-dimensionally arranged in a 3×3 arrangement.

すでに説明した点線で囲まれた基本光センサセ
ル30(この時バイポーラトランジスタのコレク
タは基板及び基板電極に接続されることを示して
いる。)、読出しパルスおよびリフレツシユパルス
を印加するための水平ライン31,31′,3
1″、読出しパルスを発生させるための垂直シフ
トレジスタ32、垂直シフトレジスタ32と水平
ライン31,31′,31″の間のバツフアMOS
トランジスタ33,33′,33″のゲートにパル
スを印加するための端子34、リフレツシユパル
スを印加するためのバツフアMOSトランジスタ
35,35′,35″、それのゲートにパルスを印
加するための端子36、リフレツシユパルスを印
加するための端子37、基本光センサセル30か
ら蓄積電圧を読出すための垂直ライン38,3
8′,38″、各垂直ラインを選択するためのパル
スを発生する水平シフトレジスタ39、各垂直ラ
インを開閉するためのゲート用MOSトランジス
タ40,40′,40″、蓄積電圧をアンプ部に読
出すための出力ライン41、読出し後に、出力ラ
インに蓄積した電荷をリフレツシユするための
MOSトランジスタ42、MOSトランジスタ42
へリフレツシユパルスを印加するための端子4
3、出力信号を増幅するためのバイポーラ、
MOS、FET、J−FET等のトランジスタ44、
負荷抵抗45、トランジスタと電源を接続するた
めの端子46、トランジスタの出力端子47、読
出し動作において垂直ライン40,40′,4
0″に蓄積された電荷をリフレツシユするための
MOSトランジスタ48,48′,48″、および
MOSトランジスタ48,48′,48″のゲート
にパルスを印加するための端子49によりこの光
電変換装置は構成されている。
The basic photosensor cell 30 surrounded by the dotted line already described (this time indicates that the collector of the bipolar transistor is connected to the substrate and the substrate electrode), and the horizontal line 31 for applying read pulses and refresh pulses. ,31',3
1'', vertical shift register 32 for generating read pulses, buffer MOS between vertical shift register 32 and horizontal lines 31, 31', 31''
Terminal 34 for applying pulses to the gates of transistors 33, 33', 33'', buffer MOS transistors 35, 35', 35'' for applying refresh pulses, and terminals for applying pulses to their gates. 36, a terminal 37 for applying a refresh pulse, a vertical line 38, 3 for reading out the stored voltage from the basic photosensor cell 30;
8', 38'', horizontal shift register 39 that generates pulses for selecting each vertical line, gate MOS transistors 40, 40', 40'' for opening and closing each vertical line, and reading the accumulated voltage to the amplifier section. An output line 41 for outputting the output, and an output line 41 for refreshing the charge accumulated in the output line after reading.
MOS transistor 42, MOS transistor 42
Terminal 4 for applying refresh pulse
3. Bipolar for amplifying the output signal,
Transistors 44 such as MOS, FET, J-FET,
A load resistor 45, a terminal 46 for connecting the transistor and the power supply, an output terminal 47 of the transistor, and vertical lines 40, 40', 4 in the read operation.
0″ to refresh the charge accumulated in
MOS transistors 48, 48', 48'', and
This photoelectric conversion device is constituted by a terminal 49 for applying a pulse to the gates of MOS transistors 48, 48', 48''.

この光電変換装置の動作について第14図およ
び第21図aに示すパルスタイミング図を用いて
説明する。第21図aにおいて、区間61はリフ
レツシユ動作、区間62は蓄積動作、区間63は
読出し動作にそれぞれ対応している。
The operation of this photoelectric conversion device will be explained using the pulse timing diagrams shown in FIG. 14 and FIG. 21a. In FIG. 21a, a section 61 corresponds to a refresh operation, a section 62 corresponds to an accumulation operation, and a section 63 corresponds to a read operation.

時刻t1において、基板電位、すなわち光センサ
セル部のコレクタ電位64は、接地電位または正
電位に保たれるが、第21図aでは接地電位に保
たれているものを示している。接地電位または正
電位のいずれにしても、すでに説明した様に、リ
フレツシユに要する時間が異なつてくるだけであ
り、基本動作に変化はない。端子49の電位65
はhigh状態であり、MOSトランジスタ48,4
8′,48″は導通状態に保たれ、各光センサセル
は、垂直ライン38,38′,38″を通して接地
されている。また端子36には、波形66のごと
くバツフアMOSトランジスタが導通する電圧が
印加されており、全画面一括リフレツシユ用バツ
フアMOSトランジスタ35,35′,35″は導
通状態となつている。この状態で端子37に波形
67のごとくパルスが印加されると、水平ライン
31,31′,31″を通して各光センサセルのベ
ースに電圧がかかり、すでに説明した様に、リフ
レツシユ動作に入り、それ以前に蓄積されていた
電荷が、完全リフレツシユモード又は過渡的リフ
レツシユモードにしたがつてリフレツシユされ
る。完全リフレツシユモードになるか又は過渡的
リフレツシユモードになるかは波形67のパルス
幅により決定されるわけである。
At time t1 , the substrate potential, ie, the collector potential 64 of the photosensor cell portion, is kept at the ground potential or positive potential, and FIG. 21a shows it kept at the ground potential. Regardless of whether the ground potential or the positive potential is applied, as already explained, the only difference is the time required for refreshing, and there is no change in the basic operation. Potential 65 of terminal 49
is in a high state, and the MOS transistors 48, 4
8', 48'' are kept conductive and each photosensor cell is grounded through a vertical line 38, 38', 38''. In addition, a voltage is applied to the terminal 36 that makes the buffer MOS transistor conductive as shown by a waveform 66, and the buffer MOS transistors 35, 35', and 35'' for refreshing the entire screen at once are in a conductive state.In this state, the terminal When a pulse is applied to 37 as shown in waveform 67, a voltage is applied to the base of each photosensor cell through the horizontal lines 31, 31', 31'', and as explained above, a refresh operation is entered and the previously accumulated data is The charged charges are refreshed according to the complete refresh mode or the transient refresh mode. The pulse width of the waveform 67 determines whether the mode is a complete refresh mode or a transient refresh mode.

t2時刻において、すでに説明したごとく、各光
センサセルのトランジスタのベースはエミツタに
対して逆バイアス状態となり、次の蓄積区間62
へ移る。このリフレツシユ区間61においては、
図に示すように、他の印加パルスは全てlow状態
に保たれている。
At time t2 , as already explained, the base of the transistor of each photosensor cell is reverse biased with respect to the emitter, and the next accumulation period 62
Move to. In this refresh section 61,
As shown in the figure, all other applied pulses are kept low.

蓄積動作区間62においては、基板電圧、すな
わちトランジスタのコレクタ電位波形64は正電
位にする。これにより光照射により発生したエレ
クトロン・ホール対のうちエレクトロンを、コレ
クタ側へ早く流してしまうことができる。しか
し、このコレクタ電位を正電位に保つことは、ベ
ースをエミツタに対して逆方向バイアス状態、す
なわち負電位にして撮像しているので必須条件で
はなく、接地電位あるいは若干負電位状態にして
も基本的な蓄積動作に変化はない。
In the accumulation operation section 62, the substrate voltage, that is, the collector potential waveform 64 of the transistor is set to a positive potential. This allows electrons among electron-hole pairs generated by light irradiation to flow quickly toward the collector side. However, keeping the collector potential at a positive potential is not an essential condition because the base is biased in the reverse direction with respect to the emitter, that is, the image is taken with a negative potential, and even if it is kept at ground potential or a slightly negative potential, it is basic. There is no change in the storage behavior.

蓄積動作状態においては、MOSトランジスタ
48,48′,48″のゲート端子49の電位65
は、リフレツシユ区間と同様、highに保たれ、各
MOSトランジスタは導通状態に保たれる。この
ため、各光センサセルのエミツタは垂直ライン3
8,38′,38″を通して接地されている。強い
光の照射により、ベースにホールが蓄積され、飽
和してくると、すなわちベース電位がエミツタ電
位(接地電位)に対して順方向バイアス状態にな
つてくると、ホールは垂直ライン38,38′,
38″を通して流れ、そこでベース電位変化は停
止し、クリツプされることになる。したがつて、
垂直方向にとなり合う光センサセルのエミツタ垂
直ライン38,38′,38″により共通に接続さ
れていても、この様に垂直ライン38,38′,
38″を接地しておくと、ブルーミング現象を生
ずることはない。
In the storage operation state, the potential 65 of the gate terminal 49 of the MOS transistors 48, 48', 48''
is kept high, similar to the refresh interval, and each
The MOS transistor remains conductive. Therefore, the emitter of each photosensor cell is placed on the vertical line 3.
8, 38', and 38''. When holes are accumulated in the base due to strong light irradiation and the base becomes saturated, that is, the base potential becomes forward biased with respect to the emitter potential (ground potential). As you get older, the holes become vertical lines 38, 38',
38", where the base potential change stops and becomes clipped. Therefore,
Even if the emitters of vertically adjacent optical sensor cells are commonly connected by the vertical lines 38, 38', 38'', the vertical lines 38, 38', 38''
If 38'' is grounded, no blooming phenomenon will occur.

このブルーミング現象をさける方法は、MOS
トランジスタ48,48′,48″を非導通状態に
して、垂直ライン38,38′,38″を浮遊状態
にしていても、基板電位、すなわちコレクタ電位
64を若干質電位にしておき、ホールの蓄積によ
りベース電位が正電位方向に変化してきたとき、
エミツタより先にコレクタ側の方へ流れ出す様に
することにより達成することも可能である。
The way to avoid this blooming phenomenon is to
Even if the transistors 48, 48', 48'' are in a non-conductive state and the vertical lines 38, 38', 38'' are in a floating state, the substrate potential, that is, the collector potential 64, is kept at a slight potential to prevent hole accumulation. When the base potential changes towards positive potential due to
This can also be achieved by allowing the flow to flow toward the collector side before the emitter.

蓄積区間62に次いで、時刻t3より読出し区間
63になる。この時刻t3において、MOSトラン
ジスタ48,48′,48″のゲート端子49の電
位65をlowにし、かつ水平ライン31,31′,
31″のバツフアMOSトランジスタ33,33′,
33″のゲート端子の電位68をhighにし、それ
ぞれのMOSトランジスタを導通状態とする。但
し、このゲート端子34の電位68をhighにする
タイミングは、時刻t3であることは必須条件では
なく、それより早い時刻であれば良い。
Following the accumulation section 62, a readout section 63 begins at time t3 . At this time t3 , the potential 65 of the gate terminal 49 of the MOS transistors 48, 48', 48'' is set to low, and the horizontal lines 31, 31',
31″ buffer MOS transistors 33, 33′,
The potential 68 of the gate terminal 33'' is set high to bring each MOS transistor into a conductive state.However, it is not an essential condition that the potential 68 of the gate terminal 34 is set high at time t3 . It would be better if the time was earlier than that.

時刻t4では、垂直シフトレジスタ32の出力の
うち、水平ライン31に接続されたものが波形6
9のごとくhighとなり、このとき、MOSトラン
ジスタ33が導通状態であるから、この水平ライ
ン31に接続された3つの各光センサセルの読出
しが行なわれる。この読出し動作はすでに前に説
明した通りであり、各光センサセルのベース領域
に蓄積された信号電荷により発生した信号電圧
は、そのまま、垂直ライン38,38′,38″に
現われる。このときの垂直シフトレジスタ32か
らのパルス電圧のパルス幅は、第19図に示した
様に、蓄積電圧に対する読出し電圧が、十分直線
性を保つ関係になるパルス幅に設定される。また
パルス電圧は先に説明した様に、VBias分だけエ
ミツタに対して順方向バイアスがかかる様調整さ
れる。
At time t4 , among the outputs of the vertical shift register 32, those connected to the horizontal line 31 have waveform 6.
Since the MOS transistor 33 is in a conductive state at this time, each of the three photosensor cells connected to this horizontal line 31 is read out. This readout operation is as described above, and the signal voltage generated by the signal charge accumulated in the base region of each photosensor cell appears as it is on the vertical lines 38, 38', 38''. As shown in FIG. 19, the pulse width of the pulse voltage from the shift register 32 is set to a pulse width that maintains a sufficient linearity between the read voltage and the accumulated voltage. As shown above, the emitter is adjusted to be forward biased by V Bias .

次いで、時刻t5において、水平シフトレジスタ
39の出力のうち、垂直ライン38に接続された
MOSトランジスタ40のゲートへの出力だけが
波形70のごとくhighとなり、MOSトランジス
タ40が導通状態となり、出力信号は出力ライン
41を通して、出力トランジスタ44に入り、電
流増幅されて出力端子47から出力される。この
様に信号が読出された後、出力ライン41には配
線容量に起因する信号電荷が残つているので、時
刻t6において、MOSトランジスタ42のゲート
端子43にパルス波形71のごとくパルスを印加
し、MOSトランジスタ42を導通状態にして出
力ライン41を接地して、この残留した信号電荷
をリフレツシユしてやるわけである。以下同様に
して、スイツチングMOSトランジスタ40,4
0′,40″を順次導通させて垂直ライン38,3
8′,38″の信号出力を読出す。この様にして水
平に並んだ一ライン分の各光センサセルからの信
号を読出した後、垂直ライン38,38′,3
8″には、出力ライン41と同様、それの配線容
量に起因する信号電荷が残留しているので、各垂
直ライン38,38′,38″に接続されたMOS
トランジスタ48,48′,48″を、それのゲー
ト端子49に波形65で示される様にhighにして
導通させ、この残留信号電荷をリフレツシユす
る。
Next, at time t5 , among the outputs of the horizontal shift register 39, the one connected to the vertical line 38
Only the output to the gate of the MOS transistor 40 becomes high as shown in the waveform 70, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal passes through the output line 41, enters the output transistor 44, is current amplified, and is output from the output terminal 47. . After the signal is read out in this way, signal charges due to the wiring capacitance remain in the output line 41, so at time t6 , a pulse as shown in pulse waveform 71 is applied to the gate terminal 43 of the MOS transistor 42. , the MOS transistor 42 is turned on and the output line 41 is grounded to refresh the remaining signal charge. Similarly, the switching MOS transistors 40, 4
0', 40'' are connected in sequence to form vertical lines 38, 3.
8', 38'' is read out. After reading out the signals from each horizontally arranged line of photosensor cells in this way, the signals from the vertical lines 38, 38', 3
Similar to the output line 41, signal charges due to the wiring capacitance of the output line 8'' remain, so the MOS connected to each vertical line 38, 38', 38''
Transistors 48, 48', and 48'' are turned on by having their gate terminals 49 high, as shown by waveform 65, to refresh this residual signal charge.

次いで、時刻t8において、垂直シフトレジスタ
32の出力のうち、水平ライン31′に接続され
た出力が波形69′のごとくhighとなり、水平ラ
イン31′に接続された各光センサセルの蓄積電
圧が、各垂直ライン38,38′,38″に読出さ
れるわけである。以下、順次前と同様の動作によ
り、出力端子47から信号が読出される。
Next, at time t8 , among the outputs of the vertical shift register 32, the output connected to the horizontal line 31' becomes high as shown by waveform 69', and the accumulated voltage of each photosensor cell connected to the horizontal line 31' becomes The signals are read out to each vertical line 38, 38', 38''. Thereafter, signals are sequentially read out from the output terminal 47 by the same operation as before.

以上の説明においては、蓄積区間62と読出し
区間63が明確に区分される様な応用分野、例え
ば最近研究開発が積極的に行なわれているスチル
ビデオに適用される動作状態について説明した
が、テレビカメラの様に蓄積区間62における動
作と読出し区間63における動作が同時に行なわ
れている様な応用分野に関しても、第21図のパ
ルスタイミングを変更することにより適用可能で
ある。但し、この時のリフレツシユは全画面一括
リフレツシユではなく、一ライン毎のリフレツシ
ユ機能が必要である。例えば、水平ライン31に
接続された各光センサセルの信号が読出された
後、時刻t7において各垂直ラインに残留した電荷
を消去するためMOSトランジスタ48,48′,
48″を導通にするが、このとき水平ライン31
にリフレツシユパルスを印加する。すなわち、波
形69において時刻t7においても時刻t4と同様、
パルス電圧、パルス幅の異なるパルスを発生する
様な構成の垂直シフトレジスタを使用することに
より達成することができる。この様にダブルパル
ス的動作以外には、第14図の右側に設置した一
括リフレツシユパルスを印加する機器の代わり
に、左側と同様の第2の垂直シフドレジスタを右
側にも設け、タイミングを左側に設けられた垂直
レジスタとずらせながら動作させることにより達
成させることも可能である。
In the above explanation, the operating conditions applied to application fields where the storage section 62 and the readout section 63 are clearly separated, such as still videos, for which research and development have been actively conducted recently, have been explained. The present invention can also be applied to applications such as cameras where the operation in the storage section 62 and the operation in the readout section 63 are performed simultaneously by changing the pulse timing shown in FIG. 21. However, the refresh at this time is not a one-time refresh of the entire screen, but requires a refresh function for each line. For example, after the signals of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 are read out, the MOS transistors 48, 48',
48'' is made conductive, but at this time horizontal line 31
Apply a refresh pulse to. That is, in the waveform 69, at time t 7 as well as at time t 4 ,
This can be achieved by using a vertical shift register configured to generate pulses with different pulse voltages and pulse widths. In this way, in addition to double-pulse operation, instead of the device that applies the batch refresh pulse installed on the right side of Figure 14, a second vertical shift register similar to the one on the left side is installed on the right side, and the timing is shifted to the left side. This can also be achieved by operating with offset from the vertical register provided.

この時は、すでに説明したような蓄積状態にお
いて、各光センサセルのエミツタおよびコレクタ
の各電位を操作してブルーミングを押えるという
動作の自由度が少なくなる。しかし、基本動作の
所で説明した様に、読出し状態では、ベースに
VBiasなるバイアス電圧を印加したときに高速読
出しができる様な構成としているので、第18図
のグラフからわかる様に、VBiasを印加しない時
に、各光センサセルの飽和により、垂直ライン2
8,28′,28″に流れ出す信号電荷分はきわめ
てわずかであり、ブルーミング現象は、まつたく
問題にはならない。
At this time, in the accumulation state as described above, the degree of freedom in controlling the blooming by controlling the potentials of the emitter and collector of each photosensor cell is reduced. However, as explained in the basic operation section, in the read state, the base
Since the configuration is such that high-speed reading is possible when a bias voltage of V Bias is applied, as can be seen from the graph in Figure 18, when V Bias is not applied, the vertical line 2
The signal charges flowing out to the terminals 8, 28', and 28'' are extremely small, and the blooming phenomenon does not pose a problem at all.

また、スミア現象に対しても、本構成例に係る
光電変換装置は、きわめて優れた特性を得ること
ができる。スミア現象は、CCD型撮像装置、特
にフレーム転送型においては、光の照射されてい
る所を電荷転送されるという、動作および構造上
発生する問題であり、インタライン型において
は、特に長波長の光により半導体の深部で発生し
たキヤリアが電荷転送部に蓄積されるために発生
する問題である。
Moreover, the photoelectric conversion device according to this configuration example can obtain extremely excellent characteristics with respect to the smear phenomenon. The smear phenomenon is an operational and structural problem that occurs in CCD type imaging devices, especially frame transfer type, in which charge is transferred to the area irradiated with light. This problem occurs because carriers generated deep in the semiconductor due to light are accumulated in the charge transfer section.

また、MOS型撮像装置においては、各光セン
サセルに接地されたスイツチングMOSトランジ
スタのドレイン側に、やはり長波長の光により半
導体深部で発生したキヤリアが蓄積されるために
生じる問題である。
Furthermore, in MOS type imaging devices, this problem arises because carriers generated deep in the semiconductor due to long wavelength light are accumulated on the drain side of the switching MOS transistor grounded in each photosensor cell.

これに対して本構成例に係る光電変換装置で
は、動作および構造上発生するスミア現象はまつ
たくなく、また長波長の光により半導体深部で発
生したキヤリアが蓄積されるという現象もまつた
く生じない。但し、光センサセルのエミツタにお
いて比較的表面近傍で発生したエレクトロンとホ
ールのうち、エレクトロンが蓄積されるという現
像が心配されるが、これは、一括リフレツシユ動
作のときは蓄積動作状態において、エミツタが接
地されているため、エレクトロンは蓄積されず、
スミア現象が生じない。また通常のテレビカメラ
のとき応用されるラインリフレツシユ動作のとき
は、水平ブランキングの期間において、垂直ライ
ンに蓄積電圧を読出す前に、垂直ラインを接地し
てリフレツシユするので、この時同時にエミツタ
に一水平走査期間に蓄積されたエレクトロンは流
れ出てしまい、このため、スミア現象はほとんど
発生しない。この様に、本実施例に係る光電変換
装置では、その構造上および動作上、スミア現象
はほとんど本質的に無視し得る程度しか発生せ
ず、光構成例に係る光電変換装置の大きな利点の
一つである。
On the other hand, in the photoelectric conversion device according to this configuration example, the smear phenomenon that occurs due to its operation and structure is unlikely to occur, and the phenomenon that carriers generated deep in the semiconductor due to long wavelength light are accumulated does not occur. . However, there is a concern that the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the optical sensor cell will accumulate, but this is because the emitter is grounded in the accumulation operation state during the bulk refresh operation. Therefore, electrons are not accumulated,
No smear phenomenon occurs. In addition, during the line refresh operation applied to ordinary television cameras, during the horizontal blanking period, the vertical line is grounded and refreshed before reading out the accumulated voltage on the vertical line, so at the same time the emitter The electrons accumulated during one horizontal scanning period flow out, and therefore almost no smear phenomenon occurs. As described above, in the photoelectric conversion device according to the present example, the smear phenomenon occurs to an essentially negligible extent due to its structure and operation, which is one of the major advantages of the photoelectric conversion device according to the optical configuration example. It is one.

また、蓄積動作状態において、エミツタおよび
コレクタの各電位を操作して、ブルーミング現象
を押えるという動作について前に前述したが、こ
れを利用してγ特性を制御することも可能であ
る。
Furthermore, while the operation of suppressing the blooming phenomenon by manipulating the emitter and collector potentials in the storage operation state has been described above, it is also possible to use this to control the γ characteristics.

すなわち、蓄積動作の途中において、一時的に
エミツタまたはコレクタの電位をある一定の負電
位にし、ベースに蓄積されたキヤリアのうち、こ
の負電位を与えるキヤリア数より多く蓄積されて
いるホールをエミツタまたはコレクタ側へ流して
しまうという動作をさせる。これにより、蓄積電
圧と入射光量に対する関係は、入射光量の小さい
ときはシリコン結晶のもつγ=1の特性を示し、
入射光量の大きい所では、γが1より小さくなる
様な特性を示す。つまり、折線近似的に通常テレ
ビカメラで要求されるγ=0.45の特性をもたせる
ことが可能である。蓄積動作の途中において上記
動作を一度やれば一折線近似となり、エミツタ又
はコレクタに印加する負電位を二度適宜変更して
行なえば、二折線タイプのγ特性を持たせること
も可能である。
In other words, during the storage operation, the potential of the emitter or collector is temporarily set to a certain negative potential, and of the carriers accumulated in the base, the holes that are accumulated in a greater number than the number of carriers that give this negative potential are transferred to the emitter or collector. It causes the flow to flow to the collector side. As a result, the relationship between the accumulated voltage and the amount of incident light exhibits the γ=1 characteristic of silicon crystal when the amount of incident light is small.
In a place where the amount of incident light is large, γ becomes smaller than 1. In other words, it is possible to provide the characteristic of γ=0.45, which is normally required for television cameras, using polygonal line approximation. If the above operation is performed once during the storage operation, it becomes a one-fold line approximation, and if the negative potential applied to the emitter or collector is changed twice as appropriate, it is also possible to have a two-fold line type γ characteristic.

また、以上の構成例においては、シリコン基板
を共通コレクタとしているが通常バイポーラトラ
ンジスタのごとく埋込n+領域を設け、各ライン
毎にコレクタを分割させる様な構造としてもよ
い。
Further, in the above configuration example, the silicon substrate is used as a common collector, but a buried n + region may be provided like a normal bipolar transistor, and the collector may be divided for each line.

なお、実際の動作には第21図aに示したパル
スタイミング以外に、垂直シフトレジスタ32、
水平シフトレジスタ39を駆動するためのクロツ
クパルスが必要である。
In addition, in the actual operation, in addition to the pulse timing shown in FIG. 21a, the vertical shift register 32,
A clock pulse is required to drive the horizontal shift register 39.

第22図に出力信号に関係する等価回路を示
す。
FIG. 22 shows an equivalent circuit related to the output signal.

容量CV80は垂直ライン38,38′,38″
の配線容量であり、容量CH81は出力ライン4
1の配線容量をそれぞれ示している。また第9図
右側に等価回路は、読出し状態におけるものであ
り、スイツチング用MOSトランジスタ40,4
0′,40″は導通状態であり、それの導通状態に
おける抵抗値を抵抗RM82で示している。また
増幅用トランジスタ44を抵抗re83および電流
源84を用いた等価回路で示している。出力ライ
ン41の配線容量に起因する電荷蓄積をリフレツ
シユするためのMOSトランジスタ42は、読出
し状態では非導通状態であり、インピーダンスが
高いので、右側の等価回路では省略している。
Capacity C V 80 is vertical line 38, 38', 38''
The capacitance C H 81 is the wiring capacitance of the output line 4.
The wiring capacitance of 1 is shown respectively. The equivalent circuit on the right side of FIG. 9 is in the read state, and includes the switching MOS transistors 40, 4.
0' and 40'' are in a conductive state, and the resistance value in the conductive state is shown by a resistor R M 82. Also, the amplifying transistor 44 is shown by an equivalent circuit using a resistor r e 83 and a current source 84. The MOS transistor 42 for refreshing the charge accumulation caused by the wiring capacitance of the output line 41 is non-conductive in the read state and has high impedance, so it is omitted in the equivalent circuit on the right side.

等価回路の各パラメータは、実際に構成する光
電変換装置の大きさにより決定されるわけである
が、例えば、容量CV80は約4pF位、容量CH81
は約4pF位、MOSトランジスタの導通状態の抵
抗RM82は3KΩ程度、バイポーラトランジスタ
44の電流増幅率βは約100程度として、出力端
子47において観測される出力信号波形を計算し
た例を第23図に示す。
Each parameter of the equivalent circuit is determined by the size of the photoelectric conversion device actually constructed. For example, the capacitance C V 80 is about 4 pF, and the capacitance C H 81
The 23rd example shows an example in which the output signal waveform observed at the output terminal 47 is calculated, assuming that the conduction state resistance R M 82 of the MOS transistor is about 3KΩ, and the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 is about 100. As shown in the figure.

第23図において横軸はスイツチングMOSト
ランジスタ40,40′,40″が導通した瞬間か
らの時間[μs]を、縦軸は垂直ライン38,3
8′,38″の配線容量CV80に、各光センサセ
ルから信号電荷が読出されて1ボルトの電圧がか
かつているときの出力端子47に現われる出力電
圧[V]をそれぞれ示している。
In FIG. 23, the horizontal axis represents the time [μs] from the moment the switching MOS transistors 40, 40', 40'' became conductive, and the vertical axis represents the time from the moment when the switching MOS transistors 40, 40', 40'' became conductive.
The output voltage [V] appearing at the output terminal 47 when a signal charge is read from each photosensor cell and a voltage of 1 volt is applied to the wiring capacitance C V 80 of 8' and 38'' is shown, respectively.

出力信号波形85は負荷抵抗RE45が10KΩ、
86は負荷抵抗RE45が5KΩ、87は負荷抵抗
RE45が2KΩのときのものであり、いずれにお
いてもピーク値は、CV80とCH81の容量分割
により0.5V程度になつている。当然のことなが
ら、負荷抵抗RE45が大きいほうが減衰量は小
さく、望ましい出力波形になつている。立ち上が
り時間は、上記のパラメータ値のとき、約20nsec
と高速である。スイツチングMOSトランジスタ
40,40′,40″の導通状態における抵抗RM
を小さくすることにより、および、配線容量CV
CHを小さくすることにより、さらに高速の読出
しも可能である。
The output signal waveform 85 shows that the load resistance R E 45 is 10KΩ,
86 is load resistance R E 45 is 5KΩ, 87 is load resistance
This is when R E 45 is 2KΩ, and in both cases, the peak value is about 0.5V due to capacitance division between C V 80 and CH 81. Naturally, the larger the load resistance R E 45 is, the smaller the amount of attenuation is, resulting in a desirable output waveform. The rise time is approximately 20nsec when the above parameter values are used.
And it is fast. Resistance R M of switching MOS transistors 40, 40', 40'' in conduction state
By reducing the wiring capacitance C V ,
By reducing CH , even faster reading is possible.

上記構成に係る光センサセルを利用した光電変
換装置では、各光センサセルのもつ増幅機能によ
り、出力に現われる電圧が大きいため、最終段の
増幅アンプも、MOS型撮像装置に比較してかな
り簡単なものでもよい。上記例ではバイポーラト
ランジスタ1段のタイプのものを使用した例につ
いて説明したが、2段構成のもの等、他の方式を
使うことも当然のことながら可能である。この例
の様にバイポーラトランジスタを用いると、
CCD撮像装置における最終段のアンプのMOSト
ランジスタから発生する画像上目につきやすい
1/f雑音の問題が、本構成例の光電変換装置で
は発生せず、きわめてS/N比の良い画質を得る
ことが可能である。
In a photoelectric conversion device using photosensor cells with the above configuration, the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each photosensor cell, so the final stage amplification amplifier is also quite simple compared to a MOS type imaging device. But that's fine. In the above example, a one-stage bipolar transistor type was used, but it is of course possible to use other systems, such as a two-stage structure. When using bipolar transistors as in this example,
The problem of 1/f noise that is easily noticeable on images generated from the MOS transistor of the final stage amplifier in a CCD imaging device does not occur in the photoelectric conversion device of this configuration example, and image quality with an extremely good S/N ratio can be obtained. is possible.

負数の制御電極をもつ第17図に示した実施例
よりも、さらに感度の良い本発明の光電変換装置
について以下に図面を用いて説明する。
A photoelectric conversion device of the present invention having even higher sensitivity than the embodiment shown in FIG. 17 having a negative control electrode will be described below with reference to the drawings.

第1図に一つの実施例を示す。第1図aは複数
の制御電極を持つ基本光センサセルを2次元的に
多数配列するときの平面図の一部を、第1図bは
第1図aにおけるA−A′断面の断面図を、第1
図cは基本光センサセルの回路構成を、第1図d
は第1図b図におけるB−B′断面方向の内部ポ
テンシヤル状態の一例について、それぞれ示して
いる。
FIG. 1 shows one embodiment. Figure 1a shows a part of a plan view when a large number of basic photosensor cells having a plurality of control electrodes are two-dimensionally arranged, and Figure 1b shows a cross-sectional view taken along the line A-A' in Figure 1a. , 1st
Figure c shows the circuit configuration of the basic photosensor cell, and Figure 1 d
1A and 1B respectively show examples of internal potential states in the BB' cross-sectional direction in FIG. 1B.

第17図に示した実施例においては、n基板1
の上に高抵抗n-領域5、p領域6、n+領域7が
構成され、n+pn-n構造のフオトトランジスタと
なつていたが、第1図に示す実施例においては、
それらがp+基板350の上に構成され、第17
図に示した実施例における基板のn領域がn+
域351となつているところが異なつている。
In the embodiment shown in FIG.
A high-resistance n - region 5, a p region 6, and an n + region 7 are formed on the phototransistor of an n + pn - n structure, but in the embodiment shown in FIG.
They are configured on the p + substrate 350, and
The difference is that the n region of the substrate in the embodiment shown in the figure is now an n + region 351.

この第1図に示す実施例では、n+領域7、p
領域6、n-領域5、n+領域351より構成され
る第1のフオトトランジスタに、p領域6、n-
領域5、n+領域351、p+領域350より構成
される第2のフオトトランジスタが重複して作成
され、サイリスタ構造を成している。このため、
半導体表面から内部への方向を横軸にとつたとき
のエレクトロンに対する内部ポテンシヤル状態は
第1図dの様になり、この様に、基板のp+領域
350が、基板の裏面の配線12を通して正電位
にバイアスされている状態で、光が入射すると、
光励起により半導体内部で発生したキヤリアのう
ち、ホールは第17図の実施例で説明した様に、
第1のフオトトランジスタのp+領域、すなわち
ベース領域6に蓄積される。この時、前の実施例
ではエレクトロンは高抵抗領域であるn-領域5
に発生している電界により加速されて、コレクタ
である基板1に流れだしてしまつていたが、第1
図に示す実施例では基板p+領域350の前にエ
レクトロンに対するポテンシヤルの井戸となる
n+領域が存在する。つまり、このn+領域は第2
のフオトトランジスタのベー領域となつており、
ここに、光励起により発生したエレクトロンが蓄
積されることになる。
In the embodiment shown in this FIG.
A first phototransistor consisting of region 6, n - region 5, and n + region 351 has p region 6, n -
A second phototransistor made up of region 5, n + region 351, and p + region 350 is formed overlappingly to form a thyristor structure. For this reason,
When the horizontal axis represents the direction from the semiconductor surface to the inside, the internal potential state for electrons is as shown in FIG. When light is incident while it is biased to a potential,
Among the carriers generated inside the semiconductor due to optical excitation, holes are as explained in the example of FIG.
It is accumulated in the p + region, ie the base region 6, of the first phototransistor. At this time, in the previous example, the electrons are in the n - region 5, which is a high resistance region.
It was accelerated by the electric field generated in the collector and started flowing to the collector substrate 1.
In the embodiment shown, there is a potential well for electrons in front of the substrate p + region 350.
There are n + regions. In other words, this n + area is the second
This is the base region of the phototransistor.
Electrons generated by photoexcitation are accumulated here.

CCD型撮像素子あるいはMOS型撮像素子にお
いては、光励起により発生したキヤリアのうちエ
レクトロンを、その主電極に蓄積しており、また
第13図に示した実施例においては、制御電極領
域にホールを蓄積するという様に、光励起により
発生したエレクトロン・ホール対のうち片方のキ
ヤリアだけを利用していたが、第1図に示す実施
例においては、制御電極領域を2つもうけ、第1
のフオトトランジスタの制御電極領域にホール
を、第2のフオトトランジスタの制御電極領域に
エレクトロンをそれぞれ蓄積し、光励起により発
生した両方のキヤリアを利用することにより高感
度化を達成している。くわしい動作については後
で述べる。
In a CCD type image sensor or a MOS type image sensor, electrons among carriers generated by photoexcitation are accumulated in the main electrode, and in the embodiment shown in Fig. 13, holes are accumulated in the control electrode area. In this way, only one carrier of the electron-hole pair generated by photoexcitation was used, but in the embodiment shown in FIG.
High sensitivity is achieved by accumulating holes in the control electrode region of the second phototransistor and electrons in the control electrode region of the second phototransistor, and utilizing both carriers generated by photoexcitation. The detailed operation will be described later.

第1図に示す基本センサセルには、第17図に
示した実施例と異なり、さらに、各光センサセル
にリフレツシユ用のpMOSトランジスタが附加さ
れている。すなわち、第1のフオトトランジスタ
のベース領域6、チヤネル・ドープされたn領域
353、新しく形成されたp領域354、ゲート
絶縁膜3、ゲート電極352からそれぞれ構成さ
れるpMOSトランジスタであり、これはリフレツ
シユ時に導通状態にされ、ベース領域6に蓄積さ
れたホールを引きぬく動作をする。配線355
は、このpMOSトランジスタのドレイン領域であ
るp領域354にコンタクト孔359を介して、
負電源に接続するためのものである。また、ゲー
ト電極352は、ベース領域6の上に大きく広が
り、ここにMOSキヤパシタを構成しており、第
17図の実施例で示した様に、読出し時にベース
領域6の電位を変化させる様になつている。
The basic sensor cell shown in FIG. 1 differs from the embodiment shown in FIG. 17 in that a pMOS transistor for refresh is further added to each photosensor cell. That is, the pMOS transistor is composed of the base region 6 of the first phototransistor, the channel-doped n region 353, the newly formed p region 354, the gate insulating film 3, and the gate electrode 352. It is sometimes brought into a conductive state and acts to pull out holes accumulated in the base region 6. Wiring 355
is connected to the p region 354, which is the drain region of this pMOS transistor, through a contact hole 359,
It is for connecting to negative power supply. Furthermore, the gate electrode 352 extends widely over the base region 6 and constitutes a MOS capacitor there, and as shown in the embodiment of FIG. It's summery.

第2のフオトトランジスタのベース領域351
は素子分離領域4に接して半導体表面まで露出し
ており、このベース領域351の上には第1のフ
オトトランジスタのベース領域と同様に、絶縁膜
3、電極356とでMOSキヤパシタが構成され、
第2のフオト・トランジスタのベース領域の電位
も、このMOSキヤパシタを介して変化される様
になつている。配線357は、このMOSキヤパ
シタ電極にパルスを供給するためのものであり、
また配線358はゲートおよびMOSキヤパシタ
にパルスを供給するためのものである。
Base region 351 of second phototransistor
is exposed to the semiconductor surface in contact with the element isolation region 4, and a MOS capacitor is formed on this base region 351 by the insulating film 3 and the electrode 356, similar to the base region of the first phototransistor.
The potential of the base region of the second phototransistor is also changed via this MOS capacitor. The wiring 357 is for supplying pulses to this MOS capacitor electrode,
Further, the wiring 358 is for supplying pulses to the gate and MOS capacitor.

第1のフオトトランジスタのエミツタ領域7お
よび配線8は第17図の実施例とまつたく同じで
ある。
The emitter region 7 and wiring 8 of the first phototransistor are exactly the same as in the embodiment of FIG.

第1図cは以上説明した光センサセルの回路構
成図である。トランジスタ360は、n+領域7、
p領域6、n-領域5、n+領域351より成る第
1のフオトトランジスタを、トランジスタ361
は、p領域6、n-領域5、n+領域351、p+
域350より成る第2のフオトトランジスタを、
MOSトランジスタ362は、p領域6、n領域
353、p領域354、ゲート絶縁膜3、ゲート
電極352より成るpチヤネルMOSトランジス
タを、コンデンサ363は、p領域6、絶縁膜
3、電極352より成るMOSキヤパシタを、コ
ンデンサ364は、n+領域351、絶縁膜3、
電極356より成るMOSキヤパシタをそれぞれ
示している。
FIG. 1c is a circuit diagram of the optical sensor cell described above. Transistor 360 includes n + region 7,
A first phototransistor consisting of a p region 6, an n region 5, and an n + region 351 is connected to a transistor 361.
is a second phototransistor consisting of a p region 6, an n region 5, an n + region 351, and a p + region 350,
MOS transistor 362 is a p-channel MOS transistor consisting of p region 6, n region 353, p region 354, gate insulating film 3, and gate electrode 352, and capacitor 363 is a MOS transistor consisting of p region 6, insulating film 3, and electrode 352. The capacitor 364 includes an n + region 351, an insulating film 3,
MOS capacitors each consisting of an electrode 356 are shown.

以下に、この基本光センサセルの動作を、第2
図に示す2次元的に光センサセルを配列した回路
構成図、および第3図に示すパルス波形および内
部ポテンシヤル図を用いて、くわしく説明する。
Below, the operation of this basic photosensor cell will be explained as follows.
This will be explained in detail using the circuit configuration diagram shown in the figure in which optical sensor cells are arranged two-dimensionally, and the pulse waveform and internal potential diagram shown in FIG.

第2図は、第1図cに示した基本光センサセル
を2×2に配列したものであり、垂直シフト・レ
ジスタ、光シフト・レジスタ、出力アンプ、垂直
ライン・リフレツシユ用MOSトランジスタ、垂
直ライン選択用MOSトランジスタ等が、第14
図と同様、この周辺に附加されるが図では省略し
ている。すでに説明した様に、MOSキヤパシタ
363とpMOSトランジスタ362のゲートは共
通に接続され、水平ライン358を介してパルス
を印加するように構成されているが、これは別々
に配線を設けて印加する事も可能である。第3図
において、波形Aは水平ライン357に印加され
るパルス波形であり、また波形Bは水平ライン3
58に印加されるパルス波形である。波形Cは垂
直ライン8の電位を示す波形であり、時刻t4まで
は図には示していないが垂直ラインに接続された
MOSトランジスタが導通状態にされ、接地電位
を保ち時刻t4からは浮遊状態になされ、各光セン
サセルのエミツタ領域からの信号出力が出力され
る状態になつていることを示している。但し、時
刻t4まで各センサセルのエミツタ領域を接地する
ことは、この第1図の構成では、pMOSトランジ
スタ362を用いてリフレツシユするので特に必
須条件ではなく、浮遊状態になされていても動作
上、何ら不都合ではない。
Figure 2 shows a 2x2 array of the basic photosensor cells shown in Figure 1c, which includes a vertical shift register, optical shift register, output amplifier, vertical line refresh MOS transistor, and vertical line selection. MOS transistors etc. for
As in the figure, it is added around this area, but is omitted in the figure. As already explained, the gates of the MOS capacitor 363 and the pMOS transistor 362 are connected in common and are configured to apply a pulse via the horizontal line 358, but this can be applied by providing separate wiring. is also possible. In FIG. 3, waveform A is a pulse waveform applied to horizontal line 357, and waveform B is a pulse waveform applied to horizontal line 357.
58. This is the pulse waveform applied to 58. Waveform C is a waveform showing the potential of vertical line 8, and up to time t4 , although not shown in the diagram, it was connected to the vertical line.
The MOS transistor is turned on and kept at the ground potential, and from time t4 onwards, the MOS transistor is placed in a floating state, indicating that a signal is output from the emitter region of each photosensor cell. However, in the configuration shown in FIG. 1, grounding the emitter region of each sensor cell until time t4 is not an essential condition because the pMOS transistor 362 is used for refreshing. There's nothing inconvenient about it.

以下、パルス波形と内部ポテンシヤル図を用い
て時刻毎に、その動作を説明する。このとき、第
2のフオトトランジスタのエミツタ領域は、基板
裏面の電極12を通して正電源に接続されている
ものとする。第3図のパルス波形のうち、時刻t1
から時刻t3まではリフレツシユ動作に、時刻t3
ら時刻t4までは、光励起されたキヤリアの蓄積動
作に、時刻t4から時刻t8までは、読出し動作にそ
れぞれ対応している。
The operation will be explained below at each time using pulse waveforms and internal potential diagrams. At this time, it is assumed that the emitter region of the second phototransistor is connected to the positive power source through the electrode 12 on the back surface of the substrate. Among the pulse waveforms in Figure 3, time t 1
to time t3 corresponds to a refresh operation, from time t3 to time t4 corresponds to an accumulation operation of optically excited carriers, and from time t4 to time t8 corresponds to a readout operation.

時刻t1は読出し動作が終了した時点であり、内
部ポテンシヤルの時刻t1における図のごとく、p
領域、すなわち第1のベース領域には、光の強さ
に応じてホールが、またn+領域すなわち第2の
ベース領域には光の強さに応じたエレクトロン
が、それぞれ蓄積されている。時刻t2において
は、波形Bのごとく、水平ライン358を通して
負のパルスがリフレツシユ用pMOSトランジスタ
362のゲートにかかり、pMOSトランジスタは
導通状態にされている。したがつて第1のベース
領域に蓄積されていたホールは流れだしてしまい
時刻t2の内部ポテンシヤル図にあるごとく第1の
ベース領域は、配線355を介して供給している
負電圧になされる。この時、同時にMOSキヤパ
シタ363を介して第1のベース領域に負パルス
が供給されるが、pMOSトランジスタ362が導
通状態になされているので、何ら影響はおよぼさ
ない。
Time t 1 is the point at which the read operation ends, and as shown in the diagram at time t 1 of the internal potential, p
Holes are accumulated in the region, that is, the first base region, in accordance with the intensity of light, and electrons are accumulated in the n + region, that is, the second base region, in accordance with the intensity of light. At time t2 , as shown in waveform B, a negative pulse is applied to the gate of the refresh pMOS transistor 362 through the horizontal line 358, making the pMOS transistor conductive. Therefore, the holes accumulated in the first base region begin to flow, and as shown in the internal potential diagram at time t2 , the first base region is applied to the negative voltage supplied via the wiring 355. . At this time, a negative pulse is simultaneously supplied to the first base region via the MOS capacitor 363, but since the pMOS transistor 362 is in a conductive state, it does not have any effect.

また時刻t2においては、波形Aのごとく水平ラ
イン357およびMOSキヤパシタ364を介し
て第2のフオトトランジスタのベース領域に、リ
フレツシユ・パルスが印加される。このときの印
加される電圧と、第2のベース領域にかかる電圧
関係およびリフレツシユ動作はすでに第17図の
実施例において、リフレツシユ動作として説明し
たものとまつたく同等である。すなわち時刻t2
おける内部ポテンシヤル図の様に、パルスが印加
されると同時に、エミツタ領域350に対してベ
ース領域351が順方向バイアスされたものが、
時間がたつにつれ矢印のごとくビルト・イン・ボ
ルテージに次第になつていくことになる。但し、
この第2フオトトランジスタにおいては、第1図
bの断面図の様に、第2のフオトトランジスタの
ベース領域351とエミツタ領域350の接合面
積が、きわめて大きいために、第17図に示した
実施例の時よりも、高速にリフレツシユ動作がな
される。
At time t2 , a refresh pulse is applied to the base region of the second phototransistor via the horizontal line 357 and the MOS capacitor 364 as shown in waveform A. The relationship between the voltage applied at this time, the voltage applied to the second base region, and the refresh operation are exactly the same as those already explained as the refresh operation in the embodiment of FIG. 17. That is, as shown in the internal potential diagram at time t2 , when the pulse is applied and the base region 351 is forward biased with respect to the emitter region 350,
As time goes on, it will gradually become built-in voltage as shown by the arrow. however,
In this second phototransistor, the junction area between the base region 351 and the emitter region 350 of the second phototransistor is extremely large, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1b. The refresh operation is performed faster than when .

次いで、第2のベース領域に印加されていた電
圧が接地電位にもどる時に、第2のベース領域の
電位は、エミツタ領域に対して逆バイアス状態に
される。これもすでに説明、リフレツシユ動作と
まつたく同等である。
Then, when the voltage applied to the second base region returns to ground potential, the potential of the second base region is reverse biased with respect to the emitter region. This is also exactly the same as the refresh operation already explained.

時刻t3から時刻t4までは、光励起により発生し
たキヤリアの蓄積期間であり、すでに説明したご
とく、光励起により発生したキヤリアの内、ホー
ルは第1のフオトトランジスタのベース領域に蓄
積され、エレクトロンは第2のフオトトランジス
タのベース領域に蓄積される。このときの両者に
蓄積される電荷量は、第1のフオトトランジスタ
のエミツタ領域に、にげるエレクトロン、またわ
ずかである常抵抗領域中を走行するときに再結合
により消滅するエレクトロン等を無視すれば、ほ
ぼ等量が、それぞれのベース領域に蓄積されるこ
とになる。また、このときに各ベース領域におい
て発生する蓄積電圧は、それぞれのフオトトラン
ジスタのベース・エミツタ間容量およびベース・
コレクタ間容量の加算した値で、蓄積された電荷
量を割つた値になることは、すでに第17図に示
す実施例において説明したのと同等である。この
様に、第1図に示す光センサセルでは制御電極で
あるベース領域が複数存在しているが、一つしか
ないものと、まつたく同様にエレクトロンとホー
ルのちがいはあるものの独立して考えることが可
能である。
The period from time t 3 to time t 4 is the accumulation period of carriers generated by photoexcitation. As already explained, of the carriers generated by photoexcitation, holes are accumulated in the base region of the first phototransistor, and electrons are accumulated in the base region of the first phototransistor. It is stored in the base region of the second phototransistor. The amount of charge accumulated in both at this time is, if we ignore the electrons that escape to the emitter region of the first phototransistor, and the electrons that disappear due to recombination when traveling through the normal resistance region, which is small, and so on. Approximately equal amounts will be accumulated in each base region. Also, the accumulated voltage generated in each base region at this time is determined by the base-emitter capacitance of each phototransistor and the base-emitter capacitance of each phototransistor.
The fact that the accumulated charge amount is divided by the sum of the inter-collector capacitances is equivalent to that already explained in the embodiment shown in FIG. In this way, in the optical sensor cell shown in Figure 1, there are multiple base regions that are control electrodes, but there are two types of base regions: one where there is only one, and the other where there is a difference between electrons and holes, but they can be considered independently. is possible.

時刻t4における内部ポテンシヤル図はそれぞれ
のベース領域に、光励起によるキヤリアが蓄積さ
れている状態を示している。この時刻t4では波形
Cのごとく、第1のフオトトランジスタのエミツ
タ領域は浮遊状態になされ、次の信号の読出し状
態に入る。
The internal potential diagram at time t4 shows a state in which carriers due to optical excitation are accumulated in each base region. At time t4 , as shown in waveform C, the emitter region of the first phototransistor is brought into a floating state, and the next signal is read out.

まず、時刻t5において、波形Aに示すごとく第
2のフオトトランジスタのベースには、水平ライ
ン357およびMOSキヤパシタ364を介して
パルスが印加されるので時刻t5の内部ポテンシヤ
ル図のごとく、順方向バイアスされ、光強度に応
じて蓄積された電圧に比例して第2のフオトトラ
ンジスタのエミツタ領域から矢印のごとく、ホー
ルが第1のフオトトランジスタのベース領域に注
入されることになる。これにより第1のベース領
域には、光励起により発生したホールに、第2の
ベース領域に蓄積したエレクトロンに比例したホ
ールが加算されることにより、この第2のフオト
トランジスタのエミツタ領域から注入されるホー
ルの数は、第2のベース領域が順方向バイアスに
されている時間に依存することから、ここで、望
むゲインを制御することが可能である。また、こ
のときの第2のベースの順方向バイアス量および
時間は、注入されるホールの数の直線性を確保す
るため最適の値に制御される。このときの考え方
はすでに第17図の実施例で説明したのと、まつ
たく同様である。時刻t6では第2のベースに印加
されている電圧がもとにもどつた状態であり、時
刻t6の内部ポテンシヤル図にあるごとく第2のベ
ース領域は、パルスが印加される前の、第2のエ
ミツタに対する逆バイアス状態にもどることにな
り、ここでホールの注入は停止する。
First, at time t5 , as shown in waveform A, a pulse is applied to the base of the second phototransistor via the horizontal line 357 and the MOS capacitor 364, so that the forward direction as shown in the internal potential diagram at time t5 Holes are injected from the emitter region of the second phototransistor into the base region of the first phototransistor as shown by the arrow in proportion to the voltage biased and accumulated according to the light intensity. As a result, holes proportional to the electrons accumulated in the second base region are added to the holes generated by photoexcitation into the first base region, and are injected from the emitter region of the second phototransistor. Since the number of holes depends on the time that the second base region is forward biased, it is now possible to control the desired gain. Further, the amount and time of forward bias of the second base at this time are controlled to optimal values in order to ensure linearity of the number of holes injected. The concept at this time is exactly the same as that already explained in the embodiment shown in FIG. At time t 6 , the voltage applied to the second base has returned to its original state, and as shown in the internal potential diagram at time t 6 , the second base region is at the voltage applied to the second base before the pulse is applied. The state returns to the reverse bias state for the emitter No. 2, and hole injection stops here.

時刻t7では、波形Bに示されるごとく、水平ラ
イン358およびMOSキヤパシタ363を介し
て電圧が印加され、第1のベース領域は第1のエ
ミツタに対して順方向バイアスされる。このパル
ス波形は正のパルスであり、MOSキヤパシタ3
63と並列に接続されたpMOSトランジスタのゲ
ート電極にも電圧が印加されることになるが、正
電圧のためpMOSトランジスタは導通状態にはな
らず何ら不都合な動作は生じない。
At time t7 , as shown in waveform B, a voltage is applied across horizontal line 358 and MOS capacitor 363, forward biasing the first base region with respect to the first emitter. This pulse waveform is a positive pulse, and the MOS capacitor 3
A voltage is also applied to the gate electrode of the pMOS transistor connected in parallel with 63, but since the voltage is positive, the pMOS transistor does not become conductive and no untoward operation occurs.

第1のベース領域が順方向バイアスされると第
1のエミツタ領域は浮遊状態になされているの
で、ここからエレクトロンの注入が起こり、エミ
ツタ領域の電位は変化して第1のベース領域に蓄
積された信号電圧が読出されることになる。この
動作は第17図に示した実施例で説明したのとま
つたく同じである。但し、この第1図で示した実
施例では第1のエミツタ領域から注入されたエレ
クトロンが第2のベース領域に蓄積され、この電
荷量が多いと、一部サイリスタ動作が発生し、さ
らにゲインが増加するという現象が起こるが、こ
れは信号出力に非直線を与える原因となるので、
サイリスタ動作が発生しない様に各バイアス条件
等が設定される。特に直線性を要求しない応用に
対しては、このサイリスタ動作により、ゲインを
増加させるのは望ましいことである。
When the first base region is forward biased, the first emitter region is in a floating state, so electrons are injected from here, the potential of the emitter region changes, and they are accumulated in the first base region. The resulting signal voltage will be read out. This operation is exactly the same as that described in the embodiment shown in FIG. However, in the embodiment shown in FIG. 1, electrons injected from the first emitter region are accumulated in the second base region, and if this amount of charge is large, thyristor operation occurs partially, and the gain is further reduced. This phenomenon causes the signal output to become non-linear, so
Each bias condition etc. is set so that thyristor operation does not occur. Particularly for applications that do not require linearity, it is desirable to increase gain through this thyristor operation.

読出しが完了した時刻t8ではMOSキヤパシタ
364を介して第1のベース領域に印加されてい
た電圧がとりのぞかれるので、時刻t8の内部ポテ
ンシヤル図のごとく、第1のベース領域は、第1
のエミツタ領域に対してパルス印加前と同じ逆バ
イアス状態にもどりエミツタ領域からのエレクト
ロンの注入は停止する。この状態では各信号出力
は垂直ライン上に、読出されているわけであり、
後は第14図を用いて説明したごとく水平シフ
ト・レジスタが動作を開始し、各垂直ラインが選
択されて出力アンプを通して、外部に信号が出力
されることになる。第1図に示す構造では、時刻
t5において第1のベースにホールを注入すると
き、pMOSトランジスタのp領域354は負電源
に接続されているので、ホールの一部は、このp
領域に注入される現象が生ずる。このp領域35
4を小さく形成していればこの量はさほど大きな
量ではないが、さらに、これを減少させるのに
は、このpMOSトランジスタを素子分離領域の上
にSOI(Silicon On Insulator)技術を用いて形成
することにより解決することができる。また波形
Aおよび波形Bのパルス電圧値は第17図の実施
例において説明したごとくリフレツシユ動作読出
し動作では、それぞれ最適の値に設定される。
At time t8 when reading is completed, the voltage applied to the first base region via the MOS capacitor 364 is removed, so as shown in the internal potential diagram at time t8 , the first base region is 1
The emitter region returns to the same reverse bias state as before the pulse application, and injection of electrons from the emitter region stops. In this state, each signal output is read out on a vertical line,
After that, as explained using FIG. 14, the horizontal shift register starts operating, each vertical line is selected, and a signal is outputted to the outside through the output amplifier. In the structure shown in Figure 1, the time
When injecting holes into the first base at t 5 , since the p region 354 of the pMOS transistor is connected to the negative power supply, some of the holes are
A phenomenon occurs in which the region is injected. This p region 35
If 4 is formed small, this amount will not be so large, but in order to further reduce this amount, this pMOS transistor can be formed on the element isolation region using SOI (Silicon On Insulator) technology. This can be solved by Further, the pulse voltage values of waveform A and waveform B are each set to the optimum value in the refresh operation read operation, as explained in the embodiment of FIG.

以上、説明した如く、第1図に示す実施例で
は、光励起により発生したエレクトロンとホール
の両方のキヤリアを複数の制御電極領域に、蓄積
しそれぞれからゲインを増加させながら読出す方
式をとつているためきわめて高感度の光電変換装
置を提供することができる。
As explained above, in the embodiment shown in FIG. 1, carriers of both electrons and holes generated by photoexcitation are accumulated in a plurality of control electrode regions and read out from each while increasing the gain. Therefore, a photoelectric conversion device with extremely high sensitivity can be provided.

第4図に、第1図に示した複数の制御電極領域
をもつ構造の他の実施例を示す。第1図における
実施例では、第1のフオトトランジスタのベース
領域をpMOSトランジスタを用いてリフレツシユ
していたが、第4図に示す実施例では、第2のフ
オトトランジスタのベース領域をpMOSトランジ
スタを用いてリフレツシユする構成となつてい
る。第4図aは、基本光センサセルを2次元的に
配列したものの平面図の一部を、第4図bは、第
4図a図のA−A′断面の半導体内部の断面図を、
第4図cは基本光センサセルの等価回路をそれぞ
れ示している。
FIG. 4 shows another embodiment of the structure shown in FIG. 1 having a plurality of control electrode regions. In the embodiment shown in FIG. 1, the base region of the first phototransistor is refreshed using a pMOS transistor, but in the embodiment shown in FIG. 4, the base region of the second phototransistor is refreshed using a pMOS transistor. It is configured to be refreshed. FIG. 4a shows a part of a plan view of a two-dimensional arrangement of basic photosensor cells, and FIG. 4b shows a cross-sectional view of the interior of the semiconductor taken along the line A-A' in FIG. 4a.
FIG. 4c shows the equivalent circuit of the basic photosensor cell.

第4図において、nMOSトランジスタは、SOI
技術を利用して、素子分離領域4の上に、スパツ
タ等を用いて形成したアモルフアス・シリコンも
しくはCVDにより堆積されたポリシリコンをレ
ーザー・ビーム・アニールあるいは電子線アニー
ル等により再結晶化したシリコン基板中に形成さ
れる。このnMOSトランジスタはn+領域365、
およびn+領域367、チヤネル・ドープされた
p領域366、ゲート絶縁膜3、ゲート電極36
8より構成されており、n+領域365は、第2
のフオトトランジスタのベース領域であるn+
域351と接続され、もう一方のn+領域367
は、コンタクト孔371を介して配線370と接
続され、正電圧電源から正電圧が供給される様に
なされている。またゲート電極368は、n+
域365の上にもかかつており、この部分で
MOSキヤパシタを構成している。このゲート電
極368には、水平ライン370を介してパルス
が印加される様になされている。
In Figure 4, the nMOS transistor is SOI
Amorphous silicon formed by sputtering or the like on the element isolation region 4 using technology, or a silicon substrate in which polysilicon deposited by CVD is recrystallized by laser beam annealing, electron beam annealing, etc. formed inside. This nMOS transistor has an n + region 365,
and n + region 367, channel doped p region 366, gate insulating film 3, gate electrode 36
8, and the n + area 365 is the second
is connected to the n + region 351, which is the base region of the phototransistor, and the other n + region 367
is connected to the wiring 370 through a contact hole 371, and is configured to be supplied with a positive voltage from a positive voltage power source. Furthermore, the gate electrode 368 is also located above the n + region 365, and this portion
It constitutes a MOS capacitor. A pulse is applied to this gate electrode 368 via a horizontal line 370.

第1のフオトトランジスタのベース領域のリフ
レツシユ、および読出し時に、ベース領域にパル
ス電圧を印加するための電極の、絶縁膜3、ベー
ス領域6からなるMOSキヤパシタ、第1のフオ
トトランジスタのエミツタ領域7、およびこれよ
り信号をとりだす垂直ライン8、垂直ラインとエ
ミツタ領域7を接続するためのコンタクト孔1
9、等々は第17図あるいは第1図に示したもの
と同等である。
A MOS capacitor consisting of an insulating film 3 and a base region 6, an electrode for applying a pulse voltage to the base region during refreshing of the base region of the first phototransistor and reading, an emitter region 7 of the first phototransistor; A vertical line 8 from which signals are taken out, and a contact hole 1 for connecting the vertical line and the emitter region 7.
9, etc. are equivalent to those shown in FIG. 17 or FIG.

また図では示されていないが、p領域すなわち
nMOSトランジスタのチヤネル領域366は、n+
領域すなわちソース領域365と接続されてい
る。
Although not shown in the figure, the p region, i.e.
The channel region 366 of the nMOS transistor is n +
region, that is, the source region 365.

第4図cは、基本光センサセルの等価回路であ
り、n+領域7、p領域6、n-領域5、n+領域3
51よりなる第1のフオトトランジスタ372、
p領域6、n-領域5、n+領域351、p+領域3
50よりなる第2のフオトトランジスタ373、
電極9、絶縁膜3、p領域6よりなるMOSキヤ
パシタ374、電極368、絶縁膜3、n+領域
365よりなるMOSキヤパシタ375、n+領域
365、p領域366、n+領域367、ゲート
絶縁膜3、ゲート電極368より成るn-MOSト
ランジスタ376よりそれぞれ構成されている。
FIG. 4c shows an equivalent circuit of a basic photosensor cell, with n + region 7, p region 6, n - region 5, and n + region 3.
A first phototransistor 372 consisting of 51,
p region 6, n - region 5, n + region 351, p + region 3
a second phototransistor 373 consisting of 50;
MOS capacitor 374 consisting of electrode 9, insulating film 3, p region 6, electrode 368, insulating film 3, MOS capacitor 375 consisting of n + region 365, n + region 365, p region 366, n + region 367, gate insulating film 3 and an n - MOS transistor 376 consisting of a gate electrode 368.

第5図は、第4図に示した基本光センサセルを
2×2に配列したものの回路構成図であり、垂直
シフト・レジスタ、水平シフト・レジスタ、出力
アンプ、垂直ラインリフレツシユ用MOSトラン
ジスタ、垂直ライン選択用MOSトランジスタ等
が、第5図で示した構成図の周辺に附加される
が、これは基本的には第14図に示したものと同
じであり、この図では省略している。この基本光
センサセルの動作および第5図に示す光電変換装
置の動作を、第6図に示すパルス波形および内部
ポテンシヤル図を用いて、以下に、くわしく説明
する。
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of the basic photosensor cells shown in FIG. Line selection MOS transistors and the like are added around the configuration diagram shown in FIG. 5, but these are basically the same as those shown in FIG. 14, and are omitted in this diagram. The operation of this basic optical sensor cell and the operation of the photoelectric conversion device shown in FIG. 5 will be explained in detail below using the pulse waveform and internal potential diagram shown in FIG. 6.

第6図において、波形Aは水平ライン370に
印加されるパルス波形であり、また波形Bは水平
ライン10に印加されるパルス波形である。波形
Cは、垂直ライン8の電位を示す波形であり、時
刻t5までは、図には示していないが垂直ラインに
接続された、垂直ラインの電荷をリフレツシユす
るためのMOSトランジスタが導通状態になされ、
接地電位を保ち、時刻t5からは浮遊状態になされ
各センサセルのエミツタ領域からの信号が出力さ
れる状態になつていることを示している。
In FIG. 6, waveform A is a pulse waveform applied to horizontal line 370, and waveform B is a pulse waveform applied to horizontal line 10. Waveform C is a waveform showing the potential of the vertical line 8, and until time t5 , a MOS transistor connected to the vertical line (not shown in the figure) for refreshing the charge on the vertical line is in a conductive state. done,
It is shown that the ground potential is maintained, and from time t5 onwards, it is in a floating state, and a signal is output from the emitter region of each sensor cell.

以下、パルス波形と内部ポテンシヤル図を用い
て、時刻毎に、順をおつて動作を説明する。第6
図に示すパルス波形のうち、時刻t1からt4までは
リフレツシユ動作に、時刻t4から時刻t5までは、
光励起されたキヤリアの蓄積動作、時刻t5から時
刻t8までは、信号の読出し動作に、それぞれ対応
している。時刻t1において、波形Aのごとく、水
平ライン370を通じて負のパルスが印加され、
MOSキヤパシタ375を通して第2のフオトト
ランジスタのベース領域に負電圧が印加される
と、時刻t1に示す内部ポテンシヤル図のごとく、
第2のフオトトランジスタのエミツタ領域に対し
てベース領域が順方向バイアスされるので、エミ
ツタ領域からはホールが注入され、第1のフオト
トランジスタのベース領域の電位を正方向に向か
つて変化させる動作をする。この時、第2のベー
ス電位は、時間経過と共に、順方向バイアス状態
から次第にビルト・イン・ボルテージに近づいて
いくことは、前に説明したのとまつたく同様の動
作である。この時点において、第1のベースにホ
ールを注入して、電位を正電位方向に変化させる
のは、すでに第17図の実施例において説明した
過渡的リフレツシユを、より確実に動作させるた
めである。
Hereinafter, the operation will be explained in order at each time using pulse waveforms and internal potential diagrams. 6th
Of the pulse waveforms shown in the figure, from time t 1 to t 4 is used for refresh operation, and from time t 4 to time t 5 is used for refresh operation.
The optically excited carrier accumulation operation from time t5 to time t8 corresponds to the signal readout operation, respectively. At time t1 , a negative pulse is applied through the horizontal line 370 as shown in waveform A;
When a negative voltage is applied to the base region of the second phototransistor through the MOS capacitor 375, as shown in the internal potential diagram at time t1 ,
Since the base region is forward biased with respect to the emitter region of the second phototransistor, holes are injected from the emitter region, causing an operation that changes the potential of the base region of the first phototransistor in a positive direction. do. At this time, the second base potential gradually approaches the built-in voltage from the forward bias state as time passes, which is exactly the same operation as described above. At this point, holes are injected into the first base to change the potential toward a positive potential in order to operate the transient refresh described in the embodiment of FIG. 17 more reliably.

この負のパルスの印加時にはMOSキヤパシタ
375とnMOSトランジスタ376のゲートは共
通接続されているので、nMOSトランジスタ37
6にも負のパルスが印加されるが、nMOSトラン
ジスタは導通状態にはならず、特に不都合は生じ
ない。
When this negative pulse is applied, the gates of the MOS capacitor 375 and the nMOS transistor 376 are commonly connected, so the nMOS transistor 37
6 is also applied with a negative pulse, but the nMOS transistor does not become conductive and no particular inconvenience occurs.

次いで時刻t2は、負のパルスが、接地電位にも
どつた時点になるが、ここで、第2のベースは負
の電位から接地電位になる瞬間において、時刻t2
の内部ポテンシヤル図のごとく、第2のベース
は、第2のエミツタに対して、逆方向バイアス状
態になり、第2のエミツタからのホールの注入は
停止する。
Then, at time t 2 , the negative pulse returns to the ground potential, but at the moment when the second base changes from the negative potential to the ground potential, at time t 2
As shown in the internal potential diagram, the second base becomes reverse biased with respect to the second emitter, and hole injection from the second emitter stops.

時刻t3では、波形Aのごとく、配線370を通
してnMOSトランジスタ376のゲートに正のパ
ルスが印加され、導通状態になされ、このため、
第2のベースは、垂直ライン369より供給され
ている正電圧電源の電位に等しくされる。このと
きMOSキヤパシタ375にも、共通に正のパル
スが印加されるが、特に不都合な現象は生じな
い。また時刻t3では波形Bに示すごとく、配線1
0およびMOSキヤパシタ374を通して第1の
ベースに正電圧が印加される。このとき、時刻t3
の内部ポテンシヤル図に示すごとく、第1のベー
スは第1のエミツタに対して順方向バイアスさ
れ、この第1のベースよりホールが流出するた
め、次第にビルト・イン・ボルテージに向かつて
電位は正電位方向に変化していく。これは、すで
に第17図の実施例において、そのリフレツシユ
動作を説明した時とまつたく同様な動作であり、
完全リフレツシユ・モードあるいは、過渡的リフ
レツシユ・モードがその応用に応じて使われる。
この時、すでに説明したごとく、第2のベースは
正電源にnMOSトランジスタ376を介して接続
されているため、通常のバイポーラ動作をしてい
ることになる。
At time t3 , as shown in waveform A, a positive pulse is applied to the gate of the nMOS transistor 376 through the wiring 370, making it conductive, and therefore,
The second base is made equal to the potential of the positive voltage power supply provided by vertical line 369. At this time, a positive pulse is also commonly applied to the MOS capacitor 375, but no particular disadvantageous phenomenon occurs. Also, at time t3 , as shown in waveform B, wiring 1
0 and a positive voltage is applied to the first base through the MOS capacitor 374. At this time, time t 3
As shown in the internal potential diagram of change in direction. This is exactly the same operation as when the refresh operation was already explained in the embodiment shown in FIG.
A full refresh mode or a transient refresh mode may be used depending on the application.
At this time, as already explained, since the second base is connected to the positive power supply via the nMOS transistor 376, normal bipolar operation is performed.

時刻t4では、それぞれのパルスは、接地電位に
もどり、時刻t4の内部ポテンシヤル図に示すごと
く、第1のベースおよび第2のベースはそれぞれ
のエミツタに対して逆バイアス状態になり、光励
起によるキヤリアの蓄積動作に入る。
At time t 4 , each pulse returns to ground potential and the first and second bases are reverse biased with respect to their respective emitters, as shown in the internal potential diagram at time t 4 . The carrier starts accumulating operation.

時刻t4から時刻t5までは、光励起により発生し
たキヤリアの蓄積期間であり、光励起により発生
したキヤリアの内、ホールは第1のベース領域に
蓄積され、エレクトロンは第2のベース領域に蓄
積される動作は、第1図に示した実施例とまつた
く同様である。
The period from time t 4 to time t 5 is an accumulation period for carriers generated by photoexcitation, in which holes are accumulated in the first base region and electrons are accumulated in the second base region. The operation is exactly the same as that of the embodiment shown in FIG.

時刻t5における内部ポテンシヤル図は、それぞ
れのベース領域に、光励起によるキヤリアが蓄積
されている状態を示している。この時刻t5では波
形Cのごとく第1のフオトトランジスタのエミツ
タ領域は、垂直ラインに接続されたMOSトラン
ジスタが非導通状態にされ、浮遊状態にされ、次
の信号の読出し状態に入る。まず、時刻t6では、
波形Aのごとく、第2のフオトトランジスタのベ
ース領域には、水平ライン370およびMOSキ
ヤパシタ375を通して負のパルスが印加される
ので、時刻t6の内部ポテンシヤル図に示すごと
く、第2のベースは第2のエミツタに対して順方
向バイアス状態にされ、光強度に応じて蓄積され
た電圧に比例して、第2のエミツタ領域から、ホ
ールが注入され、図示した矢印のごとく第1のベ
ース領域に、光励起により発生したホール以外
に、ホールが蓄積されることになる。これは、第
1図の実施例において説明したのと同様である。
The internal potential diagram at time t5 shows a state in which carriers due to optical excitation are accumulated in each base region. At time t5 , as shown in waveform C, the emitter region of the first phototransistor is brought into a floating state with the MOS transistor connected to the vertical line rendered non-conductive, and enters the next signal readout state. First, at time t 6 ,
As shown in waveform A, a negative pulse is applied to the base region of the second phototransistor through the horizontal line 370 and the MOS capacitor 375, so that the second base The second emitter region is put into a forward bias state, and holes are injected from the second emitter region in proportion to the voltage accumulated according to the light intensity, and enter the first base region as shown by the arrow. , holes other than those generated by optical excitation are accumulated. This is similar to that described in the embodiment of FIG.

時刻t7では、波形Aのごとく、水平ライン37
0を通してnMOSトランジスタ376のゲートに
正電圧が印加され、導通状態にされている。この
ため、第2のベースはnMOSトランジスタ376
および垂直ライン369を通して正電源に接続さ
れるため第1のフオトトランジスタは、第13図
の実施例で示した通常のバイポーラトランジスタ
動作とまつたく同じになり、時刻t7において、波
形Bのごとく水平ライン10、MOSキヤパシタ
374を通して第1のベース領域に正電圧を印加
して信号読出し動作も、第17図で示した実施例
とまつたく同様なので説明を省略する。時刻t8
おける内部ポテンシヤル図も第17図に示した実
施例と同じなので説明を省略する。
At time t 7 , as shown in waveform A, the horizontal line 37
A positive voltage is applied to the gate of the nMOS transistor 376 through 0, making it conductive. Therefore, the second base is the nMOS transistor 376
Since the first phototransistor is connected to the positive power supply through the vertical line 369, the operation of the first phototransistor is exactly the same as that of the normal bipolar transistor shown in the embodiment of FIG . The signal readout operation by applying a positive voltage to the first base region through the line 10 and the MOS capacitor 374 is also exactly the same as the embodiment shown in FIG. 17, so a description thereof will be omitted. The internal potential diagram at time t8 is also the same as the embodiment shown in FIG. 17, so its explanation will be omitted.

以上説明したごとく、本実施例によれば、第1
図に示した実施例とは異なり、読出し時における
サイリスタ動作を、まつたく気にすることなく第
17図に示した実施例の様な動作が可能であり、
しかも第1図に示した実施例のごとく、きわめて
高感度な光電変換装置を提供することができる。
次に、第7図に第1のフオトトランジスタのベー
ス領域に第1図で示したリフレツシユ用のpMOS
トランジスタを附加し、かつ第2のフオトトラン
ジスタのベース領域にリフレツシユ用のnMOSト
ランジスタを附加した実施例の基本光センサセル
の等価回路を示す。
As explained above, according to this embodiment, the first
Unlike the embodiment shown in the figure, it is possible to operate like the embodiment shown in Fig. 17 without worrying about the thyristor operation during reading.
Moreover, as in the embodiment shown in FIG. 1, a photoelectric conversion device with extremely high sensitivity can be provided.
Next, in Fig. 7, the pMOS for refresh shown in Fig. 1 is placed in the base region of the first phototransistor.
An equivalent circuit of a basic photosensor cell according to an embodiment in which a transistor is added and a refresh nMOS transistor is added to the base region of the second phototransistor is shown.

第1図および第4図に示した様な平面図およ
び、断面図は、第7図に示す実施例では、両者を
複合した様な構造のため、省略する。第8図に2
×2に配列した回路構成図を示す。ここでは前と
同様周辺の回路を省略している。
The plan view and sectional view shown in FIGS. 1 and 4 are omitted in the embodiment shown in FIG. 7 because the structure is a combination of both. 2 in Figure 8
A diagram showing a circuit configuration arranged in ×2. As before, peripheral circuits are omitted here.

第9図に各ラインに印加する波形および、内部
ポテンシヤル図をそれぞれ示す。第9図において
波形Aは水平ライン377を通してpMOSキヤパ
シタ381のゲートおよびMOSキヤパシタ38
2に印加するパルス波形であり、波形Bは、水平
ライン378を通してnMOSキヤパシタ385の
ゲートおよびMOSキヤパシタ386に印加する
パルス波形であり、また波形Cは前の実施例と同
様、垂直ライン8の電位状態を示す波形である。
FIG. 9 shows waveforms applied to each line and an internal potential diagram. In FIG. 9, waveform A passes through the horizontal line 377 to the gate of the pMOS capacitor 381 and the MOS capacitor 38.
Waveform B is a pulse waveform applied to the gate of nMOS capacitor 385 and MOS capacitor 386 through horizontal line 378, and waveform C is a pulse waveform applied to vertical line 8 as in the previous embodiment. This is a waveform that indicates the state.

又、この時、第8図に示す垂直ライン379は
負電源に、垂直ライン380は正電源にそれぞれ
接続されているものとする。
Also, at this time, it is assumed that the vertical line 379 shown in FIG. 8 is connected to the negative power source, and the vertical line 380 is connected to the positive power source.

この第7,8図に示す実施例では、読出し動作
である時刻t4から時刻t6までは第4図に示した実
施例とまつたく同様である。前の2つの実施例と
異なる点は、リフレツシユ動作であり時刻t2にお
いてpMOSトランジスタ381およびnMOSトラ
ンジスタ385が同時に導通状態にされ、第1の
ベースからはホールが、第2のベースからはエレ
クトロンがそれぞれ流出し、きわめて簡単にリフ
レツシユ動作が完了するわけである。
In the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the read operation from time t 4 to time t 6 is exactly the same as the embodiment shown in FIG. 4. The difference from the previous two embodiments is the refresh operation, in which the pMOS transistor 381 and the nMOS transistor 385 are simultaneously turned on at time t2 , and holes are generated from the first base and electrons are generated from the second base. Each of them flows out, and the refresh operation is completed very easily.

したがつて波形Cでは、第1のフオトトランジ
スタのエミツタ領域はリフレツシユ状態で接地状
態になされているが、このリフレツシユ動作にお
いては、接地にする必要はまつたくなく、どの様
な状態でも良いことは明らかである。
Therefore, in waveform C, the emitter region of the first phototransistor is grounded in the refresh state, but in this refresh operation, it is not necessary to ground it, and any state is fine. it is obvious.

以上、説明したごとく第1図、第4図、第7図
に示した実施例は、反対導電型領域より成る2つ
の主電極領域と、これら主電極領域とはそれぞれ
反対導電型領域より成る2つの制御電極領域それ
ぞれの主電極領域に隣接して設けたサイリスタ構
造の光センサセルにおいて、光励起により発生し
たエレクトロン・ホール対のうち、ホールを第1
の制御電極領域に、エレクトロンを第2の制御電
極領域に蓄積するものであり、従来、光励起によ
り発生したキヤリアのうち片一方だけを利用して
いたのに比して大きな特徴を有し、きわめて高感
度な光電変換装置を提供している。
As explained above, the embodiments shown in FIGS. 1, 4, and 7 have two main electrode regions each consisting of an opposite conductivity type region, and two main electrode regions each consisting of an opposite conductivity type region. In an optical sensor cell with a thyristor structure provided adjacent to the main electrode area of each of the two control electrode areas, one of the electron-hole pairs generated by photoexcitation is the first hole.
This system accumulates electrons in the first control electrode region and the second control electrode region, and has a major feature compared to conventional methods that utilize only one of the carriers generated by photoexcitation. We provide highly sensitive photoelectric conversion devices.

この様に、本発明による光電変換装置では、2
つの制御電極領域をもち、かつそれぞれにキヤリ
アを蓄積することからDouble Base Stove
Image Senserの頭文字をとり、D・BASISと呼
んでいる。
In this way, the photoelectric conversion device according to the present invention has two
Double Base Stove has two control electrode areas and accumulates carrier in each.
It is called D-BASIS, an acronym for Image Sensor.

以上で、内部光励起されたキヤリアを増幅する
機能を備えた光電変換装置について述べた。これ
までは、もつぱら光励起キヤリアを単結晶内に生
成する構造のものについて説明してきたが、単結
晶内に設けられた読み出しトランジスタの表面上
に、受光専用のトランジスタをアモルフアス層で
構成することもできる。以下、その構造について
述べる。
The photoelectric conversion device having the function of amplifying internally optically excited carriers has been described above. So far, we have explained structures in which optically excited carriers are generated within a single crystal, but it is also possible to construct a transistor dedicated to light reception using an amorphous layer on the surface of a readout transistor provided within a single crystal. can. The structure will be described below.

第10図は、その代表的な例であり、aは略々
単結晶内に設けられた読み出しトランジスタの平
面図、bはそのA−A′線に沿う断面図、cはこ
うしたセルがアレイ状に設けられた状態における
回路構成図である。第10図aの平面図は基本的
には第17図aに示された平面図と同じものであ
る。ただ、その上に積まれるアモルフアス層内に
受光用に設けられるトランジスタのコレクタとな
るべきp+ポリシリコン領域401が設けられて
いることが異なつている。p+ポリシリコン領域
401は、コンタクトホール410を通して、読
み出し用トランジスタのpベース領域と接触して
いる。実際には、この表面上にアモルフアスシリ
コンが積まれるわけである。この様子が、b図に
示されている。402はその動作状態で、完全に
空乏層になるべく低不純物密度になされた高抵抗
領域である。基本的には、n-でもp-でも1領域
でもよい。この事は、これまで述べてきたすべて
の実施例に対して適用できることである。n領域
403、p+領域404は受光用トランジスタの
ベース領域及びエミツタ領域である。nベース領
域は浮遊状態になされており、その電位制御は電
極407、SiO2等の絶縁層406およびnベー
ス領域404より形成されるMOSキヤパシタで
行われる。p+領域404の不純物濃度は通常1
×1020cm-3程度、もしくはそれ以上に設定され
る。nベース領域403の不純物濃度は1〜50×
1017cm-3程度になされ、動作状態でパンチスルー
しないように設定される。高抵抗領域402の厚
さは、所望の受光感度スペクトル分布を持つよう
に決定される。405は受光トランジスタの分離
用絶縁物領域である。SiO2、Si3N4、ノンドープ
ポリシリコン等、あるいはこれらの複合層で形成
する。406はアモルフアスシリコン上に設けら
れた薄い酸化膜である。408はPSG膜あるい
はCVD SiO2膜である。409はp+エミツタ領域
404の電極であり、同時にSnO2、In2O3
InTiO(ITO)等の透明電極であり、全表面を覆
う構造でよい。8や10はこれまでAlを主体と
した金属であるとされたが、第10図の実施例で
は、その上にアモルフアスシリコンを積み、更
に、n領域403、p+領域404を形成するの
で、ある程度の高温プロセスに耐える配線材料で
なければならない。通常はMo、W等の高融点金
属あるいは、MoSi2、WSi2、TiSi2あるいは
TaSi2等の高温に耐える材料が選ばれる。電極4
07は、AlもしくはAlを主体とした金属でよい。
簡単のために、407はこのMOSキヤパシタを
駆動するための配線の番号でもあるとする。
FIG. 10 shows a typical example, in which a is a plan view of a readout transistor provided approximately in a single crystal, b is a cross-sectional view taken along line A-A', and c is an array of such cells. FIG. The plan view of FIG. 10a is basically the same as the plan view shown in FIG. 17a. However, the difference is that a p + polysilicon region 401, which is to become the collector of a transistor provided for light reception, is provided in the amorphous layer stacked thereon. The p + polysilicon region 401 is in contact with the p base region of the read transistor through a contact hole 410. In reality, amorphous silicon is deposited on this surface. This situation is shown in figure b. In its operating state, 402 is a high-resistance region that is made to have a low impurity density so as to completely become a depletion layer. Basically, it may be n - , p - or one area. This is applicable to all the embodiments described so far. The n region 403 and the p + region 404 are the base region and emitter region of the light receiving transistor. The n base region is kept in a floating state, and its potential is controlled by a MOS capacitor formed of an electrode 407, an insulating layer 406 such as SiO 2 , and the n base region 404. The impurity concentration of p + region 404 is usually 1
×10 20 cm -3 or higher. The impurity concentration of the n base region 403 is 1 to 50×
It is set to about 10 17 cm -3 and is set so as not to punch through in the operating state. The thickness of the high resistance region 402 is determined so as to have a desired light receiving sensitivity spectral distribution. Reference numeral 405 denotes an insulating region for separating the light receiving transistor. It is formed of SiO 2 , Si 3 N 4 , non-doped polysilicon, etc., or a composite layer thereof. 406 is a thin oxide film provided on amorphous silicon. 408 is a PSG film or a CVD SiO 2 film. 409 is an electrode of the p + emitter region 404, which is also made of SnO 2 , In 2 O 3 ,
It is a transparent electrode such as InTiO (ITO), and may have a structure that covers the entire surface. 8 and 10 have been considered to be metals mainly composed of Al, but in the embodiment shown in FIG . , the wiring material must be able to withstand certain high-temperature processes. Usually high melting point metals such as Mo, W, MoSi 2 , WSi 2 , TiSi 2 or
A material that can withstand high temperatures, such as TaSi 2 , is chosen. Electrode 4
07 may be Al or a metal mainly composed of Al.
For simplicity, it is assumed that 407 is also the number of the wiring for driving this MOS capacitor.

第10図a,bで示される構造の光電変換装置
の回路構成図は、第10図cとなる。本発明の光
電変換装置の動作を次に説明する。基本的にすで
には説明してきたことで十分記述されているの
で、簡略に説明する。
The circuit configuration diagram of the photoelectric conversion device having the structure shown in FIGS. 10a and 10b is shown in FIG. 10c. The operation of the photoelectric conversion device of the present invention will be explained next. Basically, what has already been explained has been sufficiently described, so I will briefly explain it.

まず、リフレツシユ動作について説明する。配
線407を通して、MOSキヤパシタ407に負
のパルスを印加する。p+(404)n(403)
接点は、この負パルス印加により順方向にバイア
スされ、n領域403に過剰に蓄積されていた電
子は流出し、さらに所定の電圧(正電圧)まで帯
電される。この時、同時にp+領域404からホ
ールが流出し、p+領域401に流れ込み、結果
として、pベース6にホールがたまる。次に配線
10に正のパルスを印加し、pベース領域6を所
定の負電圧に設定する。この状態のあと、この光
センサセルは、光励起キヤリアの蓄積動作に入
る。アモルフアス領域で光励起されたホールは
p+領域401に流れ込み、電子はn領域403
に流れ込む。これらのキヤリアが光信号として蓄
積される。次に読み出し動作に入るわけである
が、まず配線407に負の電圧を印加し、p+(4
04)n(403)接点とたとえば、0.5〜0.65V
順方向にバイアスする。こうすることにより
1μsec〜0.1μsec程度のパルス幅で、十分光信号に
より励起されn領域403に蓄積された電子電荷
に比例するホールが、404から流れ出し、p+
領域401に流れ込む。すなわち、pベース領域
6は光により直接励起されたホールだけではな
く、光励起された電子に比例するホールが重畳し
て蓄積される。こうした内部増幅作用を機能さ
せ、光信号に比例したホールをpベース領域に蓄
積した後、配線10を通してMOSキヤパシタ9
の正の読み出し電圧を加え、光信号に比例した電
圧信号を、垂直ライン8に読み出すわけである。
こうした動作についての説明はすでに十分行つ
た。読み出される電圧が大きいため、増幅器はき
わめて簡略に構成できることから、分割読み出し
が容易に行えるという事情はすでに説明した通り
である。12,409は同一正電圧を与えればよ
いし、場合によつては、異なつた正電圧でもよ
い。
First, the refresh operation will be explained. A negative pulse is applied to the MOS capacitor 407 through the wiring 407. p + (404) n (403)
The contact is biased in the forward direction by this negative pulse application, and the electrons that have been excessively accumulated in the n-region 403 flow out, and are further charged to a predetermined voltage (positive voltage). At this time, holes simultaneously flow out from the p + region 404 and flow into the p + region 401, and as a result, holes accumulate in the p base 6. Next, a positive pulse is applied to wiring 10 to set p base region 6 to a predetermined negative voltage. After this state, the optical sensor cell enters an operation of accumulating optically excited carriers. Holes photoexcited in the amorphous region are
The electrons flow into the p + region 401, and the electrons flow into the n region 403.
flows into. These carriers are accumulated as optical signals. Next, the read operation begins. First, a negative voltage is applied to the wiring 407, and p + (4
04) n (403) contact and e.g. 0.5~0.65V
Forward bias. By doing this
With a pulse width of about 1 μsec to 0.1 μsec, holes that are sufficiently excited by the optical signal and proportional to the electron charge accumulated in the n region 403 flow out from the n region 404, causing p +
It flows into region 401. That is, in the p base region 6, not only holes directly excited by light but also holes proportional to photoexcited electrons are accumulated in a superimposed manner. After this internal amplification effect is activated and holes proportional to the optical signal are accumulated in the p-base region, they are passed through the wiring 10 to the MOS capacitor 9.
A positive read voltage is applied to the vertical line 8, and a voltage signal proportional to the optical signal is read out onto the vertical line 8.
We have already given a sufficient explanation of these operations. As already explained, since the voltage to be read out is large, the amplifier can be configured extremely simply, and thus divisional readout can be easily performed. The same positive voltage may be applied to 12 and 409, or different positive voltages may be applied depending on the case.

第10図では、読み出しトランジスタのpベー
ス領域6及び受光トランジスタのnベース領域4
03のいずれもが、浮遊状態になされたものであ
る。すでに、説明したように、リフレツシユをよ
り完全に行うために、pベース6を主電極とする
MOSトランジスタを設ける構造、nベース領域
403を主電極とするMOSトランジスタを設け
る構造、あるいはこの両者を同時に設ける構造の
いずれもが、こうした読み出し用トランジスタと
分離用トランジスタを分離した構造に適用できる
ことはいうまでもない。その例を第11図、第1
2図、第13図に示す。第11図は読み出し用ト
ランジスタのpベース領域のリフレツシユ用に
pMOSトランジスタ(図ではセル内の一番左に書
かれている)が設けられた例であり、このトラン
ジスタの一方の主電極は所定の負電圧に設定され
ている。リフレツシユ用pMOSトランジスタのゲ
ートには負の電圧が印加されて動作するから、水
平ライン10で共通にドライブできる。
In FIG. 10, the p base region 6 of the readout transistor and the n base region 4 of the light receiving transistor are shown.
All of 03 were made in a floating state. As already explained, in order to perform the refresh more completely, the p base 6 is used as the main electrode.
It goes without saying that a structure in which a MOS transistor is provided, a structure in which a MOS transistor is provided with the n-base region 403 as the main electrode, or a structure in which both are provided simultaneously can be applied to such a structure in which the readout transistor and isolation transistor are separated. Not even. An example of this is shown in Figure 11,
It is shown in Fig. 2 and Fig. 13. Figure 11 is for refreshing the p-base region of the readout transistor.
This is an example in which a pMOS transistor (drawn on the leftmost side in the cell in the figure) is provided, and one main electrode of this transistor is set to a predetermined negative voltage. Since the refresh pMOS transistors operate by applying a negative voltage to their gates, they can be commonly driven by the horizontal line 10.

第12図は、受光用トランジスタのnベース4
03を、主電極とするnMOSトランジスタを設け
てリフレツシユをする構造である。nMOSトラン
ジスタのリフレツシユには、そのゲートに正のパ
ルス電圧を印加して行うから、そのゲートの駆動
は水平ライン407で共通に行える。
Figure 12 shows the n-base 4 of the light-receiving transistor.
The structure is such that an nMOS transistor with 03 as the main electrode is provided to perform refresh. Since the nMOS transistors are refreshed by applying a positive pulse voltage to their gates, the gates can be commonly driven by the horizontal line 407.

nMOSトランジスタの一方の主電極は、所定の
正電圧(409の正電圧より大)に設定される。
One main electrode of the nMOS transistor is set to a predetermined positive voltage (greater than the positive voltage of 409).

第13図は、pベース6及びnベース403に
それぞれリフレツシユ用MOSトランジスタが設
けられた例である。これらの動作はすでに説明し
た通りである。
FIG. 13 shows an example in which the p base 6 and the n base 403 are each provided with a refresh MOS transistor. These operations have already been explained.

受光用にアモルフアスのトランジスタを使つた
この例は、実効的な受光面積を大きくできるこ
と、及びアモルフアスのバンドギヤツプが、1.7
〜1.8eVと大きいために、短波長側の受光感度が
高くなるという利点を有している。
This example uses an amorphous transistor for light reception, and the effective light reception area can be increased, and the amorphous band gap is 1.7.
Since it is large at ~1.8 eV, it has the advantage of high light-receiving sensitivity on the short wavelength side.

内部に埋込まれる配線はすでに述べたような高
融点金属あるいは高融点金属のシリサイドであ
る。その上に、PSG膜、CVD SiO2膜あるいはス
パツタSiO2膜を設ける。絶縁膜を平坦化するの
であれば、最後にスパツタSiO2を設け、同一チ
ヤンバ内で、電極間の電圧(直流バイアス)を変
化させ、サンプル上のSiO2がスパツタされるモ
ードに切り換えることによつて行える。その後、
コンタクトホール410を開けた後、p+ポリシ
リコンをCVDにより堆積し、パターニングを行
つた後、高抵抗アモルフアスシリコンを所定の厚
さ(2〜7μm)程度堆積する。アムルフアスシ
リコンの堆積は、超高真空中における低温蒸着、
たとえばAr雰囲気によるスパツト、SiH4あるい
はSi2H6を用いたCVD(プラズマCVDも含む)等
によればよい。有機金属ソースガスを用いた
MOCVDも、一つの方法である。絶縁分離領域
405形成後、nベース403、p+エミツタ4
04を拡散技術、イオン注入技術等で作成すれば
よいわけである。
The wiring embedded inside is made of a high melting point metal or a silicide of a high melting point metal as described above. A PSG film, a CVD SiO 2 film, or a sputtered SiO 2 film is provided thereon. If you plan on flattening the insulating film, you can install a sputterer SiO 2 at the end, change the voltage between the electrodes (DC bias) within the same chamber, and switch to a mode in which the SiO 2 on the sample is sputtered. I can do it. after that,
After opening the contact hole 410, p + polysilicon is deposited by CVD, and after patterning, high-resistance amorphous silicon is deposited to a predetermined thickness (2 to 7 μm). Amulfas silicon is deposited by low-temperature evaporation in ultra-high vacuum,
For example, sputtering using an Ar atmosphere, CVD using SiH 4 or Si 2 H 6 (including plasma CVD), etc. may be used. using organometallic source gas
MOCVD is also one method. After forming the insulation isolation region 405, the n base 403, the p + emitter 4
04 can be created using diffusion technology, ion implantation technology, etc.

既に述べた様に、前述した構成に係る光センサ
セルを利用した光電変換装置では、最終段の増幅
アンプがきわめて簡単なもので良いことから、最
終段の増幅アンプを一つだけ設ける第14図に示
した構成例のごときタイプではなく、増幅アンプ
を複数個設置して、一つの画面を複数に分割して
読出す様な構成とすることも可能である。
As already mentioned, in a photoelectric conversion device using a photosensor cell having the above-mentioned configuration, the amplification amplifier at the final stage can be extremely simple, so the configuration shown in FIG. 14 in which only one amplification amplifier at the final stage is provided Instead of the type of configuration example shown, it is also possible to install a plurality of amplifiers so that one screen is divided into a plurality of parts and read out.

第24図に、分割読出し方式の一例を示す。第
24図に示す構成例は、水平方向を3分割とし最
終段アンプを3つ設置した例である。基本的な動
作は第14図の構成例および第21図のタイミン
グ図を用いて説明したものとほとんど同じである
が、この第24図の構成例では、3つの等価な水
平シフトレジスタ100,101,102を設
け、これらの始動パルスを印加するための端子1
03に始動パルスが入ると、1列目、(n+1)
列目、(2n+1)列目(nは整数であり、この実
施例では水平方向絵素数は3n個である。)に接続
された各センサセルの出力が同時に読出されるこ
とになる。次の時点では、2列目、(n+2)列
目、(2n+2)列目が読出されることになる。こ
の構成例によれば、一本の水平ライン分を読出す
時間が固定されている時は、水平方向のスキヤン
ニング周波数は、一つの最終段アンプをつけた方
式に比較して1/3の周波数で良く、水平シフトレ
ジスタが簡単になり、かつ光電変換装置からの出
力信号をアナログデイジタル変換して、信号処理
する様な用途には、高速のアナログ・デイジタル
変換器は不必要であり、分割読出し方式の大きな
利点である。
FIG. 24 shows an example of a divided readout method. The configuration example shown in FIG. 24 is an example in which the horizontal direction is divided into three parts and three final stage amplifiers are installed. The basic operation is almost the same as that explained using the configuration example in FIG. 14 and the timing diagram in FIG. 21, but in the configuration example in FIG. , 102 and a terminal 1 for applying these starting pulses.
When the starting pulse is input to 03, the 1st column, (n+1)
The outputs of the sensor cells connected to the (2n+1)th column (n is an integer, and in this embodiment, the number of picture elements in the horizontal direction is 3n) are read out simultaneously. At the next time, the second column, (n+2) column, and (2n+2) column will be read. According to this configuration example, when the time to read one horizontal line is fixed, the horizontal scanning frequency is 1/3 compared to the system with one final stage amplifier. A high-speed analog-to-digital converter is unnecessary for applications where the frequency is sufficient, the horizontal shift register is simple, and the output signal from a photoelectric conversion device is converted from analog to digital for signal processing. This is a major advantage of the readout method.

第24図に示した構成例では、等価な水平シフ
トレジスタを3つ設けた方式であつたが、同様な
機能は、水平シフトレジスタ1つだけでももたせ
ることが可能である。この場合の構成例を第25
図に示す。
In the configuration example shown in FIG. 24, three equivalent horizontal shift registers are provided, but the same function can be provided with only one horizontal shift register. The configuration example in this case is shown in the 25th section.
As shown in the figure.

第25図の構成例は、第24図に示した構成例
のうちの水平スイツチングMOSトランジスタと、
最終段アンプの中間の部分だけを書いたものであ
り、他の部分は、第24図の構成例と同じである
から省略している。
The configuration example in FIG. 25 uses the horizontal switching MOS transistor of the configuration example shown in FIG.
Only the middle part of the final stage amplifier is shown, and the other parts are omitted because they are the same as the configuration example shown in FIG.

この構成例では、1つの水平シフトレジスタ1
04からの出力を1列目、(n+1)列目、(2n
+1)列目のスイツチングMOSトランジスタの
ゲートに接続し、それらのラインを同時に読出す
ようにしている。次の時点では、2列目、(n+
2)列目、(2n+2)列目が読出されるわけであ
る。
In this configuration example, one horizontal shift register 1
04 in the 1st column, (n+1) column, (2n
+1) are connected to the gates of the switching MOS transistors in the column so that those lines can be read out simultaneously. At the next point in time, the second column, (n+
2) column and (2n+2) column are read out.

この構成例によれば、各スイツチングMOSト
ランジスタのゲートへの配線は増加するものの、
水平シフトレジスタとしては1つだけで動作が可
能である。
According to this configuration example, although the number of wirings to the gate of each switching MOS transistor increases,
It is possible to operate with only one horizontal shift register.

第24図、第25図の例では出力アンプを3個
設けた例を示したが、この数はその目的に応じて
さらに多くしてもよいことはもちろんである。
In the examples shown in FIGS. 24 and 25, three output amplifiers are provided, but it goes without saying that this number may be increased depending on the purpose.

第24図、第25図の構成例ではいずれでも、
水平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタの始動
パルスおよびクロツクパルスは省略しているが、
これらは、他のリフレツシユパルと同様、同一チ
ツプ内に設けたクロツクパルス発生器あるいは、
他のチツプ上に設けられたクロスパルス発生器か
ら供給される。
In both the configuration examples shown in FIGS. 24 and 25,
The starting pulses and clock pulses of the horizontal shift register and vertical shift register are omitted, but
Like other refresh pulses, these are either a clock pulse generator installed on the same chip or
It is supplied from a cross pulse generator located on another chip.

この分割読出し方式では、水平ライン一括又は
全画面一括リフレツシユを行なうと、n列目と
(n+1)列目の光センサセル間では、わずか蓄
積時間が異なり、これにより、暗電流成分および
信号成分に、わずかの不連続性が生じ、画像上目
についてくる可能性も考えられるが、これらの量
はわずかであり、実用上問題はない。また、これ
が、許容限度以上になつてきた場合でも、外部回
路を用いて、それを補正することは、キヨシ状波
を発生させ、これと暗電流成分との減算およびこ
れと信号成分の乗除算により行なう従来の補正技
術を使用することにより容易に可能である。
In this split readout method, when the horizontal line or the entire screen is refreshed at once, the storage time is slightly different between the light sensor cells in the n-th column and the (n+1)-th column, which causes dark current components and signal components to It is conceivable that slight discontinuities may occur and be noticeable on the image, but these amounts are small and pose no practical problem. Furthermore, even if this exceeds the allowable limit, correcting it using an external circuit will generate a square wave, subtracting this from the dark current component, and multiplying and dividing this by the signal component. This is easily possible using conventional correction techniques.

この様な光電変換装置を用いて、カラー画像を
撮像する時は、光電変換装置の上に、ストライプ
フイルタあるいは、モザイクフイルタ等をオンチ
ツプ化したり、又は、別に作つたカラーフイルタ
を貼合わせることによりカラー信号を得ることが
可能である。
When capturing a color image using such a photoelectric conversion device, a stripe filter or a mosaic filter is placed on-chip on top of the photoelectric conversion device, or a separately manufactured color filter is attached to the photoelectric conversion device. It is possible to get a signal.

一例として、R、G、Bのストライプ・フイル
タを使用した時は、上記構成に係る光センサセル
を利用した光電変換装置ではそれぞれ別々の最終
段アンプよりR信号、G信号、B信号を得ること
が可能である。これの一構成例を第26図に示
す。この第26図も第25図と同様、水平シフト
レジスタのまわりだけを示している。他は第14
図および第24図と同じであり、ただ1列目はR
のカラーフイルタ、2列目はGカラーフイルタ、
3列目はBのカラーフイルタ、4列目はRのカラ
ーフイルタという様にカラーフイルタがついてい
るものとする。第26図に示すごとく、1列目、
4列目、7列目…の各垂直ラインは出力ライン1
10に接続され、これはR信号をとりだす。又2
列目、5列目、8列目…の各垂直ラインは出力ラ
イン111に接続され、これはG信号をとりだ
す。又同様にして、3列目、6列目、9列目…の
各垂直ラインは出力ライン112に接続されたB
信号をとりだす。出力ライン110,111,1
12はそれぞれオンチツプ化されたリフレツシユ
用MOSトランジスタおよび最終段アンプ、例え
ばエミツタフオロアタイプのバイポーラトランジ
スタに接続され、各カラー信号が別々に出力され
るわけである。
As an example, when R, G, and B stripe filters are used, a photoelectric conversion device using a photosensor cell according to the above configuration can obtain the R signal, G signal, and B signal from separate final stage amplifiers. It is possible. An example of this configuration is shown in FIG. Like FIG. 25, FIG. 26 also shows only the area around the horizontal shift register. The others are number 14
Same as Figure and Figure 24, only the first column is R.
color filter, the second row is the G color filter,
It is assumed that color filters are installed in the third column, such as the B color filter and the fourth column, the R color filter. As shown in Figure 26, the first row,
Each vertical line in the 4th column, 7th column, etc. is output line 1
10, which takes out the R signal. Also 2
Each vertical line of the 5th column, 8th column, etc. is connected to an output line 111, which takes out the G signal. Similarly, each vertical line of the 3rd column, 6th column, 9th column, etc. is connected to the output line 112.
Take out the signal. Output lines 110, 111, 1
12 are connected to an on-chip refresh MOS transistor and a final stage amplifier, for example, an emitter follower type bipolar transistor, and each color signal is output separately.

本発明の他の構成例に係る光電変換装置を構成
する光センサセルの他の例の基本構造および動作
を説明するための図を第27図に示す。またそれ
の等価回路および全体の回路構成図を第28図a
に示す。
FIG. 27 shows a diagram for explaining the basic structure and operation of another example of a photosensor cell constituting a photoelectric conversion device according to another example of the configuration of the present invention. In addition, the equivalent circuit and the overall circuit configuration diagram are shown in Figure 28a.
Shown below.

第27図に示す光センサセルは、同一の水平ス
キヤンパルスにより読出し動作、およびラインリ
フレツシユを同時に行なうことを可能とした光セ
ンサセルである。第27図において、すでに第1
7図で示した構成と異なる点は、第17図の場合
水平ライン配線10に接続されるMOSキヤパシ
タ電極9が一つだけであつたものが上下に隣接す
る光センサセルの側にもMOSキヤパシタ電極1
20が接続され、1つの光センサセルからみた時
に、ダブルコンデンサタイプとなつていること、
および図において上下に隣接する光センサセルの
エミツタ7,7′は2層配線にされた配線8、
および配線121、(第27図では、垂直ライ
ンが1本に見えるが、絶縁層を介して2本のライ
ンが配置されている)に交互に接続、すなわちエ
ミツタ7はコンタクトホール19を通して配線
8に、エミツタ7′はコンタクトホール19′を通
して配線121にそれぞれ接続されていること
が異なつている。
The optical sensor cell shown in FIG. 27 is an optical sensor cell that can simultaneously perform a read operation and a line refresh using the same horizontal scan pulse. In Figure 27, the first
The difference from the configuration shown in Fig. 7 is that in Fig. 17, there was only one MOS capacitor electrode 9 connected to the horizontal line wiring 10, but there are also MOS capacitor electrodes on the sides of the vertically adjacent optical sensor cells. 1
20 is connected, and when viewed from one optical sensor cell, it is a double capacitor type.
In the figure, the emitters 7 and 7' of the vertically adjacent optical sensor cells are wired 8, which is a two-layer wiring.
and interconnects 121 (in FIG. 27, it looks like one vertical line, but two lines are arranged through an insulating layer), that is, the emitter 7 is connected to the interconnect 8 through the contact hole 19. The difference is that emitters 7' are connected to wiring 121 through contact holes 19'.

これは第28図aの等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル152のベー
スに接続されたMOSキヤパシタ150は水平ラ
イン31に接続され、MOSキヤパシタ151は
水平ライン31′に接続されている。また光セン
サセル152の図において下に隣接する光センサ
セル152′のMOSキヤパシタ150′は共通す
る水平ライン31′に接続されている。
This becomes clearer when looking at the equivalent circuit shown in FIG. 28a. That is, the MOS capacitor 150 connected to the base of the optical sensor cell 152 is connected to the horizontal line 31, and the MOS capacitor 151 is connected to the horizontal line 31'. Furthermore, in the diagram of the optical sensor cell 152, the MOS capacitors 150' of the adjacent optical sensor cells 152' below are connected to a common horizontal line 31'.

光センサセル152のエミツタは垂直ライン3
8に、光センサセル152′のエミツタは垂直ラ
イン138に、光センサセル152″のエミツタ
は垂直ライン38という様にそれぞれ交互に接続
されている。
The emitter of the optical sensor cell 152 is on the vertical line 3.
8, the emitters of the photosensor cells 152' are connected alternately to the vertical line 138, and the emitters of the photosensor cell 152'' are connected to the vertical line 38, respectively.

第28図aの等価回路では、以上述べた基本の
光センサセル部以外で、第14図の撮像装置の異
なるのは、垂直ライン38をリフレツシユするた
めのスイツチングMOSトランジスタ48のほか
に垂直ライン138をリフレツシユするためのス
イツチングMOSトランジスタ148、および垂
直ライン38を選択するスイツチングMOSトラ
ンジスタ40のほか垂直ライン138を選択する
ためのスイツチングMOSトランジスタ140が
追加され、また出力アンプ系が一つ増設されてい
る。この出力系の構成は、各ラインをリフレツシ
ユするためのスイツチングMOSトランジスタ4
8、および148が接続されている様な構成と
し、さらに水平スキヤン用のスイツチングMOS
トランジスタを用いる第28図bに示す様にして
出力アンプを一つだけにする構成もまた可能であ
る。第28図bでは第28図aの垂直ライン選択
および出力アンプ系の部分だけを示している。
In the equivalent circuit of FIG. 28a, other than the basic photosensor cell section described above, the difference in the imaging device of FIG. In addition to the switching MOS transistor 148 for refreshing and the switching MOS transistor 40 for selecting the vertical line 38, a switching MOS transistor 140 for selecting the vertical line 138 is added, and one output amplifier system is added. The configuration of this output system consists of 4 switching MOS transistors for refreshing each line.
8 and 148 are connected, and a switching MOS for horizontal scanning is also installed.
It is also possible to use only one output amplifier as shown in FIG. 28b using transistors. FIG. 28b shows only the vertical line selection and output amplifier system portions of FIG. 28a.

この第27図の光センサセルおよび第28図a
に示す構成例によれば、次の様な動作が可能であ
る。すなわち、今水平ライン31に接続された各
光センサセルの読出し動作が終了し、テレビ動作
における水平ブランキング期間にある時、垂直シ
フトレジスタ32からの出力パルスが水平ライン
31′に出力されるMOSキヤパシタ151を通し
て、読出しの終了した光センサセル152をリフ
レツシユする。このとき、スイツチングMOSト
ランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン3
8は接地されている。
This optical sensor cell of FIG. 27 and FIG. 28a
According to the configuration example shown in , the following operations are possible. That is, when the readout operation of each optical sensor cell connected to the horizontal line 31 is completed and the horizontal blanking period in the TV operation is in progress, the output pulse from the vertical shift register 32 is outputted to the horizontal line 31' by the MOS capacitor. 151, the optical sensor cell 152 that has been read is refreshed. At this time, the switching MOS transistor 48 is made conductive, and the vertical line 3
8 is grounded.

また、水平ライン31′に接続されたMOSキヤ
パシタ150′を通して光センサセル152′の出
力が垂直ライン138に読出される。このとき当
然のことながらスイツチングMOSトランジスタ
148は非導通状態になされ、垂直ライン138
は浮遊状態となつているわけである。この様に一
つの垂直スキヤンパルスにより、すでに読出しを
終了した光センサセルのリフレツシユと、次のラ
インの光センサセルの読出しが同一のパルスで同
時的に行なうことが可能である。このときすでに
説明した様にリフレツシユする時の電圧と読出し
の時の電圧は、読出し時には、高速読出しの必要
性からバイアス電圧をかけるので異なつてくる
が、これは第27図に示すごとく、MOSキヤパ
シタ電極9およびMOSキヤパシタ電極120の
面積を変えることにより各電極に同一の電圧が印
加されても各光センサセルのベースには異なる電
圧がかかる様な構成をとることにより達成されて
いる。
Further, the output of the photosensor cell 152' is read out to the vertical line 138 through the MOS capacitor 150' connected to the horizontal line 31'. At this time, naturally, the switching MOS transistor 148 is rendered non-conductive, and the vertical line 138
is in a floating state. In this way, with one vertical scan pulse, it is possible to simultaneously refresh the optical sensor cells that have already been read out and read out the optical sensor cells of the next line using the same pulse. At this time, as already explained, the voltage at the time of refreshing and the voltage at the time of reading are different because a bias voltage is applied at the time of reading due to the necessity of high-speed reading. This is achieved by changing the areas of the electrode 9 and the MOS capacitor electrode 120 so that even if the same voltage is applied to each electrode, different voltages are applied to the base of each photosensor cell.

すなわち、リフレツシユ用MOSキヤパシタの
面積は、読出し用MOSキヤパシタ面積にくらべ
て小さくなつている。この例のように、センサセ
ル全部を一括リフレツシユするのではなく、一ラ
インずつリフレツシユしていく場合には、第17
図bに示される様にコレクタをn型あるいはn基
板で構成しておいてもよいが、水平ラインごとに
コレクタを分離して設けたほうが望ましいことが
ある。コレクタが基板になつている場合には、全
光センサセルのコレクタが共通領域となつている
ため、蓄積および受光読出し状態ではコレクタに
一定のバイアス電圧が加わつた状態になつてい
る。もちろん、すでに説明したようにコレクタに
バイアス電圧が加わつた状態でも浮遊ベースのリ
フレツシユは、エミツタの間で行なえる。ただ
し、この場合には、ベース領域のリフレツシユが
行なわれると同時に、リフレツシユパルスが印加
されたセルのエミツタコレクタ間に無駄な電流が
流れ、消費電力を大きくするという欠点が伴う。
こうした欠点を克服するためには、全センサセル
のコレクタを共通領域とせずに、各水平ラインに
並ぶセンサセルのコレクタは共通になるが、各水
平ラインごとのコレクタは互いに分離された構造
にする。すなわち、第17図の構造に関連させて
説明すれば、基板はp型にして、p型基板中にコ
レクタ各水平ラインごとに互いに分離されたn+
埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ライ
ンのn+埋込領域の分離は、p領域を間に介在さ
せる構造でもよい。水平ラインに沿つて埋込まれ
るコレクタのキヤパシタを減少させるには、絶縁
物分離の方が優れている。第17図では、コレク
タが基板で構成されているから、センサセルを囲
む分離領域はすべてほとんど同じ深さまで設けら
れている。一方、各水平ラインごとのコレクタを
互いに分離するには、水平ライン方向の分離領域
を垂直ライン方向の分離領域より必要な値だけ深
くしておくことになる。
That is, the area of the refresh MOS capacitor is smaller than the area of the read MOS capacitor. As in this example, when refreshing one line at a time instead of refreshing all sensor cells at once, the 17th
Although the collector may be formed of an n-type or n-substrate as shown in FIG. b, it may be desirable to separate the collectors for each horizontal line. When the collector is a substrate, the collectors of all the photosensor cells are a common area, so that a constant bias voltage is applied to the collectors in the storage and light reception/readout states. Of course, as explained above, floating-based refresh can be performed between the emitters even when a bias voltage is applied to the collector. However, in this case, there is a drawback that at the same time that the base region is refreshed, a wasteful current flows between the emitter collector of the cell to which the refresh pulse is applied, increasing power consumption.
In order to overcome these drawbacks, instead of making the collectors of all the sensor cells a common area, the collectors of the sensor cells arranged in each horizontal line are common, but the collectors of each horizontal line are structured to be separated from each other. That is, to explain in relation to the structure shown in FIG. 17, the substrate is a p-type, and n +
Create a structure with an embedded area. The n + buried regions of adjacent horizontal lines may be separated by a structure in which a p region is interposed therebetween. Insulator isolation is better for reducing collector capacitors embedded along horizontal lines. In FIG. 17, since the collector is comprised of a substrate, all isolation regions surrounding the sensor cell are provided to approximately the same depth. On the other hand, in order to separate the collectors of each horizontal line from each other, the separation area in the horizontal line direction is made deeper than the separation area in the vertical line direction by a necessary value.

各水平ラインごとにコレクタが分離されていれ
ば、読出しが終つてリフレツシユ動作が始まる時
に、その水平ラインのコレクタの電圧を接地すれ
ば、前述したようなエミツタコレクタ間電流は流
れず、消費電力の増加をもたらさない。リフレツ
シユが終つて光信号による電荷蓄積動作に入る時
に、ふたたびコレクタ領域には所定のバイアス電
圧を印加する。
If the collector is separated for each horizontal line, if the voltage of the collector of that horizontal line is grounded when reading is finished and the refresh operation starts, the emitter-collector current as described above will not flow, and the power consumption will be reduced. does not result in an increase in When the refresh ends and the charge storage operation starts based on the optical signal, a predetermined bias voltage is applied to the collector region again.

また第28図aの等価回路によれば、各水平ラ
インごとに出力は出力端子47および147に交
互に出力されることになる。これは、すでに説明
したごとく、第28図bの様な構成にすることに
より一つのアンプから出力をとりだすことも可能
である。
According to the equivalent circuit shown in FIG. 28a, outputs are alternately output to the output terminals 47 and 147 for each horizontal line. As already explained, it is also possible to take out the output from one amplifier by using the configuration as shown in FIG. 28b.

以上説明した様に本構成例によれば、比較的簡
単な構成で、ラインリフレツシユが可能となり、
通常のテレブカメラ等の応用分野にも適用するこ
とができる。
As explained above, according to this configuration example, line refresh is possible with a relatively simple configuration,
It can also be applied to fields of application such as ordinary television cameras.

本発明の他の構成例としては、光センサセルに
複数のエミツタを設けた構成あるいは、一つのエ
ミツタに複数のコンタクトを設けた構成により、
一つの光センサセルから複数の出力をとりだすタ
イプが考えられる。
Other configuration examples of the present invention include a configuration in which an optical sensor cell is provided with a plurality of emitters, or a configuration in which one emitter is provided with a plurality of contacts.
A type that takes out multiple outputs from one optical sensor cell is considered.

これは本発明による光電変換装置の各光センサ
セルが増幅機能をもつことから、一つの光センサ
セルから複数の出力をとりだすために、各光セン
サセルに複数の配線容量が接続されても、光セン
サセルの内部で発生した蓄積電圧Vpが、まつた
く減衰することなしに各出力に読出すことが可能
であることに起因している。
This is because each optical sensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention has an amplification function, so even if multiple wiring capacitors are connected to each optical sensor cell in order to extract multiple outputs from one optical sensor cell, the optical sensor cell This is due to the fact that the internally generated accumulated voltage Vp can be read out to each output without attenuating too much.

この様に、各光センサセルから複数の出力をと
りだすことができる構成により、各光センサセル
を多数配列してなる光電変換装置に対して信号処
理あるいは雑音対策等に対して多くの利点を付加
することが可能である。
In this way, by having a configuration in which multiple outputs can be taken out from each optical sensor cell, many advantages can be added to the photoelectric conversion device formed by arranging a large number of each optical sensor cell in terms of signal processing, noise countermeasures, etc. is possible.

次に本発明に係る光電変換装置の一製法例につ
いて説明する。第29図に、選択エピタキシヤル
成長(N.Endo et al、“Novel device isolation
technology with selected epitaxial growth”
Tech.Dig.of 1982 IEDM、pp.241−244参照)を
用いたその製法の一例を示す。
Next, an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention will be described. Figure 29 shows selective epitaxial growth (N. Endo et al., “Novel device isolation
technology with selected epitaxial growth”
An example of the method for manufacturing the same is shown below.

1〜10×1016cm-3程度の不純物濃度のn形Si基
板1の裏面側に、コンタクト用のn+領域11を、
AsあるいはPの拡散で設ける。n+領域からのオ
ートドーピングを防ぐために、図には示さないが
酸化膜及び窒化膜を裏面に通常は設けておく。
An n + region 11 for contact is formed on the back side of an n-type Si substrate 1 with an impurity concentration of about 1 to 10 × 10 16 cm -3 .
Provided by diffusion of As or P. In order to prevent autodoping from the n + region, an oxide film and a nitride film (not shown) are usually provided on the back surface.

基板1は、不純物濃度及び酸素濃度が均一に制
御されたものを用いる。すなわち、キヤリアライ
ンタイムがウエハで十分に長くかつ均一な結晶ウ
エハを用いる。その様なものとしては例えば
MCZ法による結晶が適している。基板1の表面
に略々1μm程度の酸化膜をウエツト酸化により
形成する。すなわち、H2O雰囲気かあるいは
(H2+O2)雰囲気で酸化する。積層欠陥等を生じ
させずに良好な酸化膜を得るには、900℃程度の
温度での高圧酸化が適している。
The substrate 1 used has impurity concentration and oxygen concentration controlled to be uniform. That is, a crystal wafer having a sufficiently long and uniform carrier line time is used. For example, such a thing
Crystals produced by the MCZ method are suitable. An oxide film approximately 1 μm thick is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, it is oxidized in an H 2 O atmosphere or (H 2 +O 2 ) atmosphere. High-pressure oxidation at a temperature of about 900°C is suitable for obtaining a good oxide film without producing stacking faults.

その上に、たとえば2〜4μm程度の厚さの
SiO2膜をCVDで堆積する。(N2+SiH4+O2)ガ
ス系で300〜500℃程度の温度で所望の厚さの
SiO2膜を堆積する。O2/SiH4のモル比は温度に
もよるが4〜40程度に設定する。フオトリソグラ
フイ工程により、セル間の分離領域となる部分の
酸化膜を残して他の領域の酸化膜は、(CF4
H2)、C2F4、CH2F2等のガスを用いたリアクテイ
ブイオンエツチングで除去する(第29図の工程
a)、例えば、10×10μm2に1画素を設ける場合
には、10μmピツチのメツシユ状にSiO2膜を残
す。SiO2膜の幅はたとえば2μm程度に選ばれる。
リアクテイブイオンエツチングによる表面のダメ
ージ層及び汚染層を、Ar/Cl2ガス系プラズマエ
ツチングかウエツトエツチングによつて除去した
後、超高真空中における蒸着かもしくは、ロード
ロツク形式で十分に雰囲気が清浄になされたスパ
ツタ、あるいは、SiH4ガスにCO2レーザ光線を
照射する減圧光CVDで、アモルフアスシリコン
301を堆積する(第29図の工程b)、CBrF3
CCl2F2、Cl2等のガスを用いたリアクテイブイオ
ンエツチングによる異方性エツチによりSiO層側
面に堆積している以外のアモルフアスシリコンを
除去する(第29図の工程c)、前と同様に、ダ
メージ層と汚染層を十分除去した後、シリコン基
板表面を十分清浄に洗浄し、(H2+SiH2、C2
HCl)ガス系によりシリコン層の選択成長を行な
う。数10Torrの減圧状態で成長は行ない、基板
温度は900〜1000℃、HClのモル比をある程度以
上高い値に設定する。HClの量が少なすぎると選
択成長は起こらない。シリコン基板上にはシリコ
ン結晶層が成長するが、SiO2層上のシリコンは
HClによつてエツチングされてしまうため、SiO2
層上にはシリコンは堆積しない(第29図d)。
n-層5の厚さは例えば3〜5μm程度である。不
純物濃度は好ましくは1012〜1016cm-3程度に設定
する。もちろん、この範囲をずれてもよいが、
pn-接合の拡散電位で完全に空乏化するかもしく
はコレクタに動作電圧を印加した状態では、少な
くともn-領域が完全に空乏化するような不純物
濃度および厚さに選ぶのが望ましい。
On top of that, for example, a layer with a thickness of about 2 to 4 μm is added.
Deposit the SiO 2 film by CVD. (N 2 + SiH 4 + O 2 ) to the desired thickness at a temperature of about 300 to 500℃ using a gas system.
Deposit the SiO2 film. The molar ratio of O 2 /SiH 4 is set to about 4 to 40, although it depends on the temperature. Through the photolithography process, the oxide film in the other regions is made up of (CF 4 +
H 2 ), C 2 F 4 , CH 2 F 2, etc., by reactive ion etching (step a in Figure 29). For example, when one pixel is provided in 10 x 10 μm 2 , Leave a SiO 2 film in the form of a mesh with a pitch of 10 μm. The width of the SiO 2 film is selected to be, for example, about 2 μm.
After removing the damaged layer and contaminant layer on the surface caused by reactive ion etching by Ar/Cl 2 gas plasma etching or wet etching, the atmosphere is sufficiently cleaned by evaporation in an ultra-high vacuum or by using a load lock method. Amorphous silicon 301 is deposited by sputtering or low pressure CVD in which SiH 4 gas is irradiated with a CO 2 laser beam (step b in Figure 29), CBrF 3 ,
Amorphous silicon other than those deposited on the side surfaces of the SiO layer is removed by anisotropic etching using reactive ion etching using gases such as CCl 2 F 2 and Cl 2 (step c in Figure 29). Similarly, after sufficiently removing the damaged layer and the contaminant layer, the silicon substrate surface is thoroughly cleaned and (H 2 + SiH 2 , C 2 +
The silicon layer is selectively grown using a HCl) gas system. Growth is performed under reduced pressure of several tens of Torr, the substrate temperature is set at 900 to 1000°C, and the molar ratio of HCl is set to a value higher than a certain level. If the amount of HCl is too small, selective growth will not occur. A silicon crystal layer grows on a silicon substrate, but the silicon on the SiO2 layer grows.
Because it is etched by HCl, SiO 2
No silicon is deposited on the layer (FIG. 29d).
The thickness of the n - layer 5 is, for example, about 3 to 5 μm. The impurity concentration is preferably set to about 10 12 to 10 16 cm -3 . Of course, you can deviate from this range, but
It is desirable to select an impurity concentration and thickness such that at least the n - region is completely depleted at the diffusion potential of the pn - junction or when an operating voltage is applied to the collector.

通常入手できるHClガスには大量の水分が含ま
れているため、シリコン基板表面で常に酸化膜が
形成されるというようなことによつて、到底高品
質のエピタキシヤル成長は望めない。水分の多い
HClは、ボンベに入つている状態でボンベの材料
と反応し鉄分を中心とする重金属を大量に含むこ
とになつて、重金属汚染の多いエピタキシヤル層
になり易い。光センサセルに使用するエピタキシ
ヤル層は、暗電流成分が少ない程望ましいわけで
あるから、重金属による汚染は極限まで抑える必
要がある。SiH2Cl2に超高純度の材料を使用する
ことはもちろんであるが、HClには特に水分の少
ない、望ましくは少なくとも水分含有量が
0.5ppm以下のものを使用する。もちろん、水分
含有量は少ない程よい。エピタキシヤル成長層を
さらに高品質にするには、基板をまず1150〜1250
℃程度の高温処理で表面近傍から酸素を除去し
て、その後800℃程度の長時間熱処理により基板
内部にマイクロデイフエクトを多数発生させ、デ
ヌーデツトゾーンを有するイントリシツクゲツタ
リングの行える基板にしておくこともきわめて有
効である。分離領域としてのSiO2層4が存在し
た状態でのエピタキシヤル成長を行なうわけであ
るから、SiO2からの酸素のとり込みを少なくす
るため、成長温度は低いほど望ましい。通常よく
使われる高周波加熱法では、カーボンサセプタか
らの汚染が多くて、より一層の低温化は難しい。
反応室内にカーボンサセプタなど持込まないラン
プ加熱によるウエハ直接加熱法が成長雰囲気をも
つともクリーンにできて、高品質エピタキシヤル
層を低温で成長させられる。
Since commonly available HCl gas contains a large amount of water, an oxide film is constantly formed on the surface of the silicon substrate, making it impossible to expect high-quality epitaxial growth. watery
When HCl is in the cylinder, it reacts with the cylinder material and contains a large amount of heavy metals, mainly iron, which tends to result in an epitaxial layer with heavy metal contamination. Since it is desirable for the epitaxial layer used in the optical sensor cell to have as little dark current component as possible, it is necessary to suppress contamination by heavy metals to the utmost. In addition to using ultra-high purity materials for SiH 2 Cl 2 , HCl must also have a particularly low moisture content, preferably at least a low moisture content.
Use 0.5ppm or less. Of course, the lower the water content, the better. For even higher quality epitaxially grown layers, the substrate is first heated to 1150-1250
Oxygen is removed from near the surface by high temperature treatment at around 800°C, followed by long-term heat treatment at around 800°C to generate many micro defects inside the substrate, making it possible to perform intensive getttering with a denuded zone. It is also extremely effective to use it as a substrate. Since epitaxial growth is performed in the presence of the SiO 2 layer 4 as a separation region, it is desirable that the growth temperature be as low as possible in order to reduce the amount of oxygen taken in from the SiO 2 . With the commonly used high-frequency heating method, there is a lot of contamination from the carbon susceptor, making it difficult to lower the temperature further.
The wafer direct heating method using lamp heating, which does not involve bringing a carbon susceptor into the reaction chamber, provides a clean growth atmosphere and allows high-quality epitaxial layers to be grown at low temperatures.

反応室におけるウエハ支持具は、より蒸気圧の
低い超高純度溶融サフアイアが適している。原材
料ガスの予熱が容易に行え、かつ大流量のガスが
流れている状態でもウエハ面内温度を均一化し易
い、すなわちサーマルストレスがほとんど発生し
ないランプ加熱によるウエハ直接加熱法は、高品
質エピタキシヤル層を得るのに適している。成長
時にウエハ表面への紫外線照射は、エピタキシヤ
ル層の品質をさらに向上させる。
Ultra-high purity fused sapphire, which has a lower vapor pressure, is suitable for the wafer support in the reaction chamber. The wafer direct heating method using lamp heating allows for easy preheating of the raw material gas and makes it easy to uniformize the temperature within the wafer surface even when a large flow of gas is flowing.In other words, the wafer direct heating method using lamp heating generates almost no thermal stress. suitable for obtaining. UV irradiation of the wafer surface during growth further improves the quality of the epitaxial layer.

分離領域4となるSiO2層の側壁にはアモルフ
アスシリコンが堆積している(第29図の工程
c)。アモルフアスシリコンは固相成長で単結晶
化し易いため、SiO2分離領域4との界面近傍の
結晶が非常に優れたものになる。高抵抗n-層5
を選択エピタキシヤル成長により形成した後(第
29図の工程d)、表面濃度1〜20×1016cm-3
度のP領域6を、ドープトオキサイドからの拡散
か、あるいは低ドーズのイオン注入層をソースと
した拡散により所定の深さまで形成する。p領域
6の深さはたとえば0.6〜1μm程度である。
Amorphous silicon is deposited on the sidewalls of the SiO 2 layer forming the isolation region 4 (step c in FIG. 29). Since amorphous silicon is easily formed into a single crystal by solid phase growth, the crystal near the interface with the SiO 2 separation region 4 becomes very good. High resistance n - layer 5
After forming by selective epitaxial growth (step d in Figure 29), a P region 6 with a surface concentration of about 1 to 20 × 10 16 cm -3 is formed by diffusion from doped oxide or by low-dose ion implantation. The layer is formed to a predetermined depth by diffusion using the layer as a source. The depth of p region 6 is, for example, about 0.6 to 1 μm.

p領域6の厚さと不純物濃度は以下のような考
えで決定する。感度を上げようとすれば、p領域
6の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが
望ましい。Cbeは略々次のように与えられる。
The thickness and impurity concentration of p region 6 are determined based on the following considerations. In order to increase the sensitivity, it is desirable to lower the impurity concentration in the p region 6 to reduce Cbe. Cbe is approximately given as follows.

Cbe=Aeε(q・NA/2εVbi)1/2 ただし、Vbiはエミツタ・ベース間拡散電位で
あり、 Vbi=kT/q1nNDNA/ni 2 で与えられる。ここで、εはシリコン結晶の誘電
率、NDはエミツタの不純物濃度、NAはベースの
エミツタに隣接する部分の不純物密度、niは眞性
キヤリア濃度である。NAを小さくするほどCbe
は小さくなつて、感度は上昇するが、NAをあま
り小さくしすぎるとベース領域が動作状態で完全
に空乏化してパンチングスルー状態になつてしま
うため、あまり低くは出来ない。ベース領域が完
全に空乏化してパンチングスルー状態にならない
程度に設定する。
Cbe=Aeε(q・N A /2εVbi) 1/2 However, Vbi is the emitter-base diffusion potential and is given by Vbi=kT/q1nN D N A /n i 2 . Here, ε is the dielectric constant of the silicon crystal, N D is the impurity concentration of the emitter, N A is the impurity density of the portion of the base adjacent to the emitter, and n i is the true carrier concentration. The smaller N A is, the more Cbe
As N A becomes smaller, the sensitivity increases, but if N A is made too small, the base region will be completely depleted in the operating state, resulting in a punch-through state, so it cannot be made too low. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and a punch-through state occurs.

その後、シリコン基板表面に(H2+O2)ガス
系スチーム酸化により数10〓から数100Å程度の
厚さの熱酸化膜3を、800〜900℃程度の温度で形
成する。その上に、(SiH4+NH3)系ガスの
CVDで窒化膜(Si3N4)302を500〜1500Å程
度の厚さで形成する。形成温度は700〜900℃程度
である。NH3ガスも、HClガスと並んで通常入
手できる製品は、大量に水分を含んでいる。水分
の多いNH3ガスを原材料に使うと、酸素濃度の
多い窒化膜となり、再現性に乏しくなると同時
に、その後のSiO2膜との選択エツチングで選択
比が取れないという結果を招く。NH3ガスも、
少なくとも水分含有量が0.5ppm以下のものにす
る。水分含有量は少ない程望ましいことはいうま
でもない。窒化膜302の上にさらにPSG膜3
00をCVDにより堆積する。ガス系は、たとえ
ば、(N2+SiH4+O2+PH3)を用いて、300〜
450℃程度の温度で2000〜3000Å程度の厚さの
PSG膜をCVDにより堆積する(第29図の工程
e)。2度のマスク合わせ工程を含むフオトリソ
グラフイー工程により、n+領域7上に、リフレ
ツシユ及び読出しパルス印加電極上に、Asドー
プのポリシリコン膜304を堆積する。この場合
pドープのポリシリコン膜を使つてもよい。たと
えば、2回のフオトリソグラフイー工程により、
エミツタ上は、PSG膜、Si3N4膜、SiO2膜をすべ
て除去し、リフレツシユおよび読出しパルス印加
電極を設ける部分には下地のSiO2膜を残して、
PSG膜とSi3N4膜のみエツチングする。その後、
Asドープのポリシリコンを、(N2+SiH4
AsH3)もしくは(H2+SiH4+AsH3)ガスで
CVD法により堆積する。堆積温度は550℃〜700
℃程度、膜厚は1000〜2000Åである。ノンドープ
のポリシリコンをCVD法で堆積しておいて、そ
の後As又はPを拡散してももちろんよい。エミ
ツタとリフレツシユ及び読出しパルス印加電極上
を除いた他の部分のポリシリコン膜をマスク合わ
せフオトリソグラフイー工程の後エツチングで除
去する。さらに、PSG膜をエツチングすると、
リフトオフによりPSG膜に堆積していたポリシ
リコンはセルフアライン的に除去されてしまう
(第29図の工程f)。ポリシリコン膜のエツチン
グはC2Cl2F4、(CBrF3+Cl2)等のガス系でエツ
チングし、Si3N4膜はCH2F2等のガスでエツチン
グする。
Thereafter, a thermal oxide film 3 having a thickness of several tens of Å to several hundred angstroms is formed on the surface of the silicon substrate by (H 2 +O 2 ) gas-based steam oxidation at a temperature of approximately 800 to 900°C. On top of that, (SiH 4 +NH 3 ) system gas
A nitride film (Si 3 N 4 ) 302 is formed to a thickness of about 500 to 1500 Å by CVD. The formation temperature is about 700-900℃. NH 3 gas, along with HCl gas, also contains a large amount of water in commonly available products. If NH 3 gas with a high moisture content is used as a raw material, the result will be a nitride film with a high oxygen concentration, resulting in poor reproducibility and an inability to obtain a selective etching ratio with the SiO 2 film. NH3 gas also
The moisture content should be at least 0.5 ppm or less. It goes without saying that the lower the water content, the more desirable it is. A PSG film 3 is further formed on the nitride film 302.
00 is deposited by CVD. For the gas system, for example, (N 2 + SiH 4 + O 2 + PH 3 ) is used,
With a thickness of about 2000 to 3000 Å at a temperature of about 450℃
A PSG film is deposited by CVD (step e in Figure 29). By a photolithography process including two mask alignment processes, an As-doped polysilicon film 304 is deposited on the n + region 7 and on the refresh and read pulse application electrodes. In this case, a p-doped polysilicon film may be used. For example, by two photolithography steps,
The PSG film, Si 3 N 4 film, and SiO 2 film were all removed from the emitter, leaving the underlying SiO 2 film in the area where the refresh and readout pulse application electrodes were to be provided.
Only the PSG film and Si 3 N 4 film are etched. after that,
As-doped polysilicon (N 2 + SiH 4 +
AsH 3 ) or (H 2 +SiH 4 +AsH 3 ) gas
Deposited by CVD method. Deposition temperature is 550℃~700℃
The film thickness is about 1000 to 2000 Å. Of course, non-doped polysilicon may be deposited by the CVD method and then As or P may be diffused. After the mask alignment photolithography process, the polysilicon film in other parts except on the emitter, refresh and readout pulse application electrodes is removed by etching. Furthermore, when the PSG film is etched,
Due to lift-off, the polysilicon deposited on the PSG film is removed in a self-aligned manner (step f in FIG. 29). The polysilicon film is etched with a gas such as C 2 Cl 2 F 4 or (CBrF 3 +Cl 2 ), and the Si 3 N 4 film is etched with a gas such as CH 2 F 2 .

次に、PSG膜305を、すでに述べたような
ガス系のCVD法で堆積した後、マスク合わせ工
程とエツチング工程とにより、リフレツシユパル
ス及び読出しパルス電極用ポリシリコン膜上にコ
ンタクトホールを開ける。こうした状態で、Al、
Al−Si、Al−Cu−Si等の金属を真空蒸着もしく
はスパツタにより堆積するか、あるいは
(CH33AlやAlCl3を原材料ガスとするプラズマ
CVD法、あるいはまた上記原材料ガスのAl−C
ボンドやAl−Clボンドを直接光照射により切断
する光照射CVD法によりAlを堆積する。
(CH33AlやAlCl3を原材料ガスとして上記のよう
なCVD法を行なう場合には、大過剰に水素を流
しておく。細くてかつ急峻なコンタクトホールに
Alを堆積するには、水分や酸素混入のまつたく
ないクリーン雰囲気の中で300〜400℃膜厚に基板
温度を上げたCVD法が優れている。第17図に
示された金属配線10のパターニングを終えた
後、層間絶縁膜306をCVD法で堆積する。3
06は、前述したPSG膜、あるいはCVD法SiO2
膜、あるいは耐水性等を考慮しする必要がある場
合には、(SiH4+NH3)ガス系のプラズマCVD
法によつて形成したSi3N4膜である。Si3N4膜中
の水素の含有量を低く抑えるためには、(SiH4
N2)ガス系でのプラズマCVD法を使用する。
Next, a PSG film 305 is deposited by the gas-based CVD method as described above, and then a contact hole is formed on the polysilicon film for the refresh pulse and read pulse electrodes by a mask alignment process and an etching process. Under these conditions, Al,
Deposition of metals such as Al-Si, Al-Cu-Si, etc. by vacuum evaporation or sputtering, or plasma using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as raw material gas.
CVD method or Al-C of the above raw material gas
Al is deposited using a light irradiation CVD method in which the bond or Al-Cl bond is cut by direct light irradiation.
When carrying out the above-mentioned CVD method using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as the raw material gas, a large excess of hydrogen is allowed to flow. For narrow and steep contact holes
An excellent method for depositing Al is the CVD method, which raises the substrate temperature to a film thickness of 300 to 400°C in a clean atmosphere that does not contain moisture or oxygen. After patterning the metal wiring 10 shown in FIG. 17, an interlayer insulating film 306 is deposited by CVD. 3
06 is the above-mentioned PSG film or CVD method SiO 2
If it is necessary to take film or water resistance into consideration, (SiH 4 + NH 3 ) gas-based plasma CVD is used.
This is a Si 3 N 4 film formed by the method. In order to keep the hydrogen content in the Si 3 N 4 film low, (SiH 4 +
N 2 ) Using plasma CVD method in gas system.

プラズマCVD法によるダメージを現象させ形
成されたSi3N4膜の電気的耐圧を大きくし、かつ
リーク電流を小さくするには光CVD法による
Si3N4膜がすぐれている。光CVD法には2通りの
方法がある。(SiH4+NH3+Hg)ガス系で外部
から水銀ランプの2537Åの紫外線を照射する方法
と、(SiH4+NH)3ガス系に水銀ランプの1849Å
の紫外線を照射する方法である。いずれも基板温
度は150〜350℃程度である。
In order to increase the electrical withstand voltage of the Si 3 N 4 film formed by reducing the damage caused by the plasma CVD method and to reduce the leakage current, the photo CVD method is used.
The Si 3 N 4 film is excellent. There are two methods for optical CVD. (SiH 4 + NH 3 + Hg) gas system with 2537 Å ultraviolet rays from a mercury lamp from the outside, and (SiH 4 + NH 3 + Hg) 3 gas system with 1849 Å ultraviolet rays from a mercury lamp.
This is a method of irradiating UV rays. In both cases, the substrate temperature is about 150 to 350°C.

マスク合わせ工程及びエツチング工程により、
エミツタ7上のポリシリコンは、絶縁膜305,
306を貫通したコンタクトホールをリアクテイ
ブイオンエツチで開けた後、前述した方法でAl、
Al−Si、Al−Cu−Si等の金属を堆積する。この
場合には、コンタクトホールのアスペクト比が大
きいので、CVD法による堆積の方がすぐれてい
る。第17図における金属配線8のパターニング
を終えた後、最終パツシベーシヨン膜としての
Si3N4膜あるいはPSG膜2をCVD法により堆積す
る(第29図g)。
Through the mask alignment process and etching process,
The polysilicon on the emitter 7 is an insulating film 305,
After drilling a contact hole through 306 using reactive ion etching, Al,
Deposit metals such as Al-Si, Al-Cu-Si, etc. In this case, since the aspect ratio of the contact hole is large, deposition by CVD is superior. After patterning the metal wiring 8 in FIG. 17, a final passivation film is formed.
A Si 3 N 4 film or PSG film 2 is deposited by the CVD method (FIG. 29g).

この場合も、光CVD法により膜がすぐれてい
る。12は裏面のAl、Al−Si等による金属電極
である。
In this case as well, the film produced using the photo-CVD method is excellent. 12 is a metal electrode made of Al, Al-Si, etc. on the back surface.

本発明の光電変換装置の製法には、実に多彩な
工程があり、第29図はほんの一例を述べたに過
ぎない。
The method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention involves a wide variety of steps, and FIG. 29 shows only one example.

本発明の光電変換装置の重要な点は、p領域6
とn-領域5の間及びp領域6とn+領域7の間の
リーク電流を如何に小さく抑えるかにある。n-
領域5の品質を良好にして暗電流を少なくするこ
とはもちろんであるが、酸化膜などよりなる分離
領域4とn-領域5の界面こそが問題である。第
29図では、そのために、あらかじめ分離領域4
の側壁にアモルフアスSiを堆積しておいてエピタ
キシヤル成長を行なう方法を説明した。この場合
には、エピタキシヤル成長中に基板Siからの固相
成長でアモルフアスSiは単結晶化されるわけであ
る。エピタキシヤル成長は、850℃〜1000℃程度
と比較的高い温度で行なわれる。そのため、基板
Siからの固相成長によりアモルフアスSiが単結晶
化される前に、アモルフアスSi中に微結晶が成長
し始めてしまうことが多く、結晶性を悪くする原
因になる。温度が低い方が、固相成長する速度が
アモルフアスSi中に微結晶が成長し始める速度よ
り相対的にずつと大きくなるから、選択エピタキ
シヤル成長を行なう前に、550℃〜700℃程度の低
温処理で、アモルフアスSiを単結晶しておくと、
界面の特性は改善される。この時、基板Siとアモ
ルフアスSiの間に酸化膜等の層があると固相成長
の開始が遅れるため、両者の境界にはそうした層
が含まれないような超高清浄プロセスが必要であ
る。
The important point of the photoelectric conversion device of the present invention is that the p region 6
The problem lies in how to suppress leakage current between the and n - regions 5 and between the p region 6 and the n + region 7. n -
It goes without saying that dark current can be reduced by improving the quality of the region 5, but the problem lies in the interface between the isolation region 4 made of an oxide film or the like and the n - region 5. In FIG. 29, for this purpose, the separation area 4 is
We have explained a method in which amorphous Si is deposited on the sidewalls of the substrate and then epitaxially grown. In this case, amorphous Si is made into a single crystal by solid phase growth from the substrate Si during epitaxial growth. Epitaxial growth is performed at a relatively high temperature of about 850°C to 1000°C. Therefore, the board
Before the amorphous Si becomes single crystallized by solid phase growth from Si, microcrystals often begin to grow in the amorphous Si, which causes poor crystallinity. The lower the temperature, the faster the solid-phase growth becomes relatively faster than the speed at which microcrystals begin to grow in amorphous Si. Therefore, before performing selective epitaxial growth, it is necessary to If amorphous Si is made into a single crystal through processing,
The interfacial properties are improved. At this time, if there is a layer such as an oxide film between the substrate Si and the amorphous Si, the start of solid phase growth will be delayed, so an ultra-high cleanliness process is required to prevent such a layer from being included at the boundary between the two.

アモルフアスSiの固相成長には上述したフアー
ナス成長の他に、基板をある程度の温度に保つて
おいて、フツシユランプ加熱あるいは赤外線ラン
プによる、たとえば数秒から数10秒程度のラピツ
ドアニール技術も有効である。こうした技術を使
うときには、SiO2層側壁に堆積するSiは、多結
晶でもよい。ただし、非常にクリーンなプロセス
で耐積し、多結晶体の結晶粒界に酸素、炭素等の
含まれない多結晶Siにしておく必要がある。
In addition to the above-mentioned furnace growth, for solid-phase growth of amorphous Si, rapid annealing technology is also effective, for example, by keeping the substrate at a certain temperature and heating it with a fuselage lamp or an infrared lamp, for a period of several seconds to several tens of seconds. When using such techniques, the Si deposited on the sidewalls of the SiO 2 layer may be polycrystalline. However, it is necessary to use polycrystalline Si that can withstand loads using a very clean process and does not contain oxygen, carbon, etc. in the grain boundaries of the polycrystalline material.

こうしたSiO2側面のSiが単結晶化された後、Si
の選択成長を行うことになる。
After the Si on these SiO 2 sides is single-crystalized, the Si
This will result in selective growth.

SiO2分離領域4と高抵抗n-領域5界面のリー
ク電流がどうしても問題になる時は、高抵抗n-
領域5のSiO分離領域4に隣接する部分だけ、n
形の不純物濃度を高くしておくとこのリーク電流
の問題はさけられる。たとえば、分離SiO2領域
4に接触するn-領域5の0.3〜1μm程度の厚さの
領域だけ、たとえば1〜10×1016cm-3程度にn形
の不純物濃度を高くするのである。この構成は比
較的容易に形成できる。基板1上に略々1μm程
度熱酸化膜を形成した後、その上にCVD法で堆
積する。SiO2膜をまず所要の厚さだけ、所定の
量のPを含んだSiO2膜にしておく。さらにその
上にSiO2をCVD法で堆積するということで分離
領域4を作つておく。その後の高温プロセスで分
離領域4中にサンドイツチ状に存在する燐を含ん
だSiO2膜から、燐が高抵抗n-領域5中に拡散し
て、界面がもつとも不純物濃度が高いという良好
な不純物分布を作る。
When leakage current at the interface between the SiO 2 isolation region 4 and the high resistance n - region 5 becomes a problem, the high resistance n -
Only the portion of region 5 adjacent to SiO isolation region 4, n
This problem of leakage current can be avoided by increasing the impurity concentration of the semiconductor. For example, the n-type impurity concentration is increased to about 1 to 10×10 16 cm −3 only in a region of about 0.3 to 1 μm thick in the n region 5 that contacts the isolated SiO 2 region 4 . This configuration can be formed relatively easily. After forming a thermal oxide film with a thickness of about 1 μm on the substrate 1, it is deposited thereon by CVD. First, the SiO 2 film is made into a SiO 2 film having a required thickness and containing a predetermined amount of P. Furthermore, a separation region 4 is created by depositing SiO 2 thereon by CVD. In the subsequent high-temperature process, phosphorus is diffused from the phosphorus-containing SiO 2 film that exists in the form of a sandwich in the separation region 4 into the high-resistance n - region 5, resulting in a good impurity distribution with a high impurity concentration even at the interface. make.

すなわち、第30図のような構造に構成するわ
けである。分離領域4が、3層構造に達成されて
いて、308は熱酸化膜SiO2、309は燐を含
んだCVD法SiO2膜、301はCVD法SiO2膜であ
る。分離領域4に隣接して、n-領域5中との間
に、n領域307が、燐を含んだSiO2膜309
からの拡散で形成される。307はセル周辺全部
に形成されている。この構造にすると、ベース・
コレクタ間容量Cbcは大きくなるが、ベース・コ
レクタ間リーク電流は激減する。
In other words, the structure is as shown in FIG. 30. The isolation region 4 has a three-layer structure, in which 308 is a thermal oxide film SiO 2 , 309 is a CVD SiO 2 film containing phosphorus, and 301 is a CVD SiO 2 film. Adjacent to the separation region 4 and between the n - region 5 and the n-region 307, an SiO 2 film 309 containing phosphorus is formed.
Formed by diffusion from 307 is formed all around the cell. With this structure, the base
Although the collector-collector capacitance Cbc increases, the base-collector leakage current decreases dramatically.

第29図では、あらかじめ分離用絶縁領域4を
作つておいて、選択エピタキシヤル成長を行なう
例について説明したが、基板上に必要な高抵抗
n-層のエピタキシヤル成長をしておいてから、
分離領域となるべき部分をリアクテイブイオンエ
ツチングによりメツシユ状に切り込んで分離領域
を形成するUグループ分離技術(A.Hayasaka
et al、“U−groove isolation technique for
high speed bipolar VLSI′S″、Tech.Dig.of
IEDM.P.62、1982、参照)を使つて行なうこと
も出来る。
In FIG. 29, an example was explained in which the isolation insulating region 4 was formed in advance and selective epitaxial growth was performed.
After epitaxial growth of the n -layer ,
U-group separation technology (A.Hayasaka
et al, “U-groove isolation technique for
high speed bipolar VLSI′S″, Tech.Dig.of
(see IEDM.P.62, 1982).

本発明に係る光電変換装置は、絶縁物より構成
される分離領域に取り囲まれた領域に、その大部
分の領域が半導体ウエハ表面に隣接するベース領
域が浮遊状態になされたバイポーラトランジスタ
を形成し、浮遊状態になされたベース領域の電位
を薄い絶縁膜を介して前記ベース領域の一部に設
けた電極により制御することによつて、光情報を
光電変換する装置である。高不純物濃度領域より
なるエミツタ領域が、ベース領域の一部に設けら
れており、このエミツタは水平スキヤンパルスに
より動作するMOSトランジスタに接続されてい
る。前述した、浮遊ベース領域の一部に薄い絶縁
層を介して設けられた電極は、水平ラインに接続
されている。ウエハ内部に、設けられるコレクタ
は、基板で構成されることもあるし、目的によつ
ては反対導電型高抵抗基板に、各水平ラインごと
に分離された高濃度不純物埋込み領域で構成され
る場合もある。絶縁層を介して設けられた電極
で、浮遊ベース領域のリフレツシユを行なう時の
パルス電圧に対して、信号を読出す時の印加パル
ス電圧は実質的に大きい。実際に、2種類の電圧
を待つパルス列を用いてもよいし、ダブルキヤパ
シタ構造で説明したように、リフレツシユ用
MOSキヤパシタ電極の容量Cpxにくらべて読出し
用MOSキヤパシタ電極の容量Cpxを大きくしてお
いてもよい。リフレツシユパルス印加により、逆
バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起
されたキヤリアを蓄積して光信号に基づいた信号
を記憶させ、該信号読出し時には、ベース・エミ
ツタ間が順方向に深くバイアスされるように読出
し用パルス電圧を印加して、高速度で信号を読出
せるようにしたことが特徴である。こうした特徴
を備えていれば、本発明の光電変換装置はいかな
る構造で実現してもよく、前記の実施例に述べら
れた構造に限定されないことはもちろんである。
A photoelectric conversion device according to the present invention forms a bipolar transistor in which a base region, most of which is adjacent to the semiconductor wafer surface, is in a floating state in a region surrounded by an isolation region made of an insulator, This is a device that photoelectrically converts optical information by controlling the potential of a floating base region with an electrode provided on a part of the base region via a thin insulating film. An emitter region made of a high impurity concentration region is provided in a part of the base region, and this emitter is connected to a MOS transistor operated by a horizontal scan pulse. The aforementioned electrode provided on a portion of the floating base region via a thin insulating layer is connected to a horizontal line. The collector provided inside the wafer may be composed of a substrate, or depending on the purpose, it may be composed of high-concentration impurity embedded regions separated for each horizontal line on a high-resistance substrate of the opposite conductivity type. There is also. The pulse voltage applied when reading out a signal is substantially larger than the pulse voltage when refreshing the floating base region using the electrode provided through the insulating layer. In fact, you can use a pulse train that waits for two types of voltage, or as explained in the double capacitor structure, you can use a pulse train for refreshing.
The capacitance C px of the read MOS capacitor electrode may be made larger than the capacitance C px of the MOS capacitor electrode. By applying a refresh pulse, optically excited carriers are accumulated in the floating base region, which is brought into a reverse bias state, and a signal based on the optical signal is stored. When reading out the signal, the base-emitter is deeply biased in the forward direction. The feature is that a readout pulse voltage is applied so that signals can be read out at high speed. As long as it has these characteristics, the photoelectric conversion device of the present invention may be realized in any structure, and it is needless to say that it is not limited to the structure described in the above embodiments.

たとえば、前記の実施例で説明した構造と導電
型がまつたく反転した構造でも、もちろん同様で
ある。ただし、この時には印加電圧の極性を完全
に反転する必要がある。導電型がまつたく反転し
た構造では、領域はn型になる。すなわち、ベー
スを構成する不純物はAsやPになる。AsやPを
含む領域の表面を酸化すると、AsやPはSi/
SiO2界面のSi側にパイルアツプする。すなわち、
ベース内部の表面から内部に向う強いドリフト電
界が生じて、光励起されたホールはただちにベー
スからコレクタ側に抜け、ベースにはエレクトロ
ンが効率よく蓄積される。
For example, the same applies to a structure in which the conductivity type is completely reversed from that described in the above embodiment. However, at this time, it is necessary to completely reverse the polarity of the applied voltage. In a structure in which the conductivity types are completely reversed, the region becomes n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P. When the surface of a region containing As or P is oxidized, As or P becomes Si/
Pile up on the Si side of the SiO 2 interface. That is,
A strong drift electric field is generated from the inner surface of the base, and the photoexcited holes immediately escape from the base to the collector side, and electrons are efficiently accumulated in the base.

ベースがp型の場合には、通常使われる不純物
はボロンである。ボロンを含むp領域表面を熱酸
化すると、ボロンは酸化膜中に取り込まれるた
め、Si/SiO2界面近傍のSi中におけるボロン濃度
はやや内部のボロン濃度より低くなる。この深さ
は、酸化膜圧にもよるが、通常数100Åである。
この界面近傍には、エレクトロンに対する逆ドリ
フト電界が生じ、この領域に光励起されたエレク
トロンは、表面に厚められる傾向にある。このま
まだと、この逆ドリフト電界を生じている領域は
不感領域になるが、表面に沿つた一部にn+領域
が、本発明の光電変換装置では存在しているた
め、p領域のSi/SiO2界面に集まつたエレクト
ロンは、このn+領域に再結合される前に流れ込
む。そのために、たとえばボロンがSi/SiO2
面近傍で減少していて、逆ドリフト電界が生じる
ような領域が存在しても、ほとんど不感領域には
ならない。むしろ、こうした領域がSi/SiO2
面に存在すると、蓄積されたホールをSi/SiO2
界面から引き離して内部に存在させるようにする
ために、ホールが界面で消滅する効果が無くな
り、p層のベースにおけるホール蓄積効果が良好
となり、きわめて望ましい。
If the base is p-type, the commonly used impurity is boron. When the surface of the p-region containing boron is thermally oxidized, boron is incorporated into the oxide film, so the boron concentration in the Si near the Si/SiO 2 interface becomes slightly lower than the boron concentration inside. This depth depends on the oxide film pressure, but is usually several hundred angstroms.
A reverse drift electric field for electrons is generated near this interface, and electrons photoexcited in this region tend to be thickened on the surface. If this continues, the region where this reverse drift electric field is generated will become a dead region, but since the photoelectric conversion device of the present invention has an n + region along a part of the surface, the p-region Si/ Electrons gathered at the SiO 2 interface flow into this n + region before being recombined. Therefore, even if there is a region where, for example, boron is reduced near the Si/SiO 2 interface and a reverse drift electric field occurs, it hardly becomes a dead region. Rather, if such a region exists at the Si/SiO 2 interface, the accumulated holes will be transferred to the Si/SiO 2
By separating the holes from the interface and making them exist inside, the effect of holes disappearing at the interface is eliminated, and the effect of accumulating holes at the base of the p-layer becomes good, which is extremely desirable.

なお、本発明に係る光電変換装置は以上述べた
固体撮像装置の外に、たとえば、画像入力装置、
フアクシミリ、ワークステイシヨン、デジタル複
写機、ワープロ等の画像入力装置、OCR、バー
コード読取り装置、カメラ、ビデオカメラ、8ミ
リカメラ等のオートフオーカス用の光電変換被写
体検出装置等にも応用できる。
In addition to the solid-state imaging device described above, the photoelectric conversion device according to the present invention can also be used, for example, an image input device,
It can also be applied to image input devices such as facsimiles, workstations, digital copying machines, word processors, OCR, barcode reading devices, photoelectric conversion object detection devices for autofocus of cameras, video cameras, 8mm cameras, etc.

以上説明してきたように本発明の光電変換装置
は、浮遊状態になされた制御電極領域であるベー
ス領域に光により励起されたキヤリアを蓄積する
ものである。すなわち、Base Store Image
Sensorと呼ばれるべき装置であり、BASISと略
称する。
As described above, the photoelectric conversion device of the present invention accumulates carriers excited by light in the base region, which is the control electrode region in a floating state. i.e. Base Store Image
It is a device that should be called a Sensor, and is abbreviated as BASIS.

本発明の光電変換装置は、1個のトランジスタ
で1画素を構成できるため高度化がきわめて容易
であり、同時にその構造からブリーミング、スミ
アが少なく、かつ高感度である、そのダイナミツ
クレンジは広く取れ、内部増幅機能を有するため
配線容量によらず大きな信号電圧を発生するため
低録音でかつ周辺回路が容易になるという特徴を
有している。例えば将来の高品質固体撮像装置と
して、その工業的価値はきわめて高い。
Since the photoelectric conversion device of the present invention can configure one pixel with one transistor, it is extremely easy to upgrade, and at the same time, its structure allows for less bleeding and smearing, and high sensitivity, allowing for a wide dynamic range. Since it has an internal amplification function, it generates a large signal voltage regardless of wiring capacitance, so it has the characteristics of low recording and easy peripheral circuitry. For example, its industrial value as a future high-quality solid-state imaging device is extremely high.

[発明の効果] 本発明によれば、ゲイン制御可能で高感度な光
電変換出力を得ることができる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, it is possible to obtain gain controllable and highly sensitive photoelectric conversion output.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示し、aは断面
図、bはその等価回路図、cは回路構成図、dは
ポテンシヤル状態図である。第2図は第1図に示
した光センサセルを用いた回路構成図である。第
3図と第6図はパルス波形図、第4図は他の実施
例を示し、第5図は回路構成図である。第7図は
他の実施例を示す等価回路図、第8図はその回路
構成図、第9図はパルス波形図である。第10図
から第13図までは、本発明の実施例に係る説明
図である。第14図は本発明に係る光電変換装置
の一構成例の回路図である。第15図から第20
図までは、本発明に係る光センサセルの主要構造
及び基本動作を説明するための図である。第15
図は読出し動作時の等価回路図、第16図はリフ
レツシユ動作時の等価回路図、第17図aは平面
図、bは断面図、cは等価回路図であり、第18
図は読出し時間と読出し電圧との関係を示すグラ
フ、第19図aは蓄積電圧と読出し時間との関係
を、第19図bはバイアス電圧と読出し時間との
関係をそれぞれ示すグラフ、第20図a〜Cはリ
フレツシユ時間とベース電位との関係を示すグラ
フである。第21図から第23図までは、第14
図の光電変換装置の説明図であり、第21図aは
パルスタイミング図、第21図bは各動作時に電
位分布を示すグラフである。第22図は出力信号
に関係する等価回路図、第23図は導通した瞬間
からの出力電圧を時間との関係で示すグラフであ
る。第24,25及び第26図は他の光電変換装
置を示す回路図である。第27図は本発明の変形
例の主要構造を説明するための平面図である。第
28図は第27図に示す光センサセルにより構成
した光電変換装置の回路構成図である。第29図
及び30図は本発明の光電変換装置の一製造方法
例を示すための断面図である。 1……シリコン、2……PSG膜、3……絶縁
酸化膜、4……素子分離領域、5……n-領域
(コレクタ領域)、6……p領域(ベース領域)、
7,7′……n+領域(エミツタ領域)、8……配
線、9……電極、10……配線、11……n+
域、12……電極、13……コンデンサ、14…
…バイポーラトランジスタ、15,17……接合
容量、16,18……ダイオード、19,19′
……コンタクト部、20……光、28……垂直ラ
イン、30……光センサセル、31……水平ライ
ン、32……垂直シフトレジスタ、33,35…
…MOSトランジスタ、36,37……端子、3
8……垂直ライン、39……水平シフトレジス
タ、40……MOSトランジスタ、41……出力
ライン、42……MOSトランジスタ、43……
端子、44……トランジスタ、45……負荷抵
抗、46……端子、47……端子、48……
MOSトランジスタ、49……端子、61,62,
63……区間、64……コレクタ電位、67……
波形、80,81……容量、82,83……抵
抗、84……電流源、100,101,102…
…水平シフトレジスタ、111,112……出力
ライン、138……垂直ライン、140……
MOSトランジスタ、148……MOSトランジス
タ、150,150′……MOSコンデンサ、15
2,152′……光センサセル、202,203,
205……ベース電位、220……埋込p+領域、
222,225……配線、251……p+領域、
252……n+領域、253……配線、300…
…アモルフアスシリコン、302……窒化膜、3
03……PSG膜、304……ポリシリコン、3
05……PSG膜、306……層間絶縁膜、37
2……第1フオトトランジスタ、372……フオ
トトランジスタ。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, in which a is a sectional view, b is an equivalent circuit diagram, c is a circuit configuration diagram, and d is a potential state diagram. FIG. 2 is a circuit configuration diagram using the optical sensor cell shown in FIG. 1. 3 and 6 are pulse waveform diagrams, FIG. 4 shows another embodiment, and FIG. 5 is a circuit configuration diagram. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram showing another embodiment, FIG. 8 is a circuit configuration diagram thereof, and FIG. 9 is a pulse waveform diagram. FIG. 10 to FIG. 13 are explanatory diagrams according to embodiments of the present invention. FIG. 14 is a circuit diagram of a configuration example of a photoelectric conversion device according to the present invention. Figures 15 to 20
The figures up to the drawings are diagrams for explaining the main structure and basic operation of the optical sensor cell according to the present invention. 15th
16 is an equivalent circuit diagram during a read operation, FIG. 16 is an equivalent circuit diagram during a refresh operation, FIG. 17 a is a plan view, b is a sectional view, c is an equivalent circuit diagram, and FIG.
The figure is a graph showing the relationship between readout time and readout voltage, FIG. 19a is a graph showing the relationship between storage voltage and readout time, FIG. 19b is a graph showing the relationship between bias voltage and readout time, and FIG. A to C are graphs showing the relationship between refresh time and base potential. Figures 21 to 23 refer to Figure 14.
FIG. 21A is a pulse timing diagram, and FIG. 21B is a graph showing potential distribution during each operation. FIG. 22 is an equivalent circuit diagram related to the output signal, and FIG. 23 is a graph showing the output voltage from the moment of conduction in relation to time. 24, 25, and 26 are circuit diagrams showing other photoelectric conversion devices. FIG. 27 is a plan view for explaining the main structure of a modified example of the present invention. FIG. 28 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device constituted by the optical sensor cell shown in FIG. 27. FIGS. 29 and 30 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. 1...Silicon, 2...PSG film, 3...Insulating oxide film, 4...Element isolation region, 5...N - region (collector region), 6...P region (base region),
7, 7'...n + region (emitter region), 8...wiring, 9...electrode, 10...wiring, 11...n + region, 12...electrode, 13...capacitor, 14...
... Bipolar transistor, 15, 17... Junction capacitance, 16, 18... Diode, 19, 19'
... Contact portion, 20 ... Light, 28 ... Vertical line, 30 ... Photo sensor cell, 31 ... Horizontal line, 32 ... Vertical shift register, 33, 35 ...
...MOS transistor, 36, 37...terminal, 3
8... Vertical line, 39... Horizontal shift register, 40... MOS transistor, 41... Output line, 42... MOS transistor, 43...
Terminal, 44...Transistor, 45...Load resistance, 46...Terminal, 47...Terminal, 48...
MOS transistor, 49... terminal, 61, 62,
63... section, 64... collector potential, 67...
Waveform, 80, 81... Capacity, 82, 83... Resistance, 84... Current source, 100, 101, 102...
...Horizontal shift register, 111, 112...Output line, 138...Vertical line, 140...
MOS transistor, 148...MOS transistor, 150, 150'...MOS capacitor, 15
2,152'... Optical sensor cell, 202,203,
205... Base potential, 220... Buried p + region,
222, 225...Wiring, 251...p + area,
252...n + area, 253...wiring, 300...
...Amorphous silicon, 302...Nitride film, 3
03...PSG film, 304...Polysilicon, 3
05...PSG film, 306...Interlayer insulating film, 37
2...first phototransistor, 372...phototransistor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1導電型の第1半導体領域と、前記第1導
電型とは異なる第2導電型の第2半導体領域と、
高抵抗半導体領域と、第1導電型の第3半導体領
域と、第2導電型の第4半導体領域と、を有し、 前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とは
隣接して配設されており、前記第3半導体領域と
前記第4半導体領域とは隣接して配設されてお
り、前記高抵抗半導体領域は前記第2半導体領域
と前記第3半導体領域との間に配設されており、 前記第1半導体領域と前記第2半導体領域と前
記第3半導体領域と前記高抵抗半導体領域とで第
1トランジスタを構成し、前記第2半導体領域と
前記第3半導体領域と前記第4半導体領域と前記
高抵抗半導体領域とで第2トランジスタを構成
し、 光励起により発生したエレクトロンとホールと
で構成されるキヤリアのうち前記第2半導体領域
と前記第3半導体領域のうちどちらか一方がホー
ルを蓄積し、他方がエレクトロンを蓄積する光電
変換装置であつて、 前記第2半導体領域と容量結合された第1の電
極と、前記第3半導体領域と容量結合された第2
の電極と、を有し、該第2及び第3の半導体領域
にそれぞれ蓄積されたエレクトロンとホールとに
基づいて信号を読み出す為の読み出し手段を具備
し、 前記読み出し手段は、前記第2半導体領域と前
記第3半導体領域とのそれぞれに、前記第1及び
第2の電極により、前記第1及び第4半導体領域
に対して独立的に電位を与え、前記第2半導体領
域と前記第1半導体領域との接合部と、前記第3
半導体領域と前記第4半導体領域との接合部とを
それぞれ順方向にバイアスし、前記信号を読み出
す手段であることを特徴とする光電変換装置。
[Claims] 1: a first semiconductor region of a first conductivity type; a second semiconductor region of a second conductivity type different from the first conductivity type;
It has a high-resistance semiconductor region, a third semiconductor region of a first conductivity type, and a fourth semiconductor region of a second conductivity type, and the first semiconductor region and the second semiconductor region are disposed adjacent to each other. The third semiconductor region and the fourth semiconductor region are arranged adjacent to each other, and the high-resistance semiconductor region is arranged between the second semiconductor region and the third semiconductor region. The first semiconductor region, the second semiconductor region, the third semiconductor region, and the high-resistance semiconductor region constitute a first transistor, and the second semiconductor region, the third semiconductor region, and the fourth semiconductor region constitute a first transistor. A second transistor is configured by the semiconductor region and the high-resistance semiconductor region, and one of the second semiconductor region and the third semiconductor region is a carrier composed of electrons and holes generated by photoexcitation. A photoelectric conversion device in which one electrode accumulates electrons and the other one accumulates electrons, the first electrode capacitively coupled to the second semiconductor region, and the second electrode capacitively coupled to the third semiconductor region.
electrodes, and readout means for reading out signals based on electrons and holes accumulated in the second and third semiconductor regions, respectively, and the readout means includes electrodes in the second and third semiconductor regions. and the third semiconductor region, the first and second electrodes independently apply a potential to the first and fourth semiconductor regions, and the second semiconductor region and the first semiconductor region and the third
A photoelectric conversion device characterized in that the device reads out the signal by forward biasing a junction between a semiconductor region and the fourth semiconductor region.
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