JPH0449263B2 - - Google Patents

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JPH0449263B2
JPH0449263B2 JP2172601A JP17260190A JPH0449263B2 JP H0449263 B2 JPH0449263 B2 JP H0449263B2 JP 2172601 A JP2172601 A JP 2172601A JP 17260190 A JP17260190 A JP 17260190A JP H0449263 B2 JPH0449263 B2 JP H0449263B2
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region
base
potential
voltage
emitter
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JP2172601A
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Japanese (ja)
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Tadahiro Oomi
Nobuyoshi Tanaka
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Canon Inc
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Publication date
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Publication of JPH0449263B2 publication Critical patent/JPH0449263B2/ja
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【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
で転送して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
いうタイプのものがある。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に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-type 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, in a MOS type imaging device, charges generated by incident light are accumulated in each photodiode made of a pn junction that constitutes the light receiving section, and when reading out, 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
が、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. In other words, whereas the CCD type and MOS type read out the accumulated charge itself to the outside, the method proposed here amplifies the charge using the amplification function of each cell and then reads out the accumulated charge. If you look at it from another perspective, it is read out as a low impedance output through impedance conversion. 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
い読み出しを行うことができない。また読み出し
後のリセツト動作においてもP+領域を接地する
だけである為、目につくような残像が多く発生
し、また固定パターンノイズを大きい。
However, with this configuration, high-speed readout with good linearity cannot be performed. Also, in the reset operation after reading, only the P + region is grounded, so many noticeable afterimages occur and fixed pattern noise is large.

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、これも高速且つ直線
性の良い出力信号が得られない。また、読出し後
のリセツト動作においても透明電極側のN+領域
を0か僅かに負電位にセツトするだけであるため
に目につくような残像が多く発生してしまう。
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 provide a high-speed output signal with good linearity. Further, in the reset operation after reading, the N + region on the transparent electrode side is simply set to 0 or a slightly negative potential, resulting in many noticeable afterimages.

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
ースス接地抵抗負荷の出力回路に読み出す構成で
ある。しかしながら、この構成では、出力回路側
のリセツト手段がないので、リセツト動作が不十
分で残像が多く発生してしまう。
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 in advance via a refresh line via an insulating film, and the voltage is read out to an output circuit of a source-grounded resistive load. However, in this configuration, since there is no reset means on the output circuit side, the reset operation is insufficient and many afterimages occur.

また、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。しかしながら、この構成ではコレ
クタに電圧を印加することで読み出しを行つてる
為に、第4図や第5図で後述するように高速動作
で直線性を確保することが難しい。
Moreover, on the other hand, the base storage type photocell has N + ,
It has a P + , N - , N + phototransistor structure, and includes a floating base (P + ), a collector (N + ) to which a pulsed voltage is applied, a capacitor, and a switching MOSFET. It consists of an emitter (N + ) to which the output circuit of the emitter follower is connected. However, in this configuration, since reading is performed by applying a voltage to the collector, it is difficult to ensure linearity in high-speed operation, as will be described later with reference to FIGS. 4 and 5.

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
ースを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。しかし破壊型の電流読み
出しである為に直線性、残像特性が悪い。ベース
コレクタ間が比較的不純物濃度の高いものどうし
の接合となつているので、感度とりわけ青色感度
が低い。
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 through an insulating layer, and the base is reverse biased to perform storage operation. A configuration is shown in which the current is read out using the output circuit of the emitter-grounded resistive load. However, since it is a destructive current readout, linearity and afterimage characteristics are poor. Since the base and collector are connected to each other with a relatively high impurity concentration, the sensitivity, particularly the blue sensitivity, is low.

[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
も十分対処しうる新しい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 a new photoelectric conversion device that has an amplification function in each cell but has an extremely simple structure and can sufficiently cope with future increases in resolution.

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
能となる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 high-speed performance that can obtain an output signal with good linearity with respect to irradiated light in a very short time.

更に本発明の別の目的は、直線性の良好な高速
読み出しを行つても残像や固定パターンノイズが
ほとんど問題とならないような優れた光電変換装
置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide an excellent photoelectric conversion device in which afterimages and fixed pattern noise are hardly a problem even when performing high-speed readout with good linearity.

本発明の更に他の目的は、青色光に対しても感
度のよい光電変換装置を提供することにある。か
かる目的は、コレクタ電極と電気的に接続されて
いる第1導電型の半導体からなるコレクタ領域
と、 前記コレクタ領域に隣接して配設され、該コレ
クタ領域よりも高い抵抗率の高抵抗半導体領域
と、 前記高抵抗半導体領域に隣接して配設されると
ともに、電極に対して絶縁領域を介して配設され
ている第1導電型と異なる第2導電型の半導体か
らなるベース領域と、 前記ベース領域に隣接して配設され、容量負荷
を含む出力回路に電気的に接続されたエミツタ電
極に電気的に接続された第1導電型の半導体から
なるエミツタ領域と、 を有するバイポーラトランジスタを含む光電変換
装置であつて、 前記ベース領域は、前記電極により、該ベース
領域の電位を制御することによつて、受容した光
エネルギーによつて発生するキヤリアが蓄積さ
れ、該ベース領域に蓄積されたキヤリアに対応す
る出力信号が前記容量負荷における電圧として前
記エミツタ電極側に読み出され、その後蓄積され
たキヤリアが該エミツタ電極を介してリフレツシ
ユされるべく、浮遊状態になつていることを特徴
とする光電変換装置により達成される。
Still another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that is sensitive even to blue light. This purpose includes: a collector region made of a first conductivity type semiconductor electrically connected to the collector electrode; and a high-resistance semiconductor region disposed adjacent to the collector region and having a higher resistivity than the collector region. and a base region made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, which is disposed adjacent to the high-resistance semiconductor region and is disposed with an insulating region between the electrodes. an emitter region made of a semiconductor of a first conductivity type and electrically connected to an emitter electrode disposed adjacent to the base region and electrically connected to an output circuit including a capacitive load; In the photoelectric conversion device, the base region is configured such that carriers generated by received light energy are accumulated in the base region by controlling the potential of the base region with the electrodes. An output signal corresponding to the carrier is read out to the emitter electrode side as a voltage at the capacitive load, and the accumulated carrier is then placed in a floating state to be refreshed via the emitter electrode. This is achieved by a photoelectric conversion device.

[作 用] 本発明によれば、蓄積、読み出し、リフレツシ
ユの各動作時にベース領域の電位をエミツタ、コ
レクタ領域とは独立的に制御することができる。
蓄積時には、ベース領域と出力回路に接続された
エミツタ領域との間の接合は、逆方向にバイアス
された状態から電荷の蓄積とともにベース領域の
電位がエミツタ領域の電位まで変化する。したが
つて、この時のバイアス電圧により飽和電圧が決
定されるので所望の飽和電圧を確保すすることが
できる。次の読み出し時には、上記接合が順方向
に深くバイアスできる。そうすると極めて短い時
間で照射された光に対して直線性の良い出力信号
を得ることができる。またリフレツシユ時には、
読み出し時と同様にベース領域の電位を独立的に
制御してベース領域とエミツタ領域との接合部を
順方向に深くバイアスすることで出力回路に接続
されたエミツタ領域を通じてリフレツシユができ
高速動作で残像やノイズ除去が可能なる。
[Function] According to the present invention, the potential of the base region can be controlled independently of the emitter and collector regions during each of storage, readout, and refresh operations.
During storage, the junction between the base region and the emitter region connected to the output circuit changes from a reversely biased state to the potential of the base region to the potential of the emitter region as charge accumulates. Therefore, since the saturation voltage is determined by the bias voltage at this time, a desired saturation voltage can be ensured. During the next readout, the junction can be deeply biased in the forward direction. In this way, it is possible to obtain an output signal with good linearity for the irradiated light in an extremely short period of time. Also, when refreshing,
As in the case of readout, by independently controlling the potential of the base region and deeply biasing the junction between the base region and the emitter region in the forward direction, refresh can be performed through the emitter region connected to the output circuit, eliminating image retention with high-speed operation. and noise removal is possible.

[実施例] 以下に本発明の実施態様を図面を用いて詳細に
説明する。
[Example] Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the drawings.

第1図は、本発明の一実施態様例に係る光電変
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. 1 is a diagram illustrating the basic structure and operation of a photosensor cell that constitutes a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.

第1図aは、光センサセルの平面図を、第1図
bは、第1図a平面図のAA′部分の断面図を、第
1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1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. 1a shows a plan view of the optical sensor cell, FIG. 1b shows a sectional view of a section AA' in the plan view of FIG. 1a, and FIG. 1c shows an equivalent circuit thereof. In addition, the same numbers are given to the parts common to FIGS. 1a, b, and c in each part.

第1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. 1 shows a plan view of the aligned layout method, it goes without saying that the pixel shifting method (interpolation layout method) can also be used to increase the horizontal resolution.

この光セサセルは、第1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+型とされたコ
レクタを構成するシリコン基板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
が低く、基板1よりも高い抵抗率の高抵抗半導体
領域としての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
たの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
るの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、一部がエミツタ電極となる配線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としての電極
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コレクタ電極とし
ての電極12; より構成されている。
As shown in Figure 1a and b, this photo sensor cell is made of silicon that forms the collector and is doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb), and arsenic (As) to make it n-type or n + type. On board 1, usually
A passivation film 2 made of a PSG film or the like; an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ); made of SiO 2 or Si 3 N 4 or the like 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 as a high-resistance semiconductor region with a low impurity concentration and higher resistivity than the substrate 1 formed by epitaxial technology; p region 6 which is the base of a bipolar transistor doped with an impurity such as boron (B) using an impurity diffusion technique or an ion implantation technique; becomes
n + region 7; Wiring 8, which is made of a conductive material such as aluminum (Al), Al-Si, Al-Cu-Si, etc. and partially serves as an emitter electrode, for reading signals to the outside; Insulating film 3, an electrode 9 as an electrode for applying a pulse to the p-region 6 in a floating state; its wiring 10; an impurity formed by impurity diffusion technology etc. to make ohmic contact with the back surface of the substrate 1; It consists of a highly concentrated n + region 11; an electrode 12 as a collector electrode formed of a conductive material such as aluminum for providing a substrate potential, that is, a collector potential of a bipolar transistor;

なお、第1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. 1A is a contact portion for connecting the n + region 7 and the wiring 8. Also wiring 8
The alternating portions of the wiring 10 are so-called two-layer wiring, and are insulated from each other by insulating regions formed of an insulating material such as SiO 2 . That is, it has a two-layer metal wiring structure.

第1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1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Cbe
15、ベース・エミツタのpn接合ダイオードDbe
16、ベース・コレクタの接合容量Cbc17、ベ
ース・コレクタのpn接合ダイオードDbc18を用
いて表現したものである。
The second equivalent circuit in Figure 1c shows the bipolar transistor 14 with a base-emitter junction capacitance Cbe.
15. Base-emitter pn junction diode Dbe
16. It is expressed using a base-collector junction capacitance Cbc17 and a base-collector pn junction diode Dbc18.

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.

第2図及び第3図を参照して回路構成について
説明すると、第3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エミツタ領域
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′,4
0″、出力ライン41、MOSトランジスタ42、
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
荷としての配線容量を有している。
The circuit configuration will be described with reference to FIGS. 2 and 3. An output circuit is connected to the emitter region of a photoelectric conversion cell including a transistor as shown by the reference numeral 30 in FIG. This output circuit consists of vertical lines 38, 38', 38'', horizontal shift register 39, MOS transistors 40, 40', 4
0'', output line 41, MOS transistor 42,
It is composed of 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.

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31,31′,
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, 31',
31'' is provided.

そして、制御電極領域たるベース領域は主電極
領域たるエミツタ、コレクタ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
の時の動作を第2図を参照して説明する。読み出
し時には浮遊状態にある主電極領域としてのエミ
ツタ及び正の電位に保持されている主電極領域と
してのコレクタに対して、独立的に配線10より
正の電圧VRを印加することでエミツタ電位に対
してベース電位を上昇させることにより、制御電
極領域(ベース領域)と出力回路に接続された主
電極領域(エミツタ領域)との間の接合について
順方向電位が正方向にバイアスされる。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ものである。
The potential of the base region, which is a control electrode region, is controlled by a reading means independently of the emitter and collector regions, which are main electrode regions. The operation at this time will be explained with reference to FIG. At the time of reading, a positive voltage V R is independently applied from the wiring 10 to the emitter as a main electrode region in a floating state and the collector as a main electrode region held at a positive potential, thereby changing the emitter potential. On the other hand, by increasing the base potential, the forward potential of the junction between the control electrode region (base region) and the main electrode region (emitter region) connected to the output circuit is biased in the positive 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, but the time required at this time is shortened by the action of the voltage VR , even in high-speed readout. Excellent linearity can be ensured.

一方、第1の主電極領域としてのエミツタはス
イツチ手段としてのMOSトランジスタ48,4
8′,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。
On the other hand, the emitter as the first main electrode region is connected to the MOS transistors 48 and 4 as switching means.
8', 48'' is connected to a first reference voltage source indicated with a ground symbol and grounded.

このとき第2主電極領域としてのコレクタは第
2の基準電圧源に接続、即ち正電位または接地電
位にされるこのような状態において正電位VRH
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
積されたホールが流れ出したり、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
ス手段としては上記読み出し手段に加えて、例え
ば第3図のバツフアMOSトランジスタ35,3
5′,35″、端子36,37等を設けることで構
成される。
At this time, the collector as the second main electrode region is connected to the second reference voltage source, that is, set to a positive potential or ground potential.In this state, a voltage of positive potential VRH is applied to the collector as the control electrode region. By controlling the potential, at least the base-emitter region is forward biased, holes accumulated in the base region flow out, electrons flow into the base region, and the accumulated charges disappear. As a forward bias means for applying such a forward bias, in addition to the above reading means, for example, the buffer MOS transistors 35 and 3 shown in FIG.
5', 35'', terminals 36, 37, etc.

以下、光センサセルの基本動作を第1図を用い
て説明する。
The basic operation of the optical sensor cell will be explained below with reference to FIG.

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、あらかじめコンンデンサCox13に、配線1
0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 by wiring 1.
It is assumed that by applying a positive pulse voltage through 0, the emitter 7 is at a negative potential, that is, the emitter 7 is brought into a reverse bias state. 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1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
内においてエレクトロン・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 enters from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 1, electron-hole pairs are 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1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
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-
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 Figures 1a and 1b, 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.
The photoexcited electrons in the p region immediately flow out of the p region 6 without recombining, and the n
If the structure is such that the holes are absorbed by the p-region 6, the holes excited in the p-region 6 will be accumulated as they are,
P region 6 is changed to a positive potential direction. When the impurity concentration in p region 6 is made uniform, electrons excited by light are diffused and are distributed between p region 6 and p region 6.
It flows to the pn - junction with the n - region 5, and is then absorbed by the 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、上記に述べたような望ましい不純物傾
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 about 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、再結晶損失を起こし感度に寄与しない
“dead 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. Attenuation coefficient [μm -1 ] x is the thickness of the "dead layer" on the semiconductor surface that causes recrystallization loss and does not contribute to sensitivity [μm], y is the thickness of the epitaxial layer [μm], T represents the transmittance, that is, the ratio of the amount of light that effectively enters the semiconductor, taking into account reflection and the like, relative to the amount of incident light. Spectral sensitivity S(λ) of this optical sensor cell
The photocurrent Ip is calculated using the following equation and the irradiance Ee (λ).

Ip=∫ pS(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=∫ p S(λ)・Ee(λ)・dλ [μA/cm 2 ] However, the irradiance Ee(λ) [μW・cm −2・nm −1 ] is given by the following formula.

Ee(λ)=Ev・P(λ)/6.80∫pV(λ)P(λ
)・dλ 〔μW・cm-2・nm-1〕 但しEvはセンサの受光面の照度〔Lnx〕、P
(λ)はセンサの受光面に入射している光分光布、
V(λ)は人間の目の比視感度である。
Ee(λ)=Ev・P(λ)/6.80∫ / p V(λ)P(λ
)・dλ [μW・cm -2・nm -1 ] However, Ev is the illuminance of the sensor's light receiving surface [Lnx], P
(λ) is the light distribution that is incident on the light receiving surface of the sensor,
V(λ) is the specific 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〕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
対の数は1.8×1012ケ/cm2・sec程度である。
Using these equations, for an optical sensor cell with an epitaxial layer thickness 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 pairs is about 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
おける光センサセルが第1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. 1, 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、高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
ンタイプのCCD型撮装置では、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 an 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、コレクタは正電位Vc.c.に保持される。
In the read operation state, the emitter and wiring 8 are held in a floating state, and the collector is held at a positive potential Vc.c.

第2図に等価回路を示す。 Figure 2 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は酸化膜容量
Cox13とベース・エミツタ間接合容量Cbe1
5、ベース・コレクタ間接合容量Cbc7によりり
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=O 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 increases the oxide film capacitance
Cox13 and base-emitter junction capacitance Cbe1
5. The capacitance is divided by 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 =O is satisfied, 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} However, 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4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. 4 shows an example of a temporal change in emitter potential calculated using the above formula.

第4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=O 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. 4, 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 =O 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/NAc) x{expq/KT(VP+VBias−Ve)−1} 第5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5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、正電圧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5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5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5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 /N Ac ) x {expq/KT (V P +V Bias −V e )−1} In Figure 5a, V Bias = 0.6V and In this case, after a certain period of time, the V R applied to the electrode 9 is returned to zero volts, and the flowing current is stopped. The relationship between the read voltage, that is, the emitter potential, and the accumulated voltage V p is shown below. However, in FIG. 5a, the read voltage is always added with a constant potential depending on the read time due to the bias voltage component, 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 voltage V It becomes the state before applying R , that is, -V B , and the emitter is reverse biased, so the flow of current stops. According to Figure 5a, 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 accumulated voltage V p and the readout voltage can be ensured over a range of about 4 digits. This shows that high-speed reading is possible. In Figure 5a, 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 4 pF, which is 0.014 of the junction capacitance of Cbe + Cbc. Although it is approximately 300 times larger than pF, the accumulated voltage V p generated in p region 6 is not attenuated in any way and is read out at extremely high speed due to the effect of the bias voltage. FIG. 5a 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1
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 the pn junction capacitance of the light-receiving part of the MOS type image pickup device), which has the disadvantage that the readout voltage value decreases by two orders of magnitude. 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 generated due to large wiring capacitance, that is, output capacitance, is large.
There was a problem that the S/N ratio could not be obtained, but the first
In the optical sensor cell with the configuration shown in Figures a, b, and c, p
The accumulated voltage itself generated in region 6 is read out to the outside, and since this voltage is quite large, fixed pattern noise and random noise caused by the output capacitance are relatively small, resulting in a signal with an extremely good S/N ratio. It is possible to obtain

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5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 Figure 5b.

第5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5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 5b, the horizontal axis is the bias voltage V Bias
, and the vertical axis indicates the readout time.
In addition, the parameters are, when the accumulated voltage is 1mV,
It shows the time dependence until the read voltage reaches 80%, 90%, 95%, and 98% of 1 mV. As shown in Figure 5a, when the storage voltage is 80%, 90%, 95%, and 98%, respectively, at a storage voltage of 1 mV, it is clear that the values are even better at higher storage voltages. it is obvious.

この第5図bによれば、バイアス電圧VBias
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5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 FIG. 5b, the bias voltage V Bias is
At 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. 5b.

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率がきわめ
て小さいこと及びエミツタに接続された容量負荷
電圧読み出しする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 according to the above configuration is that the probability of recombination of electrons and holes in the p region 6 is extremely small for the holes accumulated in the p region 6, and the capacitive load voltage connected to the emitter is read out. This means that it can be read out non-destructively. That is, when the voltage V R applied to the electrode 9 during readout is returned to zero volts, p
The potential of region 6 is in the reverse bias state before voltage V R is applied, and the accumulated voltage generated by light irradiation is
V P remains intact 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、最大保持時間は、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
サセルでは、空乏層の広がつている領域は、低不
純物濃度領域5であるn-領域5であり、このn6
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 during which the accumulated voltage V p can be held in the p region 6 is extremely long, and the maximum holding time is rather limited by the dark current thermally generated in the depletion layer of the junction. In other words, this thermally generated dark current saturates the optical sensor cell. However, in the optical sensor cell having the above configuration, the region in which the depletion layer spreads is the n region 5 which is the low impurity concentration region 5, and this n 6 region 5 has a width of 10 12 cm −3 to 10 14 cm It has an extremely low impurity concentration of about 3 , so 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に蓄積された電は、読出し動
作では消滅しない。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 optical sensor cell having the above configuration, as already mentioned, the electricity accumulated in the p region 6 does not disappear during 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6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. 6 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、 CoxCox+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Dbc16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 CoxCox+Cbe+Cbc·V RH is instantaneously applied as in the previous read operation. Due to this voltage, the base-emitter junction diode Dbc16 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
際のデバイ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 above equation is an approximation of a stepwise junction, and the actual device deviates from a 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7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. 7 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 when 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 base in a floating state at the moment the refresh voltage V RH is applied, and V RH ,
Depends on Cox, Cbe, Cbc and the charges stored in the base.

この第7図をみれば、ベースの電位は初期電位
によらず、ある時間経過後には必ず、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. 7, the potential of the base always decreases following a straight line on the semi-logarithmic graph after a certain amount of time has passed, regardless of the initial potential.

第7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7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. 7b shows experimental values of base potential change with respect to refresh time. Compared to the calculation example shown in Figure 7a, 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7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 Figure 7, 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。
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.

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。
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.

上記構成に係る光センサセルを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
ツシユモードと(このときは第7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7図aの例では、
10〔μsec〕〜10〔sbc〕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7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 according to 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 lift 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. 7a, 10
[sec]), 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, as shown in Figure 7a), there are two modes: In the example,
Refresh pulse of 10 [μsec] to 10 [sbc]). 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 7, 1 [nsec]
, 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 V RH, 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7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. 7c 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6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
ルスが印加されても、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とはなるが、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. 6, 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, the base-collector junction diode Dbc18 becomes non-conductive if the positive potential applied to the collector is higher than the potential applied to the base by the refresh pulse. As it remains in this state, current flows only through the base-emitter junction diode Dbe16. For this reason,
Although the base potential decreases relatively more slowly than when the collector is grounded, basically the same high-speed refresh operation as described above is performed.

すなわち第7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7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をわず
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, in the relationship between the base potential and the refresh time shown in FIG. 7a, the diagonal straight line when the base potential decreases in FIG. 7a shifts to the right, that is, in 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 disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No.
Publication No. 157073, Japanese Patent Publication No. 157073, Japanese Patent Publication No. 157073-
Compared to Publication No. 165473, it has an extremely simple structure and is fully compatible with future higher resolutions, as well as its excellent characteristics of low noise, high output, wide dynamic range, and non-destructive amplification function. The advantages of reading etc. are preserved as they are.

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
の一実施例について図面を用いて説明する。
Next, an embodiment 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.

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3図に示
す。
FIG. 3 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3図および
第8図に示すパルスタイミング図を用いて説明す
る。
The operation of this photoelectric conversion device will be explained using pulse timing diagrams shown in FIGS. 3 and 8.

第8図において、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。
In FIG. 8, 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8図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, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is kept at the ground potential or positive potential, and FIG. 8 shows that it is kept at the ground potential. Regardless of whether it is at ground potential or positive potential, as already explained, the only difference is the time required for refreshing.
There is no change in the basic operation. The potential 65 of the terminal 49 is
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 that makes the buffer MOS transistor conductive as shown by a waveform 66 is applied to the terminal 36, and the buffer MOS transistors 35, 35', and 35'' for refreshing the entire screen at once are in a conductive state. When a pulse as shown in waveform 67 is applied to the terminal 37, 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 charge that has been stored is 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 transistor collector potential waveform 64 is set to a positive potential. This allows electrons among electron-hole pairs generated by light irradiation to flow quickly toward the collector side. but,
Keeping this 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, images are taken with a negative potential.Even if the collector potential is at ground potential or a slightly negative potential, it is not an essential condition. There is no change in storage behavior.

蓄積動作状態においては、MOSトランジスタ
48,48′,48″のゲート端子子49の電位6
5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
38,38′,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が
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 6 of the gate terminal 49 of the MOS transistors 48, 48', 48''
5 is kept high as in the refresh section,
Each MOS transistor is kept conductive. For this reason, the emitter of each photosensor cell is grounded through vertical lines 38, 38', 38''. Due to strong light irradiation, holes are accumulated in the base,
When it becomes saturated, that is, when the base potential becomes forward biased with respect to the emitter potential (ground potential), the holes move along the 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を若干負電位にしておき、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 slightly negative potential to prevent hole accumulation. When the base potential changes in the positive potential direction,
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5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. 5, 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
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
おいて、MOSトランジスタ40のゲート端子4
3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 that at time t 6
, the gate terminal 4 of the MOS transistor 40
3, apply a pulse as shown in pulse waveform 71,
By turning on the MOS transistor 42 and grounding the output line 41, the remaining signal charges are refreshed. 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' increases. The signals are read out to the vertical lines 38, 38', and 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8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3図の右側に設置した一括リフレツ
シユを印加する機器の代わりに、左側と同様の第
2の垂直シフト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, we have explained the operation applied to application fields where the storage section 62 and the readout section 63 are clearly separated, for example, still video, which has been actively researched and developed recently. The present invention can also be applied to fields of application 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. 8. However, the refresh function at this time is not a one-time refresh function for the entire screen, but requires a refresh function for each line. For example, after the signal of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 is read out, at time t 7
In order to erase the charge remaining on each vertical line, the MOS transistors 48, 48', and 48'' are made conductive. At this time, a refresh pulse is applied to the horizontal line 31. That is, in the waveform 69, even at time t7 , a refresh pulse is applied to the horizontal line 31. Similar to time t4 , this can be achieved by using a vertical shift register configured to generate pulses with different pulse voltages and pulse widths. This can also be achieved by installing a second vertical shift register on the right side, similar to the one on the left side, instead of the device installed on the right side that applies a batch refresh, and operating it while shifting the timing from the vertical register installed on the left side. It is possible.

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4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28,
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 4, when V Bias is not applied,
Due to the saturation of each photosensor cell, vertical lines 28,
The signal charges flowing out to 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、本実施例に係る
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 embodiment can obtain extremely excellent characteristics with respect to the smear phenomenon. 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.

これに対して本実施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
れ出してしまい、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、本実施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 embodiment, the smear phenomenon that occurs due to its operation and structure does not easily 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 electrons will accumulate among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the optical sensor cell. Therefore, electrons are not accumulated and smear phenomenon does not occur. 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 this embodiment, 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 this embodiment. 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記述したが、こ
れを利用してΥ特性を制御することも可能であ
る。
Further, although 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 control the Υ characteristic using this.

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Υ=1の特性を示し、
入射光量の大きい所では、Υ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Υ=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Υ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 shows the characteristic of Υ=1 of silicon crystal when the amount of incident light is small,
In areas where the amount of incident light is large, Υ exhibits a characteristic such that it becomes smaller than 1. In other words, it is possible to provide the characteristic of Υ=0.45, which is normally required for television cameras, using a polygonal 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 Υ characteristic.

また、以上の実施側においては、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 implementation, the silicon substrate is used as a common collector, but a structure may be adopted in which a buried n + region is provided like a normal bipolar transistor and the collector is divided for each line.

なお、実際の動作には第8図に示したパルスタ
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 to the pulse timing shown in FIG. 8, clock pulses for driving the vertical shift register 32 and the horizontal shift register 39 are required for actual operation.

第9図に出力信号に関係する等価回路を示す。
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41
の配線容量をそれぞれ示している。また第9図右
側の等価回路は、読出し状態におけるものでであ
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。
FIG. 9 shows an equivalent circuit related to the output signal.
The capacitance C v 80 is the wiring capacitance of the vertical lines 38, 38', 38'', and the capacitance C H 81 is the wiring capacitance of the output line 41
shows the wiring capacitance of each. The equivalent circuit on the right side of FIG. 9 is in a read state, and 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3K〓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10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 following is an example of calculating the output signal waveform observed at the output terminal 47, assuming that the conduction state resistance R M 82 of the MOS transistor is about 3K, and the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 is about 100. It is shown in Figure 10.

第10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. 10, 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10K〓、
86は負荷抵抗RE45が5K〓、87は負荷抵抗
RE45が2K〓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 10K,
86 is load resistance R E 45 is 5K〓, 87 is load resistance
These are the values when R E 45 is 2K〓, and in both cases, the peak value is about 0.5 V due to the 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、本実施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. 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. If a bipolar transistor is used as in this example, the CCD
1/f, which is easily noticeable on images, is generated from the MOS transistor of the final stage amplifier in an imaging device.
The problem of noise does not occur in the photoelectric conversion device of this embodiment, and it is possible to obtain image quality with an extremely good S/N ratio.

上に述べた様に、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、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3図に示した実
施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 mentioned above, in a photoelectric conversion device using a photosensor cell with the above configuration, the amplification amplifier in the final stage can be extremely simple, so the configuration shown in FIG. 3 in which only one amplification amplifier in the final stage is provided Instead of the type shown in the embodiment shown, it is also possible to install a plurality of amplifiers so that one screen can be divided into a plurality of parts and read out.

第11図に、分割読出し方式の一例を示す。第
11図に示す実施例は、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3図の実施例および第8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11図の実施例では、3つ等価な水平シフ
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103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。
FIG. 11 shows an example of a divided readout method. The embodiment shown in FIG. 11 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 embodiment shown in FIG. 3 and the timing diagram shown in FIG.
In the embodiment shown in FIG. 11, three equivalent horizontal shift registers 100, 101, and 102 are provided, and when a starting pulse is input to the terminal 103 for applying these starting pulses, the 1st column and (n+1) column are eye,
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 point in time, the second column, (n+2) column,
The (2n+2)th column will be read.

この実施例によれば、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。
According to this embodiment, when the time to read out 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11図に示した実施例では、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。この場合の実施例を第12
図に示す。
In the embodiment shown in FIG. 11, three equivalent horizontal shift registers are provided, but the same function can be provided with only one horizontal shift register. The example in this case is shown in the 12th example.
As shown in the figure.

第12図の実施例は、第11図に示した実施例
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11図の実施例と同じである
から省略している。
The embodiment of FIG. 12 uses the horizontal switching MOS transistor of the embodiment 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 embodiment shown in FIG.

この実施例では、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 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+
The second column and (2n+2) column are read out.

この実施例によれば、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 embodiment, 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11図、第12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. 11 and 12, three output amplifiers are provided, but it goes without saying that this number may be increased depending on the purpose.

第11図、第12図の実施例ではいずれも、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スと同様、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ツクパルス発生器
から供給される。
In both the embodiments shown in FIGS. 11 and 12, the starting pulses and clock pulses for the horizontal shift register and vertical shift register are omitted, but they are provided in the same chip like other refresh pulses. clock pulse generator or
It is supplied from a clock pulse generator 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 Although there is a possibility that a slight discontinuity may occur and be noticeable on the image, the amount of this is small and poses no problem in practice. 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。これの一実施例を第13図に示
す。この第13図も第12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3図
および第11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のカラーフイルタ、
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13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
110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112に接続されたB信号をと
りだす。出力ライン110,111,112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, in a photoelectric conversion device using a photosensor cell according to the above configuration, the R signal, G signal, and B signal can be obtained from separate final stage amplifiers. It is possible. An example of this is shown in FIG. Like FIG. 12, FIG. 13 also shows only the area around the horizontal shift register. The rest is the same as Fig. 3 and Fig. 11, except that the first column is an R color filter, the second column is a 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 13, the first row,
Each vertical line of the 4th column, 7th column, etc. is connected to an output line 110, which takes out the R signal. Further, each vertical line of the second column, fifth column, eighth column, . . . is connected to an output line 111, which takes out the G signal. In the same way, 3rd row, 6th row, 9th row...
The B signal connected to each vertical line 112 of... is taken out. Output lines 110, 111, and 112 are each on-chip refresh MOS
It is connected to a transistor and a final stage amplifier, such as an emitter follower type bipolar transistor, and each color signal is output separately.

本発明の他の実施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14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15図a
に示す。
FIG. 14 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 present invention. In addition, the equivalent circuit and the overall circuit configuration diagram are shown in Figure 15a.
Shown below.

第14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14図において、すでに第1
図で示した構成と異なる点は、第1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120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14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. 14 is an optical sensor cell that can simultaneously perform a read operation and a line refresh using the same horizontal scan pulse. In Figure 14, the first
The difference from the configuration shown in the figure is that in the case of FIG. 1, there is only one MOS capacitor electrode 9 connected to the horizontal line wiring 10, but there are also MOS capacitor electrodes 120 on the sides of the vertically adjacent optical sensor cells. When viewed from one photosensor cell, the emitters 7 and 7' of the vertically adjacent photosensor cells in the figure are wires 8 and 121, which are two-layer wiring. In Fig. 14, the vertical line appears to be one, but two lines are arranged through an insulating layer).
The difference is that emitter 7' is connected to wiring 8 through contact hole 19, and emitter 7' is connected to wiring 121 through contact hole 19'.

これは第15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. 15a. 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15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3図の撮像装置と異な
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のほかに垂直ライン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15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15図bでは第15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。
The equivalent circuit shown in FIG. 15a differs from the image pickup device shown in FIG. 3, other than the basic photosensor cell section described above, in that it has a switching MOS transistor 48 for refreshing the vertical line 38 and a vertical line 138. 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. 15b using transistors. FIG. 15b shows only the vertical line selection and output amplifier system portions of FIG. 15a.

この第14図の光センサセルおよび第15図a
に示す実施例によれば、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 in FIG. 14 and FIG. 15a
According to the embodiment 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14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キヤパシタの面積にくら
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1
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1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+
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
分離の方が優れている。第1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 first
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, in connection with the structure shown in FIG. 1, the substrate is of a p-type, and the p-type substrate has a structure in which n + buried regions separated from each other are provided for each horizontal line of the collector. The n + buried regions of adjacent horizontal lines may be separated by a structure in which a p region is interposed therebetween. Dielectric isolation is better for reducing collector capacitors embedded along horizontal lines. In FIG. 1, 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 consumption will be reduced. Does not result in an increase in power. 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15図aの等価回路によれば、各水平ラ
イン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15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. 15a, the 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. 15b.

以上説明した様に本実施例によれば、比較的簡
単な構成で、ラインリフレツシユが可能となり、
通常のテレビ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 embodiment, line refresh is possible with a relatively simple configuration.
It can also be applied to fields of application such as ordinary television cameras.

本発明の他の実施例としては、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。
As another embodiment of the present invention, an optical sensor cell may be provided with a plurality of emitters, or one emitter may be 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 V p 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16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 16 shows selective epitaxial growth (N. Endo et al, “Novel device isolation
technology with selected epitaxial growth”
An example of the manufacturing method using Tech.Dig.of 1982 IEDM, pp.241-244) 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 of about 1 μm is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, H 2 O atmosphere or (H 2
+O 2 ) oxidizes in the 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16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3
01を堆積する(第16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ングにより
SiO2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16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,Cl2+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16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 areas that will become the isolation regions between cells is left behind, and the oxide film in other areas is (CF 4 +
H 2 ), C 2 F 4 , CH 2 F 2, etc. (step a in Figure 16). 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. The amorphous silicon 3
01 (step b in Figure 16), CBrF 3 ,
By anisotropic etching using reactive ion etching using gases such as CCl 2 F 2 and Cl 2 .
Remove the amorphous silicon other than that deposited on the side of the SiO 2 layer (step c in Figure 16). After sufficiently removing the damaged layer and contamination layer as before,
Thoroughly clean the silicon substrate surface and remove (H 2 +
The silicon layer is selectively grown using a gas system (SiH 2 , Cl 2 +HCl). 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 the silicon substrate, but since the silicon on the SiO 2 layer is etched by HCl, no silicon is deposited on the SiO 2 layer (FIG. 16d). The thickness of the n - layer 5 is, for example, about 3 to 5 μm. Impurity concentration is preferably between 10 12 and 10 16 cm
Set it to about -3 . Of course, it is possible to deviate from this range , but the impurity concentration and It is preferable to choose the thickness.

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なつて、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
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。SiH2Cl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. Of course, ultra-high purity materials are used for SiH 2 Cl, but HCl has a particularly low moisture content, preferably with a moisture content of at least 0.5 ppm.
Use the following: Of course, the lower the water content, the better. To further improve the quality of the epitaxial growth layer, the substrate is first treated at a high temperature of about 1150 to 1250°C to remove oxygen from near the surface, and then
It is also extremely effective to generate a large number of micro-defects inside the substrate by heat treatment at about 800° C. for a long time to make the substrate capable of intensive gettering with a denuded zone.
Since epitaxial growth is performed in the presence of the SiO 2 layer 4 as the isolation region,
In order to reduce the uptake of oxygen from SiO 2 ,
The lower the growth temperature, the more desirable. 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16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
16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0.61μm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 Figure 16). 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 Fig. 16), 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 0.61 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. If you want to increase the sensitivity, p region 6
It is desirable to reduce Cbe by lowering the impurity concentration. Cbe is approximately given as follows.

Cbe=Ae〓(q・NA/2〓Vbi)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、〓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は真性
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=Ae〓(q・N A /2〓Vbi) 1/2 However, Vbi is the emitter-base diffusion potential and is given by Vbi=kT/q1nN D N A /n i 2 . Here, 〓 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 intrinsic 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10Å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16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上と、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
う。(第16図の工程f)。ポリシリコン膜のエツ
チングはC2Cl2F4、(CBBrF3+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 angstroms to several hundreds of 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 16). 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 Figure 16). The polysilicon film is etched using a gas system such as C 2 Cl 2 F 4 or (CBBrF 3 +Cl 2 ), and the Si 3 N 4 film is etched using 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
はスパツタによつて堆積するか、あるいは
(CH33AlやACl3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
ポンドや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1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。306
は、前述したPSG膜、あるいはCVD法SiO2B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CV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 ACl 3 as raw material gas.
CVD method or Al-C of the above raw material gas
Al is deposited using the light irradiation CVD method, which cuts the bond or Al-Cl bond 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 completing the patterning of the metal wiring 10 shown in FIG.
An interlayer insulating film 306 is deposited by CVD. 306
is the aforementioned PSG film or CVD SiO 2 B film,
Alternatively, if it is necessary to take water resistance into consideration, an Si 3 N 4 film formed by a (SiH 4 +NH 3 ) gas-based plasma CVD method is used. In order to keep the hydrogen content in the Si 3 N 4 film low, (SiH 4 + N 2 )
Use the plasma CV method in a 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上のポリシリコンに、絶縁膜305,
306を貫通した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1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CVG法により堆積す
る(第16図g)。
Through the mask alignment process and etching process,
An insulating film 305,
After drilling a contact hole through 306 using a reactive ion etching method, use the method described above.
Deposit metals such as Al, 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. 1, a final passivation film is formed.
A Si 3 N 4 film or a PSG film 2 is deposited by the CVG method (FIG. 16g).

この場合も、光CVD法による膜がすぐれてい
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 by the photo-CVD method is superior. 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16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. 16 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
16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ト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. 16, 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 the amorphous Si is made into a single crystal during processing, the characteristics of the interface will be 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
ト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
で堆積し、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, effective solid-phase growth of amorphous Si is a rapid annealing technique in which the substrate is kept at a certain temperature and heated by a fuselage lamp or an infrared lamp for, for example, 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, polycrystalline Si needs to be deposited using a very clean process and does not contain oxygen, carbon, etc. at 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SiO2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
域4に接触するn-領域5の0.3〜1μm程度の高さ
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 part of region 5 adjacent to SiO 2 separation region 4,
This problem of leakage current can be avoided by increasing the n-type impurity concentration. For example, only the region with a height of about 0.3 to 1 μm of the n - region 5 that contacts the isolated SiO 2 region 4, for example, about 1 to 10 × 10 16 cm -3
This increases the impurity concentration in the shape. 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17図のような構造に構成するわ
けである。分離領域4が、3層構造に構成されて
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. 17. 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 capacitance Cbc increases, the base
The leakage current between the collectors is drastically reduced.

第16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.
Hayasakaet 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. 16, 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 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
を薄い絶縁層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
光電交換する装置である。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 device performs photoelectric exchange of 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 layer. 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 is
Depending on the purpose, it may be composed of a high-resistance substrate of an opposite conductivity type and high-concentration impurity buried regions separated for each horizontal line. 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, a pulse train that waits for two types of voltages may be used, or as explained in the double capacitor structure, the capacitance C px of the readout MOS capacitor electrode may be made larger than the capacitance C px of the refresh MOS capacitor electrode. You can leave it there. 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
ス内部に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/SiO 2
Pile up on the Si side of the interface. That is, a strong drift electric field is generated inside the base from the surface to the inside, and the optically excited 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たるた
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、酸化膜厚にもよるが、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、表面に集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 thickness, 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 collected 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.

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.

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, and word processors, OCR, barcode reading devices, and photoelectric conversion object detection devices for autofocus such as cameras, video cameras, and 8mm cameras.

[発明の効果] 本発明によれば、ベース領域の電位が、コレク
タ領域、エミツタ領域とは独立的に制御されるの
で、出力電圧信号の良好な直線性を確保しつつ高
速での読み出しが可能となる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, since the potential of the base region is controlled independently of the collector region and emitter region, high-speed readout is possible while ensuring good linearity of the output voltage signal. becomes.

又、蓄積時には、ベース領域をエミツタ領域に
対して逆バイアスする電圧により飽和電圧を決定
でき、リフレツシユ時にはベース領域をエミツタ
領域に対して順方向に深くバイアスできるので、
高速動作でダイナミツクレンジの広い、残像,ノ
イズのない良好な出力信号を得ることができる。
更には青感度特性が向上する。
Also, during storage, the saturation voltage can be determined by the voltage that reverse biases the base region with respect to the emitter region, and during refresh, the base region can be biased deeply in the forward direction with respect to the emitter region.
It operates at high speed, has a wide dynamic range, and can provide a good output signal with no afterimage or noise.
Furthermore, blue sensitivity characteristics are improved.

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密度化がきわめて容
易であり、同時にその構造からブルーミング、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 increase the density, and at the same time, due to its structure, there is little blooming and smearing, and it has high sensitivity. Its dynamic range is wide, and 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.

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

第1図,第2図及び第4図から第7図までは、
本発明の一実施例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1図
aは平面図、bは断面図、cは等価回路図であ
り、第2図は読出し動作時の等価回路図、第4図
は読出し時間と読出し電圧との関係を示すグラ
フ、第5図aは蓄積電圧と読出し時間との関係
を、第5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6図はリフレツシユ
動作時の等価回路図、第7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3図は第1図に示す光センサにより構成し
た光電変換装置の回路図である。第8図から属第
10図までは、第1図に示す光センサにより構成
した第3図の光電変換装置の説明図であり、第8
図はパルスイミング図である。第9図は出力信号
に関係する等価回路図、第10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11,12及び第13図は他の光電変換装
置を示す回路図である。第14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
15図は第14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16図
及び17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……シリコン基板、2……PSG膜、3……
絶縁酸化膜、4……素子分離領域、5……n-
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+領域、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、38……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、300……アモ
ルフアスシリコン、302……窒化膜、303…
…PSG膜、304……ポリシリコン、305…
…PSG膜、306……層間絶縁膜。
Figures 1, 2, and 4 to 7 are
1 is a diagram for explaining the main structure and basic operation of an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, b is a sectional view, and c is an equivalent circuit diagram; FIG. 2 is an equivalent circuit diagram during read operation; FIG. 4 is a graph showing the relationship between read time and read voltage; Figure 5a is a graph showing the relationship between storage voltage and readout time, Figure 5b is a graph showing the relationship between bias voltage and readout time, Figure 6 is an equivalent circuit diagram during refresh operation, and Figures 7a to c. is a graph showing the relationship between refresh time and base potential. FIG. 3 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device constructed from the optical sensor shown in FIG. 1. FIG. 8 to FIG. 10 are explanatory diagrams of the photoelectric conversion device of FIG. 3 configured by the optical sensor shown in FIG.
The figure is a pulse swimming diagram. FIG. 9 is an equivalent circuit diagram related to the output signal, and FIG. 10 is a graph showing the output voltage from the moment of conduction in relation to time. 11, 12 and 13 are circuit diagrams showing other photoelectric conversion devices. FIG. 14 is a plan view for explaining the main structure of a modified example of the present invention. FIG. 15 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device constituted by the optical sensor cell shown in FIG. 14. FIGS. 16 and 17 are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention. 1...Silicon substrate, 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 part, 20...Light, 28...
Vertical line, 30...Photo sensor cell, 31...Horizontal line, 32...Vertical shift register, 33,
35...MOS transistor, 36, 37...terminal, 38...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, 300... Amorphous silicon, 302... Nitride film, 303...
...PSG film, 304...Polysilicon, 305...
...PSG film, 306...Interlayer insulating film.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 コレクタ電極と電気的に接続されている第1
導電型の半導体からなるコレクタ領域と、 前記コレクタ領域に隣接して配設され、該コレ
クタ領域よりも高い抵抗率の高抵抗半導体領域
と、 前記高抵抗半導体領域に隣接して配設されると
ともに、電極に対して絶縁領域を介して配設され
ている第1導電型と異なる第2導電型の半導体か
らなるベース領域と、 前記ベース領域に隣接して配設され、容量負荷
を含む出力回路に電気的に接続されたエミツタ電
極に電気的に接続された第1導電型の半導体から
なるエミツタ領域と、 を有するバイポーラトランジスタを含む光電変換
装置であつて、 前記ベース領域は、前記電極により、該ベース
領域の電位を制御することによつて、受容した光
エネルギーによつて発生するキヤリアが蓄積さ
れ、該ベース領域に蓄積されたキヤリアに対応す
る出力信号が前記容量負荷における電圧として前
記エミツタ電極側に読み出され、その後蓄積され
たキヤリアが該エミツタ電極を介してリフレツシ
ユされるべく、浮遊状態になつていることを特徴
とする光電変換装置。 2 前記制御電極領域上に設けられた絶縁層と該
制御電極領域との界面に沿つた一部分に、第1導
電型の半導体層領域が介在していることを特徴と
する特許請求の範囲第1項に記載の光電変換装
置。 3 前記バイポーラトランジスタは第1導電型の
半導体からなる半導体基板と一体的に構成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
載の光電変換装置。 4 前記バイポーラトランジスタは第2導電型の
半導体からなる半導体基板上に形成されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の光
電変換装置。 5 前記バイポーラトランジスタが2次元的に複
数配列され半導体基体に一体的に設けられている
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
光電変換装置。
[Claims] 1. A first electrode electrically connected to the collector electrode.
a collector region made of a conductive type semiconductor; a high-resistance semiconductor region disposed adjacent to the collector region and having a higher resistivity than the collector region; and a high-resistance semiconductor region disposed adjacent to the high-resistance semiconductor region. , a base region made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type and disposed with respect to the electrode via an insulating region; and an output circuit disposed adjacent to the base region and including a capacitive load. An emitter region made of a first conductivity type semiconductor electrically connected to an emitter electrode electrically connected to a bipolar transistor, the photoelectric conversion device including a bipolar transistor having: By controlling the potential of the base region, carriers generated by received optical energy are accumulated, and an output signal corresponding to the carriers accumulated in the base region is applied to the emitter electrode as a voltage at the capacitive load. 1. A photoelectric conversion device characterized in that the photoelectric conversion device is in a floating state so that carriers read out to the side and subsequently accumulated are refreshed via the emitter electrode. 2. Claim 1, characterized in that a semiconductor layer region of the first conductivity type is interposed in a portion along the interface between the insulating layer provided on the control electrode region and the control electrode region. The photoelectric conversion device described in . 3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the bipolar transistor is integrally formed with a semiconductor substrate made of a first conductivity type semiconductor. 4. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the bipolar transistor is formed on a semiconductor substrate made of a second conductivity type semiconductor. 5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a plurality of the bipolar transistors are two-dimensionally arranged and integrally provided on a semiconductor substrate.
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