JPH0817462B2 - Signal processor - Google Patents

Signal processor

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JPH0817462B2
JPH0817462B2 JP5178542A JP17854293A JPH0817462B2 JP H0817462 B2 JPH0817462 B2 JP H0817462B2 JP 5178542 A JP5178542 A JP 5178542A JP 17854293 A JP17854293 A JP 17854293A JP H0817462 B2 JPH0817462 B2 JP H0817462B2
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JP
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region
potential
base
voltage
signal processing
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JP5178542A
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忠弘 大見
信義 田中
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Canon Inc
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Publication date
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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、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,
In particular, the present invention relates to a signal processing device that processes output signals from a plurality of photosensor arrays provided on the same substrate.

【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。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。
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. These solid-state imaging devices can be broadly classified into two types: CCD type and MOS type. The CCD type imaging device forms a potential well under the MOS capacitor electrode, accumulates the charge generated by the incidence of light in this well, and sequentially moves these potential wells by a pulse applied to the electrode during reading. The principle is that the accumulated electric charges are transferred to the output amplifier and read. Some CCD type image pickup devices use a pn junction diode structure for the light receiving part and a CCD structure for the transfer part. 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.

【0003】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 the noise is low, there is a limit in its performance. Also,
If the density is increased by increasing the number of cells to achieve 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, it will be a big problem in increasing the resolution of the solid-state imaging device. In addition, since the CCD type image pickup device transfers the accumulated charge while sequentially moving the potential well, even if one of the cells has a defect, the charge transfer is stopped there, or an extreme In addition, there is a disadvantage that the production yield is not improved.

【0004】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 imaging device is slightly more complicated in structure than a CCD type imaging device, especially a frame transfer type device, but can be configured to have a large storage capacity, It has the advantage of having 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 imaging device, since a wiring capacitance is connected to each photodiode at the time of signal reading, an extremely large signal voltage drop occurs, the output voltage is reduced, and the wiring capacitance is large, resulting in random noise. Drawbacks, and fixed pattern noise due to variations in the parasitic capacitance of each photodiode and MOS switching transistor for horizontal scanning, etc., making low-illuminance imaging difficult compared to CCD-type imaging devices. have.

【0005】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.

【0006】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。これに対して、固体撮像装置に関し、
特開昭56−150878号公報“半導体撮像装置”、
特開昭56−157073号公報“半導体撮像装置”、
特開昭56−165473号公報“半導体撮像装置”に
新しい方式が提案されている。CCD型、MOS型の撮
像装置が、光入射により発生した電荷を主電極(例えば
MOSトランジスタのソース)に蓄積するのに対して、
ここで提案されている方式は、光入射により発生した電
荷を、制御電極(例えばバイポーラ・トランジスタのベ
ース、SIT(静電誘導トランジスタ)あるいはMOS
トランジスタのゲート)に蓄積し、光により発生した電
荷により、流れる電流をコントロールするという新しい
考え方にもとずくものである。すなわち、CCD型、M
OS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。
[0006] The CCD type and MOS type imaging devices have the advantages and disadvantages described above, but are gradually approaching the level of practical use. However, it can be said that there is an essentially large problem in further increasing the resolution required in the future. On the other hand, regarding the solid-state imaging device,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-150878, “Semiconductor imaging device”,
JP-A-56-157073, "Semiconductor image pickup device",
A new system has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 56-165473, entitled "Semiconductor Imaging Device". CCD-type and MOS-type imaging devices accumulate charges generated by light incidence on a main electrode (for example, the source of a MOS transistor).
In the method proposed here, a charge generated by light incidence is transferred to a control electrode (for example, a base of a bipolar transistor, a SIT (static induction transistor) or a MOS transistor).
It is based on a new idea of controlling the flowing current by the charge generated by light accumulated in the gate of a transistor). That is, CCD type, M
The OS type reads out the stored charge itself to the outside, whereas the method proposed here reads out the stored charge after amplifying the charge by the amplification function of each cell. From another point of view, a 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 a possibility for a higher resolution in the future.

【0007】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, it has a relatively complicated structure and has a possibility of high resolution, but there is a limit to high resolution as it is.

【0008】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 limits 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.

【0009】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.

【0010】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, the output signal cannot be read out at 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.

【0011】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.

【0012】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。
[0012] And, 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.

【0013】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.

【0014】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.

【0015】[0015]

【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。
The configuration of the conventional solid-state image pickup device and its problems have been described above. However, a signal read for reading a signal from each sensor pixel to an amplifier via a transistor sequentially turned on by a shift register. In a solid-state imaging device having a circuit, when the time for reading out a signal for one horizontal line is fixed, the higher the number of pixels, the faster the need for reading becomes. There is a problem that a high-speed analog-to-digital converter is required for applications such as analog-to-digital conversion and signal processing. [Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a signal processing device capable of performing high-speed signal processing with a simple circuit configuration.

【0016】[0016]

【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からなる光センサアレイ
の複数と、前記光センサアレイから出力信号を読み出す
為の読み出し手段と、読み出された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
が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信号処理装置において、前
記光センサはエミッタが出力線を介して前記転送手段に
接続され、ベースが前記読み出し手段の駆動線に接続さ
れたバイポーラトランジスタからなり、前記読み出し手
段はベースに前記駆動線から電圧を与え,浮遊状態とさ
れたエミッタとベースとの接合部を順方向にバイアス
し、前記出力信号を前記出力線の容量負荷における電圧
として読み出す手段であることを特徴とする信号処理装
置によって達成される。
The object of the present invention is to provide a plurality of optical sensor arrays each comprising a plurality of optical sensors provided on the same substrate, a reading means for reading an output signal from the optical sensor array, and a reading means. And a plurality of signal processing means provided corresponding to the shift register, and a plurality of signal processing means provided for the shift register. In the signal processing device in which means are respectively provided corresponding to the plurality of photosensor arrays and the signals transferred from the respective photosensor arrays are processed in parallel by the signal processing means, the photosensor outputs an emitter. A bipolar transistor connected to the transfer means via a line and having a base connected to the drive line of the read means, and the read means is connected to the base by Signal processing characterized in that it is means for applying a voltage from a flow line to forward bias a junction between a floating emitter and a base and reading the output signal as a voltage at a capacitive load of the output line. Achieved by the device.

【0017】[0017]

【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、低周波数であっても、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。また、本発
明は容量を負荷とするバイポーラトランジスタを光セン
サとして用いるものであり非破壊で且つ増幅されたSN
比の高い出力信号が得られる。さらに、本発明は、駆動
線よりベースに電圧を与えてベース・エミッタ順バイア
スとして信号を読み出すものであり、容量負荷をチャー
ジアップする時間が短縮されて高速読み出しが出来、低
照度下でのリニアリティが保たれる。このように信号処
理の高速化と光センサからの読み出しの高速化とがあい
まって装置全体の高速動作を可能にする。
According to the present invention, when the output signals from the plurality of photosensor arrays are processed, the signals transferred from the respective photosensor arrays are processed in parallel by the plurality of signal processing means. Thus, compared to the case of performing signal processing, it is possible to perform signal processing at a low frequency at substantially the same speed as processing at a high frequency. Further, the present invention uses a bipolar transistor having a capacity as a load as an optical sensor, and is a nondestructive and amplified SN.
A high ratio output signal is obtained. Further, according to the present invention, a voltage is applied to the base from a drive line to read a signal as a base-emitter forward bias, the time required to charge up a capacitive load is shortened, high-speed reading can be performed, and linearity under low illuminance can be achieved. Is maintained. As described above, the high speed signal processing and the high speed reading from the optical sensor are combined to enable the high speed operation of the entire apparatus.

【0018】[0018]

【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。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45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100,1
01,102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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of the present invention will be described below in comparison with the case where there is one signal processing means. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device using a signal processing device showing a preferred embodiment of the present invention. The signal processing means includes an amplifier including an output transistor 44 and a load resistor 45, and three amplifiers are provided here. In FIG. 1, each horizontal shift register 100, 1
The photosensor of each row connected to the MOS transistor controlled by 01 and 102 is a photosensor array. FIG. 15 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device showing a case where there is one signal processing unit.

【0019】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 embodiment shown in FIG. 1, three equivalent horizontal shift registers 100, 101 and 102 are provided, and when a start pulse is applied to a terminal 103 for applying these start pulses, the first column, (n + 1). ) Column, (2n + 1) column (n is an integer, and in this embodiment, the number of horizontal picture elements is 3
It is n. ) Will be read simultaneously. At the next time, the second column, (n
The +2) th column and the (2n + 2) th column are read. According to the present invention, when the time for reading out one horizontal line is fixed, the scanning frequency in the horizontal direction is 1/100 as compared with the system of FIG. 15 with one final stage amplifier. The frequency of 3 is sufficient, the horizontal shift ranger becomes simple, and when the signal processing means performs analog-digital conversion of the output signal from the photoelectric conversion device for signal processing, a high-speed analog-digital converter is not necessary. It is necessary and is a great advantage of the division read method by the signal processing device of the present invention.

【0020】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。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。
In the embodiment shown in FIG. 1, three equivalent horizontal shift registers are provided, but the same function can be provided by only one horizontal shift register. An example of an embodiment in this case is shown in FIG. Figure 2
Of the embodiment shown in FIG. 1, only the horizontal switching MOS transistor and the intermediate part of the final stage amplifier are written, and the other parts are the same as those of the embodiment of FIG. It is omitted because it is the same.

【0021】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 embodiment, the output from one horizontal shift register 104 is the first column, the (n + 1) th column,
The gates of the switching MOS transistors in the (2n + 1) th column are connected to read those lines simultaneously. At the next time, the second row, the (n + 2) th row,
That is, the (2n + 2) th column is read.

【0022】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。まず、図15及び図16を参照する
と、図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、MO
Sトランジスタ40,40′,40″、出力ライン4
1、MOSトランジスタ42、出力トランジスタ44、
負荷抵抗45等で構成され、垂直ライン38,38′,
38″は各々容量負荷としての図16の符号21で示す
Csのように配線容量を有している。
Next, the operation of the photoelectric conversion device shown in FIG. 1 will be briefly described. The photoelectric conversion operation of the photoelectric conversion device shown in FIG. 1 includes a storage operation, a read operation, and a refresh operation. In the following description, for simplification of description, FIG.
Will be explained. First, referring to FIGS. 15 and 16, 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 includes vertical lines 38, 38 ', 38 ", horizontal shift register 39, MO
S transistors 40, 40 ', 40 ", output line 4
1, a MOS transistor 42, an output transistor 44,
It is composed of load resistance 45, etc.
Each 38 ″ has a wiring capacitance as Cs as a capacitive load, as indicated by reference numeral 21 in FIG.

【0023】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.

【0024】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.

【0025】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(ベ−ス)は主電極領域(エミッタ・コレクタ)
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 a read operation, the emitter is floated and the collector is biased to a positive potential . The potential of the control electrode region (base) is controlled by the reading means independently of the main electrode region (emitter / collector) . 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. This deeply biases the emitter-base junction forward. 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.

【0026】リフレッシュ動作は以下のとおりである。
エミッタはスイッチ手段としてのMOSトランジスタ4
8,48′,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3
8、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36、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3
7等を設けることで構成される。
The refresh operation is as follows.
The emitter is a MOS transistor 4 as switching means.
8, 48 ', 48 "is connected to a first reference voltage source, which is indicated by a ground symbol, and is grounded, the collector being connected to the second reference voltage source, that is, at a positive or ground potential. , Vertical line 3 including capacitive load
3, 8, 38 ', 38 "are reset. Here, 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 and the base of the control electrode region is controlled. By controlling the potential, at least the base-emitter is forward-biased so that holes accumulated in the base region flow out or electrons flow into the base region to eliminate accumulated charges. MOS is used as a refreshing means for applying a forward bias.
The transistors 48, 48 ', 48 ", the buffer MOS transistors 35, 35', 35", the terminal 36, and the terminal 3 serving as a reference voltage source for independently applying the potential VRH to the base.
It is configured by providing 7 and the like.

【0027】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細
に説明する。本発明の実施例の説明に先立って本発明の
信号処理装置により出力信号が処理される光センサアレ
イの一例について説明する。図4は、光センサアレイの
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. Prior to the description of the embodiments of the present invention,
An optical sensor array whose output signal is processed by a signal processing device.
An example of B will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the basic structure and operation of the optical sensor cell of the optical sensor array . FIG. 4A is a plan view of the optical sensor cell.
4B is a sectional view of the AA ′ portion of the plan view of FIG.
FIG. 4C shows an equivalent circuit thereof. In addition,
4A, 4B, and 4C have the same reference numerals.

【0028】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。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(A
s)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(Al),A
l−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1
1、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。
In FIG. 4, a plan view of the alignment arrangement method is shown, but it goes without saying that the arrangement can also be performed in the pixel shift method (interpolation arrangement method) in order to increase the horizontal resolution. This optical sensor cell has phosphorus (P), antimony (Sb), arsenic (A) as shown in FIGS.
s) is doped with an impurity such as n-type or n + -type silicon substrate 1, and a passivation film 2 usually made of a PSG film or the like, and an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film (SiO 2 ). , An element isolation region 4 formed of an insulating film made of SiO 2 or Si 3 N 4 or the like or a polysilicon film for electrically insulating the adjacent photosensor cells, and impurities formed by an epitaxial technique or the like. A low-concentration n region 5, a p region 6 serving as a base of a bipolar transistor doped with an impurity such as boron (B) by using an impurity diffusion technique or an ion implantation technique,
An n + region 7 serving as an emitter of a bipolar transistor formed by an impurity diffusion technique, an ion implantation technique, or the like, for reading a signal to the outside, for example, aluminum (Al), A
A wiring 8 formed of a conductive material such as 1-Si or Al-Cu-Si, an electrode 9 for applying a pulse to the p region 6 in a floating state through the insulating film 3, and a wiring 10 thereof.
An n + region 1 having a high impurity concentration, which is formed by an impurity diffusion technique or the like in order to make ohmic contact with the back surface of the substrate 1.
1. An electrode 12 made of a conductive material such as aluminum for giving a substrate potential, that is, a collector potential of a bipolar transistor.

【0029】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 metal two-layer wiring structure.

【0030】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.
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 apparent from these drawings, the p region 6 is a floating region.

【0031】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。
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.

【0032】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。まず、電荷蓄積動作について説明す
る。
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. First, the charge storage operation will be described.

【0033】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. The base is assumed to be in a negative potential, that is, in a reverse bias state with respect to the emitter 7, by applying a positive pulse voltage to the capacitor Cox13 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.

【0034】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. Due to the accumulation of the holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward the positive potential.

【0035】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 also excited by light in the p region 6. If the photoexcited electrons in the p region flow out of the p region 6 immediately without recombination 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 p-type impurity concentration is reduced from the surface to the inside, the difference in impurity concentration may cause the difference in impurity concentration. An electric field Ed from inside to the surface in the base,

【0036】[0036]

【数1】 [Equation 1]

【0037】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。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。
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 p. It is the impurity concentration at the interface between the region 6 and the n high resistance region 5. 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, the impurity concentration of the p region 6 is designed to decrease inward from the light incident side surface. Is desirable. When the p region 6 is formed by diffusion, the impurity concentration decreases toward the inside as compared with the light incident side surface.

【0038】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. Normally, the depth of the n + region 7 is 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, the pouring hole which is photoexcited in the n + region 7 to enable the p region 6, n + region 7 may be desirable that the impurity concentration toward the interior has a structure to decrease from the light incident surface. If the impurity concentration distribution in the n + region 7 is as described above, a strong drift electric field is generated from the light incident side surface toward the inside, and the holes photo-excited in the n + region 7 are immediately shifted to the p region 6 by the drift. Flow into If the impurity concentration of each of the n + region 7 and the p region 6 is configured to decrease 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 photo-excited at 6 work effectively as optical signals. When this n + region 7 is formed by impurity diffusion from a silicon oxide film or a polysilicon film doped with As or P at a high concentration, it is possible to obtain an n + region having a desirable impurity gradient as described above. It is.

【0039】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 specifically, the base-emitter is deeply biased in the forward direction, and is clipped at a voltage at which holes accumulated in the base start to flow 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. In the case where the n + region 7 is not grounded and the charge generated by the light input is stored in a floating state, the p region 6 can store the charge to approximately the same potential as the n region 1.

【0040】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。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 above is a qualitative outline of the charge accumulation operation, but a little more concrete and quantitative explanation will be given below. The spectral sensitivity distribution of this optical sensor cell is given by the following equation.

【0041】[0041]

【数2】 [Equation 2]

【0042】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“de
adlayer”(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。
Here, λ is the wavelength of light [μm], α is the attenuation coefficient of light in the silicon crystal [μm −1 ], and x is recombination loss on the semiconductor surface, which does not contribute to sensitivity.
Adlayer "(dead region) thickness [μm], y is epitaxial layer thickness [μm], T is transmittance,
The ratio of the amount of light that effectively enters the semiconductor is shown in consideration of reflection and the like with respect to the amount of incident light. Spectral sensitivity S (λ) and irradiance Ee of this optical sensor cell
The photocurrent Ip is calculated by the following equation using (λ).

【0043】[0043]

【数3】 (Equation 3)

【0044】但し、放射照度Ee(λ)〔μW・cm-2
・nm-1〕は次式で与えられる。
However, irradiance Ee (λ) [μW · cm -2
-Nm- 1 ] is given by the following equation.

【0045】[0045]

【数4】 [Equation 4]

【0046】但しEV はセンサの受光面の照度〔Lu
x〕、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
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 ・sec程度である。
However, E V is the illuminance [Lu
x], P (λ) is the spectral distribution of the light incident on the light receiving surface of the sensor, and V (λ) is the relative luminous efficiency of the human eye. Using these formulas, in the photosensor cell having the epi-thickness layer of 4 μm, the photocurrent of about 280 nA / cm −2 is obtained when the light is illuminated by the A light source (2854 ° K) and the sensor light receiving surface illuminance is 1 [Lux]. The number of incident photons or the number of generated electron-hole pairs is 1.8 × 10 12 /
It is about cm 2 · sec.

【0047】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。今、n+ 領域7の不純物濃度を1020cm-3
p領域6の不純物濃度を5×1016cm-3、n- 領域5
の不純物濃度を1013cm-3、n+ 領域7の面積を16
μm2 、p領域6の面積を64μm2、n- 領域5の厚さ
を3μmにしたときの接合容量は、約0.014pF位
になり、一方、p領域6に蓄積されるホールの個数は、
蓄積時間1/60sec、有効受光面積、すなわちp領
域6の面積から電極8および9の面積を引いた面積を5
6μm2 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。
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. Now, the impurity concentration of the n + region 7 is set to 10 20 cm −3 ,
The impurity concentration of 5 × 10 16 cm -3 in the p region 6, n - region 5
The impurity concentration of 10 13 cm −3 and the area of the n + region 7 is 16
μm 2 , the area of the p region 6 is 64 μm 2 , and the thickness of the n region 5 is 3 μm, the junction capacitance is about 0.014 pF, while the number of holes accumulated in the p region 6 is ,
The accumulation time is 1/60 sec, 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 region 6 is 5
When it is about 6 μm 2 , the number is 1.7 × 10 4 . Therefore, the potential Vp generated by light incidence is about 190 mV.

【0048】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。これは上述した光センサセルが図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 above-mentioned optical sensor cell 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.

【0049】インターラインタイプのCCDの場合と比
較して上述した光センサセル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 above-mentioned photosensor cell is advantageous as compared with the case of the interline type CCD. With the increase in resolution, in the interline type CCD image pickup device, the amount of charge transferred. However, since the area of the transfer portion becomes relatively large and the effective light receiving surface is reduced, the sensitivity, that is, the voltage generated by light incidence is reduced. Further, 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, whereas in the photo sensor cell of the present invention, as described above, The saturation voltage is determined by the bias voltage when the p region 6 is first biased to a negative potential, and a large saturation voltage can be secured.

【0050】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。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。
The operation of reading out the voltage generated by the charges accumulated in p region 6 as described above will be described below. In the read operation state, the emitter and the wiring 8 are in a floating state, and the collector is maintained at the positive potential Vcc.

【0051】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。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
P 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
酸化膜容量Cox13とベース・エミッタ間接合容量C
be15、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
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. now,
If the potential when the base 6 is biased to a negative potential before light irradiation is −V B and the accumulated voltage generated by light irradiation is V P , the base potential becomes −V B + V P. ing. When a positive voltage V R for reading is applied to the electrode 9 through the wiring 10 in this state, the positive potential V R becomes equal to the oxide film capacitance Cox 13 and the base-emitter junction capacitance C.
Be15 and the base-collector junction capacitance Cbc7 divide the capacitance, and the base has a voltage.

【0052】[0052]

【数5】 Cox ────────────・VR Cox+Cbe+Cbc が加算される。従ってベース電位は(5) Cox ──────────── V R Cox + Cbe + Cbc are added. Therefore, the base potential is

【0053】[0053]

【数6】 Cox −VB +VP +───────────・VR Cox+Cbe+Cbc となる。ここで、[Equation 6] Cox −V B + V P + −−−−−−−−−−−− ··· V R Cox + Cbe + Cbc. here,

【0054】[0054]

【数7】 Cox −VB +───────────・VR =0 Cox+Cbe+Cbc 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。
[Formula 7] Cox −V B + ─────────── ·· V R = 0 If the condition of Cox + Cbe + Cbc is satisfied, the base potential is the accumulated voltage V P generated by light irradiation. It becomes itself. When the base potential is biased in the positive direction with respect to the emitter potential in this way, electrons are injected from the emitter into the base, and the collector potential is positive. To reach. The current flowing at this time is given by the following equation.

【0055】[0055]

【数8】 (Equation 8)

【0056】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)、D
n はベース中におけるエレクトロンの拡散定数、npe
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、Ve はエミッタ電位である。
Where A j is the junction area between the base and the emitter, q is the unit charge (1.6 × 10 −19 coulomb), D
n is the diffusion constant of electrons in the base, n pe is the electron concentration as a minority carrier at the emitter end of the p base, W B is the base width, N Ae is the acceptor concentration at the base emitter alone, and N Ac is the collector end of the base. Acceptor concentration at, k is Boltzmann's constant, T
Is the absolute temperature, and V e is the emitter potential.

【0057】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 generated when the emitter potential V e is the base potential, that is, the accumulated voltage V generated by light irradiation here.
It is evident from the above equation that the current flows until it becomes equal to P. Temporal variation of this time the emitter potential V e is calculated by the following equation.

【0058】[0058]

【数9】 [Equation 9]

【0059】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。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
印加するときに、
However, the wiring capacitance Cs is the capacitance 21 of the wiring 8 connected to the emitter. FIG. 5 shows an example of the change over time of 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 not due to the fact that the emitter potential V e does not flow is close happens when too much current to the V P. Therefore, the means to solve this is to apply the positive voltage V R to the electrode 9 first,

【0060】[0060]

【数10】 Cox −VB +───────────・VR =0 Cox+Cbe+Cbc なる条件を設定したが、この条件の代りに[Formula 10] Cox −V B + ─────────── ・ VR R = 0 Cox + Cbe + Cbc is set, but instead of this condition,

【0061】[0061]

【数11】 Cox −VB +───────────・VR =VBias Cox+Cbe+Cbc 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] Cox −V B + ─────────── ·· V R = V Bias The condition of Cox + Cbe + Cbc is inserted and the base potential is biased by V Bias in an extra forward direction. . The current flowing at this time is given by the following equation.

【0062】[0062]

【数12】 (Equation 12)

【0063】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V
P 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
In FIG. 6, when V Bias = 0.6 V, after a certain period of time, V R applied to the electrode 9 is returned to zero volt, and the accumulated voltage V when the flowing current is stopped
The relationship between the read voltage and the emitter potential with respect to P 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. When the positive voltage V R applied to the electrode 9 is returned to zero volt, the reverse of the application

【0064】[0064]

【数13】 Cox −───────────・VR Cox+Cbe+Cbc 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。
Since Equation 13] Cox -─────────── · V R Cox + Cbe + Cbc becomes voltage is added to the base potential, a base potential, before applying a positive voltage V R state, i.e., - V B
And the current is stopped because the emitter is reverse-biased. Taking According to FIG. 6 100 ns about more read time (i.e., time the application of the V R to the electrode 9), the reserved voltage V P and the read voltage linearity is ensured over a range of about four orders of magnitude, faster Is possible to read. In FIG. 6, the 45 ° line is a result when a sufficient time is taken for reading. In the above calculation example, the capacitance Cs of the wiring 8 is 4 pF, which is 0.014 pF of the junction capacitance of Cbe + Cbc. Figure that despite even about 300-fold compared large, accumulated voltage V P generated in the p region 6 is not subject to any attenuation, and that the effect of the bias voltage, which is read out very fast and 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 working.

【0065】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 value of 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.

【0066】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.

【0067】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 of the read voltage to 80%, 90%, 95%, and 98% of 1 mV when the storage voltage is 1 mV. As shown in FIG. 6, at an accumulation voltage of 1 mV, 80%, 90%, 95%,
At 98%, it is clear that the higher the accumulated voltage, the better the value.

【0068】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 higher-speed reading is possible if the bias voltage V Bias is set to be larger than 0.6 V. As described above, when 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 by using the graph of FIG.

【0069】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 returning the voltage V R which has been applied to the electrode 9 during the readout to zero volts, the potential of the p region 6 becomes reverse biased before the application of the voltage V R, the reserved voltage V P generated by light irradiation As long as the light is not newly irradiated, it is stored as it is. This means that when the photosensor cell according to the above configuration is configured as a photoelectric conversion device, a new function can be provided in terms of system operation.

【0070】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 thermally generated dark current. 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 smaller than other conventional devices. That is, the photosensor cell according to the above configuration has a structure with essentially low dark current noise.

【0071】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。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。
Next, the operation of refreshing the charges accumulated in p region 6 will be described. In the photosensor cell according to the above configuration, as described above, the charge accumulated in the p region 6 does not disappear in the read operation. Therefore, in order to input new optical information, a refresh operation for extinguishing previously accumulated electric charges is required. At the same time, it is necessary to charge the potential of the floating p region 6 to a predetermined negative voltage.

【0072】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, the refresh operation is performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10, similarly to the read operation. At this time, the emitter is grounded through the wiring 8. The collector is the electrode 12
To ground or positive potential. FIG. 3 shows an equivalent circuit of the refresh operation. However, an example in which the collector side is grounded is shown.

【0073】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, the base-emitter junction capacitance Cbe15,
By dividing the junction capacitance Cbc17 between collectors,

【0074】[0074]

【数14】 Cox ───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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。
[Formula 14] Cox ─────────── ・ V RH Cox + Cbe + Cbc The voltage is instantaneously applied as in the previous read operation. With this voltage, the base-emitter junction diode Dbe16 and the base-collector junction diode Dbc18 are forward-biased and in a conducting state, current starts to flow, and the base potential gradually decreases.

【0075】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.

【0076】[0076]

【数15】 dV (Cbe+Cbc)──=−(i1 +i2 ) dt 但し、## EQU15 ## dV (Cbe + Cbc)-=-(i 1 + i 2 ) dt where

【0077】[0077]

【数16】 [Equation 16]

【0078】i1 はダイオードDbcを流れる電流、i
2 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。
I 1 is the current flowing through the diode Dbc, 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 the hole concentration of the thermal equilibrium in the collector, Lp is the mean free path, n pe is in the base of the hole in the collector It is the electron concentration in thermal equilibrium. At i 2 , the current due to hole injection from the base side to the emitter is negligible since the impurity concentration of the emitter is sufficiently higher than the impurity concentration of the base.

【0079】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。上式中のベース・コレクタ間に
流れる電流i1 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。
The above-mentioned formula is an approximation of stepwise junction, which is deviated from stepwise junction in an actual device, and the base is thin and has a complicated concentration distribution. However, the refresh operation can be explained with a good approximation. Of the current i 1 flowing between the base and collector in the above equation, q · Dp · p ne / Lp represents the current due to holes, that is, 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 hole easily flows.

【0080】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 abscissa indicates the lapse of time from the moment when the refresh voltage V RH is applied to the electrode 9, that is, the refresh time, and the ordinate indicates 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 electric charges accumulated in the base.

【0081】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。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。
As shown in FIG. 8, the potential of the base does not depend on the initial potential, but always drops according to one straight line on a semi-logarithmic graph after a certain period of time. 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. This experimental example shows a value when both the collector and the emitter are grounded.

【0082】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 storage 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.

【0083】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 period of time and removing the positive voltage. One is an operation in which holes having a positive charge flow out of the p region 6 into the n region 1 which is mainly in the ground state, whereby negative charges are accumulated. In order for holes from the p region 6 to flow unilaterally to the n region 1 and to prevent electrons in the n region 1 from flowing into the p region 6 too much, the impurity density of the p region 6 is changed 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, thereby forming 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 by holes flowing out of the region 6 is much faster than the operation of accumulating negative charges by 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.

【0084】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 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 fluctuates between 0.4 [V], a constant voltage of about 0.3 [V] remains in the base of all sensor cells at 10 -5 [sec] after application of the refresh voltage V RH. , change in storage voltage V P by the image it can be seen that disappear all. 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 the A and 0.4 V, the voltage V A 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 between operation in the complete refresh mode and operation in the transient refresh mode is determined by the purpose of use of the photoelectric conversion device.

【0085】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
Is applied, the transient state at the moment when V RH is returned to zero volt,

【0086】[0086]

【数17】 Cox −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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
## EQU17 ## Since a negative voltage of Cox −−−−−−−−−−−−−− ・ V RH Cox + Cbe + Cbc is added to the base, the base potential after the refresh operation by the refresh pulse is

【0087】[0087]

【数18】 Cox VK −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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] Cox V K -─────────── · V RH Cox + Cbe + Cbc , and the base is reverse biased with respect to the emitter.

【0088】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。
In the storage operation for storing the carriers excited by light, it was explained that the base is in the reverse bias state in the storage state. This refresh operation brings the refresh and the base into the reverse bias state. The two operations of going forward are performed at the same time.

【0089】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 .

【0090】[0090]

【数19】 Cox VK −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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
[Number 19] shows the experimental values of the change in the Cox V K -─────────── · V RH Cox + Cbe + Cbc. The value of Cox is taken as a parameter from 5 pF to 100 pF. The circles are experimental values, and the solid line is

【0091】[0091]

【数20】 Cox VK −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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。
[Expression 20] Cox V K −−−−−−−−−−−−−− V RH Shows a calculated value calculated from Cox + Cbe + Cbc. At this time, V K =
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 completely match, and the refresh operation has been experimentally confirmed.

【0092】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 the operation with the collector 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 will flow through only the base-emitter junction diode Dbe16 since the non-conductive state is maintained. 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.

【0093】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。
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 to 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. However, if the refresh voltage V RH is slightly increased, a high-speed refresh operation can be performed as in the case where the collector is grounded. It is possible.

【0094】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。以上説明したごとく、
上記構成に係る光センサセルの基本構造は、すでにあげ
た特開昭56−150878号公報、特開昭56−15
7073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。
The above is the description of the basic operation of the photosensor cell according to the above-described configuration, which includes the charge accumulation operation, the read operation, and the refresh operation by the incident light. As explained above,
The basic structure of the optical sensor cell having the above structure is described in the above-mentioned JP-A-56-150878 and JP-A-56-15.
It has a very simple structure as compared with Japanese Patent Application Laid-Open No. 7073 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-165473, and can sufficiently cope with high resolution in the future. The advantages of output, wide dynamic range, non-destructive readout, etc. are preserved as they are.

【0095】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、信号処理装置を用いて信
号読み出しを行う光電変換装置の一構成例について図面
を用いて説明する。なお本発明の説明に先立って、ここ
では信号処理手段が1つの場合を例にとって、光電変換
装置の構成及び動作について説明する。
Next, the photosensor cells having the above-described structure are arranged in a two-dimensional array , and the signal processing device is used to transmit signals.
A configuration example of a photoelectric conversion device which performs signal reading will be described with reference to the drawings. Before explaining the present invention, here
In the case where there is only one signal processing means, photoelectric conversion
The configuration and operation of the device will be described.

【0096】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。
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3
2と水平ライン31,31′,31″の間のバッファM
OSトランジスタ33,33′,33″のゲートにパル
スを印加するための端子34、リフレッシュパルスを印
加するためのバッファMOSトランジスタ35,3
5′,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3
7、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MOS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−FET等のトランジ
スタ44、負荷抵抗45、トランジスタと電源を接続す
るための端子46、トランジスタの出力端子47、読出
し動作において垂直ライン40,40′,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MOSトランジスタ4
8,48′,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 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.
The basic optical sensor cell 30 surrounded by the dotted line described above
(At this time, it is shown that the collector of the bipolar transistor is connected to the substrate and the substrate electrode.), Horizontal lines 31, 31 ', 31 "for applying the read pulse and the refresh pulse, for generating the read pulse Vertical shift register 32, vertical shift register 3
Buffer M between 2 and the horizontal line 31, 31 ', 31 "
Terminals 34 for applying a pulse to the gates of the OS transistors 33, 33 ', 33 ", and buffer MOS transistors 35, 3 for applying a refresh pulse.
5 ', 35 ", terminal 36 for applying a pulse to its gate, terminal 3 for applying a refresh pulse
7. Vertical lines 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,
MOS transistors for gate 40, 40 ', 40 "for opening and closing each vertical line, an output line 41 for reading the accumulated voltage to the amplifier section, and a MOS transistor for refreshing the charges accumulated in the output line after reading. 42, a terminal 43 for applying a refresh pulse to the MOS transistor 42, a bipolar transistor 44 for amplifying an output signal, a transistor 44 such as MOS, FET, J-FET, a load resistor 45, and a terminal for connecting the transistor and a power supply. 46, an output terminal 47 of the transistor, MOS transistors 48, 48 ', 48 "for refreshing the charges accumulated in the vertical lines 40, 40', 40" in the read operation, and a MOS transistor 4
This photoelectric conversion device is constituted by terminals 49 for applying pulses to the gates of 8, 48 ', 48 ".

【0097】この光電変換装置の動作について図15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。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。
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 corresponds to the refresh operation, section 62 corresponds to the accumulation operation, and section 63 corresponds to the read operation. 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 of the terminal 49 is high, the MOS transistors 48, 48 ', 48 "are kept conductive, and each photosensor cell is grounded through the vertical lines 38, 38', 38". Further, a voltage for conducting the buffer MOS transistor is applied to the terminal 36 as shown by the waveform 66, and the buffer MOS transistors 35, 35 ', 35 "for all-screen batch refresh are in the conducting state. When a pulse like the waveform 67 is applied to 37, a voltage is applied to the base of each photosensor cell through the horizontal lines 31, 31 'and 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.

【0098】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.

【0099】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, keeping the collector potential at a positive potential is not an essential condition since imaging is performed with the base in a reverse bias state with respect to the emitter, that is, a negative potential. There is no change in the typical accumulation operation.

【0100】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 storage 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. Therefore, the emitter of each photosensor cell is connected to the vertical line 38, 38 ', 3
8 ". Holes are accumulated in the base due to strong light irradiation, and when the base is saturated, that is, when the base potential is in a forward bias state with respect to the emitter potential (ground potential), The hole is a vertical line 38,
38 ', 38 ", where the base potential change stops and is clipped. Thus, the emitters of the 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 way, no blooming phenomenon occurs.

【0101】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。
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.

【0102】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。
After the accumulation section 62, the reading section 63 starts from time t 3 . At time t 3, MOS transistors 48, 48 ', the potential 65 of the gate terminal 49 of the 48 "to low, and the horizontal lines 31, 31', 3
1 "buffer MOS transistors 33, 33 ', 3
The potential 68 of the 3 ″ gate terminal is set to high, and the respective MOS transistors are turned on. However, the timing of setting the potential 68 of the gate terminal 34 to high is not an indispensable condition that it is time t 3 . Any time earlier than that is fine.

【0103】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
At this time, since the MOS transistor 33 is in a conductive state, 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 stored 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.

【0104】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
0, the MOS transistor 40 becomes conductive, and the output signal is output through the output line 41.
The current enters the output transistor 44, is amplified, and is output from the output terminal 47. After the signal in this manner is read, since the output line 41 is left signal charge due to wiring capacitance, at time t 6, MOS transistor 42
A pulse is applied to the gate terminal 43 as shown in the pulse waveform 71, the MOS transistor 42 is turned on, the output line 41 is grounded, and the remaining signal charges are 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.

【0105】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 ′ is accumulated. 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.

【0106】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 refresh at this time requires a refresh function for each line, not a full screen batch refresh. 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.

【0107】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.

【0108】また、スミア現象に対しても、本構成例に
係る光電変換装置は、きわめて優れた特性を得ることが
できる。スミア現象は、CCD型撮像装置、特にフレー
ム転送型においては、光の照射されている所を電荷転送
されるという、動作および構造上発生する問題であり、
インタライン型においては、特に長波長の光により半導
体の深部で発生したキ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 configuration example 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, there is a problem that occurs because carriers generated in a deep part of the semiconductor due to long-wavelength light are accumulated in the charge transfer portion.

【0109】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。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、本構成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、本構成例に係る光
電変換装置の大きな利点の一つである。
Further, in the MOS type image pickup device, there is a problem that carriers generated in a deep semiconductor region are accumulated by light of a long wavelength on the drain side of a switching MOS transistor which is grounded to each photosensor cell. 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 no phenomenon that carriers generated in the semiconductor deep portion are accumulated due to long wavelength light. However, among the electrons and holes generated relatively near the surface of the emitter of the photosensor cell, there is a concern about the development that electrons are accumulated, but this is because the emitter is grounded in the accumulation operation state during the batch refresh operation. Therefore, electrons are not accumulated, and no smear phenomenon occurs. In the case of a line refresh operation applied to a normal television camera, the vertical line is grounded and refreshed before reading the accumulated voltage to the vertical line during the horizontal blanking period. The electrons accumulated 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 configuration example, smear development occurs only to an essentially negligible degree in terms of structure and operation, and one of the great advantages of the photoelectric conversion device according to the present configuration example. Is one.

【0110】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。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。
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. That is, during the accumulation operation, the potential of the emitter or the collector is temporarily set to a certain negative potential, and the holes accumulated in the base more than the number of carriers giving the negative potential out of the carriers accumulated in the base are changed to the emitter or the collector. The operation of flowing to the collector side is performed. As a result, the relationship between the storage voltage and the incident light amount shows the characteristic of γ = 1 of the silicon crystal when the incident light amount is small, and shows the characteristic that γ is smaller than 1 when the incident light amount is large. That is, γ =
It is possible to have the characteristic of 0.45. If the above operation is performed once in the middle of the accumulation operation, a one-fold line approximation is obtained. If the negative potential applied to the emitter or the collector is appropriately changed twice, a two-fold line type γ characteristic can be provided.

【0111】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。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。
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. Note that, 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.

【0112】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 caused by the wiring capacitance of the output line 41 is non-conductive in the read state and has a high impedance, so that it is omitted in the equivalent circuit on the right.

【0113】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.

【0114】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.

【0115】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 a load resistor R E 45 5KΩ, 87 are those when the load resistor R E 45 is 2K ohms, the peak value in either the, 0.5V about by the capacitance division of the 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 for 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.

【0116】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、本構成例の光電変換装置では発生せず、き
わめてS/N比の良い画質を得ることが可能である。
In the photoelectric conversion device using the photosensor cell having the above structure, the voltage appearing at the output is large due to the amplification function of each photosensor 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 example, an example in which a single-stage bipolar transistor is used has been described. However, it is of course possible to use another method such as a two-stage structure. When a bipolar transistor is used as in this example, the problem of 1 / f noise that is easily noticeable on an image generated from the MOS transistor of the last stage amplifier in the CCD imaging device does not occur in the photoelectric conversion device of this configuration example. It is possible to obtain an image having an extremely good S / N ratio.

【0117】以下、光電変換装置の他の構成例に付いて
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。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。
Another example of the structure of the photoelectric conversion device will be described below. This configuration example is intended to solve the inconvenience in the transient refresh mode. In FIG.
The potential levels at the emitter, base, and collector parts during the cycle of transient refresh operation, accumulation operation, read operation, and transient refresh operation are shown. The voltage level of each portion is a potential seen from the outside, and there are some portions that do not partially match the internal potential level.

【0118】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.

【0119】[0119]

【数21】 [Equation 21]

【0120】で与えられる拡散電位が存在するわけであ
る。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。
That is, there is a diffusion potential given by. In FIG. 12, state represents a refresh operation, state represents a storage operation, state represents a read operation,
The states indicate the operating states when the emitter is grounded. In addition, the potential level is negative at the upper side of 0 volt,
The lower side shows the positive potential, respectively. It is assumed that the base potential before the state is zero volts, and that the collector potential is all biased to the positive potential from the state.

【0121】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。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
RH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、
The above series of operations will be described with reference to the timing chart of FIG. As shown by the waveform 67 in FIG. 11, time t 1
When a positive potential, that is, the refresh voltage V RH is applied to the terminal 37, the base has the potential 200 as shown in FIG.

【0122】[0122]

【数22】 Cox ───────────VRH Cox+Cbe+Cbc 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
[Expression 22] Cox ──────────── V RH Cox + Cbe + Cbc A 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 by a waveform 67, the base is set at the moment when the refresh voltage V RH returns to the zero voltage.

【0123】[0123]

【数23】 Cox − ───────────VRH Cox+Cbe+Cbc 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] Cox − ─────────── V RH Cox + Cbe + Cbc is generated by capacitance division as before, so that the base adds the remaining voltage V K to the newly generated voltage. It becomes the electric potential. That is, the base potential 202 shown in the state, which is

【0124】[0124]

【数24】 Cox VK − ───────────VRH Cox+Cbe+Cbc で与えられる。## EQU24 ## Cox V K − ──────────── V RH Cox + Cbe + Cbc

【0125】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 is incident on such an emitter in a reverse bias state, holes generated by this light are accumulated in the base region.
Base potential 202 according to the intensity of the incident come light base potential 203 and 203 'changes toward increasingly positive potential as the 203 ". The voltage generated by the light V P
And

【0126】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
[0126] Then as the waveform 69, the voltage from the vertical shift register to the horizontal line, i.e., the read voltage V R
Is applied to the base

【0127】[0127]

【数25】 Cox ───────────VR Cox+Cbe+Cbc 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
(25) Since the voltage Cox ─────────── VR R Cox + Cbe + Cbc is added, the base potential 204 when no light is emitted is

【0128】[0128]

【数26】 Cox VK +───────────(VR −VRH) Cox+Cbe+Cbc 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
[Number 26] Cox V K + ─────────── the (V R -V RH) Cox + Cbe + Cbc. The potential 204 at this time is, as described above,
It is set so that the emitter is biased in the forward direction by about 0.5 to 0.6 V. Also, the base potential 20
5, 205 ', 205 "are each

【0129】[0129]

【数27】 Cox(VR −VRH) VK +VP +─────────── Cox+Cbe+Cbc Cox(VR −VRH) VK +VP ′+─────────── Cox+Cbe+Cbc Cox(VR −VRH) VK +VP ″+─────────── Cox+Cbe+Cbc で与えられる。Cox (V R −V RH ) V K + V P + ──────────── Cox + Cbe + Cbc Cox (V R −V RH ) V K + V P ′ + ──────── ──── Cox + Cbe + Cbc Cox ( V R -V RH) V K + V P "+ ─────────── given by Cox + Cbe + Cbc.

【0130】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
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.

【0131】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

【0132】[0132]

【数28】 Cox − ───────────・VR Cox+Cbe+Cbc 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] Cox − ─────────── ・ V R Cox + Cbe + Cbc Since the voltage is added, the base potential becomes the state before the read pulse is applied, that is, the reverse bias state, as in the state. And the change in the potential of the emitter stops. That is, the base potential 208 at this time is

【0133】[0133]

【数29】 Cox VK − ───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc ベース電位209、209′、209″はそれぞれ、Cox V K − ─────────── ・ V RH Cox + Cbe + Cbc Base potentials 209, 209 ′, and 209 ″ are respectively

【0134】[0134]

【数30】 Cox VK +VP −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc Cox VK +VP ′−───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc Cox VK +VP ″−───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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。
[Formula 30] Cox V K + V P −─────────── ・ V RH Cox + Cbe + Cbc Cox V K + V P ′ −─────────── ・ V RH Cox + Cbe + Cbc Cox V K + given by V P "-─────────── · V RH Cox + Cbe + Cbc. This is exactly the same as the state before the reading begins.

【0135】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 ', 48 "are turned on and the emitter is grounded, as in the state where the emitter is grounded.
The cycle goes through the refresh operation, the accumulation operation, and the read operation, and then returns to the state. At this time, before the first refresh operation is started, the base potential starts from zero potential, but goes around once. After that, the base potential

【0136】[0136]

【数31】 Cox VK −───────────・VRH Cox+Cbe+Cbc 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。
[Expression 31] Cox V K −─────────── ・ V RH Cox + Cbe + Cbc and the potentials obtained by adding V P , V P ′, and V P ″, respectively. Therefore, in this state, even if the refresh voltage V RH is applied, the base potentials are V K , V K + V P , V K + V P ′, respectively.
V K + V P ″. In this case, a sufficient forward bias is not applied to the base, and where the light is strongly applied, the forward bias amount is large, so that the optical information is lost.
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.

【0137】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。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。
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. A method of using the transient refresh mode capable of high-speed refresh and avoiding such inconvenience will be described below.

【0138】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, that is, in the reverse bias direction with respect to the emitter in the state,
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.

【0139】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). FIG.
(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.

【0140】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.

【0141】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.

【0142】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 +

【0143】[0143]

【数32】 [Equation 32]

【0144】のように設計する。Vbiはp+- 接合の
拡散電位である。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。
Design as follows. V bi is the diffusion potential of the p + n junction. Therefore, in the state of FIG. 12, by applying a positive voltage to the buried p + region 220 through the wiring 222 and injecting holes into the p base region, the base potential 210 is set to zero potential or slightly as described above. By bringing the positive potential, it is possible to solve the disadvantageous phenomenon in the transient refresh mode. At this time, the voltage applied to the buried p + region 220 is slightly smaller than the voltage applied to the sensor cell collector 1, that is, the buried p + region 220 and the n region 1 of the collector are not forward biased. In a state
It is possible to sufficiently pass the holes into the base region 6.

【0145】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.

【0146】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。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2
5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224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2
25を介して行なわれる。
The above-mentioned one structural 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 latter part may be exactly the same. FIG. 25 shows a cross-sectional view of an optical sensor cell for explaining another configuration example. Figure 2
In the cross-sectional view shown in FIG. 5, the embedded p + shown in FIG.
Instead of the region 220, when the base region 6 is formed, the P region 224 is simultaneously formed on the front surface side. This P
A pnp transistor having the region 224 as an emitter, the low impurity n region 5 as a base, and the base 6 of the photosensor cell as a collector is formed. 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, it is the wiring 2 on the front surface side that supplies the voltage to the P region 224.
25.

【0147】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。図25に示した断面図では、p+ 領域2
24、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。
The equivalent circuit of the configuration example 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. In the cross-sectional view shown in FIG. 25, p + region 2
24, 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 convenience 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.

【0148】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 amplifier at the final stage may be extremely simple, so that only one amplifier at the final stage is provided. Instead of the type shown in FIG. 15, it is possible to preferably use a configuration in which a plurality of amplification amplifiers are installed and one screen is divided and read out as in the present invention.

【0149】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.

【0150】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。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M
OS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。
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. The embodiment of FIG. 2 is a horizontal switching M of the embodiment shown in FIG.
Only the intermediate portion of the OS transistor and the final stage amplifier is shown, and the other portions are omitted since they are the same as in the embodiment of FIG.

【0151】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 set to the 1st column, the (n + 1) th column, (2n
+1) It is connected to the gates of the switching MOS transistors in the column, and these lines are read simultaneously. At the next time point, the second row, the (n + 2) th row, the (2n +
2) The column number is read.

【0152】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。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。
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. In the examples of FIGS. 1 and 2, three output amplifiers are provided, but it goes without saying that the number may be increased according to the purpose.

【0153】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 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.

【0154】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 read 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. Also, even if this exceeds the permissible limit, using an external circuit to correct it will generate a sine wave, subtract it from the dark current component, and multiply and divide this by the signal component. This is easily possible by using the conventional correction technique performed by

【0155】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.

【0156】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。
これの一構成例を図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 separate final stage amplifiers. It is possible to obtain.
An example of this structure 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. Each of the vertical lines in the second, fifth, eighth,... Columns is connected to an output line 111, which takes out a 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.

【0157】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。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
MOS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
120が接続され、1つの光センサセルからみた時に、
ダブルコンデンサタイプとなっていること、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。
FIG. 18 is a diagram for explaining the basic structure and operation of another example of the photosensor cell that constitutes the photoelectric conversion device .
Shown in Further, FIG. 19 shows an equivalent circuit thereof and an overall circuit configuration diagram. 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. In FIG. 18, the point different from the configuration already shown in FIG. 4 is that in the case of FIG. 4, only one MOS capacitor electrode 9 is connected to the horizontal line wiring 10 on the side of vertically adjacent photosensor cells. Also, when the MOS capacitor electrode 120 is connected, when viewed from one photosensor cell,
It is a double capacitor type, and the emitters 7 and 7'of the photosensor cells vertically adjacent to each other in the figure
Is a wiring 8 and a wiring 121 which are two-layer wiring,
(Although one vertical line looks like one in FIG. 18, 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'is connected to the wiring 121 through the contact hole 19 '.

【0158】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 '.

【0159】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。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3
8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M
OS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M
OS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 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. In the equivalent circuit, the vertical line 3 is different from the image pickup device of FIG. 15 except for the basic optical sensor cell section described above.
8, a switching MOS transistor 148 for refreshing the vertical line 138, a switching MOS transistor 148 for refreshing the vertical line 138, a switching MOS transistor 40 for selecting the vertical line 38, and a switching MOS transistor for selecting the vertical line 138. 140 is added and one output amplifier system is added. This output system has a switching M for refreshing each line.
The configuration is such that the OS transistors 48 and 148 are connected, and the switching M for horizontal scanning is further used.
A configuration using only one output amplifier as shown in FIG. 20 using OS transistors is also possible. FIG. 20 shows only the vertical line selection and output amplifier system of FIG.

【0160】この図18の光センサセルおよび図19に
示す構成例によれば、次の様な動作が可能である。すな
わち、今水平ライン31に接続された各光センサセルの
読出し動作が終了し、テレビ動作における水平ブランキ
ング期間にある時、垂直シフトレジスタ32からの出力
パルスが水平ライン31´に出力されるMOSキャパシ
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 configuration example 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.

【0161】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.

【0162】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 the area 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 refresh can be performed 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 disadvantages, the collectors of all the sensor cells are not used as a common area, 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
+ Embedded regions may be separated by a structure in which ap region is interposed. Insulator isolation is better at reducing collector capacitors buried along horizontal lines.
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.

【0163】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 that horizontal line is grounded at the end of the read operation and the refresh operation, 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.

【0164】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.

【0165】以上説明した光電変換装置によれば、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。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。
According to the photoelectric conversion device described above, it is possible to perform line refreshing with a relatively simple structure, and it can be applied to the application fields such as ordinary television cameras. As another configuration example, 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 the photosensor cell or a configuration in which a plurality of contacts are provided in one emitter can be considered.

【0166】これは上述した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。
This is because each optical sensor cell of the photoelectric conversion device described above has an amplifying function, so even if a plurality of wiring capacitors are connected to each optical sensor cell in order to take out a plurality of outputs from one optical sensor cell, This is because the accumulated voltage Vp generated inside the sensor cell can be read out to each output without any attenuation.

【0167】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。次に上述した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 technol
ogy 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。
As described above, with the structure in which a plurality of outputs can be taken out from each photosensor cell, many advantages can be obtained in signal processing or noise countermeasures for a photoelectric conversion device in which a large number of photosensor cells are arranged. It is possible to add. Next, an example of a manufacturing method of the above-described photoelectric conversion device will be described. 21 and 22 show selective epitaxial growth (N. Endo et al, “Novel device isolation technology”).
ogy with selected epitaxial growth "Tech. Dig. of
1982 IEDM, pp. 241-244), an example of the manufacturing method is shown.

【0168】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 . In order to prevent auto doping from the n + region, an oxide film and a nitride film are usually provided on the back surface although not shown in the figure.

【0169】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。
The substrate 1 has a uniform impurity concentration and oxygen concentration. 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, oxidation is performed in an H 2 O atmosphere or an (H 2 + O 2 ) atmosphere. To obtain a good oxide film without causing stacking faults and the like, 900 ° C.
High pressure oxidation at moderate temperatures is suitable.

【0170】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 molar ratio of O 2 / SiH 4 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.
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 in a state where the impurity is completely depleted by the diffusion potential of the pn - junction or an operating voltage is applied to the collector, at least the impurity concentration and the n - region are completely depleted. It is desirable to choose the thickness.

【0171】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 which is usually available contains a large amount of water, an oxide film is always formed on the surface of a silicon substrate, and thus high quality epitaxial growth cannot be expected. HCl containing a large amount of water reacts with the material of the cylinder while in the cylinder and contains a large amount of heavy metal mainly composed of iron, so that an epitaxial layer easily contaminated with heavy metal tends to be formed. 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. Of course, an ultra-high purity material is used for SiH 2 Cl 2 , but HCl has a particularly low moisture content, preferably at least a moisture content of 0.5 ppm.
Use the following: Of course, the lower the water content, the better. In order to further improve the quality of the epitaxially grown layer, the substrate is first subjected to high-temperature treatment at about 1150 to 1250 ° C. to remove oxygen from the vicinity of the surface, and then subjected to a long-term heat treatment at about 800 ° C. to generate many micro defects inside the substrate. It is also very effective to use a substrate having a denuded zone and capable of performing intrinsic gettering. Since epitaxial growth is performed in a state where the SiO 2 layer 4 as an isolation region exists,
A lower growth temperature is desirable to reduce the uptake of oxygen from SiO 2 . In the commonly used high frequency heating method, there is much contamination from the carbon susceptor, and it is difficult to further lower the temperature. 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.

【0172】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.

【0173】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 which becomes the isolation region 4 (step (c) in FIG. 21). Since amorphous silicon is easily single-crystallized by solid phase growth, the crystal near the interface with the SiO 2 separation region 4 is 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.

【0174】p領域6の厚さと不純物濃度は以下のよう
な考えで決定する。感度を上げようとすれば、p領域6
の不純物濃度を下げてCbeを小さくすることが望まし
い。Cbeは略々次のように与えられる。
The thickness and impurity concentration of p region 6 are determined by the following ideas. To increase the sensitivity, the p region 6
It is desirable to reduce the impurity concentration of and reduce Cbe. Cbe is approximately given as follows.

【0175】[0175]

【数33】 [Expression 33]

【0176】ただし、Vbiはエミッタ・ベース間拡散
電位であり、
However, Vbi is the diffusion potential between the emitter and the base,

【0177】[0177]

【数34】 (Equation 34)

【0178】で与えられる。ここで、εはシリコン結晶
の誘電率、ND はエミッタの不純物濃度、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。
Given by Here, ε is the dielectric constant of the silicon crystal, N D is the impurity concentration of the emitter, N A is the impurity density of the portion adjacent to the emitter of the base, and n i is the true carrier concentration. As Cbe is reduced to reduce the N A, the sensitivity is increased, but since the the N A is made too small base region will completely become depleted in punching through state at operating conditions, is too low can Absent. It is set to such an extent that the base region is not completely depleted and does not enter a punch-through state.

【0179】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。
After that, (H 2 + O
2 ) Several tens to several hundreds of square meters by gas steam oxidation
A thermal oxide film 3 having a thickness of about 800 is formed at a temperature of about 800 to 900.degree. Thereon, the (SiH 4 + NH 3) based nitride film by CVD gas (Si 3 N 4) 302 500~15
It is formed with a thickness of about 00Å. Formation temperature is 700-90
It is about 0 ° C. The NH 3 gas, also commonly available alongside the HCl gas, contains a large amount of moisture. When NH 3 gas having a high moisture content is used as a raw material, a nitride film having a high oxygen concentration is obtained, and reproducibility is poor.
The result is that a selective ratio cannot be obtained by selective etching with the O 2 film. The NH 3 gas also has a water content of at least 0.1.
It should be 5 ppm or less. It goes without saying that the smaller the water content, the better. 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. As a matter 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 .

【0180】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-
A metal such as Cu-Si is deposited by vacuum evaporation 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 in which the Al—C bond or the Al—Cl bond of the above raw material gas is cut by direct light irradiation. When the above-described CVD method is performed using (CH 3 ) 3 Al or AlCl 3 as a raw material gas, hydrogen is allowed to flow in a large excess. In order to deposit Al in a thin and steep contact hole, a CVD method in which the substrate temperature is raised to a film thickness of 300 to 400 ° C. in a clean atmosphere free of moisture and 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.

【0181】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 light CVD methods. (SiH 4 + NH 3 + Hg) gas system for externally irradiating ultraviolet rays of 2537 ° from a mercury lamp;
This is a method of irradiating an iH 4 + NH) 3 gas system with ultraviolet rays of 1849 ° from a mercury lamp. In both cases, the substrate temperature is 150-
It is about 350 ° C.

【0182】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)。
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. 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).

【0183】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。上述した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。
Also in this case, the film formed by the photo CVD method is excellent. Reference numeral 12 denotes a metal electrode made of Al, Al-Si or the like on the back surface. The above-described method for manufacturing the photoelectric conversion device has a great variety of steps, and FIGS. 21 and 22 describe only one example.

【0184】かかる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Si
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℃〜1000
℃程度と比較的高い温度で行なわれる。そのため、基板
Siからの固相成長によりアモルファス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、55
0℃〜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 such a photoelectric conversion device 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. It goes without saying that the quality of the n region 5 is improved to reduce the dark current, but the interface between the isolation region 4 made of an oxide film or the like and the n region 5 is a problem. In FIGS. 21 and 22, for that purpose, a method of depositing amorphous Si on the side wall of the isolation region 4 in advance and performing epitaxial growth has been described. In this case, the substrate Si
Amorphous Si is single-crystallized by solid phase growth from. Epitaxial growth is 850 ° C to 1000
It is carried out at a relatively high temperature of about ℃. Therefore, before amorphous Si is monocrystallized by solid phase growth from the substrate Si, microcrystals often start to grow in the amorphous Si, which causes deterioration of crystallinity. The lower the temperature, the faster the solid-phase growth rate becomes than the rate at which microcrystals start to grow in amorphous Si. Therefore, before the selective epitaxial growth, 55
When amorphous Si is single-crystallized by a low temperature treatment of about 0 ° C. to 700 ° C., the characteristics of the interface are improved. This time,
If there is a layer such as an oxide film between the substrate Si and the amorphous Si, the initiation of solid phase growth is delayed, so an ultra-high cleaning process that does not include such a layer at the boundary between the two is required.

【0185】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 with a fish lamp or an infrared lamp for, for example, several seconds to several tens seconds is also applicable. 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 by a very clean process, and to make polycrystalline Si containing no oxygen, carbon, or the like at the crystal grain boundaries of the polycrystalline body.

【0186】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。SiO2
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1〜10×1
16cm-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。
After the Si on the side surface of SiO 2 is single-crystallized, the Si is selectively grown. If the leakage current at the interface between the SiO 2 isolation region 4 and the high resistance n region 5 is a problem, the n-type impurity concentration is increased only in the portion of the high resistance n region 5 adjacent to the SiO 2 isolation region 4. In this case, the problem of the leakage current is avoided. For example, 0.3 of n region 5 in contact with isolated SiO 2 region 4
Only a region having a thickness of about 1 μm, for example, 1 to 10 × 1
The n-type impurity concentration is increased to about 0 16 cm -3 . This structure can be formed relatively easily. After forming a thermal oxide film of about 1 μm on the substrate 1, a thermal oxide film is deposited thereon by a CVD method. Only first required thickness of the SiO 2 film, keep the SiO 2 film containing P of a predetermined amount. Further, the separation region 4 is formed by depositing SiO 2 thereon by CVD.
Make. From the phosphorus-containing SiO 2 film present in a sandwich state in the isolation region 4 in the subsequent high-temperature process,
Phosphorus diffuses into the high-resistance n region 5 to form a favorable impurity distribution in which the interface has the highest impurity concentration.

【0187】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.
A VD method SiO 2 film 301 is a CVD method SiO 2 film. Adjacent to the isolation region 4, between the n region 5,
A 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.

【0188】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. However, 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).

【0189】上述した光電変換装置は、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を大きく
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。
The photoelectric conversion device described above forms 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. An apparatus for photoelectrically converting optical information by controlling the potential of a floating base region by an electrode provided in a part of the base region through a thin insulating layer. An emitter region including a high impurity concentration region is provided in a part of the base region, and the emitter is connected to a MOS transistor operated by a horizontal scan pulse. The above-described electrode provided in a part of the floating base region via a thin insulating layer is connected to a horizontal line. The collector provided inside the wafer may be composed of a substrate, or 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. . An electrode provided through an insulating layer,
The applied pulse voltage when reading a signal is substantially higher than the pulse voltage when refreshing the floating base region. Indeed, the two may be used a pulse train to wait for voltage, as described in the double capacitor structure, to increase the capacity C ox of the read MOS capacitor electrode compared to the capacitance C ox of the refreshing MOS capacitor electrode You may keep it. By applying a refresh pulse, the photo-excited carriers are accumulated in the floating base region that is in the reverse bias state, and the signal based on the optical signal is stored.
At the time of reading the signal, a characteristic is that the reading pulse voltage is applied so that the base and the emitter are deeply biased in the forward direction 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.

【0190】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。
For example, of course, 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 where the conductivity type is completely inverted, the region becomes n-type. That is, the impurities constituting the base are As and P. When the surface of the region containing As or P is oxidized, As or P piles 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.

【0191】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、本構成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 taken 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,
A reverse drift electric field occurs for the electrons, and the electrons photoexcited in this region tend to collect on the surface. If this is left as it is, the region in which this 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 this configuration , p
Electrons collected at the Si / SiO 2 interface in the region are
It flows before being recombined into this n + region. For this reason, for example, even if there is a region where boron is reduced near the Si / SiO 2 interface and a reverse drift electric field is generated, the region hardly becomes a dead region. Rather, when such a region exists at the Si / SiO 2 interface, the accumulated holes are separated from the Si / SiO 2 interface so as to be present inside. The hole accumulation effect in the base is improved, which is highly desirable.

【0192】なお、本構成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 configuration has, for example, an image input device such as an image input device, a facsimile, a workstation, a digital copying machine, 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.

【0193】以上説明した光電変換装置は、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、Ba
seStore Image Sensorと呼ばれる
べき装置であり、BASISと略称する。
The photoelectric conversion device described above stores carriers excited by light in the base region, which is the control electrode region in the floating state. That is, Ba
It is a device that should be called a seStore Image Sensor, and is abbreviated as BASIS.

【0194】本構成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。
In the photoelectric conversion device according to this structure , one transistor can form one pixel, and therefore, 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. 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 future high quality solid-state imaging device, its industrial value is extremely high.

【0195】[0195]

【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, it is possible to perform signal processing even at low frequencies at substantially the same speed as processing at high frequencies.

【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 circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device showing an embodiment of a signal processing device of the present invention.

【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 is a circuit configuration diagram of a photoelectric conversion device showing another embodiment example of the signal processing device of the present invention.

【図3】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 during a refresh operation of the optical sensor cell .

【図4】(a)は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 , FIG. 4B is a sectional view, and FIG. 4C is an equivalent circuit diagram.

【図5】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 optical sensor cell .

【図6】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 of the optical sensor cell and the read time.

【図7】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 of the optical sensor cell and the read time.

【図8】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 the relationship between the refresh time of the optical sensor cell and the base potential.

【図9】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 a relationship between a refresh time of an optical sensor cell and a base potential.

【図10】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 a relationship between a refresh time of an optical sensor cell and a base potential.

【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 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device having one signal processing unit.

【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 is an equivalent circuit diagram during a read operation of the photosensor cell according to the present invention.

【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 illustrating another photoelectric conversion device.

【図18】光センサセル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 the main structure of a modified example of the optical sensor cell .

【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】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 .

【図22】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 the example of the method for manufacturing the photoelectric conversion device .

【図23】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 the example of the method for manufacturing the photoelectric conversion device .

【図24】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 , (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

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同一基板上に設けられた複数の光センサ
からなる光センサアレイの複数と、前記光センサアレイ
から出力信号を読み出す為の読み出し手段と、読み出さ
れた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が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信
号処理装置において、 前記光センサはエミッタが出力線を介して前記転送手段
に接続され、ベースが前記読み出し手段の駆動線に接続
されたバイポーラトランジスタからなり、 前記読み出し手段はベースに前記駆動線から電圧を与
え,浮遊状態とされたエミッタとベースとの接合部を順
方向にバイアスし、前記出力信号を前記出力線の容量負
荷における電圧として読み出す手段であることを特徴と
する信号処理装置。
1. A plurality of optical sensor arrays each comprising a plurality of optical sensors provided on the same substrate, reading means for reading output signals from the optical sensor arrays, and transferring the read output signals. Transfer means, a shift register connected to the transfer means, and a plurality of signal processing means provided corresponding to the shift register,
In the signal processing device, wherein the plurality of signal processing means are respectively provided corresponding to the plurality of photosensor arrays, and the signals transferred from the respective photosensor arrays are processed in parallel by the signal processing means. The sensor comprises a bipolar transistor whose emitter is connected to the transfer means through an output line and whose base is connected to the drive line of the read means, wherein the read means applies a voltage to the base from the drive line to cause a floating state. A signal processing device which is a means for biasing the junction between the emitter and the base in the forward direction and reading the output signal as a voltage in a capacitive load of the output line.
【請求項2】 請求項1記載の信号処理装置において、
前記シフトレジスタは複数設けられ、夫々が各信号処理
手段に対応しており、複数の光センサアレイを同時に走
査する並列処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
2. The signal processing device according to claim 1, wherein
A signal processing device comprising a plurality of shift registers, each of which corresponds to each signal processing means, and which performs parallel processing for simultaneously scanning a plurality of photosensor arrays.
【請求項3】 請求項1記載の信号処理装置において、
前記シフトレジスタは前記複数の光センサアレイに対し
て1つ設けられており、複数の光センサアレイを同時に
走査する並列処理を行うことを特徴とする信号処理装
置。
3. The signal processing device according to claim 1, wherein
The signal processing device is characterized in that one shift register is provided for each of the plurality of photosensor arrays and performs parallel processing for simultaneously scanning the plurality of photosensor arrays.
【請求項4】 請求項1記載の信号処理装置において、
前記転送手段はMOSトランジスタであることを特徴と
する信号処理装置。
4. The signal processing device according to claim 1, wherein
The signal processing device, wherein the transfer means is a MOS transistor.
【請求項5】 請求項1記載の信号処理装置において、
前記信号処理手段はアンプを含むことを特徴とする信号
処理装置。
5. The signal processing device according to claim 1, wherein
The signal processing device, wherein the signal processing means includes an amplifier.
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