JPH06197280A - Signal processor - Google Patents

Signal processor

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JPH06197280A
JPH06197280A JP5178542A JP17854293A JPH06197280A JP H06197280 A JPH06197280 A JP H06197280A JP 5178542 A JP5178542 A JP 5178542A JP 17854293 A JP17854293 A JP 17854293A JP H06197280 A JPH06197280 A JP H06197280A
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region
potential
base
voltage
photoelectric conversion
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JP5178542A
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Tadahiro Omi
忠弘 大見
Nobuyoshi Tanaka
信義 田中
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Canon Inc
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Abstract

PURPOSE:To attain high speed signal processing with simple circuit configuration by using plural relevant signal processing means so as to apply parallel processing to output signals from plural photo sensor arrays. CONSTITUTION:A base store image sensor is employed, in which carriers excited by light are stored in a base region of a control electrode region in the floating state. When a start pulse is inputted to a terminal 103, MOS transistors(TRs) are controlled by equivalent horizontal shift registers 100, 101, 102, and let the number of horizontal pixels be 3n, outputs of sensor cells connected to a 1st row, a (n+1)th row and a (2n+1)th row are simultaneously read out, then, a 2nd row, a (n+2)th row and a (2n+2)th row are read out and they are amplified and outputted by output TRs 44. Thus, the scanning frequency in the horizontal direction is set low and high speed A/D conversion in the signal processing is not required and high speed processing is executed with a simple circuit configuration.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光電変換装置および光
電変換方法に係り、特に光入射により発生したキャリア
を蓄積し、蓄積されたキャリアに基づいて信号を読み出
す光電変換装置及び光電変換方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion method, and more particularly to a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion method for accumulating carriers generated by light incidence and reading a signal based on the accumulated carriers. .

【0002】[0002]

【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。
2. Description of the Related Art In recent years, research on photoelectric conversion devices, particularly solid-state image pickup devices, has been actively conducted with the progress of semiconductor technology, and some have begun to be put to practical use.

【0003】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キャパシタ電極下にポテンシャルの井戸
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、これらのポテンシャルの井戸を、
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もある。また一方、MOS型撮像装
置は、受光部を構成するpn接合よりなるフォトダイオ
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、それぞれのフォトダイオードに接続された
MOSスイッ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 image pickup devices are roughly classified into two types, CCD type and MOS type. The CCD type image pickup device forms potential wells under the MOS capacitor electrodes, accumulates electric charges generated by the incidence of light in the wells, and at the time of reading, these potential wells are
The principle is that the accumulated charges are transferred to the output amplifier section and read out by sequentially moving them by the pulse applied to the electrodes. Further, in the CCD type image pickup device, the light receiving part is a pn
There is also a type in which a junction diode structure is used and the transfer unit is a CCD structure. On the other hand, the MOS-type image pickup device accumulates charges generated by the incidence of light in each of the photodiodes having a pn junction that constitutes a light receiving portion, and sequentially reads out the MOS switching transistors connected to the photodiodes at the time of reading. It is based on the principle that the charges accumulated by turning on are read out to the output amplifier section.

【0004】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
るフローティング・ディフュージョ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型アンプがオンチップ化されるた
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。従って、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、一つのポテンシャル井戸に蓄積できる最大の電荷
量が減少し、ダイナミッ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、ポテンシャ
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
荷転送がストップしたり、あるいは、極端に悪くなって
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。
The CCD type image pickup device has a relatively simple structure, and in view of 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. It is an imaging device with relatively low noise and is capable of low-illumination imaging. However, due to the process limitation of making a CCD type image pickup device, a MOS type amplifier is on-chip as an output amplifier, so 1 / f noise, which is easily noticeable on the image, is generated from the interface between silicon and the SiO 2 film. To do. Therefore, although it is called low noise, there is a limit to its performance. Also,
If the number of cells is increased and the density is increased for higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well decreases, and the dynamic range cannot be obtained.
In the future, there will be a big problem in increasing the resolution of the solid-state imaging device. Further, since the CCD type image pickup device transfers the accumulated charges by sequentially moving the potential wells, even if there is a defect in one of the cells, the charge transfer is stopped there, or an extreme charge is generated. It also has a drawback that the production yield does not increase.

【0005】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、ダイナミッ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
フォ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ップが発生し、出力電圧が下がっ
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、また各フォトダイオードおよ
び水平スキャン用のMOSスイッ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, the MOS type image pickup device is a little complicated in structure as compared with the CCD type image pickup device, especially the frame transfer type device, but it can be constructed so as to increase the storage capacity and is dynamic. It has the advantage that it can take a wide range. Further, even if one of the cells has a defect, the defect does not affect other cells due to the XY address system, which is advantageous in terms of manufacturing yield. However, in this MOS type image pickup device, since wiring capacitance is connected to each photodiode at the time of signal reading, an extremely large signal voltage drop occurs, the output voltage drops, and wiring capacitance is large, which causes random noise. Is generated, fixed pattern noise is mixed due to variations in parasitic capacitance of each photodiode and MOS switching transistor for horizontal scanning, and low-illuminance shooting is more difficult than a CCD image pickup device. have.

【0006】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。これに対しチップサイズから決まってくる配線容量
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。
Further, in the future high resolution of the image pickup apparatus, the size of each cell is reduced and the accumulated charge is reduced. On the other hand, the wiring capacity determined by the chip size does not decrease much even if the line width is reduced. Therefore, the MOS type image pickup device becomes more and more disadvantageous in terms of S / N.

【0007】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 the CCD type and MOS type image pickup devices have advantages and disadvantages as described above, they are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there are inherently large problems in advancing the higher resolution required in the future.

【0008】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MO
S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、MO
S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
って、ここで提案されている方式は、高出力、広ダイナ
ミックレンジ、低雑音であり、かつ、光信号により励起
されたキャリア(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ットを有
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 the solid-state image pickup device, JP-A-56-150878, "Semiconductor imager", JP-A-56-157073, "Semiconductor imager", and JP-A-56-165473, " A new method has been proposed for the “semiconductor image pickup device”. An image pickup device of CCD type or MOS type uses a charge generated by light incidence as a main electrode (for example, MO.
In contrast to the accumulation in the source of the S-transistor, the method proposed here is such that the electric charge generated by light incidence is stored in the control electrode (for example, the base of a bipolar transistor, SIT (static induction transistor) or MOS transistor). It is based on the new idea of controlling the flowing current by the charge accumulated in the gate) and generated by light. That is, CCD type, MO
While the S-type reads out the stored charge itself to the outside, the method proposed here reads out the stored charge after amplifying the charge by the amplification function of each cell. In addition, if the viewpoint is changed, the low impedance output is read out by impedance conversion. Therefore, the method proposed here has high output, wide dynamic range, low noise, and since carriers (charges) excited by an optical signal are accumulated in the control electrode, nondestructive readout is possible. Has some benefits. Furthermore, it can be said that this method has potential for higher resolution in the future.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】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。
However, this system is basically an XY address system, and the device structure described in the above publication has a bipolar transistor in each cell of a conventional MOS type image pickup device. The basic configuration is a composite of amplification elements such as SIT transistors.
Therefore, although it has a relatively complicated structure and has the possibility of high resolution, there is a limit to high resolution as it is.

【0010】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- 15
7073号公報、特開昭56-165473 号公報及び「 SIT (Stat
ic Injection Transistor)イメージセンサへの応用、テ
レビジョン学会技術報告(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った従来技術の一代
表例を示すものである。
There are also limitations in the points described below. JP-A-56-150878, JP-A-56-15
7073, JP-A-56-165473 and SIT (Stat
ic Injection Transistor) Application to image sensor, Technical Report of Television Society (hereinafter referred to as TV Society journal) "
FIG. 1 shows a representative example of a conventional technique involving one of the inventors of the present invention.

【0011】特開昭56-150878 号公報、特開昭56-15707
3 号公報には、N+ 、P+ 、I(又はP- 、N- )、N
+ 領域からなるフック構造のP+ 領域に電荷を蓄積し、
接地電位との間でキャパシタを形成しているN+ 領域の
電位をスイッ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, JP-A-56-15707
The 3 JP, N +, P +, I ( or P -, N -), N
The charge is accumulated in the P + region of the hook structure composed of the + region,
There is described a configuration of a system in which the potential of an N + region forming a capacitor with the ground potential is read by a switching transistor.

【0012】しかしながら、この構成では出力信号の高
速で直線性が十分な読み出しが行えない。また読み出し
後のリセット動作においてもP+ 領域を接地するだけ
で、出力側のリセットすらしておらず、目につくような
残像が多く発生する。また固定パターンノイズも大き
い。
However, with this configuration, it is not possible to read the output signal at a high speed and with sufficient linearity. Also in the reset operation after reading, only the P + region is grounded, the output side is not reset, and a noticeable afterimage is often generated. Also, fixed pattern noise is large.

【0013】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+ 領域の
フッ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
なっており、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、これも出
力信号の高速で直線性が十分な読み出しができない。ま
た、読み出し後のリセット動作においても出力回路とは
反対側の透明電極側のN+ 領域を0か僅かに負電位にセ
ットするだけで出力側のリセットもないために目につく
ような残像が多く発生してしまう。更に高速リフレッシ
ュもできない。
On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-165473 discloses N +
Region, a floating P + region, a high resistance region, and an N + region connected to a transparent electrode to which a pulse voltage is applied, N + , P + , I (or P , N ), The hook structure of the N + region is shown. The floating N + region is also one of the main electrode regions of the read transistor at the same time. During the read operation, the transistor is turned on and electrons flow into the positively charged N + region, and the voltage change is used as a signal. Read out. However, this also cannot read the output signal at high speed and with sufficient linearity. Also, in the reset operation after reading, the N + region on the transparent electrode side opposite to the output circuit is set to 0 or slightly negative potential, and there is no reset on the output side. Many occur. Furthermore, high speed refresh is not possible.

【0014】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ッシュ線を介してゲート領域を予
め所定の電圧に逆バイアスし、ソース接地抵抗負荷の出
力回路に読み出す構成である。しかしながら、この構成
では、出力信号を高速で読み出そうとすると十分な直線
性が得られない。なぜならば、読み出し時に十分な順バ
イアスがかからない為に短時間では出力電圧が必要な値
に到達しないからである。又、出力側のリセットすらな
いので、リセット動作が不十分で残像が多く発生してし
まう。
In addition, the TV conference journal shows a gate storage type photocell and a base storage type photocell. Among them, the gate storage type photocell has a configuration in which the gate region is set in a floating state and the gate region is reverse-biased in advance to a predetermined voltage via a refresh line via an insulating film and read to an output circuit of a source ground resistance load. However, with this configuration, sufficient linearity cannot be obtained when the output signal is read at high speed. This is because the output voltage does not reach the required value in a short time because a sufficient forward bias is not applied during reading. Further, since resetting is not performed on the output side, the resetting operation is insufficient and many afterimages occur.

【0015】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、容量とスイッチングMOS
FETとを含むエミッタホロアの出力回路が接続された
エミッタ(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
出しを行っている為に、図5や図6,図7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。またリ
フレッシュにおいてもエミッタとコレクタとを接地する
だけであるので固定パターンノイズが大きく高速リフレ
ッシュができない。
On the other hand, the base storage type photocell has N + , P
+, N -, N + has a phototransistor structure, a base in a floating state (P +), a collector (N +) of pulses to a voltage is applied, the capacitance and the switching MOS
An emitter follower output circuit including an FET and an emitter (N + ) to which the output circuit is connected. However, in this configuration, since reading is performed by applying a voltage to the collector, it is difficult to ensure linearity at high speed operation, as will be described later with reference to FIGS. 5, 6, and 7. Also, in refreshing, since the emitter and collector are simply grounded, fixed pattern noise is large and high-speed refreshing cannot be performed.

【0016】また、以上の従来技術とは別に、米国特許
第3,624,428 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ッ
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、該エミッタ接地抵抗負荷の出
力回路で電流読み出しを行う構成が示されている。しか
し所詮、破壊型の電流読み出しである為に直線性、残像
特性が悪い。[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及び
光電変換方法を提供することにある。
In addition to the above-mentioned prior art, US Pat. No. 3,624,428 and Japanese Patent Publication No. 50-38531 disclose an output circuit of a grounded-emitter resistance load for a transistor in which an electrode is provided on the base through an insulating layer. Is connected, the base is reversely biased to perform the accumulation operation, and the output circuit of the grounded-emitter resistor load reads the current. After all, however, the linearity and the afterimage characteristic are poor because of the destructive type current reading. [Object of the Invention] It is an object of the present invention to provide a new photoelectric conversion device and photoelectric conversion method which have an amplification function in each cell and have an extremely simple structure and which can sufficiently cope with future high resolution. is there.

【0017】本発明の別の目的は、直線性の良好な高速
読み出しをおこなっても残像や固定パターンノイズがほ
とんど問題とならず、しかも高速リフレッシュのできる
光電変換装置及び光電変換方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion method in which afterimages and fixed pattern noise hardly cause problems even when high-speed reading with good linearity is performed, and high-speed refreshing is possible. It is in.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】かかる目的は、第一導電
型の半導体からなる制御電極領域と、前記第一導電型と
は異なる第二導電型の半導体からなり容量負荷を含む出
力回路に電気的に接続された第一の主電極領域と、第二
導電型の半導体からなる第二の主電極領域と、を有し、
光エネルギーを受けることにより生成されるキャリアを
前記制御電極領域に蓄積可能なトランジスタと、蓄積さ
れたキャリアに基づいて信号を読出した後のリフレッシ
ュ動作において、前記第一の主電極領域を基準電位に保
持し、前記制御電極領域に蓄積されたキャリアを除く為
のリフレッシュ手段と、を具備し、蓄積動作、読み出し
動作及びリフレッシュ動作を行う光電変換装置におい
て、前記リフレッシュ手段は、前記制御電極領域に基準
電圧源から前記第一及び第二の主電極領域に対して独立
的に電位を与え、前記基準電位に保持された状態の前記
第一の主電極領域と該制御電極領域との接合部を順方向
にバイアスする手段であることを特徴とする光電変換装
置により達成される。
The object is to electrically control a control electrode region made of a semiconductor of a first conductivity type and an output circuit including a capacitive load made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type. A first main electrode region electrically connected, and a second main electrode region made of a second conductivity type semiconductor,
In a transistor capable of accumulating carriers generated by receiving light energy in the control electrode region, and in a refresh operation after reading a signal based on the accumulated carriers, the first main electrode region is set to a reference potential. Refreshing means for holding and removing carriers accumulated in the control electrode area, wherein the refreshing means is a reference to the control electrode area. An electric potential is independently applied to the first and second main electrode regions from a voltage source, and the junction between the first main electrode region and the control electrode region held at the reference potential is sequentially arranged. This is achieved by a photoelectric conversion device characterized in that it is means for biasing in the direction.

【0019】また、かかる目的は、第一導電型の半導体
からなる制御電極領域と、前記第一導電型とは異なる第
二導電型の半導体からなり容量負荷を含む出力回路に電
気的に接続された第一の主電極領域と、第二導電型の半
導体からなる第二の主電極領域と、を有し、光エネルギ
ーを受けることにより生成されるキャリアを前記制御電
極領域に蓄積可能なトランジスタと、前記第一の主電極
領域を基準電位に保持し、前記制御電極領域に蓄積され
たキャリアを除く為のリフレッシュ手段と、を具備する
光電変換装置を用いた光電変換方法において、前記制御
電極領域にキャリアを蓄積する為に前記トランジスタを
光照射する蓄積工程と、前記制御電極領域に蓄積された
キャリアに基づいて信号を読み出す読み出し工程と、前
記リフレッシュ手段により、前記制御電極領域には基準
電圧源から前記第一及び第二の主電極領域に対して独立
的に電位が与えられ、前記基準電位に保持された状態の
前記第一の主電極領域と該制御電極領域との接合部が順
方向にバイアスされ該制御電極領域に蓄積されたキャリ
アを除くリフレッシュ工程と、を含むことを特徴とする
光電変換方法により達成される。
Further, such an object is electrically connected to a control electrode region made of a first conductivity type semiconductor and an output circuit made of a second conductivity type semiconductor different from the first conductivity type and including a capacitive load. A first main electrode region and a second main electrode region made of a second conductivity type semiconductor, and a carrier capable of storing carriers generated by receiving light energy in the control electrode region. A photoelectric conversion method using a photoelectric conversion device, comprising: a refresh unit for holding the first main electrode region at a reference potential and removing carriers accumulated in the control electrode region. A storage step of irradiating the transistor with light to store carriers therein, a reading step of reading out a signal based on the carriers stored in the control electrode region, and the refreshing step. A potential is independently applied to the control electrode region from the reference voltage source with respect to the first and second main electrode regions, and the first main electrode region in a state of being held at the reference potential is And a refresh step of removing carriers accumulated in the control electrode region by forward biasing the junction with the control electrode region.

【0020】[0020]

【作用】本発明によれば、リフレッシュ動作時に制御電
極領域の電位を主電極領域とは独立的に制御することが
できる。
According to the present invention, the potential of the control electrode region can be controlled independently of the main electrode region during the refresh operation.

【0021】読み出し時には、制御電極領域と出力回路
に接続された主電極領域との間の接合がバイアスされ
る。こうして出力回路の容量負荷に電荷が蓄積されるの
で、非破壊モードで出力信号を得ることができる。
During reading, the junction between the control electrode region and the main electrode region connected to the output circuit is biased. In this way, since the electric charge is stored in the capacitive load of the output circuit, the output signal can be obtained in the nondestructive mode.

【0022】そして、リフレッシュ時には、制御電極領
域の電位を独立的に制御して制御電極領域と主電極領域
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
に接続された主電極領域を通じてリフレッシュができ高
速動作で蓄積された電荷の除去が可能となり残像やノイ
ズ除去のためのリフレッシュが高速で行える。
At the time of refreshing, the potential of the control electrode region is independently controlled to deeply bias the junction between the control electrode region and the main electrode region in the forward direction to pass through the main electrode region connected to the output circuit. It is possible to refresh and remove the accumulated charge by high-speed operation, so that refreshing for removing afterimages and noise can be performed at high speed.

【0023】[0023]

【実施例】本発明による好適な実施態様例の概略を以下
に説明する。
The outline of a preferred embodiment of the present invention will be described below.

【0024】まず、図1及び図2を参照すると、図1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
セルの第一の主電極領域(エミッタ)には出力回路が接
続されている。この出力回路は垂直ライン38,3
8′,38″、水平シフトレジスタ39、MOSトラン
ジスタ40,40′,40″、出力ライン41、MOS
トランジスタ42、出力トランジスタ44、負荷抵抗4
5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図2の符号21で示すCsのように
配線容量を有している。
First, referring to FIGS. 1 and 2, an output circuit is connected to a first main electrode region (emitter) of a photoelectric conversion cell including a transistor as shown by reference numeral 30 in FIG. This output circuit has vertical lines 38, 3
8 ', 38 ", horizontal shift register 39, MOS transistors 40, 40', 40", output line 41, MOS
Transistor 42, output transistor 44, load resistor 4
The vertical lines 38, 38 ', and 38 "each have a wiring capacitance such as Cs indicated by reference numeral 21 in FIG. 2 as a capacitive load.

【0025】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、バッファMOSトランジスタ33,3
3′,33″、端子34、水平ライン31,31′,3
1″が設けられた回路構成を採っている。
A vertical shift register 32 and buffer MOS transistors 33, 3 serve as reading means for reading a signal photoelectrically converted based on the accumulated charges.
3 ', 33 ", terminals 34, horizontal lines 31, 31', 3
1 "is provided in the circuit configuration.

【0026】蓄積動作時には、エミッタは浮遊状態或は
接地され、第二の主電極領域(コレクタ)は正電位にバ
イアスされる。また制御電極領域(ベース)はエミッタ
に対して逆バイアス状態にされるが、この時のベース電
位を制御することにより飽和電圧を決定できる。こうし
てバイアス電圧を適宜設定すればセル自体にスイッチン
グ作用を持たせることができる。
During the storage operation, the emitter is floating or grounded, and the second main electrode region (collector) is biased to a positive potential. The control electrode region (base) is reverse biased with respect to the emitter, and the saturation voltage can be determined by controlling the base potential at this time. Thus, by appropriately setting the bias voltage, the cell itself can have a switching action.

【0027】読み出し動作時には、エミッタは浮遊状態
にされ、コレクタは正電位にバイアスされる制御電極領
域は主電極領域とは独立的に読み出し手段によってその
電位が制御される。ここでベースをエミッタに対して順
方向にバイアスすると良好な直線性を確保しつつ高速読
み出しができる。この時の動作を図2を参照して説明す
る。読み出し時には浮遊状態にあるエミッタ及び正の電
位に保持されているコレクタに対して、独立的に配線1
0より正の電圧VR を印加することでエミッタ電位に対
してベース電位を順方向にバイアスすることにより、エ
ミッタベース接合が順方向に深くバイアスされる。この
ようにして、エミッタ電位がベース電位即ち光照射によ
り発生した蓄積電圧に等しくなるまで、電流が流れるの
であるが、このときに要する時間は、電圧VR の作用に
より一層短縮され高速読み出しにおいても、優れた直線
性が確保できるのである。
During the read operation, the emitter is in a floating state and the collector is biased to a positive potential. The potential of the control electrode region is controlled by the read means independently of the main electrode region. When the base is biased in the forward direction with respect to the emitter, high-speed reading can be performed while ensuring good linearity. The operation at this time will be described with reference to FIG. At the time of reading, the wiring 1 is independently provided to the floating emitter and the collector held at a positive potential.
By biasing the base potential in the forward direction with respect to the emitter potential by applying a positive voltage V R from 0, the emitter-base junction is deeply forward biased. In this way, the current flows until the emitter potential becomes equal to the base potential, that is, the storage voltage generated by light irradiation. The time required at this time is further shortened by the action of the voltage V R , and even in high-speed reading. Therefore, excellent linearity can be secured.

【0028】リフレッシュ動作は以下のとおりである。The refresh operation is as follows.

【0029】エミッタはスイッチ手段としてのMOSト
ランジスタ48,48′,48″によりアース記号をも
って示される第1の基準電圧源に接続され接地される。
このときコレクタは第2の基準電圧源に接続、即ち正電
位または接地電位にされる。こうして、容量負荷を含む
垂直ライン38、38′、38″がリセットされる。こ
こでコレクタが接地される場合を図3に示してある。こ
のような状態において正電位VRHなる電圧を印加して制
御電極領域としてのベースの電位を制御することにより
少なくともベース・エミッ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リフレッシュ手段と
してはMOSトランジスタ48,48′,48″やバッ
ファMOSトランジスタ35,35′,35″、端子3
6、ベースに独立的に電位VRHを与える為の基準電圧源
となる端子37等を設けることで構成される。
The emitter is connected to the first reference voltage source, which is indicated by a ground symbol, by MOS transistors 48, 48 ', 48 "as switching means and is grounded.
At this time, the collector is connected to the second reference voltage source, that is, the positive potential or the ground potential. Thus, the vertical lines 38, 38 ', 38 "including the capacitive load are reset. The case where the collector is grounded is shown in FIG. 3. In such a state, a voltage of positive potential V RH is applied. By controlling the electric potential of the base as the control electrode region, at least the base-emitter is forward-biased and holes accumulated in the base region flow out or electrons are accumulated in the base region. The charge disappears.As refresh means for applying such a forward bias, MOS transistors 48, 48 ', 48 ", buffer MOS transistors 35, 35', 35", terminal 3 are provided.
6. It is configured by providing a terminal 37 or the like which serves as a reference voltage source for independently applying the potential V RH to the base.

【0030】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細
に説明する。図4は、本発明の一実施例に係る光電変換
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。図4(a)は、光センサセルの平面図
を、図4(b)は、図4(a)平面図のAA′部分の断
面図を、図4(c)は、それの等価回路をそれぞれ示
す。なお、各部位において図4(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。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram for explaining the basic structure and operation of the photosensor cell that constitutes the photoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention. 4 (a) is a plan view of the optical sensor cell, FIG. 4 (b) is a cross-sectional view of the AA ′ portion of the plan view of FIG. 4 (a), and FIG. 4 (c) is an equivalent circuit thereof. Show. 4 (a), (b), (c) in each part.
The same numbers are attached to common items.

【0031】図4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. 4 shows a plan view of the alignment arrangement method, it is needless to say that the arrangement can also be made in the pixel shift method (interpolation arrangement method) in order to increase the horizontal resolution.

【0032】この光センサセルは、図4(a),(b)
に示すごとく、リン(P),アンチモン(Sb),ヒ素
(As)等の不純物をドープしてn型又はn+ 型とされ
たシリコン基板1の上に、通常PSG膜等で構成される
パシベーション膜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Si34 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、エピタキシャル技術等で形成される不純物濃
度の低いn- 領域5、その上の例えば不純物拡散技術又
はイオン注入技術を用いてボロン(B)等の不純物をド
ープしたバイポーラトランジスタのベースとなるp領域
6、不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバ
イポーラトランジスタのエミッタとなる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(A
l),Al−Si,Al−Cu−Si等の導電材料で形
成される配線8、絶縁膜3を通して、浮遊状態になされ
たp領域6にパルスを印加するための電極9、それの配
線10、基板1の裏面にオーミックコンタクトをとるた
めに不純物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いn
+ 領域11、基板の電位を与える、すなわちバイポーラ
トランジスタのコレクタ電位を与えるためのアルミニウ
ム等の導電材料で形成される電極12、より構成されて
いる。
This optical sensor cell is shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
As shown in FIG. 3, a passivation film usually made of a PSG film or the like is formed on a silicon substrate 1 which is doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb) and arsenic (As) to be an n type or n + type. The film 2, the insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ), the insulating film made of SiO 2 or Si 3 N 4 or the like or the polysilicon film for electrically insulating between the adjacent photosensor cells. The element isolation region 4 formed, the n region 5 having a low impurity concentration formed by the epitaxial technique, and the bipolar transistor doped with impurities such as boron (B) using the impurity diffusion technique or the ion implantation technique thereon. p region 6 becomes the base, the impurity diffusion technology, n + region 7 serving as the emitter of the bipolar transistor formed by the ion implantation technique or the like, the signal for reading to the outside For example, aluminum (A
l), a wiring 8 made of a conductive material such as Al-Si, Al-Cu-Si, etc., an electrode 9 for applying a pulse to the p region 6 in a floating state through the insulating film 3, and its wiring 10. , N having a high impurity concentration formed by an impurity diffusion technique or the like for making ohmic contact with the back surface of the substrate 1.
A + region 11 and an electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for giving the potential of the substrate, that is, the collector potential of the bipolar transistor.

【0033】なお、図4(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
なっており、SiO2 等の絶縁材料で形成される絶縁領
域で、それぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属
の2層配線構造になっている。
Reference numeral 19 in FIG. 4A is a contact portion for connecting the n + region 7 and the wiring 8. Further, the alternating portions of the wiring 8 and the wiring 10 are so-called two-layer wiring, which are insulated from each other in an insulating region formed of an insulating material such as SiO 2 . That is, it has a two-layer wiring structure of metal.

【0034】図4(c)の等価回路のコンデンサCox
13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はエミッタとし
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 of the equivalent circuit of FIG. 4 (c)
13 is composed of an electrode 9, an insulating film 3, and a p-region 6 MOS structure, and the bipolar transistor 14 is an n + region 7 as an emitter, a p region 6 as a base, an n region 5 with a low impurity concentration, and a collector. Of n or n + region 1 of FIG. As is clear from these drawings, the p region 6 is a floating region.

【0035】図4(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・エミッタの接合容量Cb
e15、ベース・エミッタの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。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。以下、光センサセルの
基本動作を図4を用いて説明する。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
よびリフレッシュ動作より構成される。
In the second equivalent circuit of FIG. 4C, the bipolar transistor 14 is connected to the base-emitter junction capacitance Cb.
e15, pn junction diode Dbe of base / emitter
16, the junction capacitance Cbc17 of the base-collector, and the pn junction diode Dbc18 of the base-collector. Here, originally as an equivalent circuit diagram,
The symbols indicating the two differently oriented current sources to be written in parallel with the pn junction diode Dbe16 and the pn junction diode Dbc18 are omitted. The basic operation of the optical sensor cell will be described below with reference to FIG. The basic operation of this photosensor cell is composed of a charge accumulation operation by light incidence, a read operation and a refresh operation.

【0036】まず、電荷蓄積動作について説明する。First, the charge accumulation operation will be described.

【0037】電荷蓄積動作においては、例えばエミッタ
は、配線8を通して接地され、コレクタは配線12を通
して正電位にバイアスされている。またベースは、あら
かじめコンデンサCox13に、配線10を通して正の
パルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、エ
ミッタ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、後にリフレッシュ動
作の説明のとき、くわしく説明する。
In the charge storage operation, for example, the emitter is grounded through the wiring 8 and the collector is biased to a positive potential through the wiring 12. In addition, the base is assumed to be in a reverse bias state with respect to the negative potential, that is, the emitter 7 by applying a positive pulse voltage to the capacitor Cox 13 through the wiring 10 in advance. The operation of applying a pulse to the Cox 13 to bias the base 6 to a negative potential will be described in detail later in the description of the refresh operation.

【0038】この状態において、図4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側に流れだしていってしまうが、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
って変化していく。
In this state, when the light 20 enters from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 4, electron-hole pairs are generated in the semiconductor. Of these, electrons flow out to the n region 1 side because the n region 1 is biased to a positive potential, but holes are gradually accumulated in the p region 6. By accumulating the holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward the positive potential.

【0039】図4(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となっている。当然のことながら、光により励
起されるエレクトロン・ホール対濃度は表面に近い程大
きい。このためp領域6中にも多くのエレクトロン・ホ
ール対が光により励起される。p領域中に光励起された
エレクトロンが再結合することなくp領域6からただち
に流れ出て、n領域に吸収されるような構造にしておけ
ば、p領域6で励起されたホールはそのまま蓄積され
て、p領域6を正電位方向に変化させる。p領域6の不
純物濃度が均一になされている場合には、光で励起され
たエレクトロンは拡散で、p領域6とn-領域5とのp
- 接合部まで流れ、その後はn- 領域に加わっている
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
っ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、
In FIGS. 4A and 4B, the lower surface of the light-receiving surface of each sensor cell is almost entirely occupied by the p region, and a part thereof is n.
+ Area 7 As a matter of course, the concentration of electron-hole pairs excited by light is larger as it is closer to the surface. Therefore, many electron-hole pairs are excited in the p region 6 by light. If the photoexcited electrons in the p region immediately flow out from the p region 6 without being recombined and are absorbed in the n region, the holes excited in the p region 6 are accumulated as they are, The p region 6 is changed in the positive potential direction. When the impurity concentration of the p region 6 is made uniform, the photoexcited electrons are diffused and the p region 6 and the n region 5 are exposed to the p region.
It flows to the n junction, and thereafter is absorbed by the n collector region 1 by the drift due to the strong electric field applied to the n region. Of course, the electrons in the p region 6 may travel only by diffusion. However, if the impurity concentration of the p-base decreases from the surface to the inside, this difference in impurity concentration causes , An electric field Ed from the inside to the surface in the base,

【0040】[0040]

【数1】 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。
[Equation 1] Occurs. Here, W B is the depth from the light incident side 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 impurity concentration at the interface between the p region 6 and the n high resistance region 5.

【0041】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って
減少しているようになっ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, electrons in the p region 6 travel by drift rather than diffusion. That is, in order to effectively operate the carrier excited by light in the p region 6 as a signal,
It is desirable that the impurity concentration of the p-region 6 decreases inward from the surface on the light incident side. If the p-region 6 is formed by diffusion, the impurity concentration thereof decreases toward the inside as compared with the surface on the light incident side.

【0042】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1×1
20cm-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
たがって、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
内部に向って不純物濃度が減少する構造になっているこ
とが望ましい。n+ 領域7の不純物濃度分布が上記の様
になっていれば、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+
域7、p領域6の不純物濃度がいずれも光入射側表面か
ら内部に向っ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ャ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 part below the light receiving surface of the sensor cell is occupied by the n + region 7. The depth of the n + region 7 is normally 0.
Since it is designed to have a thickness of about 2 to 0.3 μm or less, the amount of light absorbed in the n + region 7 is not so large originally, so there is no problem so much. However, for light on the short wavelength side, particularly for blue light, the presence of the n + region 7 causes a decrease in sensitivity. The impurity concentration of the n + region 7 is usually 1 × 1
It is designed to be about 0 20 cm -3 or more. The diffusion distance of holes in the n + region 7 doped with such a high concentration of impurities is about 0.15 to 0.2 μm. Therefore, in order for the holes photo-excited in the n + region 7 to effectively flow into the p region 6, it is desirable that the n + region 7 also has a structure in which the impurity concentration decreases from the light incident surface toward the inside. If the impurity concentration distribution of the n + region 7 is as described above, a strong drift electric field is generated from the surface on the light incident side toward the inside, and the holes photoexcited in the n + region 7 are immediately drifted by the p region 6 due to the drift. Flow into. If the impurity concentrations of the n + region 7 and the p region 6 are both reduced from the light incident side surface toward the inside, the n + region 7 and the p region existing on the light incident side surface side of the sensor cell All the carriers optically excited in 6 work effectively as an optical signal. If this n + region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or a polysilicon film that is heavily doped with As or P, it is possible to obtain an n + region having the desired impurity gradient as described above. Is.

【0043】最終的には、ホールの蓄積によりベース電
位はエミッタ電位まで変化し、この場合は接地電位まで
変化して、そこでクリップされることになる。より厳密
に言うと、ベース・エミッ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ッタに流出し
始める電圧でクリップされる。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っ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, due to the accumulation of holes, the base potential changes to the emitter potential, and in this case, it changes to the ground potential and is clipped there. More precisely, the base-emitter is deeply biased in the forward direction, and the holes accumulated in the base are clipped by the voltage at which they start flowing out 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 and the ground potential when the p region 6 is first biased to a negative potential. When the n + region 7 is not grounded and the charges generated by the light input are accumulated in the floating state, the p region 6 can accumulate the charges to substantially the same potential as the n region 1.

【0044】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 outline of the charge accumulation operation, but a little more concrete and quantitative explanation will be given below.

【0045】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.

【0046】[0046]

【数2】 但し、λは光の波長〔μm〕、αはシリコン結晶中での
光の減衰係数〔μm-1〕、xは半導体表面における、再
結合損失を起こし感度に寄与しない“deadlaye
r”(不感領域)の厚さ〔μm〕、yはエピタキシャル
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。
[Equation 2] Where λ is the wavelength of light [μm], α is the attenuation coefficient of light [μm −1 ] in the silicon crystal, and x is the “delaylayer” which causes recombination loss on the semiconductor surface and does not contribute to sensitivity.
The thickness of r ″ (insensitive region) [μm], y is the thickness of the epitaxial layer [μm], T is the transmittance, that is, the incident light amount is effectively incident on the semiconductor in consideration of reflection and the like. The photocurrent Ip is calculated by the following equation using the spectral sensitivity S (λ) and the irradiance Ee (λ) of this photosensor cell.

【0047】[0047]

【数3】 但し、放射照度Ee(λ)〔μW・cm-2・nm-1〕は
次式で与えられる。
[Equation 3] However, the irradiance Ee (λ) [μW · cm −2 · nm −1 ] is given by the following equation.

【0048】[0048]

【数4】 但しEV はセンサの受光面の照度〔Lux〕、P(λ)
はセンサの受光面に入射している光の分光分布、V
(λ)は人間の目の比視感度である。これらの式を用い
ると、エピ厚の層4μmをもつ光センサセルでは、A光
源(2854°K)で照射され、センサ受光面照度が1
〔Lux〕のとき、約280nA/cm-2の光電流が流
れ、入射してくるフォ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 ・s
ec程度である。
[Equation 4] However E V illuminance of the light receiving surface of the sensor [Lux], P (lambda)
Is the spectral distribution of the light incident on the light receiving surface of the sensor, V
(Λ) is the relative luminous efficiency of the human eye. Using these formulas, an optical sensor cell having an epi-thickness layer of 4 μm is illuminated by the A light source (2854 ° K) and the sensor light receiving surface illuminance is 1
In the case of [Lux], a photocurrent of about 280 nA / cm −2 flows and the number of incident photons or the number of generated electron-hole pairs is 1.8 × 10 12 / cm 2 · s.
It is about ec.

【0049】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。
At this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is Vp =
Given by Q / C. Q is the amount of charge of holes accumulated, and C is the junction capacitance obtained by adding Cbe15 and Cbc17.

【0050】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-
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0.014p
F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。
従っ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 the n + region 7 is set to 10 20 cm.
-3 , the p-region 6 has an impurity concentration of 5 × 10 16 cm -3 , the n - region 5 has an impurity concentration of 10 13 cm -3 , the n + region 7 has an area of 16 μm 2 , and the p-region 6 has an area of 64 μm 2. , N region 5 having a thickness of 3 μm has a junction capacitance of about 0.014 p
On the other hand, the number of holes accumulated in the F region is 1/60 sec, and the effective light receiving area, that is, the area obtained by subtracting the areas of the electrodes 8 and 9 from the area of the p area 6 is about 56 μm 2. Then, it becomes 1.7 × 10 4 .
Therefore, the potential Vp generated by the incidence of light is about 190 mV.

【0051】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った時に、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図4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。
It should be noted here that when the resolution is increased and the cell size is reduced, the amount of light incident on one photosensor cell decreases, and the accumulated charge amount Q
However, since the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size as the cell size is reduced, the potential Vp generated by light incidence is kept almost constant. This is because the optical sensor cell in the present invention has an extremely simple structure as shown in FIG. 4 and has a possibility that the effective light receiving surface can be made extremely large.

【0052】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型撮像装置では、飽和電
圧が転送部の大きさにより制限され、どんどん低下して
いってしまうのに対し、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 as compared with the case of the interline type CCD. With the increase in resolution, the photoelectric conversion device of the interline type CCD image pickup device transfers data. If an attempt is made to secure the charge amount, the area of the transfer portion becomes relatively large, and the effective light receiving surface is reduced, so that the sensitivity, that is, the voltage generated by light incidence is reduced. Also,
In the interline type CCD image pickup device, the saturation voltage is limited by the size of the transfer part and decreases more and more. On the other hand, in the photo sensor cell of the present invention, as described above, Since the saturation voltage is determined by the bias voltage when the p region 6 is biased to a negative potential, a large saturation voltage can be secured.

【0053】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 will be described below.

【0054】読出し動作状態では、エミッタ、配線8は
浮遊状態に、コレクタは正電位Vccに保持される。
In the read operation state, the emitter and the wiring 8 are kept in a floating state, and the collector is kept at the positive potential Vcc.

【0055】図2に等価回路を示す。ここでも、本来等
価回路として、pn接合ダイオードDbe16及びpn
接合ダイオードDbc18と並列に記されるべき2つの
異なる向きの電流源を示す記号は省略してある。
FIG. 2 shows an equivalent circuit. Here again, the pn junction diodes Dbe16 and pn are originally equivalent circuits.
The symbols indicating the two differently directed current sources to be written in parallel with the junction diode Dbc18 have been omitted.

【0056】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 なる電位になっている。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
ッタ間接合容量Cbe15、ベース・コレクタ間接合容
量Cbc7により容量分割され、ベースには電圧
Now, assuming that 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 , the base potential is -V B.
+ Has become V P become potential. When a positive voltage V R for reading is applied to the electrode 9 through the wiring 10 in this state, this positive potential V R becomes a capacitance due to the oxide film capacitance Cox13, the base-emitter junction capacitance Cbe15, and the base-collector junction capacitance Cbc7. Split and voltage on the base

【0057】[0057]

【数5】 が加算される。従ってベース電位は[Equation 5] Is added. Therefore, the base potential is

【0058】[0058]

【数6】 となる。ここで、[Equation 6] Becomes here,

【0059】[0059]

【数7】 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
のようにしてエミッ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、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
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。
[Equation 7] If the condition is satisfied, the base potential becomes the accumulated voltage V P itself generated by light irradiation. In this way, when the base potential is biased in the positive direction with respect to the emitter potential, electrons are injected from the emitter to the base, and the collector potential is positive, so that the electrons are accelerated by the drift electric field to the collector. To reach. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0060】[0060]

【数8】 但しAj はベース・エミッタ間の接合面積、qは単位電
荷量(1.6×10-19 クーロン)、Dn 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
ッ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はベースのエミッタ単におけ
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、
e はエミッタ電位である。
[Equation 8] Where A j is the junction area between the base and emitter, q is the unit charge (1.6 × 10 −19 Coulomb), D n is the diffusion constant of electrons in the base, and n pe is the minority carrier at the emitter end of the p base. , W B is the base width, N Ae is the acceptor concentration in the base emitter alone, N Ac is the acceptor concentration at the collector end of the base, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature,
V e is the emitter potential.

【0061】この電流は、エミッタ電位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V
P に等しくなるまで流れることは上式から明らかであ
る。この時エミッタ電位Ve の時間的変化は次式で計算
される。
This current has the emitter potential V e as the base potential, that is, the accumulated voltage V generated here by light irradiation.
It is clear from the above equation that the current flows until it becomes equal to P. At this time, the time change of the emitter potential V e is calculated by the following equation.

【0062】[0062]

【数9】 但し、ここで配線容量Csはエミッタに接続されている
配線8のもつ容量21である。
[Equation 9] However, the wiring capacitance Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter.

【0063】図5は、上式を用いて計算したエミッタ電
位の時間変化の一例を示している。図5によればエミッ
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。これはエミッタ電位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。したがって、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、
FIG. 5 shows an example of the change over time in the emitter potential calculated using the above equation. According to FIG. 5, it takes about 1 second for the emitter potential to become equal to the base potential. This is because the current does not flow so much when the emitter potential V e approaches V P. Therefore, the means to solve this is to apply the positive voltage V R to the electrode 9 first,

【0064】[0064]

【数10】 なる条件を設定したが、この条件の代りに[Equation 10] Was set, but instead of this condition

【0065】[0065]

【数11】 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。
[Equation 11] It is conceivable to add the following condition and bias the base potential by V Bias in an extra forward direction. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0066】[0066]

【数12】 図6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、すなわちエミッタ電位の関係を示す。但
し、図6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ットしている。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
[Equation 12] In FIG. 6, when V Bias = 0.6V, after a certain period of time, V R applied to the electrode 9 is returned to zero volt,
For the accumulated voltage V P when the flowing current is stopped,
The relationship between the read voltage, that is, the emitter potential is shown. However, in FIG. 6, the read voltage is always added with a constant potential that depends on the read time due to the bias voltage component, but the value obtained by subtracting the amount of the error is plotted. Electrode 9
When the positive voltage V R applied to the

【0067】[0067]

【数13】 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、エミッ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。図6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
度の範囲にわたっ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。図6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
ことを図6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。
[Equation 13] Is added to the base potential, the base potential is in the state before the positive voltage V R is applied, that is, −V B.
Then, the current is stopped because the emitter is reverse biased. According to FIG. 6, if a read time of about 100 ns or more (that is, a time during which V R is applied to the electrode 9) is taken, the linearity is ensured for the accumulated voltage V P and the read voltage over a range of about 4 digits, and the high speed It can be read. In FIG. 6, 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 pF of the junction capacitance of Cbe + Cbc. It is shown that the accumulated voltage V P generated in the p region 6 is not attenuated at all and is read at extremely high speed due to the effect of the bias voltage, though it is about 300 times larger than 6 shows. This is because the amplifying function of the photosensor cell according to the above configuration, that is, the charge amplifying function is effectively operating.

【0068】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っ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
出すためのスイッチング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った
が、図4(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 the conventional MOS type image pickup device, the accumulated voltage V P is CjV P / (Cj + Cs) (where Cj is the MOS type image pickup device) due to the influence of the wiring capacitance Cs in such a reading process. The pn junction capacitance of the light receiving portion) occurs, and there is a drawback in that the read voltage value of two digits decreases. Therefore, in the MOS type image pickup device, fixed pattern noise due to variations in the parasitic capacitance of the switching MOS transistor for reading to the outside or random noise generated due to large wiring capacitance, that is, output capacitance is large, and the S / N ratio is high. However, in the photosensor cell having the configuration shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the accumulated voltage generated in the p region 6 is read out to the outside. Is relatively large, fixed pattern noise and random noise due to output capacitance are relatively small, and it is possible to obtain a signal with a very good S / N ratio.

【0069】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、図7に示す。
It has been shown above that when the bias voltage V Bias is set to 0.6 V, linearity of about 4 digits can be obtained in a high speed read time of about 100 nsec. This linearity, read time and bias voltage Further details of the calculation result of the relationship of V Bias are shown in FIG. 7.

【0070】図7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っている。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。図6に示される様に、蓄積電
圧1mVにおいて、それぞれ80%,90%,95%,
98%になっている時は、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 FIG. 7, the horizontal axis represents the bias voltage V Bias.
And the vertical axis represents the read time. The parameters show the time dependence until the read voltage reaches 80%, 90%, 95%, 98% of 1 mV when the storage voltage is 1 mV. As shown in FIG. 6, at a storage voltage of 1 mV, 80%, 90%, 95%,
When it is 98%, it is clear that the storage voltage higher than that shows a better value.

【0071】この図7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0.2
7μs、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
Bias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が図7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. 7, when the bias voltage V Bias is 0.6 V, the read voltage becomes 80% of the accumulated voltage and the read time becomes 0.12 μs, and 90% becomes 0.2.
It can be seen that 7 μs and 95% are 0.54 μs and 98% are 1.4 μs. Further, it is shown that if the bias voltage V Bias is made larger than 0.6 V, the reading can be performed at higher speed. Thus, once the read time and the required linearity are determined from the overall design of the imaging device, the required bias voltage V Bias can be determined using the graph of FIG.

【0072】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 photosensor cell having the above structure is that holes accumulated in the p region 6 can be read nondestructively because the recombination probability of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. is there. That is, when the voltage V R applied to the electrode 9 at the time of reading is returned to zero volts, the potential of the p region 6 is in the reverse bias state before the voltage V R is applied, and the accumulated voltage V P generated by light irradiation is , Unless it is newly irradiated with light, it is stored as it is. This means that when the optical sensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, a new function can be provided in terms of system operation.

【0073】このp領域6に蓄積電圧VP を保持できる
時間は、きわめて長く、最大の保持時間は、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って制
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
っている領域は、低不純物濃度領域であるn- 領域5で
あり、このn- 領域5は1012cm-3〜1014cm-3
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 storage 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. That is, the photosensor cell is saturated by the dark current generated thermally. However, in the optical sensor cell according to the above configuration, the region where the depletion layer spreads is the n region 5 which is a low impurity concentration region, and this n region 5 is about 10 12 cm −3 to 10 14 cm −3. Since the impurity concentration is extremely low, the crystallinity is good, and there are few electron-hole pairs that are thermally generated, as compared with the MOS type and CCD type image pickup devices. For this reason, the dark current is small compared to other conventional devices. That is, the photosensor cell according to the above-mentioned configuration has a structure in which dark current noise is essentially small.

【0074】次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレ
ッシュ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 described.

【0075】上記構成に係る光センサセルでは、すでに
述べたごとく、p領域6に蓄積された電荷は、読出し動
作では消滅しない。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
フレッシュ動作が必要である。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。上記構成に係る光センサセルでは、
リフレッシュ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を通してエミッタを接地する。コレクタは、
電極12を通して接地又は正電位にしておく。図3にリ
フレッシュ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 photosensor cell having the above structure, as already described, the charges accumulated in the p region 6 are not erased by the reading operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation for extinguishing the previously accumulated charges is necessary. At the same time, the potential of the p region 6 in the floating state needs to be charged to a predetermined negative voltage. In the optical sensor cell according to the above configuration,
Similar to the read operation, the refresh operation is performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is
It is grounded or made to have a positive potential through the electrode 12. FIG. 3 shows an equivalent circuit of the refresh operation. However, an example is shown in which the collector side is grounded.

【0076】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・エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・
コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割により、
When a voltage of positive voltage V RH is applied to the electrode 9 in this state, the oxide film capacitance Cox1 is formed on the base 22.
3, base-emitter junction capacitance Cbe15, base
By dividing the junction capacitance Cbc17 between collectors,

【0077】[0077]

【数14】 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・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。
[Equation 14] Is applied instantaneously as in the previous read operation. Due to this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward biased to be in a conductive state, current starts to flow, and the base potential gradually decreases.

【0078】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 the floating state is approximately represented by the following equation.

【0079】[0079]

【数15】 但し、[Equation 15] However,

【0080】[0080]

【数16】 1 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
はエミッタ面積、Dpはコレクタ中におけるホールの拡
散定数、pne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、ベース側からエミッタへのホー
ル注入による電流は、エミッタの不純物濃度がベースの
不純物濃度にくらべて充分高いので、無視できる。
[Equation 16] i 1 is a current flowing through the diode Dbc, and i 2 is a current flowing through the diode Dbe. A b is the base area, Ae
Is the emitter area, Dp is the diffusion constant of holes in the collector, p ne is the hole concentration in the collector in the thermal equilibrium state, Lp is the mean free path of the holes in the collector, and n pe is the electron concentration in the base in the thermal equilibrium state. is there. At i 2 , the current due to hole injection from the base side to the emitter can be ignored because the emitter impurity concentration is sufficiently higher than the base impurity concentration.

【0081】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、リフレッシュ動作をかなりの
近似で説明可能である。
The above-mentioned formula is approximate to the stepwise junction, which is deviated from the stepwise junction in an actual device, and the base has a small thickness and has a complicated concentration distribution. However, the refresh operation can be explained with a good approximation.

【0082】上式中のベース・コレクタ間に流れる電流
1 の内、q・Dp・pne/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 collector in the above equation, q · Dp · p ne / Lp is the current due to holes,
That is, it shows the component in which holes flow from the base to the collector side. In the photosensor cell according to the above configuration, the impurity concentration of the collector is designed to be slightly lower than that of a normal bipolar transistor so that the current due to the holes easily flows.

【0083】この式を用いて計算した、ベース電位の時
間依存性の一例を図8に示す。横軸は、リフレッシュ電
圧VRHが電極9に印加された瞬間からの時間経過すなわ
ちリフレッシュ時間を、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、リフレッシュ電圧VRHが加
わった瞬間に、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
れている電荷によってきまる。
FIG. 8 shows an example of the time dependence of the base potential calculated using this equation. The horizontal axis represents the time elapsed from the moment when the refresh voltage V RH was applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the vertical axis represents the base potential. Also, the initial potential of the base is used as a parameter. The initial potential of the base is a potential indicated by the base in a floating state at the moment when the refresh voltage V RH is applied, and is determined by V RH , Cox, Cbe, Cbc and the electric charge accumulated in the base.

【0084】この図8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って下がっていく。
Referring to FIG. 8, the potential of the base does not depend on the initial potential, but always drops according to one straight line on the semi-log graph after a certain period of time.

【0085】図9に、リフレッシュ時間に対するベース
電位変化の実験値を示す。図8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、ディメンショ
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、リフレッシュ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ッタの両者を
接地したときの値を示している。
FIG. 9 shows experimental values of changes in base potential with respect to refresh time. Compared to the calculation example shown in FIG. 8, the test device used in this experiment has a considerably large dimension, so the absolute value does not match the calculation example, but the change in the base potential with respect to the refresh time is on a semi-logarithmic graph. It is proved that it is changing linearly. In this experimental example, values are shown when both the collector and the emitter are grounded.

【0086】今、光照射による蓄積電圧VP の最大値を
0.4〔V〕、リフレッシュ電圧VRHによりベースに印
加される電圧Vを0.4〔V〕とすると、図8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
フレッシュ電圧印加後10-15 〔sec〕後には直線に
のってベース電位が下がり始め、10-5〔sec〕後に
は、光があたらなかった時、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, assuming that the maximum value of the accumulated voltage V P due to light irradiation is 0.4 [V] and the voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH is 0.4 [V], as shown in FIG. The maximum value of the initial base potential is 0.8 [V], and after 10 -15 [sec] after the refresh voltage is applied, the base potential starts to drop in a straight line, and after 10 -5 [sec], light is emitted. When there is not, that is, when the initial base potential is 0.4 [V], it matches the potential change.

【0087】p領域6が、MOSキヤパシタCoxを通
して正電圧をある時間印加し、その正電圧を除去すると
負電位に帯電する仕方には、2通りの仕方がある。一つ
は、p領域6から正電荷を持つホールが、主として接地
状態にあるn領域1に流れ出すことによって、負電荷が
蓄積される動作である。p領域6からホールが、n領域
1に一方的に流れ、n領域1の電子があまりp領域6内
に流れ込まないようにするためには、p領域6の不純物
密度をn領域1の不純物密度より高くしておけばよい。
一方、n+ 領域7やn領域1からの電子が、p領域6に
流れ込み、ホールと再結合することによって、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って、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に流し込むリフレッシュ動作でも、光電変
換装置の動作に対しては、十分に速い時間応答を示すこ
とが確認されている。
There are two ways in which the p region 6 is charged to a negative potential by applying a positive voltage through the MOS capacitor Cox for a certain time and removing the positive voltage. One is an operation in which negative charges are accumulated by the holes having a positive charge flowing out from the p region 6 to the n region 1 which is mainly in the grounded state. In order to prevent holes from unilaterally flowing from the p region 6 to the n region 1 and electrons in the n region 1 from flowing into the p region 6 too much, the impurity density of the p region 6 is set to the impurity density of the n region 1. It should be higher.
On the other hand, electrons from the n + region 7 and the n region 1 flow into the p region 6 and recombine with holes, so that the p region 6
The operation of accumulating negative charges can also be performed. In this case, the impurity density of n region 1 is higher than that of p region 6. p
The operation of accumulating negative charges due to the outflow of holes from the region 6 is much faster than the operation of accumulating negative charges due to electrons flowing into the base of the p region 6 and recombining with holes. However, according to the experiments performed so far, it has been confirmed that even the refresh operation of injecting electrons into the p region 6 exhibits a sufficiently fast time response to the operation of the photoelectric conversion device.

【0088】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、リフレッシュ電
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、リフレッシュ動作により全
てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで持ってい
く完全リフレッシュモードと(このときは図8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
まう過渡的リフレッシュモードの二つが存在するわけで
ある(このときは図8の例では、10〔μsec〕〜1
0〔sec〕のリフレッシュパルス)。以上の例では、
リフレッシュ電圧VRHによりベースに印加される電圧V
A を0.4〔V〕としたが、この電圧VA を0.6
〔V〕とすれば、上記、過渡的リフレッシュモードは、
図8によれば、1〔nsec〕でおこり、きわめて高速
にリフレッシュすることができる。完全リフレッシュモ
ードで動作させるか、過渡的リフレッシュモードで動作
させるかの選択は光電変換装置の使用目的によって決定
される。
When a large number of optical sensor cells having the above-described structure are arranged in the XY direction to form a photoelectric conversion device, the accumulated voltage V P in each sensor cell is 0 to 0 in the above example depending on the image.
Although it varies between 0.4 [V], a constant voltage of about 0.3 [V] remains at the bases of all the sensor cells at 10 −5 [sec] after the refresh voltage V RH is applied. It can be seen that all the changes in the accumulated voltage V P due to the image disappear. That is, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cell according to the above configuration, the complete refresh mode in which the base potentials of all the sensor cells are brought to zero volts by the refresh operation (at this time, 10 [sec] is required in the example of FIG. 8), There are two transient refresh modes in which a certain constant voltage remains in the base potential, but the fluctuation component due to the accumulated voltage V P disappears (in this case, 10 [μsec] to 1 in the example of FIG. 8).
0 [sec] refresh pulse). In the above example,
The voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH
Although A was set to 0.4 [V], this voltage V A was set to 0.6
[V], the transient refresh mode is
According to FIG. 8, it occurs in 1 [nsec], and refreshing can be performed at an extremely high speed. The selection 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.

【0089】この過渡的リフレッシュモードにおいてベ
ースに残る電圧をVK とすると、リフレッシュ電圧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、
When the voltage remaining at the base in this transient refresh mode is V K , the refresh voltage V RH
In the transient state at the moment of returning V RH to zero volt after applying

【0090】[0090]

【数17】 なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は
[Equation 17] Since the negative voltage is added to the base, the base potential after the refresh operation by the refresh pulse is

【0091】[0091]

【数18】 となり、ベースはエミッタに対して逆バイアス状態にな
る。
[Equation 18] And the base is reverse biased with respect to the emitter.

【0092】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、このリフレッシュ動
作により、リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態
に持っていくことの2つの動作が同時に行われるわけで
ある。
It was explained above that the base is reverse biased in the storage state during the storage operation for storing the carriers excited by light. However, the refresh operation brings the base and the base into the reverse bias state. The two operations of going forward are performed at the same time.

【0093】図10にリフレッシュ電圧VRHに対するリ
フレッシュ動作後のベース電位
FIG. 10 shows the base potential after the refresh operation with respect to the refresh voltage V RH .

【0094】[0094]

【数19】 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までとっている。丸印は実験値で
あり、実線は
[Formula 19] The experimental value of change of is shown. The value of Cox is taken as a parameter from 5 pF to 100 pF. Circles are experimental values, solid lines are

【0095】[0095]

【数20】 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、リフレッシュ動
作が実験的にも確認されている。
[Equation 20] The calculation value calculated by the above is shown. At this time V K =
It is 0.52 V and Cbc + Cbe = 4 pF. However, the probe capacity of the observation oscilloscope is 13 pF
Are connected in parallel to Cbc + Cbe. Like this
The calculated value and the experimental value are completely in agreement, and the refresh operation has been confirmed experimentally.

【0096】以上のリフレッシュ動作においては、図3
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、リフレッシュパルスが印加されても、
このリフレッシュパルスによりベースに印加される電位
よりも、コレクタに印加されている正電位の方が大きい
と非導通状態のままなので、電流はベース・エミッタ間
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
対的にゆっくりしたものになるが、基本的には、前に説
明したのと、まったく同様な高速リフレッシュ動作が行
われるわけである。
In the above refresh operation, FIG.
As described above, an example in which the collector is grounded has been described, but it is also possible to perform it in a state where the collector is at a positive potential. At this time, even if the refresh pulse is applied to the base-collector junction diode Dbc18,
If the positive potential applied to the collector is higher than the potential applied to the base by this refresh pulse, the current remains in the non-conducting state, so that the current flows only through the base-emitter junction diode Dbe16. For this reason, the decrease in the base potential becomes relatively slower than when the collector is grounded, but basically, exactly the same fast refresh operation as described above is performed.

【0097】すなわち図8のリフレッシュ時間に対する
ベース電位の関係は、図8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。したがって、コレクタを接地
した時と同じリフレッシュ電圧VRHを用いると、リフレ
ッシュに時間を要することになるが、リフレッシュ電圧
RHをわずか高めてやればコレクタを接地した時と同
様、高速のリフレッシュ動作が可能である。以上が光入
射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレッシュ動作
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。
That is, the relationship of the base potential with respect to the refresh time in FIG. 8 is that the oblique straight line when the base potential in FIG. 8 decreases shifts toward the right side, that is, in the direction requiring more time. Therefore, if the same refresh voltage V RH as when the collector is grounded is used, it takes time to refresh, but if the refresh voltage V RH is raised slightly, a high-speed refresh operation can be performed similarly to when the collector is grounded. It is possible. The above is the description of the basic operation of the photosensor cell having the above-described configuration, which includes the charge accumulation operation, the read operation, and the refresh operation by light incidence.

【0098】以上説明したごとく、上記構成に係る光セ
ンサセルの基本構造は、すでにあげた特開昭56−15
0878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、広ダイナミックレンジ、非破壊読出し
等のメリットをそのまま保存している。
As described above, the basic structure of the optical sensor cell having the above-mentioned structure is the same as that described in Japanese Patent Laid-Open No. 56-15.
It has a very simple structure as compared with JP 0878, JP 56-157073, and JP 56-165473, and can sufficiently cope with future high resolution, and has excellent features. The advantages such as low noise, high output, wide dynamic range, and nondestructive readout that come from a certain amplification function are preserved.

【0099】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, one embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention in which the photosensor cells having the above-described structure are arranged two-dimensionally will be described with reference to the drawings.

【0100】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図1に示す。
The basic optical sensor cell structure is two-dimensionally 3 × 3.
FIG. 1 shows a circuit configuration diagram of the photoelectric conversion device arranged in the above.

【0101】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ッシュパルスを印加
するための水平ライン31,31′,31″、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″
の間のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″のゲートにパルスを印加するための端子34、リフ
レッシュパルスを印加するためのバッファ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、リフレッシュパルスを印加す
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38,38′,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ッシュするためのM
OSトランジスタ42、MOSトランジスタ42へリフ
レッシュパルスを印加するための端子43、出力信号を
増幅するためのバイポーラ、MOS,FET、J−FE
T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40,4
0′,40″に蓄積された電荷をリフレッシュするため
のMOSトランジスタ48,48′,48″、およびM
OS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 described above (the collector of the bipolar transistor is shown to be connected to the substrate and the substrate electrode at this time), the horizontal for applying the read pulse and the refresh pulse. Lines 31, 31 ', 31 ", vertical shift register 32 for generating read pulses, vertical shift register 32 and horizontal lines 31, 31', 31"
Between the buffer MOS transistors 33, 33 ', 3
A terminal 34 for applying a pulse to the gate of 3 ", buffer MOS transistors 35, 35 ', 35" for applying a refresh pulse, a terminal 36 for applying a pulse to its gate, and a refresh pulse 37, a vertical line 38, 38 ', 38 "for reading the accumulated voltage from the basic photosensor cell 30, a horizontal shift register 39 for generating a pulse for selecting each vertical line, and opening / closing each vertical line. Gate MOS transistors 40, 40 ', 40 "for output, an output line 41 for reading the accumulated voltage to the amplifier section,
M for refreshing the charge accumulated in the output line
OS transistor 42, terminal 43 for applying a refresh pulse to MOS transistor 42, bipolar for amplifying an output signal, MOS, FET, J-FE
A transistor 44 such as T, a load resistor 45, a terminal 46 for connecting the transistor and a power supply, an output terminal 47 of the transistor, and vertical lines 40 and 4 in the read operation.
MOS transistors 48, 48 ', 48 "for refreshing the charges accumulated in 0', 40", and M
This photoelectric conversion device is constituted by a terminal 49 for applying a pulse to the gates of the OS transistors 48, 48 ', 48 ".

【0102】この光電変換装置の動作について図1およ
び図11に示すパルスタイミング図を用いて説明する。
図11において、区間61はリフレッシュ動作、区間6
2は蓄積動作、区間63は読出し動作にそれぞれ対応し
ている。
The operation of this photoelectric conversion device will be described with reference to the pulse timing charts shown in FIGS.
In FIG. 11, section 61 is refresh operation, section 6
2 corresponds to the accumulation operation, and section 63 corresponds to the reading operation.

【0103】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、図11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、リフレッシュに要する時間
が異なってくるだけであり、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48,48′,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
くバッファMOSトランジスタが導通する電圧が印加さ
れており、全画面一括リフレッシュ用バッファMOSト
ランジスタ35,35′,35″は導通状態となってい
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、リフレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積され
ていた電荷が、完全リフレッシュモード又は過渡的リフ
レッシュモードにしたがってリフレッシュされる。完全
リフレッシュモードになるか又は過渡的リフレッシュモ
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 t 1 , the substrate potential, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is kept at the ground potential or the positive potential, but in FIG. 11, it is shown that it is kept at the ground potential. Whether it is the ground potential or the positive potential, as described above, the time required for refreshing is different, and the basic operation does not change. The potential 65 at the terminal 49 is high, the MOS transistors 48, 48 ', 48 "are kept conductive, and each photosensor cell is grounded through the vertical line 38, 38', 38". Further, a voltage for conducting the buffer MOS transistor is applied to the terminal 36 as shown by a waveform 66, and the buffer MOS transistors 35, 35 ', 35 "for all-screen batch refresh are in a conductive state. When a pulse such as waveform 67 is applied to 37, a voltage is applied to the bases of the respective photosensor cells through the horizontal lines 31, 31 ', 31 ", and as described above, the refresh operation is started and the charge is accumulated before that. Charge is refreshed according to the complete refresh mode or the transient refresh mode. Whether to enter the complete refresh mode or the transient refresh mode is determined by the pulse width of the waveform 67.

【0104】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ッタ
に対して逆バイアス状態となり、次の蓄積区間62へ移
る。このリフレッシュ区間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 t 2 , as described above, the base of the transistor of each photosensor cell is reverse-biased with respect to the emitter, and the operation proceeds to the next accumulation section 62. In the refresh section 61, as shown in the figure, all the other applied pulses are kept in the low state.

【0105】蓄積動作区間62においては、基板電圧、
すなわちトランジスタのコレクタ電位波形64は正電位
にする。これにより光照射により発生したエレクトロン
・ホール対のうちエレクトロンを、コレクタ側へ早く流
してしまうことができる。しかし、このコレクタ電位を
正電位に保つことは、ベースをエミッタに対して逆方向
バイアス状態、すなわち負電位にして撮像しているので
必須条件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態に
しても基本的な蓄積動作に変化はない。
In the accumulation operation section 62, the substrate voltage,
That is, the collector potential waveform 64 of the transistor is set to a positive potential. As a result, electrons of the electron-hole pairs generated by the light irradiation can quickly flow to the collector side. However, maintaining the collector potential at a positive potential is not an essential condition because the base is reverse-biased with respect to the emitter, that is, the image is taken as a negative potential. There is no change in the accumulation operation.

【0106】蓄積動作状態においては、MOSトランジ
スタ48,48′,48″のゲート端子49の電位65
は、リフレッシュ区間と同様、highに保たれ、各M
OS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ッタは垂直ライン38,38′,3
8″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
ース電位がエミッタ電位(接地電位)に対して順方向バ
イアス状態になってくると、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、クリップされることになる。したがって、垂直
方向にとなり合う光センサセルのエミッタが垂直ライン
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 accumulation operation state, the potential 65 of the gate terminals 49 of the MOS transistors 48, 48 ', 48 "is 65.
Is kept high as in the refresh period, and each M
The OS transistor remains conductive. For this reason, the emitter of each photosensor cell has vertical lines 38, 38 ', 3
It is grounded through 8 ″. When strong light is irradiated and holes are accumulated in the base and become saturated, that is, when the base potential becomes a forward bias state with respect to the emitter potential (ground potential), The holes are vertical lines 38,
38 ', 38 ", where the base potential change ceases and is clipped. Therefore, the emitters of vertically adjacent photosensor cells are commonly connected by vertical lines 38, 38', 38". Even
When the vertical lines 38, 38 ', 38 "are grounded in this manner, the blooming phenomenon does not occur.

【0107】このブルーミング現象をさける方法は、M
OS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、エミッタより先にコレク
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。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′,3
1″のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″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。
A method for avoiding this blooming phenomenon is M
Even when the OS transistors 48, 48 ', 48 "are in the non-conducting state and the vertical lines 38, 38', 38" are in the floating state, the substrate potential, that is, the collector potential 64 is set to a slightly negative potential and the hole This can also be achieved by allowing the base potential to flow toward the collector side before the emitter when the base potential changes in the positive potential direction due to the accumulation. After the accumulation section 62, the reading section 63 starts from time t 3 . At this time t 3 , 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 ′, 3
1 ″ buffer MOS transistors 33, 33 ′, 3
The potential 68 of the gate terminal of 3 ″ is set high, and the respective MOS transistors are made conductive. However, the timing of setting the potential 68 of the gate terminal 34 high is not a prerequisite that it is time t 3 , Any time earlier than that is fine.

【0108】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38,3
8′,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、図6,図7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分だけエミッタに対して
順方向バイアスがかかる様調整される。
At time t 4 , of the outputs of the vertical shift register 32, the one connected to the horizontal line 31 has the waveform 6
As indicated by reference numeral 9, the MOS transistor 33 is conductive at this time, so that the reading of each of the three photosensor cells connected to the horizontal line 31 is performed. This read operation is as previously described,
The signal voltage generated by the signal charge accumulated in the base region of each photosensor cell is directly applied to the vertical lines 38, 3
8 ', 38 ". The pulse width of the pulse voltage from the vertical shift register 32 at this time is such that the read voltage with respect to the storage voltage maintains a sufficient linearity as shown in FIGS. The pulse voltage is set, and the pulse voltage is adjusted so that the emitter is forward biased by V Bias as described above.

【0109】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7
0のごとくhighとなり、MOSトランジスタ40が
導通状態となり、出力信号は出力ライン41を通して、
出力トランジスタ44に入り、電流増幅されて出力端子
47から出力される。この様に信号が読出された後、出
力ライン41には配線容量に起因する信号電荷が残って
いるので、時刻t6 において、MOSトランジスタ42
のゲート端子43にパルス波形71のごとくパルスを印
加し、MOSトランジスタ42を導通状態にして出力ラ
イン41を接地して、この残留した信号電荷をリフレッ
シュしてやるわけである。以下同様にして、スイッチン
グMOSトランジスタ40,40′,40″を順次導通
させて垂直ライン38,38′,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38,3
8′,38″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ッシュする。
Next, at time t 5 , of the outputs of the horizontal shift register 39, only the output to the gate of the MOS transistor 40 connected to the vertical line 38 has the waveform 7
It becomes high as 0, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal passes through the output line 41.
It enters the output transistor 44, is current-amplified, and is output from the output terminal 47. After the signal is read in this way, signal charges due to the wiring capacitance remain in the output line 41, so at time t 6 , the MOS transistor 42 is discharged.
A pulse is applied to the gate terminal 43 as in the pulse waveform 71, the MOS transistor 42 is made conductive, the output line 41 is grounded, and the remaining signal charge is refreshed. In the same manner, the switching MOS transistors 40, 40 ', 40 "are sequentially turned on to read the signal output of the vertical lines 38, 38', 38". After reading the signals from the photosensor cells for one line arranged horizontally in this way, the vertical lines 38, 3 are read.
Similar to the output line 41, signal charges due to the wiring capacitance of the output line 41 remain in 8'and 38 ", so that the MOS transistors 48 and 48 'connected to the vertical lines 38, 38' and 38" are connected. , 48 ″ is made high to its gate terminal 49 as shown by the waveform 65 to make it conductive, and this residual signal charge is refreshed.

【0110】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 t 8 , of the outputs of the vertical shift register 32, the output connected to the horizontal line 31 'becomes high as shown by the waveform 69', and the accumulation of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 '. The voltage is read out to each vertical line 38, 38 ', 38 ". Thereafter, the signal is read out from the output terminal 47 by the same operation as before.

【0111】以上の説明においては、蓄積区間62と読
出し区間63が明確に区分される様な応用分野、例えば
最近研究開発が積極的に行なわれているスチルビデオに
適用される動作状態について説明したが、テレビカメラ
の様に蓄積区間62における動作と読出し区間63にお
ける動作が同時に行なわれている様な応用分野に関して
も、図11,図12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、この時のリフレッシュは
全画面一括リフレッシュではなく、一ライン毎のリフレ
ッシュ機能が必要である。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t
7 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にリフレッシュパルスを印
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、図1の右側に設置した一括リフレッ
シュパルスを印加する機器の代わりに、左側と同様の第
2の垂直シフ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 description, the application field in which the accumulation section 62 and the reading section 63 are clearly divided, for example, the operation state applied to the still video which has been actively researched and developed recently has been described. However, it can be applied to an application field in which the operation in the accumulation section 62 and the operation in the reading section 63 are simultaneously performed, such as a television camera, by changing the pulse timings in FIGS. 11 and 12. However, the refreshing at this time is not a full screen batch refresh, but a refresh function for each line is required. For example, after the signal of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 is read, the time t
MOS transistors 48, 48 'for erasing charges remaining in the vertical line at 7, to conduct 48 ", applying a refresh pulse to the horizontal line 31 at this time. That is, even at the time t 7 in the waveform 69 This can be achieved by using a vertical shift register configured to generate pulses having different pulse voltages and pulse widths as at time t 4. Thus , except for the double pulse operation, the right side of FIG. In place of the device for applying the batch refresh pulse installed on the right side, a second vertical shift register similar to that on the left side is provided on the right side, and the timing can be achieved by shifting the timing from the vertical register provided on the left side. It is possible.

【0112】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ッ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、図5のグラフからわかる様に、VBiasを印加し
ない時に、各光センサセルの飽和により、垂直ライン2
8,28′,28″に流れ出す信号電荷分はきわめてわ
ずかであり、ブルーミング現象は、まったく問題にはな
らない。
At this time, the degree of freedom in the operation of suppressing the blooming by manipulating the potentials of the emitter and collector of each photosensor cell in the accumulation state as described above is reduced. However, as it has been explained in the basic operation, the read state, since the such a structure can high-speed reading at the time of applying a V Bias becomes bias voltage to the base, as can be seen from the graph of FIG. 5, V Bias Vertical line 2 due to saturation of each photosensor cell when no voltage is applied.
The amount of signal charges flowing out to 8, 28 ', 28 "is extremely small, and the blooming phenomenon does not pose any problem.

【0113】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ャ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。
Also, with respect to the smear phenomenon, the photoelectric conversion device according to this embodiment can obtain extremely excellent characteristics. The smear phenomenon is a problem that occurs in operation and structure in which charge is transferred where light is irradiated in a CCD type image pickup device, particularly in a frame transfer type,
In the interline type, a problem particularly occurs because carriers generated in the deep portion of the semiconductor due to long wavelength light are accumulated in the charge transfer portion.

【0114】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ッチング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
で発生したキャリアが蓄積されるために生じる問題であ
る。
Further, in the MOS type image pickup device, there is a problem that carriers generated in the deep semiconductor region are accumulated by the light of the long wavelength on the drain side of the switching MOS transistor which is grounded to each photosensor cell.

【0115】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ったく
なく、また長波長の光により半導体深部で発生したキャ
リアが蓄積されるという現象もまったく生じない。但
し、光センサセルのエミッ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
フレッシュ動作のときは蓄積動作状態において、エミッ
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ッシュ動作のときは、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ッシュするので、
この時同時にエミッ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、スミア現像は
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 the present embodiment, there is no smear phenomenon that occurs due to operation and structure, and there is also a phenomenon that carriers generated in the semiconductor deep portion are accumulated due to long wavelength light. Absent. However, among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the photosensor cell, there is concern about the development that electrons are accumulated. This is because the emitter is grounded in the accumulation operation state during the batch refresh operation. Therefore, the electrons are not accumulated,
Smear phenomenon does not occur. Further, in the line refresh operation applied to a normal TV camera, the vertical line is grounded and refreshed before reading the accumulated voltage in the vertical line during the horizontal blanking period.
At this time, at the same time, the electrons accumulated in the emitter during one horizontal scanning period flow out, so that the smear phenomenon hardly occurs. As described above, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment, the smear development occurs only to an essentially negligible degree in terms of its structure and operation, which is one of the great advantages of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. Is one.

【0116】また、蓄積動作状態において、エミッタお
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γ特性を制御することも可能である。
Further, the operation of suppressing the blooming phenomenon by operating the respective potentials of the emitter and collector in the accumulation operation state has been described above, but it is also possible to control the γ characteristic by utilizing this.

【0117】すなわち、蓄積動作の途中において、一時
的にエミッ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ャリアのうち、この負電位
を与えるキャリア数より多く蓄積されているホールをエ
ミッタまたはコレクタ側へ流してしまうという動作をさ
せる。これにより、蓄積電圧と入射光量に対する関係
は、入射光量の小さいときはシリコン結晶のもつγ=1
の特性を示し、入射光量の大きい所では、γが1より小
さくなる様な特性を示す。つまり、折線近似的に通常テ
レビカメラで要求されるγ=0.45の特性をもたせる
ことが可能である。蓄積動作の途中において上記動作を
一度やれば一折線近似となり、エミッタ又はコレクタに
印加する負電位を二度適宜変更して行なえば、二折線タ
イプのγ特性を持たせることも可能である。
That is, during the accumulation operation, the potential of the emitter or collector is temporarily set to a certain negative potential, and the number of holes accumulated in the base is larger than the number of carriers giving this negative potential. Is made to flow to the emitter or collector side. As a result, the relationship between the accumulated voltage and the incident light quantity is γ = 1 of the silicon crystal when the incident light quantity is small.
The characteristic is such that γ is smaller than 1 at a place where the amount of incident light is large. That is, it is possible to give the characteristic of γ = 0.45 which is usually required for a television camera in a polygonal line approximation. If the above operation is performed once in the middle of the accumulation operation, it becomes a one-line approximation, and if the negative potential applied to the emitter or the collector is appropriately changed twice, a two-line type γ characteristic can be provided.

【0118】また、以上の実施例においては、シリコン
基板を共通コレクタとしているが通常バイポーラトラン
ジスタのごとく埋込n+ 領域を設け、各ライン毎にコレ
クタを分割させる様な構造としてもよい。
In the above embodiments, the silicon substrate is used as a common collector, but it is also possible to provide a buried n + region like a bipolar transistor and divide the collector for each line.

【0119】なお、実際の動作には図11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ックパルスが必
要である。
In addition to the pulse timing shown in FIG. 11, a clock pulse for driving the vertical shift register 32 and the horizontal shift register 39 is necessary for the actual operation.

【0120】図13に出力信号に関係する等価回路を示
す。容量CV 80は垂直ライン38,38′,38″の
配線容量であり、容量CH 81は出力ライン41の配線
容量をそれぞれ示している。また図13右側の等価回路
は、読出し状態におけるものであり、スイッチング用M
OSトランジスタ40,40′,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RM 82で示
している。また増幅用トランジスタ44を抵抗re 83
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ッシ
ュするための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. 13 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. The equivalent circuit on the right side of FIG. And M for switching
OS transistor 40, 40 ', 40 "is conductive, indicating a resistance value in its conductive state by a resistor R M 82. The resistance of the amplification transistor 44 r e 83
And an equivalent circuit using the current source 84. The MOS transistor 42 for refreshing the charge accumulation due to the wiring capacitance of the output line 41 is in a non-conducting state in the read state and has a high impedance, so that it is omitted in the equivalent circuit on the right side.

【0121】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CV 80は約4pF位、容量CH 81
は約4pF位、MOSトランジスタの導通状態の抵抗R
M 82は3KΩ程度、バイポーラトランジスタ44の電
流増幅率βは約100程度として、出力端子47におい
て観測される出力信号波形を計算した例を図14に示
す。
Each parameter of the equivalent circuit is determined by the size of the photoelectric conversion device actually configured. For example, the capacitance C V 80 is about 4 pF and the capacitance C H 81
Is about 4 pF, and the resistance R of the conductive state of the MOS transistor
FIG. 14 shows an example in which the output signal waveform observed at the output terminal 47 is calculated assuming that M 82 is about 3 KΩ and the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 is about 100.

【0122】図14において横軸はスイッチング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38,38′,3
8″の配線容量CV 80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っているときの出
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. 14, the horizontal axis represents the switching MOS.
The vertical axis represents the time [μs] from the moment when the transistors 40, 40 ', 40 "are turned on, and the vertical axis represents the vertical lines 38, 38', 3
The output voltage [V] that appears at the output terminal 47 when the 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 ″ is shown.

【0123】出力信号波形85は負荷抵抗RE 45が1
0KΩ、86は負荷抵抗RE 45が5KΩ、87は負荷
抵抗RE 45が2KΩのときのものであり、いずれにお
いてもピーク値は、CV 80とCH 81の容量分割によ
り0.5V程度になっている。当然のことながら、負荷
抵抗RE 45が大きいほうが減衰量は小さく、望ましい
出力波形になっている。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。スイッ
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 1
0KΩ, 86 is when the load resistance R E 45 is 5KΩ, and 87 is when the load resistance R E 45 is 2KΩ. In both cases, the peak value is about 0.5V due to the capacitance division of C V 80 and C H 81. It has become. As a matter of course, the larger the load resistance R E 45 is, the smaller the attenuation amount is, and the desired output waveform is obtained. The rise time is as fast as about 20 nsec with the above parameter values. By reducing the resistance R M of the switching MOS transistors 40, 40 ′ and 40 ″ in the conductive state and the wiring capacitances C V and C H , it is possible to read data at a higher speed.

【0124】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 the photoelectric conversion device using the optical sensor cell having the above configuration, the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each optical sensor cell, and therefore the amplification amplifier at the final stage is considerably larger than that of the MOS type image pickup device. A simple one will do. In the above-mentioned example, the example of using the one-stage type of bipolar transistor has been described, but it goes without saying that other methods such as a two-stage type can be used. When a bipolar transistor is used as in this example, the problem of 1 / f noise, which is easily noticeable on the image and is generated from the MOS transistor of the amplifier at the final stage in the CCD image pickup device, does not occur in the photoelectric conversion device of this embodiment. It is possible to obtain an image quality with an extremely good S / N ratio.

【0125】以下、本発明の光電変換装置の他の実施例
に付いて説明する。本実施例は、過渡的リフレッシュモ
ードにおける不都合を解決しようとするものである。
Another embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention will be described below. This embodiment is intended to solve the inconvenience in the transient refresh mode.

【0126】図12に、過渡的リフレッシュ動作、蓄積
動作、読出し動作、そして過渡的リフレッシュ動作と巡
回するときの、エミッタ、ベース、コレクタ各部におけ
る電位レベルを表したものを示す。各部位の電圧レベル
は外部的に見た電位であり、内部のポテンシャルレベル
とは一部一致していない所もある。
FIG. 12 shows the potential levels at the emitter, base and collector parts during the cyclic refresh operation, accumulation operation, read operation and transient refresh operation. The voltage level of each part is the potential seen from the outside, and there is a part that does not coincide with the internal potential level.

【0127】説明を簡単にするためにエミッタ・ベース
間の拡散電位は除いてある。したがって、図12でエミ
ッタとベースが同一レベルで表される時には、実際には
エミッタベース間に
To simplify the explanation, the diffusion potential between the emitter and the base is omitted. Therefore, when the emitter and the base are represented at the same level in FIG.

【0128】[0128]

【数21】 で与えられる拡散電位が存在するわけである。[Equation 21] There is a diffusion potential given by.

【0129】図12において、状態、はリフレッシ
ュ動作を、状態は蓄積動作を、状態、は読出し動
作を、状態はエミッタを接地したときの動作状態をそ
れぞれ示す。また電位レベルは0ボルトを境にして上側
が負、下側が正電位をそれぞれ示す。状態になる前の
ベース電位はゼロボルトであったとし、またコレクタ電
位は状態からまで全て正電位にバイアスされている
ものとする。
In FIG. 12, a state represents a refresh operation, a state represents a storage operation, a state represents a read operation, and a state represents an operation state when the emitter is grounded. Regarding the potential level, the upper side shows a negative potential and the lower side shows a positive potential with 0 V as a boundary. It is assumed that the base potential before the state is zero volt and that the collector potential is biased to the positive potential from the state.

【0130】上記の一連の動作を図11のタイミング図
と共に説明する。
The above series of operations will be described with reference to the timing chart of FIG.

【0131】図11の波形67のごとく、時刻t1 にお
いて、端子37に正電位すなわちリフレッシュ電圧VRH
が印加されると、図12の状態に電位200のごとく
ベースには、すでに説明した様に、
As shown by the waveform 67 in FIG. 11, at time t 1 , a positive potential, that is, the refresh voltage V RH is applied to the terminal 37.
Is applied to the base as in the state of FIG.

【0132】[0132]

【数22】 なる分圧がかかる。この電位は時刻t1 からt2 の間に
次第にゼロ電位に向かって減少していき、時刻t2
は、図12の点線で示した電位201となる。この電位
は前に説明した様に、過渡的なリフレッシュモードにお
いて、ベースに残る電位VK である。時刻t2 におい
て、波形67のごとく、リフレッシュ電圧VRHがゼロ電
圧にもどる瞬間にベースに、ベースには
[Equation 22] Partial pressure is applied. This potential gradually decreases toward the zero potential from time t 1 to t 2 , and becomes the potential 201 shown by the dotted line in FIG. 12 at time t 2 . This potential is the potential V K remaining at the base in the transient refresh mode, as described above. At time t 2 , as shown in the waveform 67, the base voltage is applied to the base at the moment when the refresh voltage V RH returns to zero voltage.

【0133】[0133]

【数23】 なる電圧が前と同様、容量分割により発生するので、ベ
ースは残っていた電圧VK と新しく発生した電圧との加
算された電位となる。すなわち、状態において示され
るベース電位202であり、これは、
[Equation 23] Since the generated voltage is generated by the capacitance division as before, the base becomes the potential obtained by adding the remaining voltage V K and the newly generated voltage. That is, the base potential 202 shown in the state, which is

【0134】[0134]

【数24】 で与えられる。[Equation 24] Given in.

【0135】この様なエミッタに対して逆バイアス状態
において光が入射してくると、この光により発生したホ
ールがベース領域に蓄積されるので、状態のごとく、
入射してくる光の強さに応じてベース電位202はベー
ス電位203、203′、203″のごとく次第に正電
位に向って変化する。この光により発生する電圧をVP
とする。
When light enters the emitter in the reverse bias state, holes generated by the light are accumulated in the base region.
The base potential 202 gradually changes to a positive potential like the base potentials 203, 203 ', and 203 "according to the intensity of the incident light. The voltage generated by this light is V P
And

【0136】次いで波形69のごとく、水平ラインに垂
直シフトレジスタより電圧、すなわち、読出し電圧VR
が印加されると、ベースには
Next, as shown by the waveform 69, a voltage is applied to the horizontal line from the vertical shift register, that is, the read voltage V R.
Is applied to the base

【0137】[0137]

【数25】 なる電圧が加算されるので、光がまったく照射されない
ときのベース電位204は
[Equation 25] Is added, the base potential 204 when no light is emitted is

【0138】[0138]

【数26】 となる。このときの電位204は前に説明したごとく、
エミッタに対して0.5〜0.6V程度順方向にバイア
ス状態になる様に、設定される。また、ベース電位20
5、205′、205″はそれぞれ
[Equation 26] Becomes The potential 204 at this time is, as described above,
It is set so as to be biased in the forward direction by about 0.5 to 0.6 V with respect to the emitter. Also, the base potential 20
5, 205 ', 205 "are each

【0139】[0139]

【数27】 で与えられる。[Equation 27] Given in.

【0140】ベース電位がこの様にエミッタに対して、
順方向バイアスされると、エミッタ側からエレクトロン
の注入がおこり、エミッタ電位は次第に正電位方向に動
いていくことになる。光が照射されなかったときのベー
ス電位204に対するエミッタ電位206は、順方向バ
イアスを0.5〜0.6Vに設定した時読出しパルス幅
が1〜2μs位のとき、約50〜100mV程度であ
り、この電圧をVB とすると、エミッタ電位207、2
07′、207″は前の例の様に0.1μs以上のパル
ス幅であれば直線性は十分確保されるので、それぞれV
P +VB 、VP ′+VB 、VP ″+VB となる。
The base potential is thus relative to the emitter
When forward biased, electrons are injected from the emitter side, and the emitter potential gradually moves in the positive potential direction. The emitter potential 206 with respect to the base potential 204 when light is not irradiated is about 50 to 100 mV when the read pulse width is about 1 to 2 μs when the forward bias is set to 0.5 to 0.6 V. , If this voltage is V B , the emitter potentials 207, 2
07 'and 207 "have sufficient linearity as long as the pulse width is 0.1 μs or more as in the previous example.
P + V B , V P ′ + V B , and V P ″ + V B.

【0141】ある一定の読出し時間の後、波形69のご
とく読出し電圧VR がゼロ電位になった時点で、ベース
には
After a certain read time, when the read voltage V R becomes zero potential as shown by the waveform 69, the base has

【0142】[0142]

【数28】 なる電圧が加算されるので、状態のごとくベース電位
は読出しパルスが印加される前の状態、すなわち逆バイ
アス状態になり、エミッタの電位変化は停止する。すな
わち、このときのベース電位208は、
[Equation 28] Therefore, the base potential becomes the state before the read pulse is applied, that is, the reverse bias state as in the state, and the potential change of the emitter is stopped. That is, the base potential 208 at this time is

【0143】[0143]

【数29】 ベース電位209、209′、209″はそれぞれ、[Equation 29] The base potentials 209, 209 'and 209 "are respectively

【0144】[0144]

【数30】 で与えられる。これは読出しが始まる前の状態とまっ
たく同じである。
[Equation 30] Given in. This is exactly the same as before reading was started.

【0145】この状態において、エミッタ側の光情報
信号が外部へ読出されるわけである。この読出しが終っ
た後、各スイツチングMOSトランジスタ48、4
8′、48″が導通状態となり、エミッタが接地されて
状態のごとく、エミッタはゼロ電位となる。これで、
リフレッシュ動作、蓄積動作、読出し動作と一巡し、次
に状態にもどるわけであるが、この時、最初にリフレ
ッシュ動作に入る前は、ベース電位がゼロ電位からスタ
ートしたのに対して、一巡してきた後はベース電位が
In this state, the optical information signal on the emitter side is read out to the outside. After this reading is completed, each switching MOS transistor 48, 4
8 ′ and 48 ″ are in a conductive state, and the emitter is grounded, so that the emitter has a zero potential.
The refresh operation, the accumulation operation, and the read operation make a round, and then the state returns to the next state. At this time, before the first refresh operation, the base potential started from zero potential, but it made one round. After that the base potential

【0146】[0146]

【数31】 およびそれに、それぞれVP 、VP ′、VP ″が加算さ
れた電位に変化していることになる。したがって、この
状態で、リフレッシュ電圧VRHが印加されたとしてもベ
ース電位はそれぞれVK 、VK +VP 、VK +VP ′、
K +VP ″になるだけであり、これでは、ベースに十
分な順方向バイアスがかからず、光の強くあたった所は
順方向バイアス量が大きいので光情報は消えるものの、
光の弱い部分の情報は消えずに残るということが生ずる
ことは図8に示したリフレッシュ動作の計算例から見て
もあきらかである。
[Equation 31] And the respective potentials have changed to V P , V P ′, and V P ″. Therefore, in this state, even if the refresh voltage V RH is applied, the base potential is V K. , V K + V P , V K + V P ′,
V K + V P ″, which does not apply a sufficient forward bias to the base, and the amount of forward bias is large where the light hits strongly, but the optical information disappears.
It is obvious from the calculation example of the refresh operation shown in FIG. 8 that the information of the weak light portion remains without disappearing.

【0147】この様な現象は、過渡的リフレッシュモー
ド独特のものであり、完全リフレッシュモードでは、ベ
ース電位が必ずゼロ電位になるまで長いリフレッシュ時
間をとるために、この様な問題は生じない。
Such a phenomenon is peculiar to the transient refresh mode, and in the complete refresh mode, such a problem does not occur because it takes a long refresh time until the base potential always becomes zero potential.

【0148】高速リフレッシュが可能な過渡的リフレッ
シュモードを使い、かつこの様な不都合の生じない方法
について以下に述べる。
A method of using the transient refresh mode capable of high-speed refresh and avoiding such inconvenience will be described below.

【0149】これを解決する一つの方法は、状態にお
いてベース電位210が負電位方向、すなわちエミッタ
に対して逆バイアス方向になりすぎているからであり、
次の状態において、リフレッシュパルスが印加される
前に何らかの方法で、このベース電位210をゼロ電
位、又は、わずか正電位にもってくれば良いことにな
る。
One way to solve this is that the base potential 210 is in the negative potential direction in the state, that is, in the reverse bias direction with respect to the emitter.
In the next state, it suffices to bring the base potential 210 to the zero potential or a slightly positive potential by some method before the refresh pulse is applied.

【0150】図24(a)に、それを達成するための光
センサセルの断面図を、(b)にそれの等価回路図を、
(c)に内部ポテンシャル図を、それぞれ示す。図24
(a)は、図4に示したセンサセルとは、埋込p+ 領域
220のあることだけが異っている。図24(b)の等
価回路図は、センサセルのベース領域6をコレクタ、埋
込p+ 領域220をエミッタ、ベース領域6とコレクタ
領域1の中間の高抵抗n- 領域5の一部をベースとした
pnpトランジスタ221が付加されている。pnpト
ランジスタのベース領域は、センサセルのコレクタ領域
1とはルースカップリングされているわけであり、等価
回路では点線で示している。また、この埋込p+ 領域2
20は結晶内部で配線222のごとく結線されており、
センサエリア外から電圧を印加できる構造となってい
る。
FIG. 24 (a) is a cross-sectional view of an optical sensor cell for achieving this, and FIG. 24 (b) is an equivalent circuit diagram thereof.
The internal potential diagrams are shown in (c). Figure 24
(A) differs from the sensor cell shown in FIG. 4 only in that it has a buried p + region 220. In the equivalent circuit diagram of FIG. 24B, the base region 6 of the sensor cell is the collector, the buried p + region 220 is the emitter, and a part of the high resistance n region 5 between the base region 6 and the collector region 1 is the base. The pnp transistor 221 is added. The base region of the pnp transistor is loosely coupled with the collector region 1 of the sensor cell, and is shown by a dotted line in the equivalent circuit. Also, this buried p + region 2
20 is connected inside the crystal like a wiring 222,
It has a structure that voltage can be applied from outside the sensor area.

【0151】図24(b)から明らかなように、p+
込領域220は、222に示されるように水平ライン方
向に一つのラインを形成するわけであるから実際には、
図24(a)では左右に連続してつながったp+ 埋込み
領域として示すべきものである。図24(a)ではわか
り易くするために模式的に一部にp+ 領域を示してい
る。
As is apparent from FIG. 24B, the p + buried region 220 forms one line in the horizontal line direction as indicated by 222, so in practice,
In FIG. 24 (a), it should be shown as a p + buried region continuously connected to the left and right. In FIG. 24A, a p + region is schematically shown in a part for the sake of clarity.

【0152】内部のエレクトロンに対するポテンシャル
は図24(c)に示すごとくであり、埋込p+ 領域22
0を含まない垂直断面でのポテンシャル分布は図12に
示したものと何ら変らないが、埋込p+ 領域220を含
む、垂直断面でのポテンシャル分布は点線223で示す
様なポテンシャル分布を有している。但し、この図では
埋込p+ 領域220がわずか正電位にバイアスされたと
きのポテンシャル分布をしている。この状態で、埋込p
+ 領域220をさらに正電位方向にバイアスすると、間
に存在するn- 領域が完全にパンチスルー状態になり、
+ 領域よりホールがセンサセルのベース領域6に向か
って流れこむことになり、このホールによりベース領域
6は正電位方向に電位が動いてくる。
The potential for the internal electrons is as shown in FIG. 24C, and the buried p + region 22 is used.
The potential distribution in the vertical cross section that does not include 0 is no different from that shown in FIG. 12, but the potential distribution in the vertical cross section that includes the embedded p + region 220 has the potential distribution as indicated by the dotted line 223. ing. However, in this figure, the potential distribution is shown when the buried p + region 220 is biased to a slightly positive potential. In this state, the embedded p
When the + region 220 is further biased in the positive potential direction, the n region existing between them is completely punched through,
Holes flow into the base region 6 of the sensor cell from the p + region, and the potential of the base region 6 moves in the positive potential direction due to the holes.

【0153】n- 領域をパンチスルー状態にして、p+
領域220からホールをpベース領域に流し込むには、
- 領域の厚さd、不純物密度N、p+ 領域220に加
える電圧をVP +とすると
Punch through the n - region and p +
To pour holes from region 220 into the p base region,
When the thickness d of the n region, the impurity density N, and the voltage applied to the p + region 220 are V P +

【0154】[0154]

【数32】 のように設計する。Vbiはp+- 接合の拡散電位であ
る。
[Equation 32] Design like. V bi is the diffusion potential of the p + n junction.

【0155】したがって、図12の状態において、埋
込p+ 領域220を配線222を通して正電圧を印加し
て、pベース領域にホールを注入することにより、ベー
ス電位210を先に説明したごとく、ゼロ電位又はわず
か正電位にもってくることにより過渡的リフレッシュモ
ードにおける不都合な現象を解決することが可能であ
る。このとき埋込p+ 領域220に印加する電圧はセン
サセルコレクタ1に印加している電圧よりもわずかに小
さい電圧、すなわち埋込p+ 領域220とコレクタのn
領域1が順方向バイアスとならない様な状態で、十分ベ
ース領域6に、ホールを渡しこむことが可能である。
Therefore, in the state of FIG. 12, a positive voltage is applied to the buried p + region 220 through the wiring 222 to inject holes into the p base region, so that the base potential 210 is zero as described above. By bringing the potential or a slightly positive potential, it is possible to solve the disadvantageous phenomenon in the transient refresh mode. At this time, the voltage applied to the embedded p + region 220 is slightly smaller than the voltage applied to the sensor cell collector 1, that is, the embedded p + region 220 and the collector n.
It is possible to sufficiently pass holes into the base region 6 in a state where the region 1 is not forward biased.

【0156】p+ 領域を形成する不純物(通常ボロン)
は、一般に拡散定数が大きく、高抵抗n- 領域5をエピ
タキシャル技術を用いて形成する時にオートドーピング
および拡散の問題が発生するが、エピタキシャル技術の
低温化により、埋込p+ 領域からのオートドーピングお
よび拡散を極力押える様な工夫がなされる。
Impurities forming the p + region (usually boron)
Generally has a large diffusion constant, and problems of autodoping and diffusion occur when the high resistance n region 5 is formed by using the epitaxial technique. However, due to the low temperature of the epitaxial technique, the autodoping from the buried p + region is caused. And a device is made to suppress diffusion as much as possible.

【0157】以上の一実施例は、すでに説明した、基本
光センサセルに対して埋込p+ 領域を拡散もしくはイオ
ン注入により付加することだけが異なり、後の部分の作
成方法はまったく同じで良い。
The above one embodiment is different only in that the buried p + region is added to the basic photosensor cell by diffusion or ion implantation as described above, and the method of forming the latter part may be exactly the same.

【0158】図25に、もう一つの実施例を説明するた
めの光センサセル断面図を示す。図25に示した断面図
では、図24(a)に示した埋込p+ 領域220の代り
に、ベース領域6を作るとき、同時に表面側にP領域2
24を作る構造となっている。このP領域224をエミ
ッタとし、低不純物n- 領域5をベース、光センサセル
のベース6をコレクタとするpnpトランジスタを構成
している。これは前の図24で示したものが、縦構造の
pnpトランジスタを形成していたのに対して、横構造
のpnpトランジスタを形成しているわけである。した
がって、この図25の実施例では、このP領域224に
電圧を供給するのは、表面側の配線225を介して行な
われる。
FIG. 25 shows a sectional view of an optical sensor cell for explaining another embodiment. In the sectional view shown in FIG. 25, when the base region 6 is formed instead of the buried p + region 220 shown in FIG.
It has a structure to make 24. This P region 224 serves as an emitter, the low impurity n region 5 serves as a base, and the base 6 of the photosensor cell serves as a collector to form a pnp transistor. This is because the pnp transistor having the vertical structure is formed as shown in FIG. 24, whereas the pnp transistor having the horizontal structure is formed. Therefore, in the embodiment of FIG. 25, the voltage is supplied to P region 224 through wiring 225 on the front surface side.

【0159】この図25に示した実施例の等価回路は、
pnpトランジスタが縦構造、横構造のちがいはあるも
のの、図24(b)に示した等価回路とまったく同じで
あり、また、それの動作もすでに説明したものとまった
く同じである。
The equivalent circuit of the embodiment shown in FIG. 25 is
Although the pnp transistor has a vertical structure and a horizontal structure, it is exactly the same as the equivalent circuit shown in FIG. 24B, and its operation is also exactly the same as that already described.

【0160】図25に示した断面図では、p+ 領域22
4、これの配線225がMOSキャパシタ電極9、エミ
ッタ領域7および配線8と、説明の都合上全て同一断面
内に書いているが、同一の光センサセルの中の他の部分
に配置することも可能であり、これは、光入射する窓の
形状、配線等の設計要因から決定されることになる。
In the cross-sectional view shown in FIG. 25, p + region 22
4. The wiring 225 thereof is shown in the same cross section as the MOS capacitor electrode 9, the emitter region 7 and the wiring 8 for the sake of explanation, but they can be arranged in other parts of the same photosensor cell. This is determined by design factors such as the shape of the window on which light is incident and the wiring.

【0161】既に述べた様に、前述した構成に係る光セ
ンサセルを利用した光電変換装置では、最終段の増幅ア
ンプがきわめて簡単なもので良いことから、最終段の増
幅アンプを一つだけ設ける図1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 described above, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cell having the above-described structure, the final stage amplification amplifier may be extremely simple. Therefore, only one final stage amplification amplifier is provided. Instead of the type as in the embodiment shown in FIG. 1, it is also possible to install a plurality of amplification amplifiers and divide one screen into a plurality of pieces for reading.

【0162】図15に、分割読出し方式の一例を示す。
図15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。基本的な動作は図1の実
施例および図11,図12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、この図15の実施例
では、3つの等価な水平シフトレジスタ100、10
1、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。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、
水平方向のスキャンニング周波数は、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
シフトレン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ィジタル変換して、信号処理す
る様な用途には、高速のアナログ・ディジタル変換器は
不必要であり、分割読出し方式の大きな利点である。
FIG. 15 shows an example of the division read method.
The embodiment shown in FIG. 15 is an example in which the horizontal direction is divided into three and three final stage amplifiers are installed. The basic operation is almost the same as that described with reference to the embodiment of FIG. 1 and the timing diagrams of FIGS. 11 and 12, but in the embodiment of FIG. 15, three equivalent horizontal shift registers 100, 10 are provided.
1, 102 are provided, and when a starting pulse is applied to the terminal 103 for applying these starting pulses, the first column, (n +
The outputs of the respective sensor cells connected to the 1) th column and the (2n + 1) th column (n is an integer, and the number of horizontal picture elements is 3n in this embodiment) are read simultaneously.
At the next time point, the second row, the (n + 2) th row, the (2n + 2) th row
The column will be read. According to this embodiment, when the time for reading one horizontal line is fixed,
The scanning frequency in the horizontal direction may be 1/3 of the frequency compared to the system with one final stage amplifier, which simplifies the horizontal shift ranger and converts the output signal from the photoelectric conversion device into an analog-digital signal. Then, a high-speed analog-to-digital converter is not required for applications such as signal processing, which is a great advantage of the divided read method.

【0163】図15に示した実施例では、等価な水平シ
フトレジスタを3つ設けた方式であったが、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図16に示す。
In the embodiment shown in FIG. 15, three equivalent horizontal shift registers are provided, but a similar function can be provided by only one horizontal shift register. An example of this case is shown in FIG.

【0164】図16の実施例は、図15に示した実施例
のうちの水平スイッチング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、図15の実施例と同じであるから省略している。
The embodiment of FIG. 16 shows only the intermediate portion of the horizontal switching MOS transistor and the final stage amplifier of the embodiment shown in FIG. 15, and the other portions are the same as those of FIG. It is omitted because it is the same as the example.

【0165】この実施例では、1つの水平シフトレジス
タ104からの出力を1列目、(n+1)列目、(2n
+1)列目のスイッチング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 embodiment, the output from one horizontal shift register 104 is output to the first column, (n + 1) th column, (2n)
The gates of the switching MOS transistors in the (+1) th column are connected to read those lines at the same time. At the next time point, the second row, the (n + 2) th row, the (2n +
2) The column number is read.

【0166】この実施例によれば、各スイッチングMO
S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, each switching MO
Although the number of wirings to the gate of the S transistor is increased, only one horizontal shift register can operate.

【0167】図15、図16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 of FIGS. 15 and 16, three output amplifiers are provided, but it goes without saying that the number may be increased depending on the purpose.

【0168】図15、図16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
よびクロックパルスは省略しているが、これらは、他の
リフレッシュパルスと同様、同一チップ内に設けたクロ
ックパルス発生器あるいは、他のチップ上に設けられた
クロックパルス発生器から供給される。
In each of the embodiments shown in FIGS. 15 and 16, the starting pulse and the clock pulse of the horizontal shift register and the vertical shift register are omitted, but these are provided in the same chip as other refresh pulses. Or a clock pulse generator provided on another chip.

【0169】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ッシュを行なうと、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、許容限度以上になってきた場合で
も、外部回路を用いて、それを補正することは、キョシ
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 divided reading method, when horizontal line batch or full screen batch refresh is performed, the nth column and (n
The accumulation time is slightly different between the photosensor cells in the (+1) th column, which may cause a slight discontinuity in the dark current component and the signal component, which may be noticeable on the image. Is small and practically no problem. Even if it exceeds the allowable limit, it is necessary to correct it using an external circuit to generate a poppy-like wave, and subtract it from the dark current component and multiply and divide it with the signal component. This is easily possible by using conventional correction techniques performed by.

【0170】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
ィルタあるいは、モザイクフィルタ等をオンチップ化し
たり、又は、別に作ったカラーフィ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 a color image is picked up by using such a photoelectric conversion device, a stripe filter, a mosaic filter, or the like is integrated on the photoelectric conversion device, or a separately prepared color filter is attached. A color signal can be obtained by combining them.

【0171】一例として、R,G,Bのストライプ・フ
ィ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。
これの一実施例を図17に示す。この図17も図16と
同様、水平シフトレジスタのまわりだけを示している。
他は図1および図15と同じであり、ただ1列目はRの
カラーフィルタ、2列目はGのカラーフィルタ、3列目
はBのカラーフィルタ、4列目はRのカラーフィルタと
いう様にカラーフィルタがついているものとする。図1
7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
ラインは出力ライン112に接続されたB信号をとりだ
す。出力ライン110,111,112はそれぞれオン
チップ化されたリフレッシュ用MOSトランジスタおよ
び最終段アンプ、例えばエミッタフォロアタイプのバイ
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 the R, G, and B stripe filters are used, in the photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, the R signal, the G signal, and the B signal are respectively output from different final stage amplifiers. It is possible to obtain.
An example of this is shown in FIG. Similar to FIG. 16, this FIG. 17 also shows only around the horizontal shift register.
Others are the same as in FIGS. 1 and 15, except that the first column is an R color filter, the second column is a G color filter, the third column is a B color filter, and the fourth column is an R color filter. The color filter is attached to. Figure 1
As shown in FIG. 7, the vertical lines of the first column, the fourth column, the seventh column, ... Are connected to the output line 110, which takes out the R signal. The vertical lines in the second, fifth, eighth, ... Columns are connected to the output line 111, which takes out the G signal. Similarly, the vertical lines of the third column, the sixth column, the ninth column, ... Take out the B signal connected to the output line 112. The output lines 110, 111 and 112 are respectively connected to on-chip refresh MOS transistors and final stage amplifiers, for example, emitter follower type bipolar transistors, and each color signal is output separately.

【0172】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図18に示す。またそれの等価回路
および全体の回路構成図を図19に示す。
FIG. 18 is a diagram for explaining the basic structure and operation of another example of the photosensor cell constituting the photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention. Further, FIG. 19 shows an equivalent circuit thereof and an overall circuit configuration diagram.

【0173】図18に示す光センサセルは、同一の水平
スキャンパルスにより読出し動作、およびラインリフレ
ッシュを同時に行なうことを可能とした光センサセルで
ある。図18において、すでに図4で示した構成と異な
る点は、図4の場合水平ライン配線10に接続されるM
OSキャパシタ電極9が一つだけであったものが上下に
隣接する光センサセルの側にもMOSキャパシタ電極1
20が接続され、1つの光センサセルからみた時に、ダ
ブルコンデンサタイプとなっていること、および図にお
いて上下に隣接する光センサセルのエミッタ7,7´は
2層配線にされた配線8,および配線121、(図
18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
わちエミッタ7はコンタクトホール19を通して配線
8に、エミッタ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って
いる。
The photosensor cell shown in FIG. 18 is a photosensor cell capable of simultaneously performing a read operation and a line refresh by the same horizontal scan pulse. 18 is different from the configuration already shown in FIG. 4 in that in FIG. 4, M connected to the horizontal line wiring 10 is used.
The MOS capacitor electrode 1 having only one OS capacitor electrode 9 is also provided on the side of vertically adjacent photosensor cells.
20 is connected and is of a double capacitor type when viewed from one photosensor cell, and the emitters 7 and 7 ′ of the photosensor cells that are vertically adjacent to each other in the figure are the wiring 8 and the wiring 121 which are two-layer wiring. , (In FIG. 18, one vertical line is seen, but two lines are arranged through an insulating layer), that is, the emitter 7 is connected to the wiring 8 through the contact hole 19 and the emitter 7 ′. Are connected to the wiring 121 through the contact holes 19 ', respectively.

【0174】これは図19の等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル152のベースに接
続されたMOSキャパシタ150は水平ライン31に接
続され、MOSキャパシタ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キャパシタ
150´は共通する水平ライン31´に接続されてい
る。
This becomes more apparent when the equivalent circuit of FIG. 19 is viewed. That is, the MOS capacitor 150 connected to the base of the photosensor cell 152 is connected to the horizontal line 31, and the MOS capacitor 151 is connected to the horizontal line 31 '. Further, the MOS capacitor 150 'of the photosensor cell 152' adjacent to the bottom of the photosensor cell 152 in the drawing is connected to the common horizontal line 31 '.

【0175】光センサセル152のエミッタは垂直ライ
ン38に、光センサセル152´のエミッタは垂直ライ
ン138に、光センサセル152″のエミッタは垂直ラ
イン38という様にそれぞれ交互に接続されている。
The emitters of the photosensor cells 152 are alternately connected to the vertical lines 38, the emitters of the photosensor cells 152 'are connected to the vertical lines 138, the emitters of the photosensor cells 152 "are connected to the vertical lines 38, and so on.

【0176】図19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、図1の撮像装置と異なるのは、
垂直ライン38をリフレッシュするためのスイッチング
MOSトランジスタ48のほかに垂直ライン138をリ
フレッシュするためのスイッチングMOSトランジスタ
148、および垂直ライン38を選択するスイッチング
MOSトランジスタ40のほか垂直ライン138を選択
するためのスイッチング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、各ラインをリフレッシュするためのス
イッチングMOSトランジスタ48、および148が接
続されている様な構成とし、さらに水平スキャン用のス
イッチングMOSトランジスタを用いる図20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。図20では図19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 of FIG. 19 differs from the image pickup apparatus of FIG. 1 except for the basic photosensor cell section described above.
In addition to the switching MOS transistor 48 for refreshing the vertical line 38, a switching MOS transistor 148 for refreshing the vertical line 138, and a switching MOS transistor 40 for selecting the vertical line 38 and a switching for selecting the vertical line 138. A MOS transistor 140 is added and one output amplifier system is added. This output system has a configuration in which switching MOS transistors 48 and 148 for refreshing each line are connected, and a switching MOS transistor for horizontal scanning is used as shown in FIG. A configuration with only one is also possible. FIG. 20 shows only the vertical line selection and output amplifier system of FIG.

【0177】この図18の光センサセルおよび図19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キャパシ
タ151を通して、読出しの終了した光センサセル15
2をリフレッシュする。このとき、スイッチングMOS
トランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン38は
接地されている。
According to the photosensor cell of FIG. 18 and the embodiment shown in FIG. 19, the following operation is possible. That is, when the reading operation of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 is completed and the horizontal blanking period in the television operation is completed, the output pulse from the vertical shift register 32 is output to the horizontal line 31 '. Through 151, the optical sensor cell 15 whose reading has been completed
Refresh 2. At this time, switching MOS
Transistor 48 is conductive and vertical line 38 is grounded.

【0178】また、水平ライン31´に接続されたMO
Sキャパシタ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
ことながらスイッチングMOSトランジスタ148は非
導通状態になされ、垂直ライン138は浮遊状態となっ
ているわけである。この様に一つの垂直スキャンパルス
により、すでに読出しを終了した光センサセルのリフレ
ッシュと、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ッシュ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ってくるが、これは図18
に示すごとく、MOSキャパシタ電極9およびMOSキ
ャパシタ電極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。
The MO connected to the horizontal line 31 '
The output of the photosensor cell 152 'is read out on the vertical line 138 through the S capacitor 150'. At this time, as a matter of course, the switching MOS transistor 148 is turned off 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 photosensor cells that have already been read and read the photosensor cells of the next line with the same pulse. At this time, as already described, the voltage for refreshing and the voltage for reading are different because a bias voltage is applied during reading because of the necessity of high-speed reading.
As shown in FIG. 5, it is achieved by changing the areas of the MOS capacitor electrode 9 and the MOS capacitor electrode 120 so that different voltages are applied to the bases of the respective photosensor cells even if the same voltage is applied to each electrode. ing.

【0179】すなわち、リフレッシュ用MOSキャパシ
タの面積は、読出し用MOSキャパシタの面積にくらべ
て小さくなっている。この例のように、センサセル全部
を一括リフレッシュするのではなく、一ラインずつリフ
レッシュしていく場合には、図4(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っている場合
には、全光センサセルのコレクタが共通領域となってい
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った状態になっている。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
わった状態でも浮遊ベースのリフレッシュは、エミッタ
の間で行なえる。ただし、この場合には、ベース領域の
リフレッシュが行なわれると同時に、リフレッシュパル
スが印加されたセルのエミッ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、図4の構造
に関連させて説明すれば、基板はp型にして、p型基板
中にコレクタ各水平ラインごとに互いに分離されたn+
埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインのn
+ 埋込領域の分離は、p領域を間に介在させる構造でも
よい。水平ラインに沿って埋込まれるコレクタのキャパ
シタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れている。
図4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 that of the read MOS capacitor. As shown in FIG. 4B, when the sensor cells are not refreshed all at once but refreshed line by line as in this example, the collector is made of an n type or an n substrate. However, it may be desirable to have separate collectors for each horizontal line. When the collector is the substrate, the collectors of all the photosensor cells are in the common region, so that a constant bias voltage is applied to the collector in the accumulation and light reception read states. Of course, as described above, the floating base can be refreshed between the emitters even when the bias voltage is applied to the collector. However, in this case, at the same time as the refreshing of the base region is performed, a wasteful current flows between the emitter and collector of the cell to which the refresh pulse is applied, resulting in a large power consumption. In order to overcome these drawbacks, the collectors of all the sensor cells are not common to each other, and the collectors of the sensor cells arranged in each horizontal line are common, but the collectors of each horizontal line are separated from each other. That is, in connection with the structure of FIG. 4, the substrate is of p-type, and n + collectors separated from each other by horizontal lines in the p-type substrate.
The structure has an embedded region. N of adjacent horizontal lines
The + buried region may be separated by a structure having a p region interposed therebetween. Insulator isolation is better for reducing the collector capacitor buried along the horizontal line.
In FIG. 4, since the collector is composed of the substrate, the isolation regions surrounding the sensor cell are all provided to almost the same depth. On the other hand, in order to separate the collectors for each horizontal line from each other, the separation region in the horizontal line direction is set to be deeper than the separation region in the vertical line direction by a necessary value.

【0180】各水平ラインごとにコレクタが分離されて
いれば、読出しが終って、リフレッシュ動作が始まる時
に、その水平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前
述したようなエミッ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。リフレッシュが終って光信号
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, when the voltage of the collector of the horizontal line is grounded when the reading operation is finished and the refresh operation is started, the emitter-collector current as described above does not flow. , Does not increase power consumption. When the refresh operation ends and the charge accumulation operation by the optical signal is started, a predetermined bias voltage is applied to the collector region again.

【0181】また図19の等価回路によれば、各水平ラ
インごとに出力は出力端子47および147に交互に出
力されることになる。これは、すでに説明したごとく、
図20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 of FIG. 19, the output is alternately output to the output terminals 47 and 147 for each horizontal line. This is, as I already explained,
With the configuration shown in FIG. 20, it is possible to take out the output from one amplifier.

【0182】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、ラインリフレッシュが可能となり、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 described above, according to the present embodiment, the line refresh can be performed with a relatively simple structure, and the present invention can be applied to the application fields such as ordinary television cameras.

【0183】本発明の他の実施例としては、光センサセ
ルに複数のエミッタを設けた構成あるいは、一つのエミ
ッ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。
Another embodiment of the present invention is a type in which a plurality of emitters are provided in a photosensor cell or a plurality of contacts are provided in one emitter, and a plurality of outputs are taken out from one photosensor cell. Conceivable.

【0184】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、まっ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。
Since each photosensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention has an amplification function, even if a plurality of wiring capacitors are connected to each photosensor cell in order to take out a plurality of outputs from one photosensor cell, This is because the accumulated voltage Vp generated inside the photo sensor cell can be read out to each output without any attenuation.

【0185】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。
As described above, with the structure in which a plurality of outputs can be taken out from each optical sensor cell, many advantages are provided for the signal processing or noise countermeasures for the photoelectric conversion device in which a large number of each optical sensor cell is arranged. It is possible to add.

【0186】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。図21,図22に、選択エピタキシ
ャル成長(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 of manufacturing the photoelectric conversion device according to the present invention will be described. 21 and 22 show selective epitaxial growth (N. Endo et al, “New device isolation
technology with selected epitaxial growth "Tech.
Dig. Of 1982 IEDM, pp. 241-244), an example of the manufacturing method is shown.

【0187】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 provided by diffusion of As or P on the back surface side of the n-type Si substrate 1 having an impurity concentration of about 1 to 10 × 10 16 cm -3 . Although not shown, an oxide film and a nitride film are usually provided on the back surface in order to prevent autodoping from the n + region.

【0188】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、キャリアライン
タイムがウェハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用
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
をウエット酸化により形成する。すなわち、H2 O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。
As the substrate 1, a substrate whose impurity concentration and oxygen concentration are uniformly controlled is used. That is, a crystal wafer having a carrier line time that is sufficiently long and uniform is used. As such a material, for example, a crystal by the MCZ method is suitable. An oxide film of about 1 μm is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, it is oxidized in a H 2 O atmosphere or a (H 2 + O 2 ) atmosphere. To obtain a good oxide film without causing stacking faults, 900 ° C
High pressure oxidation at moderate temperatures is suitable.

【0189】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 +O
2 )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。フォトリソグラ
フィ工程により、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 ),C2
4 ,CH22 等のガスを用いたリアクテイブイオン
エッチングで除去する(図21の工程(a))、例えば、
10×10μm2 に1画素を設ける場合には、10μm
ピッチのメッシュ状にSiO2 膜を残す。SiO2 膜の
幅はたとえば2μm程度に選ばれる。リアクティブイオ
ンエッチングによる表面のダメージ層及び汚染層を、A
r/Cl2 ガス系プラズマエッチングかウエットエッチ
ングによって除去した後、超高真空中における蒸着かも
しくは、ロードロック形式で十分に雰囲気が清浄になさ
れたスパッタ、あるいは、SiH4 ガスにCO2 レーザ
光線を照射する減圧光CVDで、アモルファスシリコン
301を堆積する(図21の工程(b))、CBrF
3 、CCl22 、Cl2 等のガスを用いたリアクティ
ブイオンエッチングによる異方性エッチによりSiO2
層側面に堆積している以外のアモルファスシリコンを除
去する(図21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10Tor
rの減圧状態で成長は行ない、基板温度は900〜10
00℃、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、Si
2 層上のシリコンはHClによってエッチングされて
しまうため、SiO2 層上にはシリコンは堆積しない
(図21の(d))。n- 層5の厚さは例えば3〜5μ
m程度である。不純物濃度は好ましくは1012〜1016
cm-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。
A SiO 2 film having a thickness of, for example, about 2 to 4 μm is deposited thereon by CVD. (N 2 + SiH 4 + O
2 ) Deposit a SiO 2 film of desired thickness at a temperature of about 300 to 500 ° C. in a gas system. The O 2 / SiH 4 molar ratio is set to about 4 to 40 depending on the temperature. By the photolithography process, the oxide film in the part which becomes the isolation region between the cells is left and the oxide films in the other regions are (CF 4 + H 2 ), C 2
Removal by reactive ion etching using a gas such as F 4 , CH 2 F 2 (step (a) in FIG. 21), for example,
10 μm when one pixel is provided for 10 × 10 μm 2.
The SiO 2 film is left in the form of pitch mesh. The width of the SiO 2 film is selected to be, for example, about 2 μm. The damage layer and the contamination layer on the surface due to the reactive ion etching are
After removing by r / Cl 2 gas-based plasma etching or wet etching, vapor deposition in ultra-high vacuum, or sputtering in which the atmosphere is sufficiently cleaned by a load lock method, or a CO 2 laser beam is applied to SiH 4 gas. Amorphous silicon 301 is deposited by irradiation with low pressure photo CVD (step (b) in FIG. 21), CBrF
3, CCl 2 F 2, Cl SiO 2 by anisotropic etching using reactive ion etching using a 2 or the like of the gas
Amorphous silicon other than those deposited on the side surface of the layer is removed (step (c) in FIG. 21). As before, the damage layer and the contaminated layer are sufficiently removed, and then the surface of the silicon substrate is sufficiently cleaned. Selective growth of a silicon layer is carried out by a (H 2 + SiH 2 , Cl 2 + HCl) gas system. Number 10 Tor
The growth is performed under a reduced pressure of r, and the substrate temperature is 900 to 10
The molar ratio of 00 ° C. and HCl is set to a value higher than a certain level. If the amount of HCl is too small, selective growth does not occur.
Although a silicon crystal layer grows on the silicon substrate,
Since silicon on the O 2 layer is etched by HCl, silicon is not deposited on the SiO 2 layer ((d) of FIG. 21). The thickness of the n layer 5 is, for example, 3 to 5 μm.
It is about m. The impurity concentration is preferably 10 12 to 10 16
Set it to about cm -3 . Of course, this range may be deviated, but the impurity concentration and the impurity concentration such that at least the n region is completely depleted in the state of being completely depleted at the diffusion potential of the pn junction or when the operating voltage is applied to the collector. It is desirable to select the thickness.

【0190】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って、到底高品質のエ
ピタキシャル成長は望めない。水分の多いHClは、ボ
ンベに入っ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って、重金属汚染
の多いエピタキシャル層になり易い。光センサセルに使
用するエピタキシャル層は、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。SiH2 Cl2 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。エピタキシャ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ィフェクトを多
数発生させ、デヌーデットゾーンを有するイントリシッ
クゲッ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ャ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ェハ直接加熱法が成長雰
囲気をもっともクリーンにできて、高品質エピタキシャ
ル層を低温で成長させられる。
Since HCl gas that is usually available contains a large amount of water, an oxide film is always formed on the surface of a silicon substrate, so that high quality epitaxial growth cannot be expected. HCl containing a large amount of water reacts with the material of the cylinder in a state where it is contained in the cylinder, and contains a large amount of heavy metals centering on iron, which easily forms an epitaxial layer with a large amount of heavy metal contamination. Since it is more desirable for the epitaxial layer used for the optical sensor cell to have a smaller dark current component, it is necessary to suppress contamination by heavy metals to the utmost limit. It is needless to say that ultra-high-purity materials are used for SiH 2 Cl 2 , but HCl has particularly low water content, preferably at least 0.5 ppm water content.
Use the following: Of course, the lower the water content, the better. In order to further improve the quality of the epitaxial growth layer, the substrate is first subjected to a high temperature treatment of about 1150 to 1250 ° C. to remove oxygen from the vicinity of the surface, and then subjected to a long-term heat treatment of about 800 ° C. to generate many microdefects inside the substrate. It is also extremely effective to use a substrate having a denuded zone and capable of intrithic gettering. Since the epitaxial growth is performed in the state where the SiO 2 layer 4 as the isolation region exists,
A lower growth temperature is desirable to reduce the uptake of oxygen from SiO 2 . In the high-frequency heating method that is often used, it is difficult to further lower the temperature because there is much contamination from the carbon susceptor. The wafer direct heating method by lamp heating without bringing in a carbon susceptor into the reaction chamber can make the growth atmosphere the cleanest and can grow a high-quality epitaxial layer at a low temperature.

【0191】反応室におけるウェハ支持具は、より蒸気
圧の低い超高純度溶融サファイアが適している。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
る状態でもウェ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
ウェハ直接加熱法は、高品質エピタキシャル層を得るの
に適している。成長時にウェハ表面への紫外線照射は、
エピタキシャル層の品質をさらに向上させる。
Ultrahigh-purity molten sapphire having a lower vapor pressure is suitable for the wafer support in the reaction chamber. The raw material gas can be preheated easily, and even if a large flow of gas is flowing, it is easy to make the wafer in-plane temperature uniform, that is, the wafer direct heating method by lamp heating that generates almost no thermal stress produces high-quality epitaxial layers. Suitable to get. UV irradiation on the wafer surface during growth
Further improve the quality of the epitaxial layer.

【0192】分離領域4となるSiO2 層の側壁にはア
モルファスシリコンが堆積している(図21の工程
(c))。アモルファ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
キシャル成長により形成した後(図21の工程
(d))、表面濃度1〜20×1016cm-3程度のP領
域6を、ドープトオキサイドからの拡散か、あるいは低
ドーズのイオン注入層をソースとした拡散により所定の
深さまで形成する。p領域6の深さはたとえば0.6〜
1μm程度である。
Amorphous silicon is deposited on the side wall of the SiO 2 layer to be the isolation region 4 (step (c) in FIG. 21). Since amorphous silicon is likely to be single-crystallized by solid phase growth, the crystal near the interface with the SiO 2 separation region 4 becomes very excellent. After forming the high resistance n layer 5 by selective epitaxial growth (step (d) in FIG. 21), the P region 6 having a surface concentration of about 1 to 20 × 10 16 cm −3 is diffused from the doped oxide, or A low-dose ion implantation layer is used as a source to form a predetermined depth by diffusion. The depth of the p region 6 is, for example, 0.6 to
It is about 1 μm.

【0193】p領域6の厚さと不純物濃度は以下のよう
な考えで決定する。感度を上げようとすれば、p領域6
の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが望まし
い。Cbeは略々次のように与えられる。
The thickness of the p region 6 and the impurity concentration are determined in the following way. To increase the sensitivity, p region 6
It is desirable to reduce the impurity concentration of and reduce Cbe. Cbe is approximately given as follows.

【0194】[0194]

【数33】 ただし、Vbiはエミッタ・ベース間拡散電位であり、[Expression 33] However, Vbi is the diffusion potential between the emitter and the base,

【0195】[0195]

【数34】 で与えられる。ここで、εはシリコン結晶の誘電率、N
D はエミッタの不純物濃度、NA はベースのエミッタに
隣接する部分の不純物密度、ni は眞性キヤリア濃度で
ある。NA を小さくするほどCbeは小さくなって、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
態になってしまうため、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。
[Equation 34] Given in. Where ε is the dielectric constant of the silicon crystal, N
D is the impurity concentration of the emitter, N A is the impurity concentration of the portion adjacent to the emitter of the base, and n i is the true carrier concentration. Cbe becomes smaller as N A becomes smaller and the sensitivity increases, but if N A is made too small, the base region will be completely depleted in the operating state and become a punching through state, so it cannot be made too low. Absent. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and a punching through state does not occur.

【0196】その後、シリコン基板表面に(H2 +O
2 )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(Si34)302を500〜15
00Å程度の厚さで形成する。形成温度は700〜90
0℃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Si
2 膜との選択エッ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300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(図21の
工程(e))。2度のマスク合わせ工程を含むフォトリ
ソグラフィー工程により、n+ 領域7上と、リフレッシ
ュ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
リコン膜を使ってもよい。たとえば、2回のフォトリソ
グラフィー工程により、エミッタ上は、PSG膜,Si
34 膜、SiO2 膜をすべて除去し、リフレッシュお
よび読出しパルス印加電極を設ける部分には下地のSi
2 膜を残して、PSG膜とSi34 膜のみエッチン
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 +A
sH3 )ガスでCVD法により堆積する。堆積温度は5
50℃〜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。
エミッタとリフレッシュ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ォト
リソグラフィー工程の後エッチングで除去する。さら
に、PSG膜をエッチングすると、リフトオフによりP
SG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(図21の工程(f))。ポリシリ
コン膜のエッチングはC2 Cl24 、(CBrF3
Cl2 )等のガス系でエッチングし、Si34 膜はC
22 等のガスでエッチングする。
Then, (H 2 + O
2 ) From several 10Å to several 100Å due to gas-based steam oxidation
A thermal oxide film 3 having a thickness of about 800 is formed at a temperature of about 800 to 900.degree. Then, a nitride film (Si 3 N 4 ) 302 of 500 to 15 is formed by CVD of (SiH 4 + NH 3 ) based gas.
It is formed with a thickness of about 00Å. Formation temperature is 700-90
It is about 0 ° C. NH 3 gas and the normally available products along with HCl gas also contain a large amount of water. If NH 3 gas with a large amount of water is used as a raw material, a nitride film with a high oxygen concentration will be formed, resulting in poor reproducibility.
The selective etching with the O 2 film causes a result that a selective ratio cannot be obtained. The NH 3 gas also has a water content of at least 0.
It should be 5 ppm or less. It goes without saying that the smaller the water content, the more desirable. A PSG film 300 is further deposited on the nitride film 302 by CVD. The gas system is, for example, (N 2 + SiH 4 + O 2 + PH 3 ),
A PSG film having a thickness of about 2000 to 3000 Å is deposited by CVD at a temperature of about 300 to 450 ° C. (step (e) in FIG. 21). An As-doped polysilicon film 304 is deposited on the n + region 7 and the refresh and read pulse application electrodes by a photolithography process including two mask alignment processes. In this case, a p-doped polysilicon film may be used. For example, a PSG film and Si are formed on the emitter by two photolithography processes.
The 3N 4 film and the SiO 2 film are all removed, and the underlying Si
Only the PSG film and the Si 3 N 4 film are etched, leaving the O 2 film. Then, the As-doped polysilicon is replaced with (N 2
+ SiH 4 + AsH 3 ) or (H 2 + SiH 4 + A
sH 3 ) gas is deposited by the CVD method. Deposition temperature is 5
The film thickness is about 50 ° C to 700 ° C and the film thickness is 1000 to 2000Å. Of course, non-doped polysilicon may be deposited by the CVD method and then As or P may be diffused.
The polysilicon film except for the emitter and the refresh and read pulse application electrodes is masked, and is removed by etching after the photolithography process. Further, when the PSG film is etched, P is caused by lift-off.
The polysilicon deposited on the SG film is removed in a self-aligned manner (step (f) in FIG. 21). The etching of the polysilicon film is performed using C 2 Cl 2 F 4 , (CBrF 3 +
Cl 2 ), etc. is used for etching, and the Si 3 N 4 film is C
Etching is performed with a gas such as H 2 F 2 .

【0197】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
とエッチング工程とにより、リフレッシュパルス及び読
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ッタによっ
て堆積するか、あるいは(CH33 AlやAlCl3
を原材料ガスとするプラズマCVD法、あるいはまた上
記原材料ガスのAl−CボンドやAl−Clボンドを直
接光照射により切断する光照射CVD法によりAlを堆
積する。(CH33 Al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ったくない
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。図4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SiO2 膜、あるいは耐水性等を考慮し
する必要がある場合には、(SiH4 +NH3 )ガス系
のプラズマCVD法によって形成したSi34 膜であ
る。Si34 膜中の水素の含有量を低く抑えるために
は、(SiH4 +N2 )ガス系でのプラズマCVD法を
使用する。
Next, after depositing the PSG film 305 by the gas-based CVD method as described above, contact holes are formed on the polysilicon film for the refresh pulse and read pulse electrodes by a mask aligning process and an etching process. Open. In such a state, Al, Al-Si, Al-
Metals such as Cu-Si or deposited by vacuum deposition or sputtering, or (CH 3) 3 Al or AlCl 3
Al is deposited by a plasma CVD method using as a raw material gas or a light irradiation CVD method of cutting the Al—C bond or Al—Cl bond of the above raw material gas by direct light irradiation. When performing the above-described CVD method using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as a raw material gas, hydrogen is allowed to flow in a large excess. For depositing Al in a thin and steep contact hole, the CVD method in which the substrate temperature is raised to 300 to 400 ° C. in a clean atmosphere containing no moisture or oxygen is excellent. After the patterning of the metal wiring 10 shown in FIG. 4 is completed, the interlayer insulating film 306 is deposited by the CVD method. 306 is the above-mentioned PSG film, the CVD method SiO 2 film, or the Si 3 N 4 film formed by the (SiH 4 + NH 3 ) gas-based plasma CVD method when it is necessary to consider the water resistance. Is. In order to keep the hydrogen content in the Si 3 N 4 film low, a plasma CVD method using a (SiH 4 + N 2 ) gas system is used.

【0198】プラズマCVD法によるダメージを現象さ
せ形成されたSi34 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Si3
4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、(S
iH4 +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 breakdown voltage of the Si 3 N 4 film formed by causing the phenomenon of damage by the plasma CVD method and reduce the leak current, Si 3 by the photo CVD method is used.
N 4 film is excellent. There are two types of photo CVD methods. A method of irradiating 2537Å ultraviolet rays of a mercury lamp from the outside with a (SiH 4 + NH 3 + Hg) gas system, and (S
This is a method of irradiating the iH 4 + NH) 3 gas system with 1849 Å ultraviolet rays from a mercury lamp. In both cases, the substrate temperature is 150-
It is about 350 ° C.

【0199】マスク合わせ工程及びエッチング工程によ
り、エミッタ7上のポリシリコンに、絶縁膜305,3
06を貫通したコンタクトホールをリアクティブイオン
エッチで開けた後、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。図1における金属配
線8のパターニングを終えた後、最終パッシベーション
膜としてのSi34 膜あるいはPSG膜2をCVD法
により堆積する(図22)。
By the mask aligning process and the etching process, the insulating films 305 and 3 are formed on the polysilicon on the emitter 7.
After the contact hole penetrating 06 is opened by reactive ion etching, Al, Al-Si,
A metal such as Al-Cu-Si is deposited. In this case,
Since the aspect ratio of the contact hole is large, CVD
The deposition by the method is superior. After patterning the metal wiring 8 in FIG. 1, a Si 3 N 4 film or a PSG film 2 as a final passivation film is deposited by the CVD method (FIG. 22).

【0200】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。
Also in this case, the film formed by the photo-CVD method is excellent. Reference numeral 12 is a metal electrode on the back surface made of Al, Al-Si, or the like.

【0201】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、図21,図22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 has various steps, and FIGS. 21 and 22 are merely examples.

【0202】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。図21,図22では、そのた
めに、あらかじめ分離領域4の側壁にアモルファスSi
を堆積しておいてエピタキシャル成長を行なう方法を説
明した。この場合には、エピタキシャル成長中に基板S
iからの固相成長でアモルファスSiは単結晶化される
わけである。エピタキシャル成長は、850℃〜100
0℃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ァスSiが単結晶
化される前に、アモルファス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ァスSi
中に微結晶が成長し始める速度より相対的にずっと大き
くなるから、選択エピタキシャル成長を行なう前に、5
50℃〜700℃程度の低温処理で、アモルファス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とアモルファス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。
An important point of the photoelectric conversion device of the present invention is how to reduce the leak current between the p region 6 and the n region 5 and between the p region 6 and the n + region 7. n - region 5
Of course, to reduce the dark current by improving the quality of the isolation region 4 and the n region 5 made of an oxide film or the like.
The interface is the problem. 21 and 22, for this purpose, amorphous Si is previously formed on the side wall of the isolation region 4.
A method of depositing and performing epitaxial growth has been described. In this case, the substrate S during epitaxial growth
Amorphous Si is single-crystallized by solid phase growth from i. Epitaxial growth is 850 ° C to 100
It is carried out at a relatively high temperature of about 0 ° C. Therefore, fine crystals often start to grow in the amorphous Si before the amorphous Si is single-crystallized by solid phase growth from the substrate Si, which causes deterioration of crystallinity.
The lower the temperature, the faster the solid-phase growth rate is in amorphous Si.
Before the selective epitaxial growth, 5
Amorphous Si is obtained by low-temperature treatment of about 50 ° C to 700 ° C.
If a single crystal is used, the interface characteristics are improved. At this time, if there is a layer such as an oxide film between the substrate Si and the amorphous Si, the start of solid phase growth is delayed, and therefore an ultra-high cleaning process that does not include such a layer at the boundary between the two is required.

【0203】アモルファスSiの固相成長には上述した
ファーナス成長の他に、基板をある程度の温度に保って
おいて、フッシュ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秒程度のラピッドアニール
技術も有効である。こうした技術を使うときには、Si
2 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。
For solid phase growth of amorphous Si, in addition to the above-described furnace growth, a rapid anneal technique of heating the substrate at a certain temperature and heating with a fish lamp or an infrared lamp for, for example, several seconds to several tens seconds is also available. It is valid. When using these technologies, Si
The Si deposited on the side wall of the O 2 layer may be polycrystalline. However, it is necessary to deposit it by a very clean process to make polycrystalline Si that does not contain oxygen, carbon, etc. at the crystal grain boundaries of the polycrystalline body.

【0204】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 the side surface of SiO 2 is single-crystallized, the Si is selectively grown.

【0205】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 領域4に接触す
るn- 領域5の0.3〜1μm程度の厚さの領域だけ、
たとえば1〜10×1016cm-3程度にn形の不純物濃
度を高くするのである。この構成は比較的容易に形成で
きる。基板1上に略々1μm程度熱酸化膜を形成した
後、その上にCVD法で堆積する。SiO2 膜をまず所
要の厚さだけ、所定の量のPを含んだSiO2 膜にして
おく。さらにその上にSiO2 をCVD法で堆積すると
いうことで分離領域4を作っておく。その後の高温プロ
セスで分離領域4中にサンドイッ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、界面がもっ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 the leakage current at the interface between the SiO 2 isolation region 4 and the high resistance n region 5 is inevitable, the high resistance n −
- only the portion adjacent to the SiO 2 isolation region 4 in the region 5, n
If the impurity concentration of the shape is increased, the problem of the leak current can be avoided. For example, only the n region 5 in contact with the isolation SiO 2 region 4 and having a thickness of about 0.3 to 1 μm,
For example, the n-type impurity concentration is increased to about 1 to 10 × 10 16 cm −3 . This structure can be formed relatively easily. After forming a thermal oxide film of about 1 μm on the substrate 1, it is deposited by the CVD method. Only first required thickness of the SiO 2 film, keep the SiO 2 film containing P of a predetermined amount. Further, SiO 2 is deposited thereon by the CVD method to form the isolation region 4. In the subsequent high-temperature process, phosphorus is diffused from the SiO 2 film containing phosphorus existing in the isolation region 4 in a sandwich shape into the high resistance n region 5, and the interface has the highest impurity concentration. make.

【0206】すなわち、図23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C
VD法SiO2 膜、301はCVD法SiO2 膜であ
る。分離領域4に隣接して、n-領域5中との間に、n
領域307が、燐を含んだSiO2 膜309からの拡散
で形成される。307はセル周辺全部に形成されてい
る。この構造にすると、ベース・コレクタ間容量Cbc
は大きくなるが、ベース・コレクタ間リーク電流は激減
する。
That is, the structure is as shown in FIG. The isolation region 4 has a three-layer structure, 308 is a thermal oxide film SiO 2 , and 309 is C containing phosphorus.
The VD method SiO 2 film and 301 are CVD method SiO 2 films. N adjacent to the isolation region 4 and between the n region 5 and n
The region 307 is formed by diffusion from the SiO 2 film 309 containing phosphorus. 307 is formed all around the cell. With this structure, the base-collector capacitance Cbc
Is large, but the base-collector leakage current is drastically reduced.

【0207】図21,図22では、あらかじめ分離用絶
縁領域4を作っておいて、選択エピタキシャル成長を行
なう例について説明したが、基板上に必要な高抵抗n-
層のエピキタシャ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ィブイオンエッチングによりメ
ッシュ状に切り込んで分離領域を形成する、Uグループ
分離技術( A.Hayasaka et al,“U−groove isolation
technique for highspeed bipolar VLSI ′S ″,Tech.
Dig. ofIEDM. P.62, 1982, 参照)を使って行なうこと
も出来る。
In FIG. 21 and FIG. 22, an example in which the isolation insulating region 4 is formed in advance and selective epitaxial growth is performed has been described, but a high resistance n required on the substrate is described.
U-group isolation technology (A.Hayasaka et al, “U-groove isolation, in which a layer to be an isolation region is cut in a mesh shape by reactive ion etching after the layer is epitaxially grown to form the isolation region.
technique for highspeed bipolar VLSI'S ″, Tech.
Dig. Of IEDM. P.62, 1982, see also).

【0208】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
の領域が半導体ウェ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
によって、光情報を光電変換する装置である。高不純物
濃度領域よりなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に
設けられており、このエミッタは水平スキャンパルスに
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。ウェハ
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、目的によっ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ッシュ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、ダブルキャパシタ構造で説明したよう
に、リフレッシュ用MOSキャパシタ電極の容量Cox
にくらべて読出し用MOSキャパシタ電極の容量Cox
大きくしておいてもよい。リフレッシュパルス印加によ
り、逆バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起
されたキャ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・エミッタ間が順方
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。たとえば、前記の実施例で説明した構造と導電型が
まっ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。導電型がまったく反転した構造では、領域はn型
になる。すなわち、ベースを構成する不純物はAsやP
になる。AsやPを含む領域の表面を酸化すると、As
やPはSi/SiO2 界面のSi側にパイルアップす
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。
The photoelectric conversion device according to the present invention is a bipolar transistor in which a base region, most of which is adjacent to the surface of a semiconductor wafer, is in a floating state in a region surrounded by an isolation region made of an insulator. This is a device for photoelectrically converting optical information by controlling the potential of a base region which has been formed and brought into a floating state by an electrode provided in a part of the base region through a thin insulating layer. An emitter region composed 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 above-mentioned electrodes provided on a part of the floating base region via a thin insulating layer are connected to the horizontal line. The collector provided inside the wafer may be composed of a substrate, or may be composed of a high-concentration impurity-embedded region separated for each horizontal line on a high resistance substrate of opposite conductivity type depending on the purpose. . The applied pulse voltage at the time of reading a signal is substantially higher than the pulse voltage at the time of refreshing the floating base region in the electrode provided via the insulating layer. In practice, a pulse train that waits for two kinds of voltage may be used, or, as described in the double capacitor structure, the capacitance C ox of the refresh MOS capacitor electrode.
The capacitance C ox of the read MOS capacitor electrode may be made larger than that. By applying a refresh pulse, the photo-excited carriers are accumulated in the floating base region in the reverse bias state to store a signal based on the optical signal, and at the time of reading the signal, the base and emitter are deeply biased in the forward direction. As described above, the read pulse voltage is applied so that the signal can be read at a high speed. It is needless to say that the photoelectric conversion device of the present invention may be realized by any structure as long as it has such characteristics, and is not limited to the structure described in the above embodiment. For example, the same applies to the structure described in the above embodiment and the structure in which the conductivity type is completely inverted. However, at this time, it is necessary to completely reverse the polarity of the applied voltage. In a structure in which the conductivity type is completely inverted, the region becomes n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P.
become. When the surface of the area containing As and P is oxidized, As
And P pile up on the Si side of the Si / SiO 2 interface. That is, a strong drift electric field from the surface to the inside is generated inside the base, the photoexcited holes immediately escape from the base to the collector side, and electrons are efficiently accumulated in the base.

【0209】ベースがp型の場合には、通常使われる不
純物はボロンである。ボロンを含むp領域表面を熱酸化
すると、ボロンは酸化膜中に取り込まれるため、Si/
SiO2 界面近傍のSi中におけるボロン濃度はやや内
部のボロン濃度より低くなる。この深さは、酸化膜厚に
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、表面に沿った一部にn+
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 界面に集まったエレクトロンは、
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 界面近傍で減少し
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 界面に存在すると、蓄積されたホ
ールをSi/SiO2 界面から引き離して内部に存在さ
せるようにするために、ホールが界面で消滅する効果が
無くなり、p層のベースにおけるホール蓄積効果が良好
となり、きわめて望ましい。
When 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 that Si /
The boron concentration in Si near the SiO 2 interface is slightly lower than the boron concentration inside. This depth is usually several 100 Å, although it depends on the oxide film thickness. Near this interface,
An anti-drift field for the electrons occurs, and the electrons photoexcited in this region tend to collect at the surface. Under this condition, the region in which the reverse drift electric field is generated becomes a dead region, but since the n + region exists in a part along the surface in the photoelectric conversion device of the present invention, p
The electrons collected at the Si / SiO 2 interface of the region are
It flows into this n + region before it is recombined. Therefore, even if there is a region where, for example, boron is reduced in the vicinity of the Si / SiO 2 interface and an inverse drift electric field is generated, it hardly becomes a dead region. Rather, When such regions are present at the Si / SiO 2 interface, in order to be present within the accumulated holes pulled away from the Si / SiO 2 interface, there is no effect of hole disappears at the interface of the p-layer The hole accumulation effect in the base is good, which is extremely desirable.

【0210】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
ァクシミリ、ワークステイション、デジタル複写機、ワ
ープロ等の画像入力装置、OCR、バーコード読取り装
置、カメラ、ビデオカメラ、8ミリカメラ等のオートフ
ォ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 image pickup device described above, the photoelectric conversion device according to the present invention includes, for example, an image input device, a facsimile, a workstation, a digital copying machine, an image input device such as a word processor, an OCR, a bar code reader. The present invention can also be applied to a photoelectric conversion subject detection device for autofocus such as a device, a camera, a video camera, and an 8 mm camera.

【0211】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ャリアを蓄積するものであ
る。すなわち、Base Store Image S
ensor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 the floating state. That is, Base Store Image S
It is a device that should be called an "enor" and is abbreviated as "BASIS".

【0212】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、そのダイナミックレンジは広
く取れ、内部増幅機能を有するため配線容量によらず大
きな信号電圧を発生するため低録音でかつ周辺回路が容
易になるという特徴を有している。例えば将来の高品質
固体撮像装置として、その工業的価値はきわめて高い。
Since the photoelectric conversion device of the present invention can form 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 smear and high sensitivity, and its dynamic range is high. Since it has a wide range and has an internal amplification function, a large signal voltage is generated irrespective of the wiring capacity, so that the recording is low and the peripheral circuit is easy. For example, as a high-quality solid-state imaging device of the future, its industrial value is extremely high.

【0213】[0213]

【発明の効果】本発明によれば、主電極領域の電位を固
定して制御電極領域の電位を独立的に制御して制御電極
領域と主電極領域との接合を順方向にバイアスして蓄積
電荷を消滅させるので高速動作で残像や固定パターンノ
イズを極めて少なくすることができる。同様に制御電極
領域の電位が主電極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。
According to the present invention, the potential of the main electrode region is fixed and the potential of the control electrode region is independently controlled, and the junction between the control electrode region and the main electrode region is forward biased and accumulated. Since the charges are eliminated, afterimages and fixed pattern noise can be extremely reduced at high speed operation. Similarly, since the potential of the control electrode area is controlled independently of the main electrode area,
High-speed reading is possible while ensuring good linearity of the output voltage signal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施態様例の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of an exemplary embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例に係る光センサセルの読出し
動作時の等価回路図である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram during a read operation of the photosensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ動作時の等価回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a photosensor cell according to an embodiment of the present invention during a refresh operation.

【図4】(a)は本発明の一実施例に係る光センサセル
の平面図、(b)は断面図、(c)は等価回路図であ
る。
4A is a plan view of an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 4B is a sectional view, and FIG. 4C is an equivalent circuit diagram.

【図5】本発明の一実施例に係る光センサセルの読出し
時間と読出し電圧との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the read time and the read voltage of the photosensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例に係る光センサセルの蓄積電
圧と読出し時間との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the accumulated voltage and the read time of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施例に係る光センサセルのバイア
ス電圧と読出し時間との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the read time of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a refresh time and a base potential of an optical sensor cell according to an example of the present invention.

【図9】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the refresh time and the base potential of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図10】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフ
レッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the refresh time and the base potential of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図11】図1の光電変換装置のパルスタイミング図で
ある。
11 is a pulse timing diagram of the photoelectric conversion device of FIG.

【図12】図1の光電変換装置の各動作時の電位分布を
示すグラフである。
12 is a graph showing a potential distribution during each operation of the photoelectric conversion device of FIG.

【図13】図1の光電変換装置の出力信号に関係する等
価回路図である。
13 is an equivalent circuit diagram related to an output signal of the photoelectric conversion device of FIG.

【図14】図1の光電変換装置の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。
FIG. 14 is a graph showing the output voltage from the moment when the photoelectric conversion device of FIG. 1 becomes conductive in relation to time.

【図15】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図16】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図17】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図18】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。
FIG. 18 is a plan view for explaining a main structure of a modified example of the present invention.

【図19】図18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。
19 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device configured by the optical sensor cell shown in FIG.

【図20】図18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。
20 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device configured by the optical sensor cell shown in FIG.

【図21】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。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図22】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。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図23】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。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図24】本発明の実施例に係る光センサセルを示し、
(a)は断面図、(b)はその等価回路図、(c)はポテ
ンシヤル分布図である。
FIG. 24 shows an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention,
(A) is a sectional view, (b) is an equivalent circuit diagram thereof, and (c) is a potential distribution diagram.

【図25】光センサセルの他の変形例の主要構造を示す
断面図である。
FIG. 25 is a sectional view showing the main structure of another modification of the optical sensor cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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- 領域(コレクタ領域) 6 p領域(ベース領域) 7,7′ n+ 領域(エミッタ領域) 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 152,152′ 光センサセル 202,203,205 ベース電位 220 埋込p+ 領域 222,225 配線 251 p+ 領域 252 n+ 領域 253 配線 300 アモルフアスシリコン 302 窒化膜 303 PSG膜 304 ポリシリコン 305 PSG膜 306 層間絶縁膜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 electrodes 13 capacitors 14 bipolar transistors 15 and 17 junction capacitances 16 and 18 diodes 19 and 19 'contact parts 20 light 28 vertical lines 30 photosensor cells 31 horizontal lines 32 vertical shift registers 33 and 35 MOS transistors 36 and 37 terminals 38 vertical lines 39 Horizontal shift register 40 MOS transistor 41 output line 42 MOS transistor 43 terminal 44 transistor 45 load resistor 46 terminal 47 terminal 48 MOS transistor 49 terminal 61, 62, 63 section 64 collector potential 67 waveform 80, 81 Capacitance 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 152,152' Photosensor cell 202,203,205 Base potential 220 Buried p + region 222, 225 wiring 251 p + region 252 n + region 253 wiring 300 amorphous silicon 302 nitride film 303 PSG film 304 polysilicon 305 PSG film 306 interlayer insulating film

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年7月15日[Submission date] July 15, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【書類名】 明細書[Document name] Statement

【発明の名称】 信号処理装置 Title: Signal processing device

【特許請求の範囲】[Claims]

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、信号処理装置に係り、
特に同一基板上に設けられた複数の光センサアレイから
の出力信号を処理する信号処理装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a signal processing device,
Especially from multiple photosensor arrays on the same substrate
The present invention relates to a signal processing device that processes the output signal of the.

【0002】[0002]

【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。
2. Description of the Related Art In recent years, research on photoelectric conversion devices, particularly solid-state image pickup devices, has been actively conducted with the progress of semiconductor technology, and some have begun to be put to practical use.

【0003】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キャパシタ電極下にポテンシャルの井戸
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、これらのポテンシャルの井戸を、
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もある。また一方、MOS型撮像装
置は、受光部を構成するpn接合よりなるフォトダイオ
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、それぞれのフォトダイオードに接続された
MOSスイッ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 image pickup devices are roughly classified into two types, CCD type and MOS type. The CCD type image pickup device forms potential wells under the MOS capacitor electrodes, accumulates electric charges generated by the incidence of light in the wells, and at the time of reading, these potential wells are
The principle is that the accumulated charges are transferred to the output amplifier section and read out by sequentially moving them by the pulse applied to the electrodes. Further, in the CCD type image pickup device, the light receiving part is a pn
There is also a type in which a junction diode structure is used and the transfer unit is a CCD structure. On the other hand, the MOS-type image pickup device accumulates charges generated by the incidence of light in each of the photodiodes having a pn junction that constitutes a light receiving portion, and sequentially reads out the MOS switching transistors connected to the photodiodes at the time of reading. It is based on the principle that the charges accumulated by turning on are read out to the output amplifier section.

【0004】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
るフローティング・ディフュージョ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型アンプがオンチップ化されるた
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。従って、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、一つのポテンシャル井戸に蓄積できる最大の電荷
量が減少し、ダイナミッ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、ポテンシャ
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
荷転送がストップしたり、あるいは、極端に悪くなって
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。
The CCD type image pickup device has a relatively simple structure, and in view of 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. It is an imaging device with relatively low noise and is capable of low-illumination imaging. However, due to the process limitation of making a CCD type image pickup device, a MOS type amplifier is on-chip as an output amplifier, so 1 / f noise, which is easily noticeable on the image, is generated from the interface between silicon and the SiO 2 film. To do. Therefore, although it is called low noise, there is a limit to its performance. Also,
If the number of cells is increased and the density is increased for higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well decreases, and the dynamic range cannot be obtained.
In the future, there will be a big problem in increasing the resolution of the solid-state imaging device. Further, since the CCD type image pickup device transfers the accumulated charges by sequentially moving the potential wells, even if there is a defect in one of the cells, the charge transfer is stopped there, or an extreme charge is generated. It also has a drawback that the production yield does not increase.

【0005】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、ダイナミッ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
フォ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ップが発生し、出力電圧が下がっ
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、また各フォトダイオードおよ
び水平スキャン用のMOSスイッ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, the MOS type image pickup device is a little complicated in structure as compared with the CCD type image pickup device, especially the frame transfer type device, but it can be constructed so as to increase the storage capacity and is dynamic. It has the advantage that it can take a wide range. Further, even if one of the cells has a defect, the defect does not affect other cells due to the XY address system, which is advantageous in terms of manufacturing yield. However, in this MOS type image pickup device, since wiring capacitance is connected to each photodiode at the time of signal reading, an extremely large signal voltage drop occurs, the output voltage drops, and wiring capacitance is large, which causes random noise. Is generated, fixed pattern noise is mixed due to variations in parasitic capacitance of each photodiode and MOS switching transistor for horizontal scanning, and low-illuminance shooting is more difficult than a CCD image pickup device. have.

【0006】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。これに対しチップサイズから決まってくる配線容量
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。
Further, in the future high resolution of the image pickup apparatus, the size of each cell is reduced and the accumulated charge is reduced. On the other hand, the wiring capacity determined by the chip size does not decrease much even if the line width is reduced. Therefore, the MOS type image pickup device becomes more and more disadvantageous in terms of S / N.

【0007】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 the CCD type and MOS type image pickup devices have advantages and disadvantages as described above, they are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there are inherently large problems in advancing the higher resolution required in the future.

【0008】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MO
S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、MO
S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
って、ここで提案されている方式は、高出力、広ダイナ
ミックレンジ、低雑音であり、かつ、光信号により励起
されたキャリア(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ットを有
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 the solid-state image pickup device, JP-A-56-150878, "Semiconductor imager", JP-A-56-157073, "Semiconductor imager", and JP-A-56-165473, " A new method has been proposed for the “semiconductor image pickup device”. An image pickup device of CCD type or MOS type uses a charge generated by light incidence as a main electrode (for example, MO.
In contrast to the accumulation in the source of the S-transistor, the method proposed here is such that the electric charge generated by light incidence is stored in the control electrode (for example, the base of a bipolar transistor, SIT (static induction transistor) or MOS transistor). It is based on the new idea of controlling the flowing current by the charge accumulated in the gate) and generated by light. That is, CCD type, MO
While the S-type reads out the stored charge itself to the outside, the method proposed here reads out the stored charge after amplifying the charge by the amplification function of each cell. In addition, if the viewpoint is changed, the low impedance output is read out by impedance conversion. Therefore, the method proposed here has high output, wide dynamic range, low noise, and since carriers (charges) excited by an optical signal are accumulated in the control electrode, nondestructive readout is possible. Has some benefits. Furthermore, it can be said that this method has potential for higher resolution in the future.

【0009】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。
However, this method is basically X-
The Y-address method is the Y-address method, and the element structure described in the above publication has a basic configuration in which each cell of a conventional MOS type image pickup device is combined with an amplification element such as a bipolar transistor or an SIT transistor. Therefore, although it has a relatively complicated structure and has the possibility of high resolution, there is a limit to high resolution as it is.

【0010】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- 15
7073号公報、特開昭56-165473 号公報及び「 SIT (Stat
ic Injection Transistor)イメージセンサへの応用、テ
レビジョン学会技術報告(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った従来技術の一代
表例を示すものである。
There are also limitations in the points described below. JP-A-56-150878, JP-A-56-15
7073, JP-A-56-165473 and SIT (Stat
ic Injection Transistor) Application to image sensor, Technical Report of Television Society (hereinafter referred to as TV Society journal) "
FIG. 1 shows a representative example of a conventional technique involving one of the inventors of the present invention.

【0011】特開昭56-150878 号公報、特開昭56-15707
3 号公報には、N+ 、P+ 、I(又はP- 、N- )、N
+ 領域からなるフック構造のP+ 領域に電荷を蓄積し、
接地電位との間でキャパシタを形成しているN+ 領域の
電位をスイッ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, JP-A-56-15707
The 3 JP, N +, P +, I ( or P -, N -), N
The charge is accumulated in the P + region of the hook structure composed of the + region,
There is described a configuration of a system in which the potential of an N + region forming a capacitor with the ground potential is read by a switching transistor.

【0012】しかしながら、この構成では出力信号の高
速で直線性が十分な読み出しが行えない。また読み出し
後のリセット動作においてもP+ 領域を接地するだけ
で、出力側のリセットすらしておらず、目につくような
残像が多く発生する。また固定パターンノイズも大き
い。
However, with this configuration, it is not possible to read the output signal at a high speed and with sufficient linearity. Also in the reset operation after reading, only the P + region is grounded, the output side is not reset, and a noticeable afterimage is often generated. Also, fixed pattern noise is large.

【0013】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+ 領域の
フッ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
なっており、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、これも出
力信号の高速で直線性が十分な読み出しができない。ま
た、読み出し後のリセット動作においても出力回路とは
反対側の透明電極側のN+ 領域を0か僅かに負電位にセ
ットするだけで出力側のリセットもないために目につく
ような残像が多く発生してしまう。更に高速リフレッシ
ュもできない。
On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-165473 discloses N +
Region, a floating P + region, a high resistance region, and an N + region connected to a transparent electrode to which a pulse voltage is applied, N + , P + , I (or P , N ), The hook structure of the N + region is shown. The floating N + region is also one of the main electrode regions of the read transistor at the same time. During the read operation, the transistor is turned on and electrons flow into the positively charged N + region, and the voltage change is used as a signal. Read out. However, this also cannot read the output signal at high speed and with sufficient linearity. Also, in the reset operation after reading, the N + region on the transparent electrode side opposite to the output circuit is set to 0 or slightly negative potential, and there is no reset on the output side. Many occur. Furthermore, high speed refresh is not possible.

【0014】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ッシュ線を介してゲート領域を予
め所定の電圧に逆バイアスし、ソース接地抵抗負荷の出
力回路に読み出す構成である。しかしながら、この構成
では、出力信号を高速で読み出そうとすると十分な直線
性が得られない。なぜならば、読み出し時に十分な順バ
イアスがかからない為に短時間では出力電圧が必要な値
に到達しないからである。又、出力側のリセットすらな
いので、リセット動作が不十分で残像が多く発生してし
まう。
In addition, the TV conference journal shows a gate storage type photocell and a base storage type photocell. Among them, the gate storage type photocell has a configuration in which the gate region is set in a floating state and the gate region is reverse-biased in advance to a predetermined voltage via a refresh line via an insulating film and read to an output circuit of a source ground resistance load. However, with this configuration, sufficient linearity cannot be obtained when the output signal is read at high speed. This is because the output voltage does not reach the required value in a short time because a sufficient forward bias is not applied during reading. Further, since resetting is not performed on the output side, the resetting operation is insufficient and many afterimages occur.

【0015】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、容量とスイッチングMOS
FETとを含むエミッタホロアの出力回路が接続された
エミッタ(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
出しを行っている為に、図5や図6,図7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。またリ
フレッシュにおいてもエミッタとコレクタとを接地する
だけであるので固定パターンノイズが大きく高速リフレ
ッシュができない。
On the other hand, the base storage type photocell has N + , P
+, N -, N + has a phototransistor structure, a base in a floating state (P +), a collector (N +) of pulses to a voltage is applied, the capacitance and the switching MOS
An emitter follower output circuit including an FET and an emitter (N + ) to which the output circuit is connected. However, in this configuration, since reading is performed by applying a voltage to the collector, it is difficult to ensure linearity at high speed operation, as will be described later with reference to FIGS. 5, 6, and 7. Also, in refreshing, since the emitter and collector are simply grounded, fixed pattern noise is large and high-speed refreshing cannot be performed.

【0016】また、以上の従来技術とは別に、米国特許
第3,624,428 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ッ
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、該エミッタ接地抵抗負荷の出
力回路で電流読み出しを行う構成が示されている。しか
し所詮、破壊型の電流読み出しである為に直線性、残像
特性が悪い。
In addition to the above-mentioned prior art, US Pat. No. 3,624,428 and Japanese Patent Publication No. 50-38531 disclose an output circuit of a grounded-emitter resistance load for a transistor in which an electrode is provided on the base through an insulating layer. Is connected, the base is reversely biased to perform the accumulation operation, and the output circuit of the grounded-emitter resistor load reads the current. After all, however, the linearity and the afterimage characteristic are poor because of the destructive type current reading.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】以上、従来の固体撮像
装置の構成及びその課題について述べたが、各センサ画
素から信号を、シフトレジスタによって順次オンされる
トランジスタを介してアンプに読出す信号読出し回路を
有する固体撮像装置では、一本の水平ライン分の信号を
読出す時間が固定されているときは、画素数が増大すれ
ばするほど、高速で読出す必要性が生じ、例えば、出力
信号をアナログディジタル変換して信号処理するような
用途には、高速のアナログディジタル変換器が必要とな
る課題があった。 [発明の目的]本発明の目的は、簡単な回路構成で高速
信号処理を行うことができる信号処理装置を提供するこ
とにある。
As described above, the conventional solid-state imaging
The configuration of the device and its problems were described.
The signal from the source is sequentially turned on by the shift register.
A signal readout circuit that reads out to the amplifier via the transistor
The solid-state imaging device that has a signal for one horizontal line
If the read time is fixed, the number of pixels may increase.
The higher the number, the faster it becomes necessary to read the data.
Analog-to-digital conversion of signals for signal processing
Applications require high-speed analog-to-digital converters
There was a problem . [Object of the Invention] The object of the present invention is to achieve high speed with a simple circuit configuration.
To provide a signal processing device capable of performing signal processing.
And in.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】かかる目的は、同一基板
上に設けられた複数の光センサアレイからの出力信号を
処理する信号処理装置において、前記複数の光センサア
レイからの出力信号を転送する為の転送手段と、前記転
送手段に接続されたシフトレジスタと、前記シフトレジ
スタに対応して設けられた複数の信号処理手段と、を具
備し、前記複数の信号処理手段は夫々前記複数の光セン
サアレイに対応して設けられており、各光センサアレイ
から転送された信号を前記信号処理手段にて並列に処理
することを特徴とする信号処理装置によって達成され
る。
[Means for Solving the Problems] The same object
Output signals from the multiple optical sensor arrays provided above
In the signal processing device for processing, the plurality of optical sensor
Transfer means for transferring the output signal from the ray,
A shift register connected to the sending means, and the shift register
A plurality of signal processing means provided corresponding to the
The plurality of signal processing means are respectively provided in the plurality of optical sensors.
It is provided for each array and each optical sensor array
The signals transferred from the above are processed in parallel by the signal processing means.
Is achieved by a signal processing device characterized by
It

【0019】[0019]

【作用】本発明は、複数の光センサアレイからの出力信
号を処理する場合、複数の信号処理手段により、各光セ
ンサアレイから転送された信号を並列処理するものであ
り、1つの信号処理手段により信号処理する場合に比べ
て、低周波数であって、実質的に高周波数での処理と
同じ速度で信号処理することが可能となる。
The present invention is based on the output signals from a plurality of photosensor arrays.
Signal processing, each signal is processed by a plurality of signal processing means.
It processes the signals transferred from the sensor array in parallel.
Compared to the case where signal processing is performed by one signal processing means,
Therefore, even at low frequencies,
It is possible to process signals at the same speed.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明による好適な実施態様例につい
て信号処理手段が一つの場合との対比において説明す
る。
EXAMPLES Examples of preferred embodiments according to the present invention will be described below.
Will be explained in comparison with the case where there is only one signal processing means.
It

【0021】図1は本発明の好適な一実施態様例を示す
信号処理装置を用いた光電変換装置の回路構成図であ
る。信号処理手段は出力トランジスタ44、負荷抵抗4
5からなるアンプを含んでおり、ここでは3つ設けられ
ている。なお、図1においては、各水平シフトレジスタ
100,101,102によって制御されるMOSトラ
ンジスタに接続される各行の光センサが光センサアレイ
である。図15は信号処理手段が1つの場合を示す光電
変換装置の回路構成図である。
FIG . 1 shows a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device using a signal processing device.
It The signal processing means is an output transistor 44, a load resistor 4
Includes 5 amplifiers, 3 here
ing. In FIG. 1, each horizontal shift register
MOS transistor controlled by 100, 101, 102
Each row of optical sensors connected to the sensor is an optical sensor array.
Is. FIG. 15 shows a photoelectric converter showing a case where there is one signal processing means.
It is a circuit block diagram of a converter.

【0022】図1の実施態様例では、3つの等価な水平
シフトレジスタ100、101、102を設け、これら
の始動パルスを印加するための端子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3
n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。本発明によれば、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、水平方向のスキャンニング周波
数は、一つの最終段アンプをつけた図15の方式に比較
して1/3の周波数で良く、水平シフトレンジスタが簡
単になり、かつ信号処理手段によって光電変換装置から
の出力信号をアナログディジタル変換して、信号処理す
る場合には、高速のアナログ・ディジタル変換器は不必
要であり、本発明の信号処理装置による分割読出し方式
の大きな利点である。
In the example embodiment of FIG . 1, three equivalent horizontal
The shift registers 100, 101, 102 are provided and these
Starting pulse to the terminal 103 for applying the starting pulse of
When entering, the 1st column, (n + 1) th column, (2n + 1) th column
(N is an integer, and the number of horizontal picture elements is 3 in this embodiment.
It is n. Output of each sensor cell connected to
Will be read. At the next time, the second column, (n
The +2) th column and the (2n + 2) th column are to be read.
It According to the present invention, the time to read one horizontal line
Is fixed, the horizontal scanning frequency
The number is compared with the method of Fig. 15 with one final stage amplifier.
The frequency can be reduced to 1/3 and the horizontal shift range
From the photoelectric conversion device by means of signal processing means
Analog-to-digital conversion of the output signal of
High-speed analog-to-digital converter is not necessary
It is important that the signal processing apparatus of the present invention uses a divided read method.
Is a great advantage.

【0023】図1に示した実施態様例では、等価な水平
シフトレジスタを3つ設けた方式であったが、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。この場合の実施態様例を図2に示す。
In the example embodiment shown in FIG . 1, the equivalent horizontal
It was a system with three shift registers, but a similar machine
Noh can have only one horizontal shift register.
It is possible. An example of an embodiment in this case is shown in FIG.

【0024】図2の実施態様例は、図1に示した実施態
様例のうちの水平スイッチング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、図1の実施態様例と同じであるから省略して
いる。
The embodiment shown in FIG . 2 is the embodiment shown in FIG .
A horizontal switching MOS transistor of the examples,
Only the middle part of the final stage amplifier is written,
1 is the same as the embodiment shown in FIG.
There is.

【0025】この実施態様例では、1つの水平シフトレ
ジスタ104からの出力を1列目、(n+1)列目、
(2n+1)列目のスイッチング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 embodiment, one horizontal shift
The output from the register 104 is the first column, the (n + 1) th column,
Of the switching MOS transistors in the (2n + 1) th column
Connect to the gate and read those lines simultaneously
is doing. At the next time, the second row, the (n + 2) th row,
That is, the (2n + 2) th column is read.

【0026】次に、図1に示した光電変換装置の動作に
ついて簡単に説明する。図1に示した光電変換装置の光
電変換動作は蓄積動作、読み出し動作、リフレッシュ動
作からなる。以下の説明では説明の簡易化の為、図15
を用いて説明する。
Next, the operation of the photoelectric conversion device shown in FIG.
I will briefly explain about it. Light of photoelectric conversion device shown in FIG.
The electrical conversion operations are accumulation operation, read operation, and refresh operation.
It consists of works. In the following description, for simplification of description, FIG.
Will be explained.

【0027】まず、図15及び図16を参照すると、
15の符号30で示されるようなトランジスタを含む光
電変換セルの第一の主電極領域(エミッタ)には出力回
路が接続されている。この出力回路は垂直ライン38,
38′,38″、水平シフトレジスタ39、MOSトラ
ンジスタ40,40′,40″、出力ライン41、MO
S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図16の符号21で示すCsのよ
うに配線容量を有している。
First, referring to FIG . 15 and FIG .
An output circuit is connected to the first main electrode region (emitter) of the photoelectric conversion cell including a transistor as indicated by reference numeral 30 of 15 . This output circuit has a vertical line 38,
38 ', 38 ", horizontal shift register 39, MOS transistors 40, 40', 40", output line 41, MO
S transistor 42, the output transistor 44 is constituted by a load resistor 45 or the like, the vertical lines 38, 38 ', 38 "has a wiring capacitance as Cs, each indicated by reference numeral 21 in FIG. 16 as a capacitive load.

【0028】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、バッファMOSトランジスタ33,3
3′,33″、端子34、水平ライン31,31′,3
1″が設けられた回路構成を採っている。
A vertical shift register 32 and buffer MOS transistors 33 and 3 are provided as reading means for reading out a signal photoelectrically converted based on the accumulated charges.
3 ', 33 ", terminals 34, horizontal lines 31, 31', 3
1 "is provided in the circuit configuration.

【0029】蓄積動作時には、エミッタは浮遊状態或は
接地され、第二の主電極領域(コレクタ)は正電位にバ
イアスされる。また制御電極領域(ベース)はエミッタ
に対して逆バイアス状態にされるが、この時のベース電
位を制御することにより飽和電圧を決定できる。こうし
てバイアス電圧を適宜設定すればセル自体にスイッチン
グ作用を持たせることができる。
During the accumulation operation, the emitter is floating or grounded, and the second main electrode region (collector) is biased to a positive potential. The control electrode region (base) is reverse biased with respect to the emitter, and the saturation voltage can be determined by controlling the base potential at this time. Thus, by appropriately setting the bias voltage, the cell itself can have a switching action.

【0030】読み出し動作時には、エミッタは浮遊状態
にされ、コレクタは正電位にバイアスされる制御電極領
域は主電極領域とは独立的に読み出し手段によってその
電位が制御される。ここでベースをエミッタに対して順
方向にバイアスすると良好な直線性を確保しつつ高速読
み出しができる。この時の動作を図16を参照して説明
する。読み出し時には浮遊状態にあるエミッタ及び正の
電位に保持されているコレクタに対して、独立的に配線
10より正の電圧VR を印加することでエミッタ電位に
対してベース電位を順方向にバイアスすることにより、
エミッタベース接合が順方向に深くバイアスされる。こ
のようにして、エミッタ電位がベース電位即ち光照射に
より発生した蓄積電圧に等しくなるまで、電流が流れる
のであるが、このときに要する時間は、電圧VR の作用
により一層短縮され高速読み出しにおいても、優れた直
線性が確保できるのである。
During the read operation, the emitter is brought into a floating state and the collector is biased to a positive potential. The potential of the control electrode region is controlled by the read means independently of the main electrode region. When the base is biased in the forward direction with respect to the emitter, high-speed reading can be performed while ensuring good linearity. The operation at this time will be described with reference to FIG . At the time of reading, a positive voltage V R is independently applied from the wiring 10 to the floating emitter and the collector held at a positive potential, whereby the base potential is forward biased with respect to the emitter potential. By
The emitter-base junction is deeply biased in the forward direction. In this way, the current flows until the emitter potential becomes equal to the base potential, that is, the storage voltage generated by light irradiation. The time required at this time is further shortened by the action of the voltage V R , and even in high-speed reading. Therefore, excellent linearity can be secured.

【0031】リフレッシュ動作は以下のとおりである。The refresh operation is as follows.

【0032】エミッタはスイッチ手段としてのMOSト
ランジスタ48,48′,48″によりアース記号をも
って示される第1の基準電圧源に接続され接地される。
このときコレクタは第2の基準電圧源に接続、即ち正電
位または接地電位にされる。こうして、容量負荷を含む
垂直ライン38、38′、38″がリセットされる。こ
こでコレクタが接地される場合を図3に示してある。こ
のような状態において正電位VRHなる電圧を印加して制
御電極領域としてのベースの電位を制御することにより
少なくともベース・エミッ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リフレッシュ手段と
してはMOSトランジスタ48,48′,48″やバッ
ファMOSトランジスタ35,35′,35″、端子3
6、ベースに独立的に電位VRHを与える為の基準電圧源
となる端子37等を設けることで構成される。
The emitter is connected to the first reference voltage source indicated by the earth symbol by the MOS transistors 48, 48 ', 48 "as switching means and is grounded.
At this time, the collector is connected to the second reference voltage source, that is, the positive potential or the ground potential. Thus, the vertical lines 38, 38 ', 38 "including the capacitive load are reset. The case where the collector is grounded is shown in FIG. 3. In such a state, a voltage of positive potential V RH is applied. By controlling the electric potential of the base as the control electrode region, at least the base-emitter is forward-biased and holes accumulated in the base region flow out or electrons are accumulated in the base region. The charge disappears.As refresh means for applying such a forward bias, MOS transistors 48, 48 ', 48 ", buffer MOS transistors 35, 35', 35", terminal 3 are provided.
6. It is configured by providing a terminal 37 or the like which serves as a reference voltage source for independently applying the potential V RH to the base.

【0033】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細
に説明する。図4は、本発明の一実施例に係る光電変換
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。図4(a)は、光センサセルの平面図
を、図4(b)は、図4(a)平面図のAA′部分の断
面図を、図4(c)は、それの等価回路をそれぞれ示
す。なお、各部位において図4(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。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram for explaining the basic structure and operation of the photosensor cell that constitutes the photoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention. 4 (a) is a plan view of the optical sensor cell, FIG. 4 (b) is a cross-sectional view of the AA ′ portion of the plan view of FIG. 4 (a), and FIG. 4 (c) is an equivalent circuit thereof. Show. 4 (a), (b), (c) in each part.
The same numbers are attached to common items.

【0034】図4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。
In FIG. 4, a plan view of the alignment arrangement method is shown, but it is needless to say that the arrangement can also be performed in the pixel shift method (interpolation arrangement method) in order to increase the horizontal resolution.

【0035】この光センサセルは、図4(a),(b)
に示すごとく、リン(P),アンチモン(Sb),ヒ素
(As)等の不純物をドープしてn型又はn+ 型とされ
たシリコン基板1の上に、通常PSG膜等で構成される
パシベーション膜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Si34 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、エピタキシャル技術等で形成される不純物濃
度の低いn- 領域5、その上の例えば不純物拡散技術又
はイオン注入技術を用いてボロン(B)等の不純物をド
ープしたバイポーラトランジスタのベースとなるp領域
6、不純物拡散技術、イオン注入技術等で形成されるバ
イポーラトランジスタのエミッタとなる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(A
l),Al−Si,Al−Cu−Si等の導電材料で形
成される配線8、絶縁膜3を通して、浮遊状態になされ
たp領域6にパルスを印加するための電極9、それの配
線10、基板1の裏面にオーミックコンタクトをとるた
めに不純物拡散技術等で形成された不純物濃度の高いn
+ 領域11、基板の電位を与える、すなわちバイポーラ
トランジスタのコレクタ電位を与えるためのアルミニウ
ム等の導電材料で形成される電極12、より構成されて
いる。
This optical sensor cell is shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
As shown in FIG. 3, a passivation film usually made of a PSG film or the like is formed on a silicon substrate 1 which is doped with impurities such as phosphorus (P), antimony (Sb) and arsenic (As) to be an n type or n + type. The film 2, the insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ), the insulating film made of SiO 2 or Si 3 N 4 or the like or the polysilicon film for electrically insulating between the adjacent photosensor cells. The element isolation region 4 formed, the n region 5 having a low impurity concentration formed by the epitaxial technique, and the bipolar transistor doped with impurities such as boron (B) using the impurity diffusion technique or the ion implantation technique thereon. p region 6 becomes the base, the impurity diffusion technology, n + region 7 serving as the emitter of the bipolar transistor formed by the ion implantation technique or the like, the signal for reading to the outside For example, aluminum (A
l), a wiring 8 made of a conductive material such as Al-Si, Al-Cu-Si, etc., an electrode 9 for applying a pulse to the p region 6 in a floating state through the insulating film 3, and its wiring 10. , N having a high impurity concentration formed by an impurity diffusion technique or the like for making ohmic contact with the back surface of the substrate 1.
A + region 11 and an electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for giving the potential of the substrate, that is, the collector potential of the bipolar transistor.

【0036】なお、図4(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
なっており、SiO2 等の絶縁材料で形成される絶縁領
域で、それぞれ互いに絶縁されている。すなわち、金属
の2層配線構造になっている。
Reference numeral 19 in FIG. 4A is a contact portion for connecting the n + region 7 and the wiring 8. Further, the alternating portions of the wiring 8 and the wiring 10 are so-called two-layer wiring, which are insulated from each other in an insulating region formed of an insulating material such as SiO 2 . That is, it has a two-layer wiring structure of metal.

【0037】図4(c)の等価回路のコンデンサCox
13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はエミッタとし
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。
Capacitor Cox of the equivalent circuit of FIG. 4 (c)
13 is composed of an electrode 9, an insulating film 3, and a p-region 6 MOS structure, and the bipolar transistor 14 is an n + region 7 as an emitter, a p region 6 as a base, an n region 5 with a low impurity concentration, and a collector. Of n or n + region 1 of FIG. As is clear from these drawings, the p region 6 is a floating region.

【0038】図4(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・エミッタの接合容量Cb
e15、ベース・エミッタの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。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。以下、光センサセルの
基本動作を図4を用いて説明する。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
よびリフレッシュ動作より構成される。
In the second equivalent circuit of FIG. 4C, the bipolar transistor 14 is connected to the base-emitter junction capacitance Cb.
e15, pn junction diode Dbe of base / emitter
16, the junction capacitance Cbc17 of the base-collector, and the pn junction diode Dbc18 of the base-collector. Here, originally as an equivalent circuit diagram,
The symbols indicating the two differently oriented current sources to be written in parallel with the pn junction diode Dbe16 and the pn junction diode Dbc18 are omitted. The basic operation of the optical sensor cell will be described below with reference to FIG. The basic operation of this photosensor cell is composed of a charge accumulation operation by light incidence, a read operation and a refresh operation.

【0039】まず、電荷蓄積動作について説明する。First, the charge accumulation operation will be described.

【0040】電荷蓄積動作においては、例えばエミッタ
は、配線8を通して接地され、コレクタは配線12を通
して正電位にバイアスされている。またベースは、あら
かじめコンデンサCox13に、配線10を通して正の
パルス電圧を印加することにより負電位、すなわち、エ
ミッタ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、後にリフレッシュ動
作の説明のとき、くわしく説明する。
In the charge storage operation, for example, the emitter is grounded through the wiring 8 and the collector is biased to a positive potential through the wiring 12. In addition, the base is assumed to be in a reverse bias state with respect to the negative potential, that is, the emitter 7 by applying a positive pulse voltage to the capacitor Cox 13 through the wiring 10 in advance. The operation of applying a pulse to the Cox 13 to bias the base 6 to a negative potential will be described in detail later in the description of the refresh operation.

【0041】この状態において、図4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側に流れだしていってしまうが、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
って変化していく。
In this state, when light 20 enters from the front side of the photosensor cell as shown in FIG. 4, electron-hole pairs are generated in the semiconductor. Of these, electrons flow out to the n region 1 side because the n region 1 is biased to a positive potential, but holes are gradually accumulated in the p region 6. By accumulating the holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward the positive potential.

【0042】図4(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となっている。当然のことながら、光により励
起されるエレクトロン・ホール対濃度は表面に近い程大
きい。このためp領域6中にも多くのエレクトロン・ホ
ール対が光により励起される。p領域中に光励起された
エレクトロンが再結合することなくp領域6からただち
に流れ出て、n領域に吸収されるような構造にしておけ
ば、p領域6で励起されたホールはそのまま蓄積され
て、p領域6を正電位方向に変化させる。p領域6の不
純物濃度が均一になされている場合には、光で励起され
たエレクトロンは拡散で、p領域6とn-領域5とのp
- 接合部まで流れ、その後はn- 領域に加わっている
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
っ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、
In FIGS. 4A and 4B, the lower surface of the light receiving surface of each sensor cell is almost entirely occupied by the p region, and a part of it is n.
+ Area 7 As a matter of course, the concentration of electron-hole pairs excited by light is larger as it is closer to the surface. Therefore, many electron-hole pairs are excited in the p region 6 by light. If the photoexcited electrons in the p region immediately flow out from the p region 6 without being recombined and are absorbed in the n region, the holes excited in the p region 6 are accumulated as they are, The p region 6 is changed in the positive potential direction. When the impurity concentration of the p region 6 is made uniform, the photoexcited electrons are diffused and the p region 6 and the n region 5 are exposed to the p region.
It flows to the n junction, and thereafter is absorbed by the n collector region 1 by the drift due to the strong electric field applied to the n region. Of course, the electrons in the p region 6 may travel only by diffusion. However, if the impurity concentration of the p-base decreases from the surface to the inside, this difference in impurity concentration causes , An electric field Ed from the inside to the surface in the base,

【0043】[0043]

【数1】 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。
[Equation 1] Occurs. Here, W B is the depth from the light incident side 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 impurity concentration at the interface between the p region 6 and the n high resistance region 5.

【0044】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って
減少しているようになっ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 electrons in the p region 6 travel by drift rather than diffusion. That is, in order to effectively operate the carrier excited by light in the p region 6 as a signal,
It is desirable that the impurity concentration of the p-region 6 decreases inward from the surface on the light incident side. If the p-region 6 is formed by diffusion, the impurity concentration thereof decreases toward the inside as compared with the surface on the light incident side.

【0045】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1×1
20cm-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
たがって、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
内部に向って不純物濃度が減少する構造になっているこ
とが望ましい。n+ 領域7の不純物濃度分布が上記の様
になっていれば、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+
域7、p領域6の不純物濃度がいずれも光入射側表面か
ら内部に向っ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ャ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 part below the light receiving surface of the sensor cell is occupied by the n + region 7. The depth of the n + region 7 is normally 0.
Since it is designed to have a thickness of about 2 to 0.3 μm or less, the amount of light absorbed in the n + region 7 is not so large originally, so there is no problem so much. However, for light on the short wavelength side, particularly for blue light, the presence of the n + region 7 causes a decrease in sensitivity. The impurity concentration of the n + region 7 is usually 1 × 1
It is designed to be about 0 20 cm -3 or more. The diffusion distance of holes in the n + region 7 doped with such a high concentration of impurities is about 0.15 to 0.2 μm. Therefore, in order for the holes photo-excited in the n + region 7 to effectively flow into the p region 6, it is desirable that the n + region 7 also has a structure in which the impurity concentration decreases from the light incident surface toward the inside. If the impurity concentration distribution of the n + region 7 is as described above, a strong drift electric field is generated from the surface on the light incident side toward the inside, and the holes photoexcited in the n + region 7 are immediately drifted by the p region 6 due to the drift. Flow into. If the impurity concentrations of the n + region 7 and the p region 6 are both reduced from the light incident side surface toward the inside, the n + region 7 and the p region existing on the light incident side surface side of the sensor cell All the carriers optically excited in 6 work effectively as an optical signal. If this n + region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or a polysilicon film that is heavily doped with As or P, it is possible to obtain an n + region having the desired impurity gradient as described above. Is.

【0046】最終的には、ホールの蓄積によりベース電
位はエミッタ電位まで変化し、この場合は接地電位まで
変化して、そこでクリップされることになる。より厳密
に言うと、ベース・エミッ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ッタに流出し
始める電圧でクリップされる。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っ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。
Finally, the accumulation of holes causes the base potential to change to the emitter potential, and in this case to the ground potential, where it is clipped. More precisely, the base-emitter is deeply biased in the forward direction, and the holes accumulated in the base are clipped by the voltage at which they start flowing out 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 and the ground potential when the p region 6 is first biased to a negative potential. When the n + region 7 is not grounded and the charges generated by the light input are accumulated in the floating state, the p region 6 can accumulate the charges to substantially the same potential as the n region 1.

【0047】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 outline of the charge accumulation operation, but a little more concrete and quantitative explanation will be given below.

【0048】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.

【0049】[0049]

【数2】 但し、λは光の波長〔μm〕、αはシリコン結晶中での
光の減衰係数〔μm-1〕、xは半導体表面における、再
結合損失を起こし感度に寄与しない“deadlaye
r”(不感領域)の厚さ〔μm〕、yはエピタキシャル
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。
[Equation 2] Where λ is the wavelength of light [μm], α is the attenuation coefficient of light [μm −1 ] in the silicon crystal, and x is the “delaylayer” which causes recombination loss on the semiconductor surface and does not contribute to sensitivity.
The thickness of r ″ (insensitive region) [μm], y is the thickness of the epitaxial layer [μm], T is the transmittance, that is, the incident light amount is effectively incident on the semiconductor in consideration of reflection and the like. The photocurrent Ip is calculated by the following equation using the spectral sensitivity S (λ) and the irradiance Ee (λ) of this photosensor cell.

【0050】[0050]

【数3】 但し、放射照度Ee(λ)〔μW・cm-2・nm-1〕は
次式で与えられる。
[Equation 3] However, the irradiance Ee (λ) [μW · cm −2 · nm −1 ] is given by the following equation.

【0051】[0051]

【数4】 但しEV はセンサの受光面の照度〔Lux〕、P(λ)
はセンサの受光面に入射している光の分光分布、V
(λ)は人間の目の比視感度である。これらの式を用い
ると、エピ厚の層4μmをもつ光センサセルでは、A光
源(2854°K)で照射され、センサ受光面照度が1
〔Lux〕のとき、約280nA/cm-2の光電流が流
れ、入射してくるフォ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 ・s
ec程度である。
[Equation 4] However E V illuminance of the light receiving surface of the sensor [Lux], P (lambda)
Is the spectral distribution of the light incident on the light receiving surface of the sensor, V
(Λ) is the relative luminous efficiency of the human eye. Using these formulas, an optical sensor cell having an epi-thickness layer of 4 μm is illuminated by the A light source (2854 ° K) and the sensor light receiving surface illuminance is 1
In the case of [Lux], a photocurrent of about 280 nA / cm −2 flows and the number of incident photons or the number of generated electron-hole pairs is 1.8 × 10 12 / cm 2 · s.
It is about ec.

【0052】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。
At this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is Vp =
Given by Q / C. Q is the amount of charge of holes accumulated, and C is the junction capacitance obtained by adding Cbe15 and Cbc17.

【0053】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-
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0.014p
F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。
従っ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 the n + region 7 is set to 10 20 cm
-3 , the p-region 6 has an impurity concentration of 5 × 10 16 cm -3 , the n - region 5 has an impurity concentration of 10 13 cm -3 , the n + region 7 has an area of 16 μm 2 , and the p-region 6 has an area of 64 μm 2. , N region 5 having a thickness of 3 μm has a junction capacitance of about 0.014 p
On the other hand, the number of holes accumulated in the F region is 1/60 sec, and the effective light receiving area, that is, the area obtained by subtracting the areas of the electrodes 8 and 9 from the area of the p area 6 is about 56 μm 2. Then, it becomes 1.7 × 10 4 .
Therefore, the potential Vp generated by the incidence of light is about 190 mV.

【0054】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った時に、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図4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。
It should be noted here that when the resolution is increased and the cell size is reduced, the amount of light incident on one photosensor cell is reduced, and the accumulated charge amount Q
However, since the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size as the cell size is reduced, the potential Vp generated by light incidence is kept almost constant. This is because the optical sensor cell in the present invention has an extremely simple structure as shown in FIG. 4 and has a possibility that the effective light receiving surface can be made extremely large.

【0055】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型撮像装置では、飽和電
圧が転送部の大きさにより制限され、どんどん低下して
いってしまうのに対し、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 as compared with the case of the interline type CCD. With the increase in resolution, the transfer is performed in the interline type CCD image pickup device. If an attempt is made to secure the charge amount, the area of the transfer portion becomes relatively large, and the effective light-receiving surface is reduced. Also,
In the interline type CCD image pickup device, the saturation voltage is limited by the size of the transfer part and decreases more and more. On the other hand, in the photo sensor cell of the present invention, as described above, Since the saturation voltage is determined by the bias voltage when the p region 6 is biased to a negative potential, a large saturation voltage can be secured.

【0056】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 will be described below.

【0057】読出し動作状態では、エミッタ、配線8は
浮遊状態に、コレクタは正電位Vccに保持される。
In the read operation state, the emitter and the wiring 8 are kept in a floating state, and the collector is kept at the positive potential Vcc.

【0058】図16に等価回路を示す。ここでも、本来
等価回路として、pn接合ダイオードDbe16及びp
n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。
FIG . 16 shows an equivalent circuit. Here again, the pn junction diodes Dbe16 and p are originally equivalent circuits.
The symbols indicating two differently directed current sources to be written in parallel with the n-junction diode Dbc18 are omitted.

【0059】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 なる電位になっている。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
ッタ間接合容量Cbe15、ベース・コレクタ間接合容
量Cbc7により容量分割され、ベースには電圧
Now, assuming that 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 , the base potential is -V B.
+ Has become V P become potential. When a positive voltage V R for reading is applied to the electrode 9 through the wiring 10 in this state, this positive potential V R becomes a capacitance due to the oxide film capacitance Cox13, the base-emitter junction capacitance Cbe15, and the base-collector junction capacitance Cbc7. Split and voltage on the base

【0060】[0060]

【数5】 が加算される。従ってベース電位は[Equation 5] Is added. Therefore, the base potential is

【0061】[0061]

【数6】 となる。ここで、[Equation 6] Becomes here,

【0062】[0062]

【数7】 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
のようにしてエミッ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、エミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になっているの
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。
[Equation 7] If the condition is satisfied, the base potential becomes the accumulated voltage V P itself generated by light irradiation. In this way, when the base potential is biased in the positive direction with respect to the emitter potential, electrons are injected from the emitter to the base, and the collector potential is positive, so that the electrons are accelerated by the drift electric field to the collector. To reach. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0063】[0063]

【数8】 但しAj はベース・エミッタ間の接合面積、qは単位電
荷量(1.6×10-19 クーロン)、Dn 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
ッ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はベースのエミッタ単におけ
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、
e はエミッタ電位である。
[Equation 8] Where A j is the junction area between the base and emitter, q is the unit charge (1.6 × 10 −19 Coulomb), D n is the diffusion constant of electrons in the base, and n pe is the minority carrier at the emitter end of the p base. , W B is the base width, N Ae is the acceptor concentration in the base emitter alone, N Ac is the acceptor concentration at the collector end of the base, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature,
V e is the emitter potential.

【0064】この電流は、エミッタ電位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V
P に等しくなるまで流れることは上式から明らかであ
る。この時エミッタ電位Ve の時間的変化は次式で計算
される。
This current is based on the fact that the emitter potential V e is the base potential, that is, the accumulated voltage V generated by light irradiation here.
It is clear from the above equation that the current flows until it becomes equal to P. At this time, the time change of the emitter potential V e is calculated by the following equation.

【0065】[0065]

【数9】 但し、ここで配線容量Csはエミッタに接続されている
配線8のもつ容量21である。
[Equation 9] However, the wiring capacitance Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter.

【0066】図5は、上式を用いて計算したエミッタ電
位の時間変化の一例を示している。図5によればエミッ
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。これはエミッタ電位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。したがって、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、
FIG. 5 shows an example of the change over time in the emitter potential calculated using the above equation. According to FIG. 5, it takes about 1 second for the emitter potential to become equal to the base potential. This is because the current does not flow so much when the emitter potential V e approaches V P. Therefore, the means to solve this is to apply the positive voltage V R to the electrode 9 first,

【0067】[0067]

【数10】 なる条件を設定したが、この条件の代りに[Equation 10] Was set, but instead of this condition

【0068】[0068]

【数11】 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。
[Equation 11] It is conceivable to add the following condition and bias the base potential by V Bias in an extra forward direction. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0069】[0069]

【数12】 図6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、すなわちエミッタ電位の関係を示す。但
し、図6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ットしている。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
[Equation 12] In FIG. 6, when V Bias = 0.6V, after a certain period of time, V R applied to the electrode 9 is returned to zero volt,
For the accumulated voltage V P when the flowing current is stopped,
The relationship between the read voltage, that is, the emitter potential is shown. However, in FIG. 6, the read voltage is always added with a constant potential that depends on the read time due to the bias voltage component, but the value obtained by subtracting the amount of the error is plotted. Electrode 9
When the positive voltage V R applied to the

【0070】[0070]

【数13】 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、エミッ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。図6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
度の範囲にわたっ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。図6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
ことを図6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。
[Equation 13] Is added to the base potential, the base potential is in the state before the positive voltage V R is applied, that is, −V B.
Then, the current is stopped because the emitter is reverse biased. According to FIG. 6, if a read time of about 100 ns or more (that is, a time during which V R is applied to the electrode 9) is taken, the linearity is ensured for the accumulated voltage V P and the read voltage over a range of about 4 digits, and the high speed It can be read. In FIG. 6, 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 pF of the junction capacitance of Cbe + Cbc. It is shown that the accumulated voltage V P generated in the p region 6 is not attenuated at all and is read at extremely high speed due to the effect of the bias voltage, though it is about 300 times larger than 6 shows. This is because the amplifying function of the photosensor cell according to the above configuration, that is, the charge amplifying function is effectively operating.

【0071】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っ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
出すためのスイッチング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った
が、図4(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 the conventional MOS type image pickup device, the accumulated voltage V P is Cj · V P / (Cj + Cs) (where Cj is the MOS type image pickup device due to the influence of the wiring capacitance Cs in such a reading process). The pn junction capacitance of the light receiving portion) occurs, and there is a drawback in that the read voltage value of two digits decreases. Therefore, in the MOS type image pickup device, fixed pattern noise due to variations in the parasitic capacitance of the switching MOS transistor for reading to the outside or random noise generated due to large wiring capacitance, that is, output capacitance is large, and the S / N ratio is high. However, in the photosensor cell having the configuration shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the accumulated voltage generated in the p region 6 is read out to the outside. Is relatively large, fixed pattern noise and random noise due to output capacitance are relatively small, and it is possible to obtain a signal with a very good S / N ratio.

【0072】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、図7に示す。
It has been shown above that when the bias voltage V Bias is set to 0.6 V, linearity of about 4 digits can be obtained in a high-speed read time of about 100 nsec. This linearity, read time and bias voltage Further details of the calculation result of the relationship of V Bias are shown in FIG. 7.

【0073】図7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っている。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。図6に示される様に、蓄積電
圧1mVにおいて、それぞれ80%,90%,95%,
98%になっている時は、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 FIG. 7, the horizontal axis represents the bias voltage V Bias.
And the vertical axis represents the read time. The parameters show the time dependence until the read voltage reaches 80%, 90%, 95%, 98% of 1 mV when the storage voltage is 1 mV. As shown in FIG. 6, at a storage voltage of 1 mV, 80%, 90%, 95%,
When it is 98%, it is clear that the storage voltage higher than that shows a better value.

【0074】この図7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0.2
7μs、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
Bias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が図7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. 7, when the bias voltage V Bias is 0.6 V, the read voltage becomes 80% of the accumulated voltage and the read time becomes 0.12 μs, and 90% becomes 0.2.
It can be seen that 7 μs and 95% are 0.54 μs and 98% are 1.4 μs. Further, it is shown that if the bias voltage V Bias is made larger than 0.6 V, the reading can be performed at higher speed. Thus, once the read time and the required linearity are determined from the overall design of the imaging device, the required bias voltage V Bias can be determined using the graph of FIG.

【0075】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
ことから非破壊的に読出し可能なことである。すなわち
読出し時に電極9に印加していた電圧VR をゼロボルト
にもどした時、p領域6の電位は電圧VR を印加する前
の逆バイアス状態になり、光照射により発生した蓄積電
圧VP は、新しく光が照射されない限り、そのまま保存
されるわけである。このことは、上記構成に係る光セン
サセルを光電変換装置として構成したときに、システム
動作上、新しい機能を提供することができることを意味
する。
Another advantage of the optical sensor cell having the above structure is that holes accumulated in the p region 6 can be read nondestructively because the recombination probability of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. is there. That is, when the voltage V R applied to the electrode 9 at the time of reading is returned to zero volts, the potential of the p region 6 is in the reverse bias state before the voltage V R is applied, and the accumulated voltage V P generated by light irradiation is , Unless it is newly irradiated with light, it is stored as it is. This means that when the optical sensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, a new function can be provided in terms of system operation.

【0076】このp領域6に蓄積電圧VP を保持できる
時間は、きわめて長く、最大の保持時間は、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って制
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
っている領域は、低不純物濃度領域であるn- 領域5で
あり、このn- 領域5は1012cm-3〜1014cm-3
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 storage 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. That is, the photosensor cell is saturated by the dark current generated thermally. However, in the optical sensor cell according to the above configuration, the region where the depletion layer spreads is the n region 5 which is a low impurity concentration region, and this n region 5 is about 10 12 cm −3 to 10 14 cm −3. Since the impurity concentration is extremely low, the crystallinity is good, and there are few electron-hole pairs that are thermally generated, as compared with the MOS type and CCD type image pickup devices. For this reason, the dark current is small compared to other conventional devices. That is, the photosensor cell according to the above-mentioned configuration has a structure in which dark current noise is essentially small.

【0077】次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレ
ッシュ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 described.

【0078】上記構成に係る光センサセルでは、すでに
述べたごとく、p領域6に蓄積された電荷は、読出し動
作では消滅しない。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
フレッシュ動作が必要である。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。上記構成に係る光センサセルでは、
リフレッシュ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を通してエミッタを接地する。コレクタは、
電極12を通して接地又は正電位にしておく。図3にリ
フレッシュ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 photosensor cell having the above structure, as already described, the charge accumulated in the p region 6 does not disappear in the reading operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation for extinguishing the previously accumulated charges is necessary. At the same time, the potential of the p region 6 in the floating state needs to be charged to a predetermined negative voltage. In the optical sensor cell according to the above configuration,
Similar to the read operation, the refresh operation is performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is
It is grounded or made to have a positive potential through the electrode 12. FIG. 3 shows an equivalent circuit of the refresh operation. However, an example is shown in which the collector side is grounded.

【0079】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・エミッタ間接合容量Cbe15、ベース・
コレクタ間接合容量Cbc17の容量分割により、
When a voltage of positive voltage V RH is applied to the electrode 9 in this state, the base film 22 has an oxide film capacitance Cox1.
3, base-emitter junction capacitance Cbe15, base
By dividing the junction capacitance Cbc17 between collectors,

【0080】[0080]

【数14】 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・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびベース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ベース電位は次第に低下していく。
[Equation 14] Is applied instantaneously as in the previous read operation. Due to this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward biased to be in a conductive state, current starts to flow, and the base potential gradually decreases.

【0081】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 the floating state is approximately represented by the following equation.

【0082】[0082]

【数15】 但し、[Equation 15] However,

【0083】[0083]

【数16】 1 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
はエミッタ面積、Dpはコレクタ中におけるホールの拡
散定数、pne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、ベース側からエミッタへのホー
ル注入による電流は、エミッタの不純物濃度がベースの
不純物濃度にくらべて充分高いので、無視できる。
[Equation 16] i 1 is a current flowing through the diode Dbc, and i 2 is a current flowing through the diode Dbe. A b is the base area, Ae
Is the emitter area, Dp is the diffusion constant of holes in the collector, p ne is the hole concentration in the collector in the thermal equilibrium state, Lp is the mean free path of the holes in the collector, and n pe is the electron concentration in the base in the thermal equilibrium state. is there. At i 2 , the current due to hole injection from the base side to the emitter can be ignored because the emitter impurity concentration is sufficiently higher than the base impurity concentration.

【0084】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、リフレッシュ動作をかなりの
近似で説明可能である。
The above equation is a gradual-junction approximation, which is deviated from the gradual-junction in an actual device, and the base has a small thickness and has a complicated concentration distribution. However, the refresh operation can be explained with a good approximation.

【0085】上式中のベース・コレクタ間に流れる電流
1 の内、q・Dp・pne/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 collector in the above equation, q · Dp · p ne / Lp is the current due to holes,
That is, it shows the component in which holes flow from the base to the collector side. In the photosensor cell according to the above configuration, the impurity concentration of the collector is designed to be slightly lower than that of a normal bipolar transistor so that the current due to the holes easily flows.

【0086】この式を用いて計算した、ベース電位の時
間依存性の一例を図8に示す。横軸は、リフレッシュ電
圧VRHが電極9に印加された瞬間からの時間経過すなわ
ちリフレッシュ時間を、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、リフレッシュ電圧VRHが加
わった瞬間に、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
れている電荷によってきまる。
FIG. 8 shows an example of the time dependence of the base potential calculated using this equation. The horizontal axis represents the time elapsed from the moment when the refresh voltage V RH was applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the vertical axis represents the base potential. Also, the initial potential of the base is used as a parameter. The initial potential of the base is a potential indicated by the base in a floating state at the moment when the refresh voltage V RH is applied, and is determined by V RH , Cox, Cbe, Cbc and the electric charge accumulated in the base.

【0087】この図8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って下がっていく。
Referring to FIG. 8, the potential of the base does not depend on the initial potential, but always drops according to one straight line on the semi-logarithmic graph after a certain period of time.

【0088】図9に、リフレッシュ時間に対するベース
電位変化の実験値を示す。図8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、ディメンショ
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、リフレッシュ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ッタの両者を
接地したときの値を示している。
FIG. 9 shows experimental values of changes in base potential with respect to refresh time. Compared to the calculation example shown in FIG. 8, the test device used in this experiment has a considerably large dimension, so the absolute value does not match the calculation example, but the change in the base potential with respect to the refresh time is on a semi-logarithmic graph. It is proved that it is changing linearly. In this experimental example, values are shown when both the collector and the emitter are grounded.

【0089】今、光照射による蓄積電圧VP の最大値を
0.4〔V〕、リフレッシュ電圧VRHによりベースに印
加される電圧Vを0.4〔V〕とすると、図8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
フレッシュ電圧印加後10-15 〔sec〕後には直線に
のってベース電位が下がり始め、10-5〔sec〕後に
は、光があたらなかった時、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, assuming that the maximum value of the accumulated voltage V P due to light irradiation is 0.4 [V] and the voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH is 0.4 [V], as shown in FIG. The maximum value of the initial base potential is 0.8 [V], and after 10 -15 [sec] after the refresh voltage is applied, the base potential starts to drop in a straight line, and after 10 -5 [sec], light is emitted. When there is not, that is, when the initial base potential is 0.4 [V], it matches the potential change.

【0090】p領域6が、MOSキヤパシタCoxを通
して正電圧をある時間印加し、その正電圧を除去すると
負電位に帯電する仕方には、2通りの仕方がある。一つ
は、p領域6から正電荷を持つホールが、主として接地
状態にあるn領域1に流れ出すことによって、負電荷が
蓄積される動作である。p領域6からホールが、n領域
1に一方的に流れ、n領域1の電子があまりp領域6内
に流れ込まないようにするためには、p領域6の不純物
密度をn領域1の不純物密度より高くしておけばよい。
一方、n+ 領域7やn領域1からの電子が、p領域6に
流れ込み、ホールと再結合することによって、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って、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に流し込むリフレッシュ動作でも、光電変
換装置の動作に対しては、十分に速い時間応答を示すこ
とが確認されている。
There are two ways in which the p region 6 is applied with a positive voltage through the MOS capacitor Cox for a certain period of time and is charged to a negative potential when the positive voltage is removed. One is an operation in which negative charges are accumulated by the holes having a positive charge flowing out from the p region 6 to the n region 1 which is mainly in the grounded state. In order to prevent holes from unilaterally flowing from the p region 6 to the n region 1 and electrons in the n region 1 from flowing into the p region 6 too much, the impurity density of the p region 6 is set to the impurity density of the n region 1. It should be higher.
On the other hand, electrons from the n + region 7 and the n region 1 flow into the p region 6 and recombine with holes, so that the p region 6
The operation of accumulating negative charges can also be performed. In this case, the impurity density of n region 1 is higher than that of p region 6. p
The operation of accumulating negative charges due to the outflow of holes from the region 6 is much faster than the operation of accumulating negative charges due to electrons flowing into the base of the p region 6 and recombining with holes. However, according to the experiments performed so far, it has been confirmed that even the refresh operation of injecting electrons into the p region 6 exhibits a sufficiently fast time response to the operation of the photoelectric conversion device.

【0091】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、リフレッシュ電
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、リフレッシュ動作により全
てのセンサセルのベース電位をゼロボルトまで持ってい
く完全リフレッシュモードと(このときは図8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
まう過渡的リフレッシュモードの二つが存在するわけで
ある(このときは図8の例では、10〔μsec〕〜1
0〔sec〕のリフレッシュパルス)。以上の例では、
リフレッシュ電圧VRHによりベースに印加される電圧V
A を0.4〔V〕としたが、この電圧VA を0.6
〔V〕とすれば、上記、過渡的リフレッシュモードは、
図8によれば、1〔nsec〕でおこり、きわめて高速
にリフレッシュすることができる。完全リフレッシュモ
ードで動作させるか、過渡的リフレッシュモードで動作
させるかの選択は光電変換装置の使用目的によって決定
される。
When a large number of optical sensor cells having the above structure are arranged in the XY directions to form a photoelectric conversion device, the accumulated voltage V P in each sensor cell is 0 to 0 in the above example.
Although it varies between 0.4 [V], a constant voltage of about 0.3 [V] remains at the bases of all the sensor cells at 10 −5 [sec] after the refresh voltage V RH is applied. It can be seen that all the changes in the accumulated voltage V P due to the image disappear. That is, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cell according to the above configuration, the complete refresh mode in which the base potentials of all the sensor cells are brought to zero volts by the refresh operation (at this time, 10 [sec] is required in the example of FIG. 8), There are two transient refresh modes in which a certain constant voltage remains in the base potential, but the fluctuation component due to the accumulated voltage V P disappears (in this case, 10 [μsec] to 1 in the example of FIG. 8).
0 [sec] refresh pulse). In the above example,
The voltage V applied to the base by the refresh voltage V RH
Although A was set to 0.4 [V], this voltage V A was set to 0.6
[V], the transient refresh mode is
According to FIG. 8, it occurs in 1 [nsec], and refreshing can be performed at an extremely high speed. The selection 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.

【0092】この過渡的リフレッシュモードにおいてベ
ースに残る電圧をVK とすると、リフレッシュ電圧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、
When the voltage remaining in the base in this transient refresh mode is V K , the refresh voltage V RH
In the transient state at the moment of returning V RH to zero volt after applying

【0093】[0093]

【数17】 なる負電圧がベースに加算されるので、リフレッシュパ
ルスによるリフレッシュ動作後のベース電位は
[Equation 17] Since the negative voltage is added to the base, the base potential after the refresh operation by the refresh pulse is

【0094】[0094]

【数18】 となり、ベースはエミッタに対して逆バイアス状態にな
る。
[Equation 18] And the base is reverse biased with respect to the emitter.

【0095】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、このリフレッシュ動
作により、リフレッシュおよびベースを逆バイアス状態
に持っていくことの2つの動作が同時に行われるわけで
ある。
It has been explained above that the base is reverse biased in the storage state during the storage operation for storing the carriers excited by light. By this refresh operation, the refresh and the base are held in the reverse bias state. The two operations of going forward are performed at the same time.

【0096】図10にリフレッシュ電圧VRHに対するリ
フレッシュ動作後のベース電位
FIG. 10 shows the base potential after the refresh operation with respect to the refresh voltage V RH .

【0097】[0097]

【数19】 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までとっている。丸印は実験値で
あり、実線は
[Formula 19] The experimental value of change of is shown. The value of Cox is taken as a parameter from 5 pF to 100 pF. Circles are experimental values, solid lines are

【0098】[0098]

【数20】 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、リフレッシュ動
作が実験的にも確認されている。
[Equation 20] The calculation value calculated by the above is shown. At this time V K =
It is 0.52 V and Cbc + Cbe = 4 pF. However, the probe capacity of the observation oscilloscope is 13 pF
Are connected in parallel to Cbc + Cbe. Like this
The calculated value and the experimental value are completely in agreement, and the refresh operation has been confirmed experimentally.

【0099】以上のリフレッシュ動作においては、図3
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、リフレッシュパルスが印加されても、
このリフレッシュパルスによりベースに印加される電位
よりも、コレクタに印加されている正電位の方が大きい
と非導通状態のままなので、電流はベース・エミッタ間
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
対的にゆっくりしたものになるが、基本的には、前に説
明したのと、まったく同様な高速リフレッシュ動作が行
われるわけである。
In the above refresh operation, FIG.
As described above, an example in which the collector is grounded has been described, but it is also possible to perform it in a state where the collector is at a positive potential. At this time, even if the refresh pulse is applied to the base-collector junction diode Dbc18,
If the positive potential applied to the collector is higher than the potential applied to the base by this refresh pulse, the current remains in the non-conducting state, so that the current flows only through the base-emitter junction diode Dbe16. For this reason, the decrease in the base potential becomes relatively slower than when the collector is grounded, but basically, exactly the same fast refresh operation as described above is performed.

【0100】すなわち図8のリフレッシュ時間に対する
ベース電位の関係は、図8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。したがって、コレクタを接地
した時と同じリフレッシュ電圧VRHを用いると、リフレ
ッシュに時間を要することになるが、リフレッシュ電圧
RHをわずか高めてやればコレクタを接地した時と同
様、高速のリフレッシュ動作が可能である。以上が光入
射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレッシュ動作
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。
That is, the relationship of the base potential with respect to the refresh time in FIG. 8 is that the oblique straight line when the base potential in FIG. 8 decreases shifts toward the right side, that is, in the direction requiring more time. Therefore, if the same refresh voltage V RH as when the collector is grounded is used, it takes time to refresh, but if the refresh voltage V RH is raised slightly, a high-speed refresh operation can be performed similarly to when the collector is grounded. It is possible. The above is the description of the basic operation of the photosensor cell having the above-described configuration, which includes the charge accumulation operation, the read operation, and the refresh operation by light incidence.

【0101】以上説明したごとく、上記構成に係る光セ
ンサセルの基本構造は、すでにあげた特開昭56−15
0878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、広ダイナミックレンジ、非破壊読出し
等のメリットをそのまま保存している。
As described above, the basic structure of the optical sensor cell having the above-mentioned structure is the same as that of the above-mentioned JP-A-56-15.
It has a very simple structure as compared with JP 0878, JP 56-157073, and JP 56-165473, and can sufficiently cope with future high resolution, and has excellent features. The advantages such as low noise, high output, wide dynamic range, and nondestructive readout that come from a certain amplification function are preserved.

【0102】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に係る光電変換装
置の一実施例について図面を用いて説明する。まず、本
発明の実施例の説明に先立って、信号処理手段が1つの
場合を例にとって、本発明に係る光電変換装置の構成及
び動作について説明する。
[0102] will be described with reference to the accompanying drawings, an embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention constructed by arranging the photosensor cell in two dimensions according to the configuration described above. First, the book
Prior to the description of the embodiments of the invention, one signal processing means is described.
Taking the case as an example, the configuration of the photoelectric conversion device according to the present invention and
And operation will be described.

【0103】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図15に示す。
The basic optical sensor cell structure is two-dimensionally 3 × 3.
FIG . 15 shows a circuit configuration diagram of the photoelectric conversion device arranged in the above.

【0104】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ッシュパルスを印加
するための水平ライン31,31′,31″、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″
の間のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″のゲートにパルスを印加するための端子34、リフ
レッシュパルスを印加するためのバッファ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、リフレッシュパルスを印加す
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38,38′,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ッシュするためのM
OSトランジスタ42、MOSトランジスタ42へリフ
レッシュパルスを印加するための端子43、出力信号を
増幅するためのバイポーラ、MOS,FET、J−FE
T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40,4
0′,40″に蓄積された電荷をリフレッシュするため
のMOSトランジスタ48,48′,48″、およびM
OS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 (the collector of the bipolar transistor is shown to be connected to the substrate and the substrate electrode at this time) surrounded by the dotted line, which has already been described, and the horizontal for applying the read pulse and the refresh pulse. Lines 31, 31 ', 31 ", vertical shift register 32 for generating read pulses, vertical shift register 32 and horizontal lines 31, 31', 31"
Between the buffer MOS transistors 33, 33 ', 3
A terminal 34 for applying a pulse to the gate of 3 ", buffer MOS transistors 35, 35 ', 35" for applying a refresh pulse, a terminal 36 for applying a pulse to its gate, and a refresh pulse 37, a vertical line 38, 38 ', 38 "for reading the accumulated voltage from the basic photosensor cell 30, a horizontal shift register 39 for generating a pulse for selecting each vertical line, and opening / closing each vertical line. Gate MOS transistors 40, 40 ', 40 "for output, an output line 41 for reading the accumulated voltage to the amplifier section,
M for refreshing the charge accumulated in the output line
OS transistor 42, terminal 43 for applying a refresh pulse to MOS transistor 42, bipolar for amplifying an output signal, MOS, FET, J-FE
A transistor 44 such as T, a load resistor 45, a terminal 46 for connecting the transistor and a power supply, an output terminal 47 of the transistor, and vertical lines 40 and 4 in the read operation.
MOS transistors 48, 48 ', 48 "for refreshing the charges accumulated in 0', 40", and M
This photoelectric conversion device is constituted by a terminal 49 for applying a pulse to the gates of the OS transistors 48, 48 ', 48 ".

【0105】この光電変換装置の動作について図15
よび図11に示すパルスタイミング図を用いて説明す
る。図11において、区間61はリフレッシュ動作、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。
[0105] will be described with reference to the pulse timing diagram illustrating the operation of the photoelectric conversion device in Figs. 15 and 11. In FIG. 11, section 61 corresponds to the refresh operation, section 62 corresponds to the accumulation operation, and section 63 corresponds to the read operation.

【0106】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、図11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、リフレッシュに要する時間
が異なってくるだけであり、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48,48′,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
くバッファMOSトランジスタが導通する電圧が印加さ
れており、全画面一括リフレッシュ用バッファMOSト
ランジスタ35,35′,35″は導通状態となってい
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、リフレッシュ動作に入り、それ以前に蓄積され
ていた電荷が、完全リフレッシュモード又は過渡的リフ
レッシュモードにしたがってリフレッシュされる。完全
リフレッシュモードになるか又は過渡的リフレッシュモ
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 t 1 , the substrate potential, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is kept at the ground potential or the positive potential, but FIG. 11 shows that it is kept at the ground potential. Whether it is the ground potential or the positive potential, as described above, the time required for refreshing is different, and the basic operation does not change. The potential 65 at the terminal 49 is high, the MOS transistors 48, 48 ', 48 "are kept conductive, and each photosensor cell is grounded through the vertical line 38, 38', 38". Further, a voltage for conducting the buffer MOS transistor is applied to the terminal 36 as shown by a waveform 66, and the buffer MOS transistors 35, 35 ', 35 "for all-screen batch refresh are in a conductive state. When a pulse such as waveform 67 is applied to 37, a voltage is applied to the bases of the respective photosensor cells through the horizontal lines 31, 31 ', 31 ", and as described above, the refresh operation is started and the charge is accumulated before that. Charge is refreshed according to the complete refresh mode or the transient refresh mode. Whether to enter the complete refresh mode or the transient refresh mode is determined by the pulse width of the waveform 67.

【0107】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ッタ
に対して逆バイアス状態となり、次の蓄積区間62へ移
る。このリフレッシュ区間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 t 2 , as already described, the base of the transistor of each photosensor cell is reverse biased with respect to the emitter, and the operation proceeds to the next accumulation section 62. In the refresh section 61, as shown in the figure, all the other applied pulses are kept in the low state.

【0108】蓄積動作区間62においては、基板電圧、
すなわちトランジスタのコレクタ電位波形64は正電位
にする。これにより光照射により発生したエレクトロン
・ホール対のうちエレクトロンを、コレクタ側へ早く流
してしまうことができる。しかし、このコレクタ電位を
正電位に保つことは、ベースをエミッタに対して逆方向
バイアス状態、すなわち負電位にして撮像しているので
必須条件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態に
しても基本的な蓄積動作に変化はない。
In the accumulation operation section 62, the substrate voltage,
That is, the collector potential waveform 64 of the transistor is set to a positive potential. As a result, electrons of the electron-hole pairs generated by the light irradiation can quickly flow to the collector side. However, maintaining the collector potential at a positive potential is not an essential condition because the base is reverse-biased with respect to the emitter, that is, the image is taken as a negative potential. There is no change in the accumulation operation.

【0109】蓄積動作状態においては、MOSトランジ
スタ48,48′,48″のゲート端子49の電位65
は、リフレッシュ区間と同様、highに保たれ、各M
OS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ッタは垂直ライン38,38′,3
8″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
ース電位がエミッタ電位(接地電位)に対して順方向バ
イアス状態になってくると、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、クリップされることになる。したがって、垂直
方向にとなり合う光センサセルのエミッタが垂直ライン
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 accumulation operation state, the potential 65 of the gate terminals 49 of the MOS transistors 48, 48 ', 48 "is 65.
Is kept high as in the refresh period, and each M
The OS transistor remains conductive. For this reason, the emitter of each photosensor cell has vertical lines 38, 38 ', 3
It is grounded through 8 ″. When strong light is irradiated and holes are accumulated in the base and become saturated, that is, when the base potential becomes a forward bias state with respect to the emitter potential (ground potential), The holes are vertical lines 38,
38 ', 38 ", where the base potential change ceases and is clipped. Therefore, the emitters of vertically adjacent photosensor cells are commonly connected by vertical lines 38, 38', 38". Even
When the vertical lines 38, 38 ', 38 "are grounded in this manner, the blooming phenomenon does not occur.

【0110】このブルーミング現象をさける方法は、M
OS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、エミッタより先にコレク
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。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′,3
1″のバッファMOSトランジスタ33,33′,3
3″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。
A method for avoiding this blooming phenomenon is M
Even when the OS transistors 48, 48 ', 48 "are in the non-conducting state and the vertical lines 38, 38', 38" are in the floating state, the substrate potential, that is, the collector potential 64 is set to a slightly negative potential and the hole This can also be achieved by allowing the base potential to flow toward the collector side before the emitter when the base potential changes in the positive potential direction due to the accumulation. After the accumulation section 62, the reading section 63 starts from time t 3 . At this time t 3 , 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 ′, 3
1 ″ buffer MOS transistors 33, 33 ′, 3
The potential 68 of the gate terminal of 3 ″ is set high, and the respective MOS transistors are made conductive. However, the timing of setting the potential 68 of the gate terminal 34 high is not a prerequisite that it is time t 3 , Any time earlier than that is fine.

【0111】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38,3
8′,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、図6,図7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分だけエミッタに対して
順方向バイアスがかかる様調整される。
At time t 4 , of the outputs of the vertical shift register 32, the one connected to the horizontal line 31 has the waveform 6
As indicated by reference numeral 9, the MOS transistor 33 is conductive at this time, so that the reading of each of the three photosensor cells connected to the horizontal line 31 is performed. This read operation is as previously described,
The signal voltage generated by the signal charge accumulated in the base region of each photosensor cell is directly applied to the vertical lines 38, 3
8 ', 38 ". The pulse width of the pulse voltage from the vertical shift register 32 at this time is such that the read voltage with respect to the storage voltage maintains a sufficient linearity as shown in FIGS. The pulse voltage is set, and the pulse voltage is adjusted so that the emitter is forward biased by V Bias as described above.

【0112】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7
0のごとくhighとなり、MOSトランジスタ40が
導通状態となり、出力信号は出力ライン41を通して、
出力トランジスタ44に入り、電流増幅されて出力端子
47から出力される。この様に信号が読出された後、出
力ライン41には配線容量に起因する信号電荷が残って
いるので、時刻t6 において、MOSトランジスタ42
のゲート端子43にパルス波形71のごとくパルスを印
加し、MOSトランジスタ42を導通状態にして出力ラ
イン41を接地して、この残留した信号電荷をリフレッ
シュしてやるわけである。以下同様にして、スイッチン
グMOSトランジスタ40,40′,40″を順次導通
させて垂直ライン38,38′,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38,3
8′,38″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ッシュする。
Next, at time t 5 , of the outputs of the horizontal shift register 39, only the output to the gate of the MOS transistor 40 connected to the vertical line 38 has the waveform 7
It becomes high as 0, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal passes through the output line 41.
It enters the output transistor 44, is current-amplified, and is output from the output terminal 47. After the signal is read in this way, signal charges due to the wiring capacitance remain in the output line 41, so at time t 6 , the MOS transistor 42 is discharged.
A pulse is applied to the gate terminal 43 as in the pulse waveform 71, the MOS transistor 42 is made conductive, the output line 41 is grounded, and the remaining signal charge is refreshed. In the same manner, the switching MOS transistors 40, 40 ', 40 "are sequentially turned on to read the signal output of the vertical lines 38, 38', 38". After reading the signals from the photosensor cells for one line arranged horizontally in this way, the vertical lines 38, 3 are read.
Similar to the output line 41, signal charges due to the wiring capacitance of the output line 41 remain in 8'and 38 ", so that the MOS transistors 48 and 48 'connected to the vertical lines 38, 38' and 38" are connected. , 48 ″ is made high to its gate terminal 49 as shown by the waveform 65 to make it conductive, and this residual signal charge is refreshed.

【0113】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 t 8 , of the outputs of the vertical shift register 32, the output connected to the horizontal line 31 ′ becomes high as shown by the waveform 69 ′, and the accumulation of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 ′. The voltage is read out to each vertical line 38, 38 ', 38 ". Thereafter, the signal is read out from the output terminal 47 by the same operation as before.

【0114】以上の説明においては、蓄積区間62と読
出し区間63が明確に区分される様な応用分野、例えば
最近研究開発が積極的に行なわれているスチルビデオに
適用される動作状態について説明したが、テレビカメラ
の様に蓄積区間62における動作と読出し区間63にお
ける動作が同時に行なわれている様な応用分野に関して
も、図11,図12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、この時のリフレッシュは
全画面一括リフレッシュではなく、一ライン毎のリフレ
ッシュ機能が必要である。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t
7 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にリフレッシュパルスを印
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、図15の右側に設置した一括リフレ
ッシュパルスを印加する機器の代わりに、左側と同様の
第2の垂直シフ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 description, the application field in which the accumulation section 62 and the reading section 63 are clearly divided, for example, the operation state applied to the still video which has been actively researched and developed recently has been described. However, it can be applied to an application field in which the operation in the accumulation section 62 and the operation in the reading section 63 are simultaneously performed, such as a television camera, by changing the pulse timings in FIGS. 11 and 12. However, the refreshing at this time is not a full screen batch refresh, but a refresh function for each line is required. For example, after the signal of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 is read, the time t
MOS transistors 48, 48 'for erasing charges remaining in the vertical line at 7, to conduct 48 ", applying a refresh pulse to the horizontal line 31 at this time. That is, even at the time t 7 in the waveform 69 This can be achieved by using a vertical shift register configured to generate pulses having different pulse voltages and pulse widths as at time t 4. Thus , except for the double pulse operation, the right side of FIG. Instead of the device for applying the batch refresh pulse installed in the above, a second vertical shift register similar to the one on the left side may be provided on the right side, and the timing may be achieved by shifting the timing from the vertical register provided on the left side. It is possible.

【0115】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ッ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、図5のグラフからわかる様に、VBiasを印加し
ない時に、各光センサセルの飽和により、垂直ライン2
8,28′,28″に流れ出す信号電荷分はきわめてわ
ずかであり、ブルーミング現象は、まったく問題にはな
らない。
At this time, the degree of freedom in the operation of suppressing the blooming by operating the respective potentials of the emitter and collector of each photosensor cell in the accumulation state as described above is reduced. However, as it has been explained in the basic operation, the read state, since the such a structure can high-speed reading at the time of applying a V Bias becomes bias voltage to the base, as can be seen from the graph of FIG. 5, V Bias Vertical line 2 due to saturation of each photosensor cell when no voltage is applied.
The amount of signal charges flowing out to 8, 28 ', 28 "is extremely small, and the blooming phenomenon does not pose any problem.

【0116】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ャ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。
Also, with respect to the smear phenomenon, the photoelectric conversion device according to the present embodiment can obtain extremely excellent characteristics. The smear phenomenon is a problem that occurs in operation and structure in which charge is transferred where light is irradiated in a CCD type image pickup device, particularly in a frame transfer type,
In the interline type, a problem particularly occurs because carriers generated in the deep portion of the semiconductor due to long wavelength light are accumulated in the charge transfer portion.

【0117】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ッチング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
で発生したキャリアが蓄積されるために生じる問題であ
る。
Further, in the MOS type image pickup device, there is a problem that carriers generated in the semiconductor deep portion are accumulated by the light of the long wavelength on the drain side of the switching MOS transistor which is grounded to each photosensor cell.

【0118】これに対して本構成例に係る光電変換装置
では、動作および構造上発生するスミア現象はまったく
なく、また長波長の光により半導体深部で発生したキャ
リアが蓄積されるという現象もまったく生じない。但
し、光センサセルのエミッ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
フレッシュ動作のときは蓄積動作状態において、エミッ
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ッシュ動作のときは、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ッシュするので、
この時同時にエミッ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、スミア現像は
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 the present configuration example, there is no smear phenomenon that occurs due to operation and structure, and there is also a phenomenon that carriers generated in the semiconductor deep portion are accumulated due to long wavelength light. Absent. However, among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the photosensor cell, there is concern about the development that electrons are accumulated. This is because the emitter is grounded in the accumulation operation state during the batch refresh operation. Therefore, the electrons are not accumulated,
Smear phenomenon does not occur. Further, in the line refresh operation applied to a normal TV camera, the vertical line is grounded and refreshed before reading the accumulated voltage in the vertical line during the horizontal blanking period.
At this time, at the same time, the electrons accumulated in the emitter during one horizontal scanning period flow out, so that the smear phenomenon hardly occurs. As described above, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment, the smear development occurs only to an essentially negligible degree in terms of its structure and operation, which is one of the great advantages of the photoelectric conversion device according to the present embodiment. Is one.

【0119】また、蓄積動作状態において、エミッタお
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γ特性を制御することも可能である。
Further, the operation of suppressing the blooming phenomenon by operating the respective potentials of the emitter and the collector in the accumulation operation state has been described above, but it is also possible to control the γ characteristic by utilizing this.

【0120】すなわち、蓄積動作の途中において、一時
的にエミッ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ャリアのうち、この負電位
を与えるキャリア数より多く蓄積されているホールをエ
ミッタまたはコレクタ側へ流してしまうという動作をさ
せる。これにより、蓄積電圧と入射光量に対する関係
は、入射光量の小さいときはシリコン結晶のもつγ=1
の特性を示し、入射光量の大きい所では、γが1より小
さくなる様な特性を示す。つまり、折線近似的に通常テ
レビカメラで要求されるγ=0.45の特性をもたせる
ことが可能である。蓄積動作の途中において上記動作を
一度やれば一折線近似となり、エミッタ又はコレクタに
印加する負電位を二度適宜変更して行なえば、二折線タ
イプのγ特性を持たせることも可能である。
That is, during the accumulation operation, the potential of the emitter or collector is temporarily set to a certain negative potential, and the number of holes accumulated in the base is larger than the number of carriers giving this negative potential. Is made to flow to the emitter or collector side. As a result, the relationship between the accumulated voltage and the incident light quantity is γ = 1 of the silicon crystal when the incident light quantity is small.
The characteristic is such that γ is smaller than 1 at a place where the amount of incident light is large. That is, it is possible to give the characteristic of γ = 0.45 which is usually required for a television camera in a polygonal line approximation. If the above operation is performed once in the middle of the accumulation operation, it becomes a one-line approximation, and if the negative potential applied to the emitter or the collector is appropriately changed twice, a two-line type γ characteristic can be provided.

【0121】また、以上の構成例においては、シリコン
基板を共通コレクタとしているが通常バイポーラトラン
ジスタのごとく埋込n+ 領域を設け、各ライン毎にコレ
クタを分割させる様な構造としてもよい。
Further, in the above configuration example , the silicon substrate is used as a common collector, but it is also possible to provide a buried n + region like a bipolar transistor and divide the collector for each line.

【0122】なお、実際の動作には図11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ックパルスが必
要である。
In addition to the pulse timing shown in FIG. 11, a clock pulse for driving the vertical shift register 32 and the horizontal shift register 39 is necessary for the actual operation.

【0123】図13に出力信号に関係する等価回路を示
す。容量CV 80は垂直ライン38,38′,38″の
配線容量であり、容量CH 81は出力ライン41の配線
容量をそれぞれ示している。また図13右側の等価回路
は、読出し状態におけるものであり、スイッチング用M
OSトランジスタ40,40′,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RM 82で示
している。また増幅用トランジスタ44を抵抗re 83
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ッシ
ュするための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. 13 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. The equivalent circuit on the right side of FIG. And M for switching
OS transistor 40, 40 ', 40 "is conductive, indicating a resistance value in its conductive state by a resistor R M 82. The resistance of the amplification transistor 44 r e 83
And an equivalent circuit using the current source 84. The MOS transistor 42 for refreshing the charge accumulation due to the wiring capacitance of the output line 41 is in a non-conducting state in the read state and has a high impedance, so that it is omitted in the equivalent circuit on the right side.

【0124】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CV 80は約4pF位、容量CH 81
は約4pF位、MOSトランジスタの導通状態の抵抗R
M 82は3KΩ程度、バイポーラトランジスタ44の電
流増幅率βは約100程度として、出力端子47におい
て観測される出力信号波形を計算した例を図14に示
す。
Each parameter of the equivalent circuit is determined by the size of the photoelectric conversion device actually configured. For example, the capacitance C V 80 is about 4 pF, and the capacitance C H 81
Is about 4 pF, and the resistance R of the conductive state of the MOS transistor
FIG. 14 shows an example in which the output signal waveform observed at the output terminal 47 is calculated assuming that M 82 is about 3 KΩ and the current amplification factor β of the bipolar transistor 44 is about 100.

【0125】図14において横軸はスイッチング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38,38′,3
8″の配線容量CV 80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っているときの出
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. 14, the horizontal axis represents the switching MOS.
The vertical axis represents the time [μs] from the moment when the transistors 40, 40 ', 40 "are turned on, and the vertical axis represents the vertical lines 38, 38', 3
The output voltage [V] that appears at the output terminal 47 when the 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 ″ is shown.

【0126】出力信号波形85は負荷抵抗RE 45が1
0KΩ、86は負荷抵抗RE 45が5KΩ、87は負荷
抵抗RE 45が2KΩのときのものであり、いずれにお
いてもピーク値は、CV 80とCH 81の容量分割によ
り0.5V程度になっている。当然のことながら、負荷
抵抗RE 45が大きいほうが減衰量は小さく、望ましい
出力波形になっている。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。スイッ
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 1
0KΩ, 86 is when the load resistance R E 45 is 5KΩ, and 87 is when the load resistance R E 45 is 2KΩ. In both cases, the peak value is about 0.5V due to the capacitance division of C V 80 and C H 81. It has become. As a matter of course, the larger the load resistance R E 45 is, the smaller the attenuation amount is, and the desired output waveform is obtained. The rise time is as fast as about 20 nsec with the above parameter values. By reducing the resistance R M of the switching MOS transistors 40, 40 ′ and 40 ″ in the conductive state and the wiring capacitances C V and C H , it is possible to read data at a higher speed.

【0127】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 the photoelectric conversion device using the optical sensor cell having the above structure, since the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each optical sensor cell, the amplification amplifier at the final stage is considerably larger than that of the MOS type image pickup device. A simple one will do. In the above-mentioned example, the example of using the one-stage type of bipolar transistor has been described, but it goes without saying that other methods such as a two-stage type can be used. When a bipolar transistor is used as in this example, the problem of 1 / f noise, which is easily noticeable on the image and is generated from the MOS transistor of the amplifier at the final stage in the CCD image pickup device, does not occur in the photoelectric conversion device of this embodiment. It is possible to obtain an image quality with an extremely good S / N ratio.

【0128】以下、本発明の光電変換装置の他の構成
に付いて説明する。本構成例は、過渡的リフレッシュモ
ードにおける不都合を解決しようとするものである。
Another example of the configuration of the photoelectric conversion device of the present invention will be described below. This configuration example is intended to solve the inconvenience in the transient refresh mode.

【0129】図12に、過渡的リフレッシュ動作、蓄積
動作、読出し動作、そして過渡的リフレッシュ動作と巡
回するときの、エミッタ、ベース、コレクタ各部におけ
る電位レベルを表したものを示す。各部位の電圧レベル
は外部的に見た電位であり、内部のポテンシャルレベル
とは一部一致していない所もある。
FIG. 12 shows potential levels in the emitter, base, and collector sections during the cyclic refresh operation, accumulation operation, read operation, and transient refresh operation. The voltage level of each part is the potential seen from the outside, and there is a part that does not coincide with the internal potential level.

【0130】説明を簡単にするためにエミッタ・ベース
間の拡散電位は除いてある。したがって、図12でエミ
ッタとベースが同一レベルで表される時には、実際には
エミッタベース間に
To simplify the explanation, the diffusion potential between the emitter and the base is omitted. Therefore, when the emitter and the base are represented at the same level in FIG.

【0131】[0131]

【数21】 で与えられる拡散電位が存在するわけである。[Equation 21] There is a diffusion potential given by.

【0132】図12において、状態、はリフレッシ
ュ動作を、状態は蓄積動作を、状態、は読出し動
作を、状態はエミッタを接地したときの動作状態をそ
れぞれ示す。また電位レベルは0ボルトを境にして上側
が負、下側が正電位をそれぞれ示す。状態になる前の
ベース電位はゼロボルトであったとし、またコレクタ電
位は状態からまで全て正電位にバイアスされている
ものとする。
In FIG. 12, state represents a refresh operation, state represents a storage operation, state represents a read operation, and state represents an operating state when the emitter is grounded. Regarding the potential level, the upper side shows a negative potential and the lower side shows a positive potential with 0 V as a boundary. It is assumed that the base potential before the state is zero volt and that the collector potential is biased to the positive potential from the state.

【0133】上記の一連の動作を図11のタイミング図
と共に説明する。
The above series of operations will be described with reference to the timing chart of FIG.

【0134】図11の波形67のごとく、時刻t1 にお
いて、端子37に正電位すなわちリフレッシュ電圧VRH
が印加されると、図12の状態に電位200のごとく
ベースには、すでに説明した様に、
As shown by the waveform 67 in FIG. 11, at time t 1 , a positive potential, that is, the refresh voltage V RH is applied to the terminal 37.
Is applied to the base as in the state of FIG.

【0135】[0135]

【数22】 なる分圧がかかる。この電位は時刻t1 からt2 の間に
次第にゼロ電位に向かって減少していき、時刻t2
は、図12の点線で示した電位201となる。この電位
は前に説明した様に、過渡的なリフレッシュモードにお
いて、ベースに残る電位VK である。時刻t2 におい
て、波形67のごとく、リフレッシュ電圧VRHがゼロ電
圧にもどる瞬間にベースに、ベースには
[Equation 22] Partial pressure is applied. This potential gradually decreases toward the zero potential from time t 1 to t 2 , and becomes the potential 201 shown by the dotted line in FIG. 12 at time t 2 . This potential is the potential V K remaining at the base in the transient refresh mode, as described above. At time t 2 , as shown in the waveform 67, the base voltage is applied to the base at the moment when the refresh voltage V RH returns to zero voltage.

【0136】[0136]

【数23】 なる電圧が前と同様、容量分割により発生するので、ベ
ースは残っていた電圧VK と新しく発生した電圧との加
算された電位となる。すなわち、状態において示され
るベース電位202であり、これは、
[Equation 23] Since the generated voltage is generated by the capacitance division as before, the base becomes the potential obtained by adding the remaining voltage V K and the newly generated voltage. That is, the base potential 202 shown in the state, which is

【0137】[0137]

【数24】 で与えられる。[Equation 24] Given in.

【0138】この様なエミッタに対して逆バイアス状態
において光が入射してくると、この光により発生したホ
ールがベース領域に蓄積されるので、状態のごとく、
入射してくる光の強さに応じてベース電位202はベー
ス電位203、203′、203″のごとく次第に正電
位に向って変化する。この光により発生する電圧をVP
とする。
When light enters the emitter in the reverse bias state, holes generated by the light are accumulated in the base region.
The base potential 202 gradually changes to a positive potential like the base potentials 203, 203 ', and 203 "according to the intensity of the incident light. The voltage generated by this light is V P
And

【0139】次いで波形69のごとく、水平ラインに垂
直シフトレジスタより電圧、すなわち、読出し電圧VR
が印加されると、ベースには
Next, as shown by the waveform 69, a voltage is applied to the horizontal line from the vertical shift register, that is, the read voltage V R.
Is applied to the base

【0140】[0140]

【数25】 なる電圧が加算されるので、光がまったく照射されない
ときのベース電位204は
[Equation 25] Is added, the base potential 204 when no light is emitted is

【0141】[0141]

【数26】 となる。このときの電位204は前に説明したごとく、
エミッタに対して0.5〜0.6V程度順方向にバイア
ス状態になる様に、設定される。また、ベース電位20
5、205′、205″はそれぞれ
[Equation 26] Becomes The potential 204 at this time is, as described above,
It is set so as to be biased in the forward direction by about 0.5 to 0.6 V with respect to the emitter. Also, the base potential 20
5, 205 ', 205 "are each

【0142】[0142]

【数27】 で与えられる。[Equation 27] Given in.

【0143】ベース電位がこの様にエミッタに対して、
順方向バイアスされると、エミッタ側からエレクトロン
の注入がおこり、エミッタ電位は次第に正電位方向に動
いていくことになる。光が照射されなかったときのベー
ス電位204に対するエミッタ電位206は、順方向バ
イアスを0.5〜0.6Vに設定した時読出しパルス幅
が1〜2μs位のとき、約50〜100mV程度であ
り、この電圧をVB とすると、エミッタ電位207、2
07′、207″は前の例の様に0.1μs以上のパル
ス幅であれば直線性は十分確保されるので、それぞれV
P +VB 、VP ′+VB 、VP ″+VB となる。
The base potential is thus relative to the emitter
When forward biased, electrons are injected from the emitter side, and the emitter potential gradually moves in the positive potential direction. The emitter potential 206 with respect to the base potential 204 when light is not irradiated is about 50 to 100 mV when the read pulse width is about 1 to 2 μs when the forward bias is set to 0.5 to 0.6 V. , If this voltage is V B , the emitter potentials 207, 2
07 'and 207 "have sufficient linearity as long as the pulse width is 0.1 μs or more as in the previous example.
P + V B , V P ′ + V B , and V P ″ + V B.

【0144】ある一定の読出し時間の後、波形69のご
とく読出し電圧VR がゼロ電位になった時点で、ベース
には
After a certain read time, when the read voltage V R becomes zero potential as shown by the waveform 69, the base has no potential.

【0145】[0145]

【数28】 なる電圧が加算されるので、状態のごとくベース電位
は読出しパルスが印加される前の状態、すなわち逆バイ
アス状態になり、エミッタの電位変化は停止する。すな
わち、このときのベース電位208は、
[Equation 28] Therefore, the base potential becomes the state before the read pulse is applied, that is, the reverse bias state as in the state, and the potential change of the emitter is stopped. That is, the base potential 208 at this time is

【0146】[0146]

【数29】 ベース電位209、209′、209″はそれぞれ、[Equation 29] The base potentials 209, 209 'and 209 "are respectively

【0147】[0147]

【数30】 で与えられる。これは読出しが始まる前の状態とまっ
たく同じである。
[Equation 30] Given in. This is exactly the same as before reading was started.

【0148】この状態において、エミッタ側の光情報
信号が外部へ読出されるわけである。この読出しが終っ
た後、各スイツチングMOSトランジスタ48、4
8′、48″が導通状態となり、エミッタが接地されて
状態のごとく、エミッタはゼロ電位となる。これで、
リフレッシュ動作、蓄積動作、読出し動作と一巡し、次
に状態にもどるわけであるが、この時、最初にリフレ
ッシュ動作に入る前は、ベース電位がゼロ電位からスタ
ートしたのに対して、一巡してきた後はベース電位が
In this state, the optical information signal on the emitter side is read out to the outside. After this reading is completed, each switching MOS transistor 48, 4
8 ′ and 48 ″ are in a conductive state, and the emitter is grounded, so that the emitter has a zero potential.
The refresh operation, the accumulation operation, and the read operation make a round, and then the state returns to the next state. At this time, before the first refresh operation, the base potential started from zero potential, but it made one round. After that the base potential

【0149】[0149]

【数31】 およびそれに、それぞれVP 、VP ′、VP ″が加算さ
れた電位に変化していることになる。したがって、この
状態で、リフレッシュ電圧VRHが印加されたとしてもベ
ース電位はそれぞれVK 、VK +VP 、VK +VP ′、
K +VP ″になるだけであり、これでは、ベースに十
分な順方向バイアスがかからず、光の強くあたった所は
順方向バイアス量が大きいので光情報は消えるものの、
光の弱い部分の情報は消えずに残るということが生ずる
ことは図8に示したリフレッシュ動作の計算例から見て
もあきらかである。
[Equation 31] And the respective potentials have changed to V P , V P ′, and V P ″. Therefore, in this state, even if the refresh voltage V RH is applied, the base potential is V K. , V K + V P , V K + V P ′,
V K + V P ″, which does not apply a sufficient forward bias to the base, and the amount of forward bias is large where the light hits strongly, but the optical information disappears.
It is obvious from the calculation example of the refresh operation shown in FIG. 8 that the information of the weak light portion remains without disappearing.

【0150】この様な現象は、過渡的リフレッシュモー
ド独特のものであり、完全リフレッシュモードでは、ベ
ース電位が必ずゼロ電位になるまで長いリフレッシュ時
間をとるために、この様な問題は生じない。
Such a phenomenon is peculiar to the transient refresh mode, and in the complete refresh mode, such a problem does not occur because it takes a long refresh time until the base potential always becomes zero potential.

【0151】高速リフレッシュが可能な過渡的リフレッ
シュモードを使い、かつこの様な不都合の生じない方法
について以下に述べる。
A method of using the transient refresh mode capable of high-speed refresh and avoiding such inconvenience will be described below.

【0152】これを解決する一つの方法は、状態にお
いてベース電位210が負電位方向、すなわちエミッタ
に対して逆バイアス方向になりすぎているからであり、
次の状態において、リフレッシュパルスが印加される
前に何らかの方法で、このベース電位210をゼロ電
位、又は、わずか正電位にもってくれば良いことにな
る。
One way to solve this is that the base potential 210 is in the negative potential direction in the state, that is, in the reverse bias direction with respect to the emitter.
In the next state, it suffices to bring the base potential 210 to the zero potential or a slightly positive potential by some method before the refresh pulse is applied.

【0153】図24(a)に、それを達成するための光
センサセルの断面図を、(b)にそれの等価回路図を、
(c)に内部ポテンシャル図を、それぞれ示す。図24
(a)は、図4に示したセンサセルとは、埋込p+ 領域
220のあることだけが異っている。図24(b)の等
価回路図は、センサセルのベース領域6をコレクタ、埋
込p+ 領域220をエミッタ、ベース領域6とコレクタ
領域1の中間の高抵抗n- 領域5の一部をベースとした
pnpトランジスタ221が付加されている。pnpト
ランジスタのベース領域は、センサセルのコレクタ領域
1とはルースカップリングされているわけであり、等価
回路では点線で示している。また、この埋込p+ 領域2
20は結晶内部で配線222のごとく結線されており、
センサエリア外から電圧を印加できる構造となってい
る。
FIG. 24 (a) is a sectional view of an optical sensor cell for achieving this, and FIG. 24 (b) is an equivalent circuit diagram thereof.
The internal potential diagrams are shown in (c). Figure 24
(A) differs from the sensor cell shown in FIG. 4 only in that it has a buried p + region 220. In the equivalent circuit diagram of FIG. 24B, the base region 6 of the sensor cell is the collector, the buried p + region 220 is the emitter, and a part of the high resistance n region 5 between the base region 6 and the collector region 1 is the base. The pnp transistor 221 is added. The base region of the pnp transistor is loosely coupled with the collector region 1 of the sensor cell, and is shown by a dotted line in the equivalent circuit. Also, this buried p + region 2
20 is connected inside the crystal like a wiring 222,
It has a structure that voltage can be applied from outside the sensor area.

【0154】図24(b)から明らかなように、p+
込領域220は、222に示されるように水平ライン方
向に一つのラインを形成するわけであるから実際には、
図24(a)では左右に連続してつながったp+ 埋込み
領域として示すべきものである。図24(a)ではわか
り易くするために模式的に一部にp+ 領域を示してい
る。
As is apparent from FIG. 24B, the p + buried region 220 forms one line in the horizontal line direction as indicated by 222, so in reality,
In FIG. 24 (a), it should be shown as a p + buried region continuously connected to the left and right. In FIG. 24A, a p + region is schematically shown in a part for the sake of clarity.

【0155】内部のエレクトロンに対するポテンシャル
は図24(c)に示すごとくであり、埋込p+ 領域22
0を含まない垂直断面でのポテンシャル分布は図12に
示したものと何ら変らないが、埋込p+ 領域220を含
む、垂直断面でのポテンシャル分布は点線223で示す
様なポテンシャル分布を有している。但し、この図では
埋込p+ 領域220がわずか正電位にバイアスされたと
きのポテンシャル分布をしている。この状態で、埋込p
+ 領域220をさらに正電位方向にバイアスすると、間
に存在するn- 領域が完全にパンチスルー状態になり、
+ 領域よりホールがセンサセルのベース領域6に向か
って流れこむことになり、このホールによりベース領域
6は正電位方向に電位が動いてくる。
The potential for the internal electrons is as shown in FIG. 24C, and the buried p + region 22 is used.
The potential distribution in the vertical cross section that does not include 0 is no different from that shown in FIG. 12, but the potential distribution in the vertical cross section that includes the embedded p + region 220 has the potential distribution as indicated by the dotted line 223. ing. However, in this figure, the potential distribution is shown when the buried p + region 220 is biased to a slightly positive potential. In this state, the embedded p
When the + region 220 is further biased in the positive potential direction, the n region existing between them is completely punched through,
Holes flow into the base region 6 of the sensor cell from the p + region, and the potential of the base region 6 moves in the positive potential direction due to the holes.

【0156】n- 領域をパンチスルー状態にして、p+
領域220からホールをpベース領域に流し込むには、
- 領域の厚さd、不純物密度N、p+ 領域220に加
える電圧をVP +とすると
Punch through the n - region and p +
To pour holes from region 220 into the p base region,
When the thickness d of the n region, the impurity density N, and the voltage applied to the p + region 220 are V P +

【0157】[0157]

【数32】 のように設計する。Vbiはp+- 接合の拡散電位であ
る。
[Equation 32] Design like. V bi is the diffusion potential of the p + n junction.

【0158】したがって、図12の状態において、埋
込p+ 領域220を配線222を通して正電圧を印加し
て、pベース領域にホールを注入することにより、ベー
ス電位210を先に説明したごとく、ゼロ電位又はわず
か正電位にもってくることにより過渡的リフレッシュモ
ードにおける不都合な現象を解決することが可能であ
る。このとき埋込p+ 領域220に印加する電圧はセン
サセルコレクタ1に印加している電圧よりもわずかに小
さい電圧、すなわち埋込p+ 領域220とコレクタのn
領域1が順方向バイアスとならない様な状態で、十分ベ
ース領域6に、ホールを渡しこむことが可能である。
Therefore, in the state of FIG. 12, a positive voltage is applied to the embedded p + region 220 through the wiring 222 to inject holes into the p base region, so that the base potential 210 is zero as described above. By bringing the potential or a slightly positive potential, it is possible to solve the disadvantageous phenomenon in the transient refresh mode. At this time, the voltage applied to the embedded p + region 220 is slightly smaller than the voltage applied to the sensor cell collector 1, that is, the embedded p + region 220 and the collector n.
It is possible to sufficiently pass holes into the base region 6 in a state where the region 1 is not forward biased.

【0159】p+ 領域を形成する不純物(通常ボロン)
は、一般に拡散定数が大きく、高抵抗n- 領域5をエピ
タキシャル技術を用いて形成する時にオートドーピング
および拡散の問題が発生するが、エピタキシャル技術の
低温化により、埋込p+ 領域からのオートドーピングお
よび拡散を極力押える様な工夫がなされる。
Impurities forming the p + region (usually boron)
Generally has a large diffusion constant, and problems of autodoping and diffusion occur when the high resistance n region 5 is formed by using the epitaxial technique. However, due to the low temperature of the epitaxial technique, the autodoping from the buried p + region is caused. And a device is made to suppress diffusion as much as possible.

【0160】以上の一構成例は、すでに説明した、基本
光センサセルに対して埋込p+ 領域を拡散もしくはイオ
ン注入により付加することだけが異なり、後の部分の作
成方法はまったく同じで良い。
The above-mentioned one configuration example is different only in that the buried p + region is added to the basic photosensor cell by diffusion or ion implantation as described above, and the method of forming the subsequent portion may be exactly the same.

【0161】図25に、もう一つの構成例を説明するた
めの光センサセル断面図を示す。図25に示した断面図
では、図24(a)に示した埋込p+ 領域220の代り
に、ベース領域6を作るとき、同時に表面側にP領域2
24を作る構造となっている。このP領域224をエミ
ッタとし、低不純物n- 領域5をベース、光センサセル
のベース6をコレクタとするpnpトランジスタを構成
している。これは前の図24で示したものが、縦構造の
pnpトランジスタを形成していたのに対して、横構造
のpnpトランジスタを形成しているわけである。した
がって、この図25の構成例では、このP領域224に
電圧を供給するのは、表面側の配線225を介して行な
われる。
FIG. 25 shows a sectional view of an optical sensor cell for explaining another configuration example. In the sectional view shown in FIG. 25, when the base region 6 is formed instead of the buried p + region 220 shown in FIG.
It has a structure to make 24. This P region 224 serves as an emitter, the low impurity n region 5 serves as a base, and the base 6 of the photosensor cell serves as a collector to form a pnp transistor. This is because the pnp transistor having the vertical structure is formed as shown in FIG. 24, whereas the pnp transistor having the horizontal structure is formed. Therefore, in the configuration example of FIG. 25, the voltage is supplied to P region 224 through wiring 225 on the front surface side.

【0162】この図25に示した構成例の等価回路は、
pnpトランジスタが縦構造、横構造のちがいはあるも
のの、図24(b)に示した等価回路とまったく同じで
あり、また、それの動作もすでに説明したものとまった
く同じである。
The equivalent circuit of the configuration example shown in FIG.
Although the pnp transistor has a vertical structure and a horizontal structure, it is exactly the same as the equivalent circuit shown in FIG. 24B, and its operation is also exactly the same as that already described.

【0163】図25に示した断面図では、p+ 領域22
4、これの配線225がMOSキャパシタ電極9、エミ
ッタ領域7および配線8と、説明の都合上全て同一断面
内に書いているが、同一の光センサセルの中の他の部分
に配置することも可能であり、これは、光入射する窓の
形状、配線等の設計要因から決定されることになる。
In the cross-sectional view shown in FIG. 25, p + region 22
4. The wiring 225 thereof is shown in the same cross section as the MOS capacitor electrode 9, the emitter region 7 and the wiring 8 for the sake of explanation, but they can be arranged in other parts of the same photosensor cell. This is determined by design factors such as the shape of the window on which light is incident and the wiring.

【0164】既に述べた様に、前述した構成に係る光セ
ンサセルを利用した光電変換装置では、最終段の増幅ア
ンプがきわめて簡単なもので良いことから、最終段の増
幅アンプを一つだけ設ける図15に示したごときタイプ
ではなく、本発明のように、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を好適
に用いることができる。
As described above, in the photoelectric conversion device using the optical sensor cell according to the above-mentioned configuration, the final stage amplification amplifier may be extremely simple. Therefore, only one final stage amplification amplifier is provided . Instead of the type as shown in 15, it is preferable to employ a configuration in which a plurality of amplification amplifiers are installed and one screen is divided into a plurality of pieces and read out as in the present invention.
Can be used for.

【0165】図1に、本発明の信号処理装置による分割
読出し方式の一例を示す。図1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。
基本的な動作は図15の構成例および図11,図12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、この図1の実施例では、3つの等価な水平シフト
レジスタ100、101、102を設け、これらの始動
パルスを印加するための端子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。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、水平方向のスキャンニング周波数
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、水平シフトレン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ィジタル
変換して、信号処理する様な用途には、高速のアナログ
・ディジタル変換器は不必要であり、分割読出し方式の
大きな利点である。
FIG . 1 shows an example of a division read method by the signal processing device of the present invention . The embodiment shown in FIG. 1 is an example in which the horizontal direction is divided into three and three final stage amplifiers are installed.
The basic operation is almost the same as that described using the configuration example of FIG . 15 and the timing diagrams of FIGS. 11 and 12, but in the embodiment of FIG. 1 , three equivalent horizontal shift registers 100 and 101 are provided. , 102, and when the start pulse is applied to the terminal 103 for applying these start pulses, the first column, the (n + 1) th column, and the (2n + 1) th column (n is an integer, and in this embodiment, the horizontal The output of each sensor cell connected to the direction picture element number is 3n). At the next time, the second row, (n + 2)
The second and (2n + 2) th columns will be read. According to this embodiment, when the time for reading one horizontal line is fixed, the scanning frequency in the horizontal direction is 1/3 as compared with the system with one final stage amplifier.
, The horizontal shift ranger becomes simpler,
In addition, a high-speed analog-to-digital converter is not necessary for applications such as analog-to-digital conversion of output signals from the photoelectric conversion device and signal processing, which is a great advantage of the divided read method.

【0166】図1に示した実施例では、等価な水平シフ
トレジスタを3つ設けた方式であったが、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図2に示す。
In the embodiment shown in FIG . 1 , three equivalent horizontal shift registers are provided, but a similar function can be provided by only one horizontal shift register. An example of this case is shown in FIG .

【0167】図2の実施例は、図1に示した実施例のう
ちの水平スイッチング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、図1の実施例と同じであるから省略している。
[0167] embodiment of FIG. 2, which has written the horizontal switching MOS transistor of the embodiment shown in FIG. 1, only the middle portion of the final stage amplifier, the other part, the implementation of FIG. 1 It is omitted because it is the same as the example.

【0168】この実施例では、1つの水平シフトレジス
タ104からの出力を1列目、(n+1)列目、(2n
+1)列目のスイッチング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 embodiment, the output from one horizontal shift register 104 is output to the first column, (n + 1) th column, (2n
The gates of the switching MOS transistors in the (+1) th column are connected to read those lines at the same time. At the next time point, the second row, the (n + 2) th row, the (2n +
2) The column number is read.

【0169】この実施例によれば、各スイッチングMO
S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, each switching MO
Although the number of wirings to the gate of the S transistor is increased, only one horizontal shift register can operate.

【0170】図1、図2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 of FIGS. 1 and 2 , three output amplifiers are provided, but it goes without saying that the number may be increased depending on the purpose.

【0171】図1、図2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
クロックパルスは省略しているが、これらは、他のリフ
レッシュパルスと同様、同一チップ内に設けたクロック
パルス発生器あるいは、他のチップ上に設けられたクロ
ックパルス発生器から供給される。
In both the embodiments of FIGS. 1 and 2 , the start pulse and the clock pulse of the horizontal shift register and the vertical shift register are omitted, but these are provided in the same chip as other refresh pulses. Or a clock pulse generator provided on another chip.

【0172】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ッシュを行なうと、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、許容限度以上になってきた場合で
も、外部回路を用いて、それを補正することは、キョシ
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 divided reading method, when horizontal line batch or full screen batch refresh is performed, the nth column and (n
The accumulation time is slightly different between the photosensor cells in the (+1) th column, which may cause a slight discontinuity in the dark current component and the signal component, which may be noticeable on the image. Is small and practically no problem. Even if it exceeds the allowable limit, it is necessary to correct it using an external circuit to generate a poppy-like wave, and subtract it from the dark current component and multiply and divide it with the signal component. This is easily possible by using conventional correction techniques performed by.

【0173】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
ィルタあるいは、モザイクフィルタ等をオンチップ化し
たり、又は、別に作ったカラーフィ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 a color image is picked up by using such a photoelectric conversion device, a stripe filter, a mosaic filter, or the like is integrated on the photoelectric conversion device, or a separately prepared color filter is attached. A color signal can be obtained by combining them.

【0174】一例として、R,G,Bのストライプ・フ
ィ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。
これの一実施例を図17に示す。この図17も図2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
は図1および図15と同じであり、ただ1列目はRのカ
ラーフィルタ、2列目はGのカラーフィルタ、3列目は
Bのカラーフィルタ、4列目はRのカラーフィルタとい
う様にカラーフィルタがついているものとする。図17
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
ンは出力ライン112に接続されたB信号をとりだす。
出力ライン110,111,112はそれぞれオンチッ
プ化されたリフレッシュ用MOSトランジスタおよび最
終段アンプ、例えばエミッタフォ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 the R, G, and B stripe filters are used, in the photoelectric conversion device using the photosensor cell according to the above configuration, the R signal, the G signal, and the B signal are respectively output from different final stage amplifiers. It is possible to obtain.
An example of this is shown in FIG. Similar to FIG. 2, this FIG. 17 also shows only around the horizontal shift register. Others are the same as in FIGS. 1 and 15, except that the first column is an R color filter, the second column is a G color filter, the third column is a B color filter, and the fourth column is an R color filter. The color filter is attached to. FIG. 17
, Each vertical line of the 1st, 4th, 7th, ... Is connected to the output line 110, which takes out the R signal. The vertical lines in the second, fifth, eighth, ... Columns are connected to the output line 111, which takes out the G signal.
Similarly, the vertical lines of the third column, the sixth column, the ninth column, ... Take out the B signal connected to the output line 112.
The output lines 110, 111 and 112 are respectively connected to on-chip refresh MOS transistors and final stage amplifiers, for example, emitter follower type bipolar transistors, and each color signal is output separately.

【0175】本発明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
の図を図18に示す。またそれの等価回路および全体の
回路構成図を図19に示す。
[0175] The diagram for explaining the basic structure and operation of another example of the photosensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention shown in FIG. 18. Further, FIG. 19 shows an equivalent circuit thereof and an overall circuit configuration diagram.

【0176】図18に示す光センサセルは、同一の水平
スキャンパルスにより読出し動作、およびラインリフレ
ッシュを同時に行なうことを可能とした光センサセルで
ある。図18において、すでに図4で示した構成と異な
る点は、図4の場合水平ライン配線10に接続されるM
OSキャパシタ電極9が一つだけであったものが上下に
隣接する光センサセルの側にもMOSキャパシタ電極1
20が接続され、1つの光センサセルからみた時に、ダ
ブルコンデンサタイプとなっていること、および図にお
いて上下に隣接する光センサセルのエミッタ7,7´は
2層配線にされた配線8,および配線121、(図
18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
わちエミッタ7はコンタクトホール19を通して配線
8に、エミッタ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って
いる。
The photosensor cell shown in FIG. 18 is a photosensor cell capable of simultaneously performing a read operation and a line refresh by the same horizontal scan pulse. 18 is different from the configuration already shown in FIG. 4 in that in FIG. 4, M connected to the horizontal line wiring 10 is used.
The MOS capacitor electrode 1 having only one OS capacitor electrode 9 is also provided on the side of vertically adjacent photosensor cells.
20 is connected and is of a double capacitor type when viewed from one photosensor cell, and the emitters 7 and 7 ′ of the photosensor cells that are vertically adjacent to each other in the figure are the wiring 8 and the wiring 121 which are two-layer wiring. , (In FIG. 18, one vertical line is seen, but two lines are arranged through an insulating layer), that is, the emitter 7 is connected to the wiring 8 through the contact hole 19 and the emitter 7 ′. Are connected to the wiring 121 through the contact holes 19 ', respectively.

【0177】これは図19の等価回路をみるとより明ら
かとなる。すなわち、光センサセル152のベースに接
続されたMOSキャパシタ150は水平ライン31に接
続され、MOSキャパシタ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キャパシタ
150´は共通する水平ライン31´に接続されてい
る。
This becomes more apparent when the equivalent circuit of FIG. 19 is viewed. That is, the MOS capacitor 150 connected to the base of the photosensor cell 152 is connected to the horizontal line 31, and the MOS capacitor 151 is connected to the horizontal line 31 '. Further, the MOS capacitor 150 'of the photosensor cell 152' adjacent to the bottom of the photosensor cell 152 in the drawing is connected to the common horizontal line 31 '.

【0178】光センサセル152のエミッタは垂直ライ
ン38に、光センサセル152´のエミッタは垂直ライ
ン138に、光センサセル152″のエミッタは垂直ラ
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 photosensor cell 152 is connected to the vertical line 38, the emitter of the photosensor cell 152 'is connected to the vertical line 138, the emitter of the photosensor cell 152 "is connected to the vertical line 38, and so on.

【0179】図19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、図15の撮像装置と異なるの
は、垂直ライン38をリフレッシュするためのスイッチ
ングMOSトランジスタ48のほかに垂直ライン138
をリフレッシュするためのスイッチングMOSトランジ
スタ148、および垂直ライン38を選択するスイッチ
ングMOSトランジスタ40のほか垂直ライン138を
選択するためのスイッチング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、各ラインをリフレッシュするため
のスイッチングMOSトランジスタ48、および148
が接続されている様な構成とし、さらに水平スキャン用
のスイッチングMOSトランジスタを用いる図20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。図20では図19の垂直ライン選択および出力
アンプ系の部分だけを示している。
In the equivalent circuit of FIG. 19, except for the basic photosensor cell section described above, the difference from the image pickup device of FIG. 15 is that in addition to the switching MOS transistor 48 for refreshing the vertical line 38, the vertical line 138.
, And a switching MOS transistor 40 for selecting the vertical line 138 and a switching MOS transistor 140 for selecting the vertical line 138.
Has been added, and one output amplifier system has been added.
This output system has a switching MOS transistor 48 and 148 for refreshing each line.
It is also possible to adopt a configuration in which the output amplifiers are connected to each other, and use only a switching MOS transistor for horizontal scanning as shown in FIG. FIG. 20 shows only the vertical line selection and output amplifier system of FIG.

【0180】この図18の光センサセルおよび図19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キャパシ
タ151を通して、読出しの終了した光センサセル15
2をリフレッシュする。このとき、スイッチングMOS
トランジスタ48は導通状態にされ、垂直ライン38は
接地されている。
According to the photosensor cell of FIG. 18 and the embodiment shown in FIG. 19, the following operation is possible. That is, when the reading operation of each photosensor cell connected to the horizontal line 31 is completed and the horizontal blanking period in the television operation is completed, the output pulse from the vertical shift register 32 is output to the horizontal line 31 '. Through 151, the optical sensor cell 15 whose reading has been completed
Refresh 2. At this time, switching MOS
Transistor 48 is conductive and vertical line 38 is grounded.

【0181】また、水平ライン31´に接続されたMO
Sキャパシタ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
ことながらスイッチングMOSトランジスタ148は非
導通状態になされ、垂直ライン138は浮遊状態となっ
ているわけである。この様に一つの垂直スキャンパルス
により、すでに読出しを終了した光センサセルのリフレ
ッシュと、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ッシュ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ってくるが、これは図18
に示すごとく、MOSキャパシタ電極9およびMOSキ
ャパシタ電極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 MO connected to the horizontal line 31 '
The output of the photosensor cell 152 'is read out on the vertical line 138 through the S capacitor 150'. At this time, as a matter of course, the switching MOS transistor 148 is turned off 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 photosensor cells that have already been read and read the photosensor cells of the next line with the same pulse. At this time, as already described, the voltage for refreshing and the voltage for reading are different because a bias voltage is applied during reading because of the necessity of high-speed reading.
As shown in FIG. 5, it is achieved by changing the areas of the MOS capacitor electrode 9 and the MOS capacitor electrode 120 so that different voltages are applied to the bases of the respective photosensor cells even if the same voltage is applied to each electrode. ing.

【0182】すなわち、リフレッシュ用MOSキャパシ
タの面積は、読出し用MOSキャパシタの面積にくらべ
て小さくなっている。この例のように、センサセル全部
を一括リフレッシュするのではなく、一ラインずつリフ
レッシュしていく場合には、図4(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っている場合
には、全光センサセルのコレクタが共通領域となってい
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った状態になっている。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
わった状態でも浮遊ベースのリフレッシュは、エミッタ
の間で行なえる。ただし、この場合には、ベース領域の
リフレッシュが行なわれると同時に、リフレッシュパル
スが印加されたセルのエミッ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、図4の構造
に関連させて説明すれば、基板はp型にして、p型基板
中にコレクタ各水平ラインごとに互いに分離されたn+
埋込領域を設けた構造にする。隣り合う水平ラインのn
+ 埋込領域の分離は、p領域を間に介在させる構造でも
よい。水平ラインに沿って埋込まれるコレクタのキャパ
シタを減少させるには、絶縁物分離の方が優れている。
図4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 that of the read MOS capacitor. As shown in FIG. 4B, when the sensor cells are not refreshed all at once but refreshed line by line as in this example, the collector is made of an n type or an n substrate. However, it may be desirable to have separate collectors for each horizontal line. When the collector is the substrate, the collectors of all the photosensor cells are in the common region, so that a constant bias voltage is applied to the collector in the accumulation and light reception read states. Of course, as described above, the floating base can be refreshed between the emitters even when the bias voltage is applied to the collector. However, in this case, at the same time as the refreshing of the base region is performed, a wasteful current flows between the emitter and collector of the cell to which the refresh pulse is applied, resulting in a large power consumption. In order to overcome these drawbacks, the collectors of all the sensor cells are not common to each other, and the collectors of the sensor cells arranged in each horizontal line are common, but the collectors of each horizontal line are separated from each other. That is, in connection with the structure of FIG. 4, the substrate is of p-type, and n + collectors separated from each other by horizontal lines in the p-type substrate.
The structure has an embedded region. N of adjacent horizontal lines
The + buried region may be separated by a structure having a p region interposed therebetween. Insulator isolation is better for reducing the collector capacitor buried along the horizontal line.
In FIG. 4, since the collector is composed of the substrate, the isolation regions surrounding the sensor cell are all provided to almost the same depth. On the other hand, in order to separate the collectors for each horizontal line from each other, the separation region in the horizontal line direction is set to be deeper than the separation region in the vertical line direction by a necessary value.

【0183】各水平ラインごとにコレクタが分離されて
いれば、読出しが終って、リフレッシュ動作が始まる時
に、その水平ラインのコレクタの電圧を接地すれば、前
述したようなエミッ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。リフレッシュが終って光信号
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 collector voltage of the horizontal line is grounded when the read operation is finished and the refresh operation is started, the above-described emitter-collector current does not flow. , Does not increase power consumption. When the refresh operation ends and the charge accumulation operation by the optical signal is started, a predetermined bias voltage is applied to the collector region again.

【0184】また図19の等価回路によれば、各水平ラ
インごとに出力は出力端子47および147に交互に出
力されることになる。これは、すでに説明したごとく、
図20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 of FIG. 19, the output is alternately output to the output terminals 47 and 147 for each horizontal line. This is, as I already explained,
With the configuration shown in FIG. 20, it is possible to take out the output from one amplifier.

【0185】以上説明した様に本発明に係る光電変換装
によれば、比較的簡単な構成で、ラインリフレッシュ
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 described above, the photoelectric conversion device according to the present invention
According to location, a relatively simple configuration, the line refreshing is possible, can be applied to applications such as ordinary television camera.

【0186】本発明の他の構成例としては、光センサセ
ルに複数のエミッタを設けた構成あるいは、一つのエミ
ッ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 configuration example of the present invention, a type in which a plurality of outputs are taken out from one photosensor cell by a configuration in which a plurality of emitters are provided in a photosensor cell or a configuration in which a plurality of contacts are provided in one emitter Conceivable.

【0187】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、まっ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。
Since each photosensor cell of the photoelectric conversion device according to the present invention has an amplification function, even if a plurality of wiring capacitors are connected to each photosensor cell in order to obtain a plurality of outputs from one photosensor cell, This is because the accumulated voltage Vp generated inside the photo sensor cell can be read out to each output without any attenuation.

【0188】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。
As described above, with the configuration in which a plurality of outputs can be taken out from each optical sensor cell, many advantages are obtained for a signal processing or noise countermeasure for a photoelectric conversion device in which a large number of optical sensor cells are arranged. It is possible to add.

【0189】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。図21,図22に、選択エピタキシ
ャル成長(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 of manufacturing the photoelectric conversion device according to the present invention will be described. 21 and 22 show selective epitaxial growth (N. Endo et al, “New device isolation
technology with selected epitaxial growth "Tech.
Dig. Of 1982 IEDM, pp. 241-244), an example of the manufacturing method is shown.

【0190】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 provided by diffusion of As or P on the back surface side of the n-type Si substrate 1 having an impurity concentration of about 1 to 10 × 10 16 cm -3 . Although not shown, an oxide film and a nitride film are usually provided on the back surface in order to prevent autodoping from the n + region.

【0191】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、キャリアライン
タイムがウェハで十分に長くかつ均一な結晶ウェハを用
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
をウエット酸化により形成する。すなわち、H2 O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。
As the substrate 1, a substrate whose impurity concentration and oxygen concentration are uniformly controlled is used. That is, a crystal wafer having a carrier line time that is sufficiently long and uniform is used. As such a material, for example, a crystal by the MCZ method is suitable. An oxide film of about 1 μm is formed on the surface of the substrate 1 by wet oxidation. That is, it is oxidized in a H 2 O atmosphere or a (H 2 + O 2 ) atmosphere. To obtain a good oxide film without causing stacking faults, 900 ° C
High pressure oxidation at moderate temperatures is suitable.

【0192】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 +O
2 )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。フォトリソグラ
フィ工程により、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 ),C2
4 ,CH22 等のガスを用いたリアクテイブイオン
エッチングで除去する(図21の工程(a))、例えば、
10×10μm2 に1画素を設ける場合には、10μm
ピッチのメッシュ状にSiO2 膜を残す。SiO2 膜の
幅はたとえば2μm程度に選ばれる。リアクティブイオ
ンエッチングによる表面のダメージ層及び汚染層を、A
r/Cl2 ガス系プラズマエッチングかウエットエッチ
ングによって除去した後、超高真空中における蒸着かも
しくは、ロードロック形式で十分に雰囲気が清浄になさ
れたスパッタ、あるいは、SiH4 ガスにCO2 レーザ
光線を照射する減圧光CVDで、アモルファスシリコン
301を堆積する(図21の工程(b))、CBrF
3 、CCl22 、Cl2 等のガスを用いたリアクティ
ブイオンエッチングによる異方性エッチによりSiO2
層側面に堆積している以外のアモルファスシリコンを除
去する(図21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10Tor
rの減圧状態で成長は行ない、基板温度は900〜10
00℃、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、Si
2 層上のシリコンはHClによってエッチングされて
しまうため、SiO2 層上にはシリコンは堆積しない
(図21の(d))。n- 層5の厚さは例えば3〜5μ
m程度である。不純物濃度は好ましくは1012〜1016
cm-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。
A SiO 2 film having a thickness of, for example, about 2 to 4 μm is deposited thereon by CVD. (N 2 + SiH 4 + O
2 ) Deposit a SiO 2 film of desired thickness at a temperature of about 300 to 500 ° C. in a gas system. The O 2 / SiH 4 molar ratio is set to about 4 to 40 depending on the temperature. By the photolithography process, the oxide film in the part which becomes the isolation region between the cells is left and the oxide films in the other regions are (CF 4 + H 2 ), C 2
Removal by reactive ion etching using a gas such as F 4 , CH 2 F 2 (step (a) in FIG. 21), for example,
10 μm when one pixel is provided for 10 × 10 μm 2.
The SiO 2 film is left in the form of pitch mesh. The width of the SiO 2 film is selected to be, for example, about 2 μm. The damage layer and the contamination layer on the surface due to the reactive ion etching are
After removing by r / Cl 2 gas-based plasma etching or wet etching, vapor deposition in ultra-high vacuum, or sputtering in which the atmosphere is sufficiently cleaned by a load lock method, or a CO 2 laser beam is applied to SiH 4 gas. Amorphous silicon 301 is deposited by irradiation with low pressure photo CVD (step (b) in FIG. 21), CBrF
3, CCl 2 F 2, Cl SiO 2 by anisotropic etching using reactive ion etching using a 2 or the like of the gas
Amorphous silicon other than those deposited on the side surface of the layer is removed (step (c) in FIG. 21). As before, the damage layer and the contaminated layer are sufficiently removed, and then the surface of the silicon substrate is sufficiently cleaned. Selective growth of a silicon layer is carried out by a (H 2 + SiH 2 , Cl 2 + HCl) gas system. Number 10 Tor
The growth is performed under a reduced pressure of r, and the substrate temperature is 900 to 10
The molar ratio of 00 ° C. and HCl is set to a value higher than a certain level. If the amount of HCl is too small, selective growth does not occur.
Although a silicon crystal layer grows on the silicon substrate,
Since silicon on the O 2 layer is etched by HCl, silicon is not deposited on the SiO 2 layer ((d) of FIG. 21). The thickness of the n layer 5 is, for example, 3 to 5 μm.
It is about m. The impurity concentration is preferably 10 12 to 10 16
Set it to about cm -3 . Of course, this range may be deviated, but the impurity concentration and the impurity concentration such that at least the n region is completely depleted in the state of being completely depleted at the diffusion potential of the pn junction or when the operating voltage is applied to the collector. It is desirable to select the thickness.

【0193】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って、到底高品質のエ
ピタキシャル成長は望めない。水分の多いHClは、ボ
ンベに入っ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って、重金属汚染
の多いエピタキシャル層になり易い。光センサセルに使
用するエピタキシャル層は、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。SiH2 Cl2 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。エピタキシャ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ィフェクトを多
数発生させ、デヌーデットゾーンを有するイントリシッ
クゲッ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ャ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ェハ直接加熱法が成長雰
囲気をもっともクリーンにできて、高品質エピタキシャ
ル層を低温で成長させられる。
Since HCl gas that can be usually obtained contains a large amount of water, an oxide film is always formed on the surface of a silicon substrate, and high-quality epitaxial growth cannot be expected. HCl containing a large amount of water reacts with the material of the cylinder in a state where it is contained in the cylinder, and contains a large amount of heavy metals centering on iron, which easily forms an epitaxial layer with a large amount of heavy metal contamination. Since it is more desirable for the epitaxial layer used for the optical sensor cell to have a smaller dark current component, it is necessary to suppress contamination by heavy metals to the utmost limit. It is needless to say that ultra-high-purity materials are used for SiH 2 Cl 2 , but HCl has particularly low water content, preferably at least 0.5 ppm water content.
Use the following: Of course, the lower the water content, the better. In order to further improve the quality of the epitaxial growth layer, the substrate is first subjected to a high temperature treatment of about 1150 to 1250 ° C. to remove oxygen from the vicinity of the surface, and then subjected to a long-term heat treatment of about 800 ° C. to generate many microdefects inside the substrate. It is also extremely effective to use a substrate having a denuded zone and capable of intrithic gettering. Since the epitaxial growth is performed in the state where the SiO 2 layer 4 as the isolation region exists,
A lower growth temperature is desirable to reduce the uptake of oxygen from SiO 2 . In the high-frequency heating method that is often used, it is difficult to further lower the temperature because there is much contamination from the carbon susceptor. The wafer direct heating method by lamp heating without bringing in a carbon susceptor into the reaction chamber can make the growth atmosphere the cleanest and can grow a high-quality epitaxial layer at a low temperature.

【0194】反応室におけるウェハ支持具は、より蒸気
圧の低い超高純度溶融サファイアが適している。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
る状態でもウェ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
ウェハ直接加熱法は、高品質エピタキシャル層を得るの
に適している。成長時にウェハ表面への紫外線照射は、
エピタキシャル層の品質をさらに向上させる。
Ultrahigh-purity molten sapphire having a lower vapor pressure is suitable for the wafer support in the reaction chamber. The raw material gas can be preheated easily, and even if a large flow of gas is flowing, it is easy to make the wafer in-plane temperature uniform, that is, the wafer direct heating method by lamp heating that generates almost no thermal stress produces high-quality epitaxial layers. Suitable to get. UV irradiation on the wafer surface during growth
Further improve the quality of the epitaxial layer.

【0195】分離領域4となるSiO2 層の側壁にはア
モルファスシリコンが堆積している(図21の工程
(c))。アモルファ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
キシャル成長により形成した後(図21の工程
(d))、表面濃度1〜20×1016cm-3程度のP領
域6を、ドープトオキサイドからの拡散か、あるいは低
ドーズのイオン注入層をソースとした拡散により所定の
深さまで形成する。p領域6の深さはたとえば0.6〜
1μm程度である。
Amorphous silicon is deposited on the side wall of the SiO 2 layer to be the isolation region 4 (step (c) in FIG. 21). Since amorphous silicon is likely to be single-crystallized by solid phase growth, the crystal near the interface with the SiO 2 separation region 4 becomes very excellent. After forming the high resistance n layer 5 by selective epitaxial growth (step (d) in FIG. 21), the P region 6 having a surface concentration of about 1 to 20 × 10 16 cm −3 is diffused from the doped oxide, or A low-dose ion implantation layer is used as a source to form a predetermined depth by diffusion. The depth of the p region 6 is, for example, 0.6 to
It is about 1 μm.

【0196】p領域6の厚さと不純物濃度は以下のよう
な考えで決定する。感度を上げようとすれば、p領域6
の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが望まし
い。Cbeは略々次のように与えられる。
The thickness of the p region 6 and the impurity concentration are determined based on the following ideas. To increase the sensitivity, p region 6
It is desirable to reduce the impurity concentration of and reduce Cbe. Cbe is approximately given as follows.

【0197】[0197]

【数33】 ただし、Vbiはエミッタ・ベース間拡散電位であり、[Expression 33] However, Vbi is the diffusion potential between the emitter and the base,

【0198】[0198]

【数34】 で与えられる。ここで、εはシリコン結晶の誘電率、N
D はエミッタの不純物濃度、NA はベースのエミッタに
隣接する部分の不純物密度、ni は眞性キヤリア濃度で
ある。NA を小さくするほどCbeは小さくなって、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
態になってしまうため、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。
[Equation 34] Given in. Where ε is the dielectric constant of the silicon crystal, N
D is the impurity concentration of the emitter, N A is the impurity concentration of the portion adjacent to the emitter of the base, and n i is the true carrier concentration. Cbe becomes smaller as N A becomes smaller and the sensitivity increases, but if N A is made too small, the base region will be completely depleted in the operating state and become a punching through state, so it cannot be made too low. Absent. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and a punching through state does not occur.

【0199】その後、シリコン基板表面に(H2 +O
2 )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(Si34)302を500〜15
00Å程度の厚さで形成する。形成温度は700〜90
0℃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Si
2 膜との選択エッ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300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(図21の
工程(e))。2度のマスク合わせ工程を含むフォトリ
ソグラフィー工程により、n+ 領域7上と、リフレッシ
ュ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
リコン膜を使ってもよい。たとえば、2回のフォトリソ
グラフィー工程により、エミッタ上は、PSG膜,Si
34 膜、SiO2 膜をすべて除去し、リフレッシュお
よび読出しパルス印加電極を設ける部分には下地のSi
2 膜を残して、PSG膜とSi34 膜のみエッチン
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 +A
sH3 )ガスでCVD法により堆積する。堆積温度は5
50℃〜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。
エミッタとリフレッシュ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ォト
リソグラフィー工程の後エッチングで除去する。さら
に、PSG膜をエッチングすると、リフトオフによりP
SG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(図21の工程(f))。ポリシリ
コン膜のエッチングはC2 Cl24 、(CBrF3
Cl2 )等のガス系でエッチングし、Si34 膜はC
22 等のガスでエッチングする。
Then, (H 2 + O
2 ) From several 10Å to several 100Å due to gas-based steam oxidation
A thermal oxide film 3 having a thickness of about 800 is formed at a temperature of about 800 to 900.degree. Then, a nitride film (Si 3 N 4 ) 302 of 500 to 15 is formed by CVD of (SiH 4 + NH 3 ) based gas.
It is formed with a thickness of about 00Å. Formation temperature is 700-90
It is about 0 ° C. NH 3 gas and the normally available products along with HCl gas also contain a large amount of water. If NH 3 gas with a large amount of water is used as a raw material, a nitride film with a high oxygen concentration will be formed, resulting in poor reproducibility.
The selective etching with the O 2 film causes a result that a selective ratio cannot be obtained. The NH 3 gas also has a water content of at least 0.
It should be 5 ppm or less. It goes without saying that the smaller the water content, the more desirable. A PSG film 300 is further deposited on the nitride film 302 by CVD. The gas system is, for example, (N 2 + SiH 4 + O 2 + PH 3 ),
A PSG film having a thickness of about 2000 to 3000 Å is deposited by CVD at a temperature of about 300 to 450 ° C. (step (e) in FIG. 21). An As-doped polysilicon film 304 is deposited on the n + region 7 and the refresh and read pulse application electrodes by a photolithography process including two mask alignment processes. In this case, a p-doped polysilicon film may be used. For example, a PSG film and Si are formed on the emitter by two photolithography processes.
The 3N 4 film and the SiO 2 film are all removed, and the underlying Si
Only the PSG film and the Si 3 N 4 film are etched, leaving the O 2 film. Then, the As-doped polysilicon is replaced with (N 2
+ SiH 4 + AsH 3 ) or (H 2 + SiH 4 + A
sH 3 ) gas is deposited by the CVD method. Deposition temperature is 5
The film thickness is about 50 ° C to 700 ° C and the film thickness is 1000 to 2000Å. Of course, non-doped polysilicon may be deposited by the CVD method and then As or P may be diffused.
The polysilicon film except for the emitter and the refresh and read pulse application electrodes is masked, and is removed by etching after the photolithography process. Further, when the PSG film is etched, P is caused by lift-off.
The polysilicon deposited on the SG film is removed in a self-aligned manner (step (f) in FIG. 21). The etching of the polysilicon film is performed using C 2 Cl 2 F 4 , (CBrF 3 +
Cl 2 ), etc. is used for etching, and the Si 3 N 4 film is C
Etching is performed with a gas such as H 2 F 2 .

【0200】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
とエッチング工程とにより、リフレッシュパルス及び読
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ッタによっ
て堆積するか、あるいは(CH33 AlやAlCl3
を原材料ガスとするプラズマCVD法、あるいはまた上
記原材料ガスのAl−CボンドやAl−Clボンドを直
接光照射により切断する光照射CVD法によりAlを堆
積する。(CH33 Al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ったくない
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。図4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SiO2 膜、あるいは耐水性等を考慮し
する必要がある場合には、(SiH4 +NH3 )ガス系
のプラズマCVD法によって形成したSi34 膜であ
る。Si34 膜中の水素の含有量を低く抑えるために
は、(SiH4 +N2 )ガス系でのプラズマCVD法を
使用する。
Next, after depositing the PSG film 305 by the gas-based CVD method as described above, contact holes are formed on the polysilicon film for the refresh pulse and read pulse electrodes by a mask aligning process and an etching process. Open. In such a state, Al, Al-Si, Al-
Metals such as Cu-Si or deposited by vacuum deposition or sputtering, or (CH 3) 3 Al or AlCl 3
Al is deposited by a plasma CVD method using as a raw material gas or a light irradiation CVD method of cutting the Al—C bond or Al—Cl bond of the above raw material gas by direct light irradiation. When performing the above-described CVD method using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as a raw material gas, hydrogen is allowed to flow in a large excess. For depositing Al in a thin and steep contact hole, the CVD method in which the substrate temperature is raised to 300 to 400 ° C. in a clean atmosphere containing no moisture or oxygen is excellent. After the patterning of the metal wiring 10 shown in FIG. 4 is completed, the interlayer insulating film 306 is deposited by the CVD method. 306 is the above-mentioned PSG film, the CVD method SiO 2 film, or the Si 3 N 4 film formed by the (SiH 4 + NH 3 ) gas-based plasma CVD method when it is necessary to consider the water resistance. Is. In order to keep the hydrogen content in the Si 3 N 4 film low, a plasma CVD method using a (SiH 4 + N 2 ) gas system is used.

【0201】プラズマCVD法によるダメージを現象さ
せ形成されたSi34 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Si3
4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、(S
iH4 +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 breakdown voltage of the Si 3 N 4 film formed by causing the phenomenon of damage by the plasma CVD method and reduce the leak current, Si 3 by the photo CVD method is used.
N 4 film is excellent. There are two types of photo CVD methods. A method of irradiating 2537Å ultraviolet rays of a mercury lamp from the outside with a (SiH 4 + NH 3 + Hg) gas system, and (S
This is a method of irradiating the iH 4 + NH) 3 gas system with 1849 Å ultraviolet rays from a mercury lamp. In both cases, the substrate temperature is 150-
It is about 350 ° C.

【0202】マスク合わせ工程及びエッチング工程によ
り、エミッタ7上のポリシリコンに、絶縁膜305,3
06を貫通したコンタクトホールをリアクティブイオン
エッチで開けた後、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。図15における金属
配線8のパターニングを終えた後、最終パッシベーショ
ン膜としてのSi34 膜あるいはPSG膜2をCVD
法により堆積する(図22)。
Insulating films 305 and 3 are formed on the polysilicon on the emitter 7 by a mask aligning process and an etching process.
After the contact hole penetrating 06 is opened by reactive ion etching, Al, Al-Si,
A metal such as Al-Cu-Si is deposited. In this case,
Since the aspect ratio of the contact hole is large, CVD
The deposition by the method is superior. After patterning the metal wiring 8 in FIG. 15 , a Si 3 N 4 film or a PSG film 2 as a final passivation film is formed by CVD.
It is deposited by the method (FIG. 22).

【0203】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。
Also in this case, the film formed by the photo CVD method is excellent. Reference numeral 12 is a metal electrode on the back surface made of Al, Al-Si, or the like.

【0204】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、図21,図22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 has various steps, and FIGS. 21 and 22 are merely examples.

【0205】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。図21,図22では、そのた
めに、あらかじめ分離領域4の側壁にアモルファスSi
を堆積しておいてエピタキシャル成長を行なう方法を説
明した。この場合には、エピタキシャル成長中に基板S
iからの固相成長でアモルファスSiは単結晶化される
わけである。エピタキシャル成長は、850℃〜100
0℃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ァスSiが単結晶
化される前に、アモルファス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ァスSi
中に微結晶が成長し始める速度より相対的にずっと大き
くなるから、選択エピタキシャル成長を行なう前に、5
50℃〜700℃程度の低温処理で、アモルファス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とアモルファス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。
An important point of the photoelectric conversion device of the present invention is how to reduce the leak current between the p region 6 and the n region 5 and between the p region 6 and the n + region 7. n - region 5
Of course, to reduce the dark current by improving the quality of the isolation region 4 and the n region 5 made of an oxide film or the like.
The interface is the problem. 21 and 22, for this purpose, amorphous Si is previously formed on the side wall of the isolation region 4.
A method of depositing and performing epitaxial growth has been described. In this case, the substrate S during epitaxial growth
Amorphous Si is single-crystallized by solid phase growth from i. Epitaxial growth is 850 ° C to 100
It is carried out at a relatively high temperature of about 0 ° C. Therefore, fine crystals often start to grow in the amorphous Si before the amorphous Si is single-crystallized by solid phase growth from the substrate Si, which causes deterioration of crystallinity.
The lower the temperature, the faster the solid-phase growth rate is in amorphous Si.
Before the selective epitaxial growth, 5
Amorphous Si is obtained by low-temperature treatment of about 50 ° C to 700 ° C.
If a single crystal is used, the interface characteristics are improved. At this time, if there is a layer such as an oxide film between the substrate Si and the amorphous Si, the start of solid phase growth is delayed, and therefore an ultra-high cleaning process that does not include such a layer at the boundary between the two is required.

【0206】アモルファスSiの固相成長には上述した
ファーナス成長の他に、基板をある程度の温度に保って
おいて、フッシュ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秒程度のラピッドアニール
技術も有効である。こうした技術を使うときには、Si
2 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。
For solid phase growth of amorphous Si, in addition to the above-described furnace growth, a rapid annealing technique of heating the substrate at a certain temperature and heating it with a fish lamp or an infrared lamp for, for example, several seconds to several tens seconds is also available. It is valid. When using these technologies, Si
The Si deposited on the side wall of the O 2 layer may be polycrystalline. However, it is necessary to deposit it by a very clean process to make polycrystalline Si that does not contain oxygen, carbon, etc. at the crystal grain boundaries of the polycrystalline body.

【0207】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 the side surface of SiO 2 is monocrystallized, the Si is selectively grown.

【0208】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 領域4に接触す
るn- 領域5の0.3〜1μm程度の厚さの領域だけ、
たとえば1〜10×1016cm-3程度にn形の不純物濃
度を高くするのである。この構成は比較的容易に形成で
きる。基板1上に略々1μm程度熱酸化膜を形成した
後、その上にCVD法で堆積する。SiO2 膜をまず所
要の厚さだけ、所定の量のPを含んだSiO2 膜にして
おく。さらにその上にSiO2 をCVD法で堆積すると
いうことで分離領域4を作っておく。その後の高温プロ
セスで分離領域4中にサンドイッ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、界面がもっ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 the leak current at the interface between the SiO 2 isolation region 4 and the high resistance n region 5 is inevitable, the high resistance n −
- only the portion adjacent to the SiO 2 isolation region 4 in the region 5, n
If the impurity concentration of the shape is increased, the problem of the leak current can be avoided. For example, only the n region 5 in contact with the isolation SiO 2 region 4 and having a thickness of about 0.3 to 1 μm,
For example, the n-type impurity concentration is increased to about 1 to 10 × 10 16 cm −3 . This structure can be formed relatively easily. After forming a thermal oxide film of about 1 μm on the substrate 1, it is deposited by the CVD method. Only first required thickness of the SiO 2 film, keep the SiO 2 film containing P of a predetermined amount. Further, SiO 2 is deposited thereon by the CVD method to form the isolation region 4. In the subsequent high-temperature process, phosphorus is diffused from the SiO 2 film containing phosphorus existing in the isolation region 4 in a sandwich shape into the high resistance n region 5, and the interface has the highest impurity concentration. make.

【0209】すなわち、図23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C
VD法SiO2 膜、301はCVD法SiO2 膜であ
る。分離領域4に隣接して、n-領域5中との間に、n
領域307が、燐を含んだSiO2 膜309からの拡散
で形成される。307はセル周辺全部に形成されてい
る。この構造にすると、ベース・コレクタ間容量Cbc
は大きくなるが、ベース・コレクタ間リーク電流は激減
する。
That is, the structure as shown in FIG. 23 is formed. The isolation region 4 has a three-layer structure, 308 is a thermal oxide film SiO 2 , and 309 is C containing phosphorus.
The VD method SiO 2 film and 301 are CVD method SiO 2 films. N adjacent to the isolation region 4 and between the n region 5 and n
The region 307 is formed by diffusion from the SiO 2 film 309 containing phosphorus. 307 is formed all around the cell. With this structure, the base-collector capacitance Cbc
Is large, but the base-collector leakage current is drastically reduced.

【0210】図21,図22では、あらかじめ分離用絶
縁領域4を作っておいて、選択エピタキシャル成長を行
なう例について説明したが、基板上に必要な高抵抗n-
層のエピキタシャ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ィブイオンエッチングによりメ
ッシュ状に切り込んで分離領域を形成する、Uグループ
分離技術( A.Hayasaka et al,“U−groove isolation
technique for highspeed bipolar VLSI ′S ″,Tech.
Dig. ofIEDM. P.62, 1982, 参照)を使って行なうこと
も出来る。
In FIG. 21 and FIG. 22, an example in which the isolation insulating region 4 is formed in advance and selective epitaxial growth is performed has been described, but a high resistance n required on the substrate is described.
U-group isolation technology (A.Hayasaka et al, “U-groove isolation, in which a layer to be an isolation region is cut in a mesh shape by reactive ion etching after the layer is epitaxially grown to form the isolation region.
technique for highspeed bipolar VLSI'S ″, Tech.
Dig. Of IEDM. P.62, 1982, see also).

【0211】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
の領域が半導体ウェ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
によって、光情報を光電変換する装置である。高不純物
濃度領域よりなるエミッタ領域が、ベース領域の一部に
設けられており、このエミッタは水平スキャンパルスに
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。ウェハ
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、目的によっ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ッシュ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、ダブルキャパシタ構造で説明したよう
に、リフレッシュ用MOSキャパシタ電極の容量Cox
にくらべて読出し用MOSキャパシタ電極の容量Cox
大きくしておいてもよい。リフレッシュパルス印加によ
り、逆バイアス状態になされた浮遊ベース領域に光励起
されたキャ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・エミッタ間が順方
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、前記の構成
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。たとえば、前記の構成例で説明した構造と導電型が
まっ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。導電型がまったく反転した構造では、領域はn型
になる。すなわち、ベースを構成する不純物はAsやP
になる。AsやPを含む領域の表面を酸化すると、As
やPはSi/SiO2 界面のSi側にパイルアップす
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。
The photoelectric conversion device according to the present invention is a bipolar transistor in which a base region, most of which is adjacent to the surface of a semiconductor wafer, is in a floating state in a region surrounded by an isolation region made of an insulator. This is a device for photoelectrically converting optical information by controlling the potential of a base region which has been formed and brought into a floating state by an electrode provided in a part of the base region through a thin insulating layer. An emitter region composed 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 above-mentioned electrodes provided on a part of the floating base region via a thin insulating layer are connected to the horizontal line. The collector provided inside the wafer may be composed of a substrate, or may be composed of a high-concentration impurity-embedded region separated for each horizontal line on a high resistance substrate of opposite conductivity type depending on the purpose. . The applied pulse voltage at the time of reading a signal is substantially higher than the pulse voltage at the time of refreshing the floating base region in the electrode provided via the insulating layer. In practice, a pulse train that waits for two kinds of voltage may be used, or, as described in the double capacitor structure, the capacitance C ox of the refresh MOS capacitor electrode.
The capacitance C ox of the read MOS capacitor electrode may be made larger than that. By applying a refresh pulse, the photo-excited carriers are accumulated in the floating base region in the reverse bias state to store a signal based on the optical signal, and at the time of reading the signal, the base and emitter are deeply biased in the forward direction. As described above, the read pulse voltage is applied so that the signal can be read at a high speed. It is needless to say that the photoelectric conversion device of the present invention may be realized by any structure as long as it has such characteristics, and is not limited to the structure described in the above configuration example. For example, the same applies to the structure described in the above configuration example and the structure in which the conductivity type is completely inverted. However, at this time, it is necessary to completely reverse the polarity of the applied voltage. In a structure in which the conductivity type is completely inverted, the region becomes n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P.
become. When the surface of the area containing As and P is oxidized, As
And P pile up on the Si side of the Si / SiO 2 interface. That is, a strong drift electric field from the surface to the inside is generated inside the base, the photoexcited holes immediately escape from the base to the collector side, and electrons are efficiently accumulated in the base.

【0212】ベースがp型の場合には、通常使われる不
純物はボロンである。ボロンを含むp領域表面を熱酸化
すると、ボロンは酸化膜中に取り込まれるため、Si/
SiO2 界面近傍のSi中におけるボロン濃度はやや内
部のボロン濃度より低くなる。この深さは、酸化膜厚に
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、表面に沿った一部にn+
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 界面に集まったエレクトロンは、
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 界面近傍で減少し
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 界面に存在すると、蓄積されたホ
ールをSi/SiO2 界面から引き離して内部に存在さ
せるようにするために、ホールが界面で消滅する効果が
無くなり、p層のベースにおけるホール蓄積効果が良好
となり、きわめて望ましい。
When the base is p-type, boron is a commonly used impurity. When the surface of the p region containing boron is thermally oxidized, boron is incorporated into the oxide film, so that Si /
The boron concentration in Si near the SiO 2 interface is slightly lower than the boron concentration inside. This depth is usually several 100 Å, although it depends on the oxide film thickness. Near this interface,
An anti-drift field for the electrons occurs, and the electrons photoexcited in this region tend to collect at the surface. Under this condition, the region in which the reverse drift electric field is generated becomes a dead region, but since the n + region exists in a part along the surface in the photoelectric conversion device of the present invention, p
The electrons collected at the Si / SiO 2 interface of the region are
It flows into this n + region before it is recombined. Therefore, even if there is a region where, for example, boron is reduced in the vicinity of the Si / SiO 2 interface and an inverse drift electric field is generated, it hardly becomes a dead region. Rather, When such regions are present at the Si / SiO 2 interface, in order to be present within the accumulated holes pulled away from the Si / SiO 2 interface, there is no effect of hole disappears at the interface of the p-layer The hole accumulation effect in the base is good, which is extremely desirable.

【0213】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
ァクシミリ、ワークステイション、デジタル複写機、ワ
ープロ等の画像入力装置、OCR、バーコード読取り装
置、カメラ、ビデオカメラ、8ミリカメラ等のオートフ
ォ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 image pickup device described above, the photoelectric conversion device according to the present invention includes, for example, an image input device, a facsimile, a workstation, a digital copying machine, an image input device such as a word processor, an OCR, a bar code reader. The present invention can also be applied to a photoelectric conversion subject detection device for autofocus such as a device, a camera, a video camera, and an 8 mm camera.

【0214】以上説明してきたように本発明に係る光電
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ャ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。
[0214] The photoelectric conversion device according to the present invention as has been described above is intended for accumulating carriers excited by light in the base region which is a control electrode region was made into a floating state. That is, the Base Store Image
It is a device that should be called a Sensor, and BASIS
Is abbreviated.

【0215】本発明に係る光電変換装置は、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、そのダイナミックレンジ
は広く取れ、内部増幅機能を有するため配線容量によら
ず大きな信号電圧を発生するため低録音でかつ周辺回路
が容易になるという特徴を有している。例えば将来の高
品質固体撮像装置として、その工業的価値はきわめて高
い。
Since the photoelectric conversion device according to the present invention can form one pixel with one transistor, it is very easy to increase the density, and at the same time, its structure has less blooming and smear and high sensitivity. It has a wide range, and since it has an internal amplifying function, it generates a large signal voltage regardless of the wiring capacitance, so that it has a feature of low recording and easy peripheral circuits. For example, as a high-quality solid-state imaging device of the future, its industrial value is extremely high.

【0216】[0216]

【発明の効果】本発明によれば、低周波数であっても実
質的に高周波での処理と同じ速度で信号処理を行うこと
ができる。
According to the present invention, even at low frequencies, the
Qualitatively perform signal processing at the same speed as high-frequency processing
You can

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の信号処理装置の一実施態様例を示す光
電変換装置の回路構成図である。
FIG. 1 is a light showing an embodiment of a signal processing device of the present invention .
It is a circuit block diagram of a power converter.

【図2】本発明の信号処理装置の他の実施態様例を示す
光電変換装置の回路構成図である。
FIG. 2 shows another embodiment of the signal processing device of the present invention .
It is a circuit block diagram of a photoelectric conversion apparatus.

【図3】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ動作時の等価回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a photosensor cell according to an embodiment of the present invention during a refresh operation.

【図4】(a)は本発明の一実施例に係る光センサセル
の平面図、(b)は断面図、(c)は等価回路図であ
る。
4A is a plan view of an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 4B is a sectional view, and FIG. 4C is an equivalent circuit diagram.

【図5】本発明の一実施例に係る光センサセルの読出し
時間と読出し電圧との関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the read time and the read voltage of the photosensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例に係る光センサセルの蓄積電
圧と読出し時間との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the accumulated voltage and the read time of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施例に係る光センサセルのバイア
ス電圧と読出し時間との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the bias voltage and the read time of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a refresh time and a base potential of an optical sensor cell according to an example of the present invention.

【図9】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフレ
ッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the refresh time and the base potential of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図10】本発明の一実施例に係る光センサセルのリフ
レッシュ時間とベース電位との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the refresh time and the base potential of the photo sensor cell according to the embodiment of the present invention.

【図11】図15の光電変換装置のパルスタイミング図
である。
11 is a pulse timing chart of the photoelectric conversion device of FIG.

【図12】図15の光電変換装置の各動作時の電位分布
を示すグラフである。
12 is a graph showing a potential distribution during each operation of the photoelectric conversion device of FIG.

【図13】図15の光電変換装置の出力信号に関係する
等価回路図である。
13 is an equivalent circuit diagram related to output signals of the photoelectric conversion device of FIG.

【図14】図15の光電変換装置の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。
14 is a graph showing the output voltage from the moment when the photoelectric conversion device of FIG. 15 becomes conductive, with respect to time.

【図15】信号処理手段が1つの場合の光電変換装置の
回路図である。
FIG. 15 shows a photoelectric conversion device having one signal processing unit .
It is a circuit diagram.

【図16】本発明に係る光センサセルの読出し動作時の
等価回路図である。
FIG. 16 shows a read operation of the optical sensor cell according to the present invention .
It is an equivalent circuit diagram.

【図17】他の光電変換装置を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram showing another photoelectric conversion device.

【図18】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。
FIG. 18 is a plan view for explaining a main structure of a modified example of the present invention.

【図19】図18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。
19 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device configured by the optical sensor cell shown in FIG.

【図20】図18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。
20 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device configured by the optical sensor cell shown in FIG.

【図21】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。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図22】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。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図23】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。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention.

【図24】本発明の実施例に係る光センサセルを示し、
(a)は断面図、(b)はその等価回路図、(c)はポテ
ンシヤル分布図である。
FIG. 24 shows an optical sensor cell according to an embodiment of the present invention,
(A) is a sectional view, (b) is an equivalent circuit diagram thereof, and (c) is a potential distribution diagram.

【図25】光センサセルの他の変形例の主要構造を示す
断面図である。
FIG. 25 is a sectional view showing the main structure of another modification of the optical sensor cell.

【符号の説明】 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- 領域(コレクタ領域) 6 p領域(ベース領域) 7,7′ n+ 領域(エミッタ領域) 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 152,152′ 光センサセル 202,203,205 ベース電位 220 埋込p+ 領域 222,225 配線 251 p+ 領域 252 n+ 領域 253 配線 300 アモルフアスシリコン 302 窒化膜 303 PSG膜 304 ポリシリコン 305 PSG膜 306 層間絶縁膜[Explanation of symbols] 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 Photosensor 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 Resistor 46 Terminal 47 Terminal 48 MOS Transistor 49 Terminal 61, 62, 63 Section 64 Collector Potential 67 Type 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 152,152' Photosensor cell 202,203, 205 Base potential 220 Buried p + region 222,225 Wiring 251 p + region 252 n + region 253 Wiring 300 Amorphous silicon 302 Nitride film 303 PSG film 304 Polysilicon 305 PSG film 306 Interlayer insulation film

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図1[Name of item to be corrected] Figure 1

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図1】 [Figure 1]

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図2[Name of item to be corrected] Figure 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図2】 [Fig. 2]

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図15[Correction target item name] Figure 15

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図15】 FIG. 15

【手続補正5】[Procedure Amendment 5]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図16[Correction target item name] Fig. 16

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図16】 FIG. 16

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第一導電型の半導体からなる制御電極領
域と、前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体か
らなり容量負荷を含む出力回路に電気的に接続された第
一の主電極領域と、第二導電型の半導体からなる第二の
主電極領域と、を有し、光エネルギーを受けることによ
り生成されるキャリアを前記制御電極領域に蓄積可能な
トランジスタと、 蓄積されたキャリアに基づいて信号を読出した後のリフ
レッシュ動作において、前記第一の主電極領域を基準電
位に保持し、前記制御電極領域に蓄積されたキャリアを
除く為のリフレッシュ手段と、 を具備し、蓄積動作、読み出し動作及びリフレッシュ動
作を行う光電変換装置において、 前記リフレッシュ手段は、前記制御電極領域に基準電圧
源から前記第一及び第二の主電極領域に対して独立的に
電位を与え、前記基準電位に保持された状態の前記第一
の主電極領域と該制御電極領域との接合部を順方向にバ
イアスする手段であることを特徴とする光電変換装置。
1. A control electrode region made of a semiconductor of a first conductivity type and a first electrode electrically made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type and electrically connected to an output circuit including a capacitive load. A transistor having a main electrode region and a second main electrode region made of a semiconductor of a second conductivity type, capable of storing carriers generated by receiving light energy in the control electrode region; A refresh operation for holding the first main electrode region at a reference potential and removing the carriers accumulated in the control electrode region in a refresh operation after reading a signal based on the carriers; In a photoelectric conversion device that performs an operation, a read operation, and a refresh operation, the refresh means includes a reference voltage source in the control electrode region with respect to the first and second main electrode regions. A photoelectric conversion device, which is means for independently applying a potential and biasing a junction between the first main electrode region and the control electrode region in a state of being held at the reference potential in a forward direction.
【請求項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った一部分に、第二導電
型の半導体層領域が介在していることを特徴とする請求
項1記載の光電変換装置。
2. A semiconductor layer region of the second conductivity type is interposed in a part along an interface between the insulating layer provided on the control electrode region and the control electrode region. 1. The photoelectric conversion device described in 1.
【請求項3】 前記トランジスタは第二導電型の半導体
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
徴とする請求項1記載の光電変換装置。
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the transistor is integrally formed with a semiconductor substrate made of a second conductivity type semiconductor.
【請求項4】 前記トランジスタは第一導電型の半導体
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
る請求項1記載の光電変換装置。
4. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the transistor is formed on a semiconductor substrate made of a first conductivity type semiconductor.
【請求項5】 前記リフレッシュ手段は、前記第一の主
電極領域に電気的に接続されたMOSトランジスタを含
み、前記リフレッシュ動作時には該MOSトランジスタ
を介して該第一の主電極領域が前記基準電位に保持され
ることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
5. The refresh means includes a MOS transistor electrically connected to the first main electrode region, and the first main electrode region is connected to the reference potential via the MOS transistor during the refresh operation. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is stored in the photoelectric conversion device.
【請求項6】 前記出力回路は、出力アンプに前記信号
を転送するシフトレジスタを含み、前記容量負荷に読み
出された前記信号を該出力アンプに転送することを特徴
とする請求項1記載の光電変換装置。
6. The output circuit includes a shift register that transfers the signal to an output amplifier, and transfers the signal read to the capacitive load to the output amplifier. Photoelectric conversion device.
【請求項7】 前記トランジスタはバイポーラトランジ
スタであり、前記第一の主電極領域がエミッタ、前記第
二の主電極領域がコレクタであることを特徴とする請求
項1記載の光電変換装置。
7. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the transistor is a bipolar transistor, the first main electrode region is an emitter, and the second main electrode region is a collector.
【請求項8】 第一導電型の半導体からなる制御電極領
域と、前記第一導電型とは異なる第二導電型の半導体か
らなり容量負荷を含む出力回路に電気的に接続された第
一の主電極領域と、第二導電型の半導体からなる第二の
主電極領域と、を有し、光エネルギーを受けることによ
り生成されるキャリアを前記制御電極領域に蓄積可能な
トランジスタと、 前記第一の主電極領域を基準電位に保持し、前記制御電
極領域に蓄積されたキャリアを除く為のリフレッシュ手
段と、 を具備する光電変換装置を用いた光電変換方法におい
て、 前記制御電極領域にキャリアを蓄積する為に前記トラン
ジスタを光照射する蓄積工程と、 前記制御電極領域に蓄積されたキャリアに基づいて信号
を読み出す読み出し工程と、 前記リフレッシュ手段により、前記制御電極領域には基
準電圧源から前記第一及び第二の主電極領域に対して独
立的に電位が与えられ、前記基準電位に保持された状態
の前記第一の主電極領域と該制御電極領域との接合部が
順方向にバイアスされ該制御電極領域に蓄積されたキャ
リアを除くリフレッシュ工程と、 を含むことを特徴とする光電変換方法。
8. A control electrode region made of a semiconductor of a first conductivity type and a first electrode electrically made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type and electrically connected to an output circuit including a capacitive load. A transistor having a main electrode region and a second main electrode region made of a second conductivity type semiconductor, capable of storing carriers generated by receiving light energy in the control electrode region; In the photoelectric conversion method using a photoelectric conversion device, which holds a main electrode region of the device at a reference potential and removes carriers accumulated in the control electrode region, a carrier is accumulated in the control electrode region. To irradiate the transistor with light for reading, a reading process for reading a signal based on the carriers stored in the control electrode region, and the refreshing means for controlling the signal. A potential is independently applied to the electrode region from a reference voltage source to the first and second main electrode regions, and the first main electrode region and the control electrode region are held at the reference potential. And a refreshing step of removing a carrier accumulated in the control electrode region by biasing a junction portion thereof with a forward direction, and a photoelectric conversion method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5789377A (en) * 1980-11-25 1982-06-03 Fujitsu Ltd Read system for two-dimensional solid image pickup device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5789377A (en) * 1980-11-25 1982-06-03 Fujitsu Ltd Read system for two-dimensional solid image pickup device

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