JPS62113468A

JPS62113468A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS62113468A
Application number: JP60252653A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Nobuyoshi Tanaka; 田中　信義; Toshimoto Suzuki; 鈴木　敏司
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-11-13
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 1987-05-25
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: EP0226338A1; EP0226338B1; CA1282172C; ES2044838T3; DE3688928D1; ATE93653T1; US4751559A; DE3688928T2; JPH0654957B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野１本発明は、トランジスタの制御電極領域の電位をキャパ
シタを介して制御することで、前記制御電極領域に光励
起によって発生したキャリアを蓄積し、その蓄積電圧に
よって出力を制御する光電変換セルを有する光電変換装
置に関する。

［従来技術］第４図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭６０−１２７６５号公報に記載されている光電変Ｍｊ
！装置の概略的断面図、第４図（Ｂ）は、その１個の光
電変換セルの等価回路図である。

両図において、ｎ＋シリコン基板！上に光電変換セルが
形成され配列されており、各光電変換セル４ｆＳｉ０２
　、　Ｓｉ３　Ｎ４　、又はポリシリコン等より成る素
子分離領域２によって隣接する光電変換セルから電気的
に絶縁されている。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

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３上にはｐタイプの不純物をドーピングすること
でｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術又
はイオン注入技術等によってｎ十領域５が形成されてい
る。ｐ領域４およびｎ中領域５は、各々バイポーラトラ
ンジスタのベースおよびエミッタである。

このように各領域が形成されたｎ−領域３上には酸化ａ
Ｓが形成され、酸化ｇｅ上に所定の面積を有するキャパ
シタ電極７が形成されている。

キャパシタ電極７は酸化膜６を挟んでＰ領域４と対向し
、キャパシタ電極７にパルス電圧を印加することで浮遊
状態にされたｐ領域４の電位を制御する。

その他に、ｎ中領域５に接続されたエミッタ電極８、基
板ｌの裏面に不純物濃度の高いｎ十領域１１′、および
バイポーラトランジスタのコレクタに電位を与えるため
のコレクタ電極１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域４は負電位の初期状態に
あるとする。このｐ領域４側から光１３が入射し、入射
光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域
４に蓄積され、蓄積された正孔によってｐ領域４の電位
が正方向に変化する（蓄積動作）。

続いて、キャパシタ電極７に読出し用の正電圧パルスが
印加され、蓄積動作時のベース電位変化分に対応した読
出し信号、すなわち光情報が浮遊状態にしたエミッタ電
極８から出力される（読出し動作）、ただし、ベースで
あるｐ領域４の蓄積電荷量はほとんど減少しないた漬に
、非破壊読出しが可能である。

また、ｐ領域４に蓄積された正孔を除去するには、エミ
ッタ電極８を接地し、キャパシタ電極７に正電圧のリフ
レッシュパルスを印加する。このパルスを印加すること
でｐ領域４はｎ中領域５に対して順方向にバイアスされ
、蓄積された正孔が除去される。そして、リフレッシュ
パルスが立下がった時点でｐ領域４は負電位の初期状態
に復帰する（リフレッシュ動作）、以後、同様に蓄積、
読出し、リフレッシュという各動作が綴り返される。

要するに、ここで提案されている方式は、光入射により
発生したキャリアを、ベースであるｐ領域４に蓄積し、
その蓄積電荷量によってエミッタ電極８とコレクタ電極
１２との間に流れる電流をコントロールするものである
。したがって、蓄積されたキャリアを、各セルの増幅機
能により増幅してから光情報として読出すわけであり、
高出力、高感度、さらに低雑音を達成できる。

また、光励起によってベースに蓄積されたキャリアによ
りベースに発生する電位Ｖｐは、Ｑ／Ｃで与えられる。

ここでＱはベースに蓄積されたキャリアの電荷量、Ｃは
ベースに接続されている容量である。この式により明白
な様に、高集植化された場合、セル・サイズの縮小と共
にＱもＣも小さくなることになり、光励起により発生す
る電位Ｖｐは、はぼ一定に保たれることがわかる。した
がって、ここで提案されている方式は、将来の高解像度
化に対しても有利なものであると言える。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、上記従来の光電変換装置では、光電変換
セルに蓄積された光情報をエミッタ電極８から読出すだ
けであるために、測光やピーク値検出を行う動作を読出
し動作の前に挿入する必要があり、高速動作の支障とな
っていた。また、それらの検出値に基づいて露光時間又
は利得等を調箇する回路構成および動作が複雑化すると
いう問題点も有していた。

［問題点を解決するための手段］半導体トランジスタの制御電極領域の電位をキャパシタ
を介して制御することにより、前記制御電極領域に光励
起によって発生したキャリアを蓄積する蓄積動作と、該
蓄積により発生した蓄積電圧によって制御された信号を
前記半導体トランジスタの主電極領域から読出す読出し
動作と、前記制御電極領域に蓄積されたキャリアを消滅
させるリフレッシュ動作の各動作を行う光電変換セルを
有する光電変換装置において、前記制御電極領域に、前記主電極領域と同一導電型の半
導体領域を前記主電極領域とは別に設けたことを特徴と
する。

［作用］上記主電極領域とは別に設けられた上記半導体領域から
光情報を読出すことができるために、その光情報を例え
ば測光やピーク値検出等に用いることができ、蓄積又は
読出し動作等に並行して測光やピーク値検出等を行うこ
とができる。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の一実施例
の概略的平面図、第１図（Ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図
、第１図（Ｃ）は、その等価回路図である。ただし、第
４図の従来例と同一機能を有する領域および部材には同
一番号を付して説明は省略する。

各図において、ｎ−エピタキシャル層３にはｐベース領
域４が形成され、ｐベース領域４にはエミッタ領域とな
るｎ中領域５および５′が形成されている。そして、ｎ
中領域５および５′には、エミッタ電極８および８′が
各々接続されている。

また、本実施例では、絶縁領域１４と、その直下に設け
られた■十領域１５とによって素子分離領域２が形成さ
れ、隣接する光電変換セルを互いに電気的に分離してい
る。

ｐベース領域４上には酸化膜６を挟んでキャパシタ電極
７が形成され、更に絶縁１１ｆｉ１６を挟んで遮光膜１
７が形成されている。遮光膜１７によって、キャパシタ
電極やエミッタ電極が形成された部分が遮光され、ｐベ
ース領域４の主要部分に受光面が形成される。また、遮
光膜１７および受光面となる絶縁膜１６上には保護絶縁
膜１８が形成されている。

なお、本実施例では、エミッタ領域が二個形成されてい
るが、勿論これに限定されるものではなく、目的に応じ
て複数個のエミッタ領域を設ければよい。

また、本実施例の基本動作は従来例と同様であり、蓄積
、読出し、そしてリフレッシュの各動作が行われる。た
だし、エミッタ領域を二個布するために光情報を別個に
読出すことが可能であり、次に述べるような撮像装置に
適用することができる。

第２図（Ａ）は、本実施例を用いた撮像装置の第−例を
示す回路図、第２図（Ｂ）は、その撮像装置の動作を示
すタイミングチャートである。

同図において、ｎ個の光電変換セル２０−１〜２０−ｎ
は一次元に配列され、各コレクタ電極１２は共通に接続
されて正電圧又は接地電圧が印加される。また、各キャ
パシタ電極７はライン２３を介して端子２４に共通に接
続され、端子２４には読出し又はリフレッシュ動作を行
うための信号φｒが印加される。さらに、一方のエミッ
タ電極８は、各々垂直ライン２１−１〜２１−ｎに接続
され、他方のエミッタ電極８′は、共通ライン２２に接
続されている。

垂直ライン２１−１〜２１−ｎは各々トランジスタ２５
−１〜２５−ｎを介して接地されている。また、トラン
ジスタ２５−１〜２５−ｎの各ゲート電極はライン２Ｂ
を介して端子２７に共通に接続され、端子２７に信号φ
ｒｓが印加される。

さらに、垂直ライン２１−１〜２１−ｎは各々トランジ
スタ２日−１〜２８−ｎの一方の主電極に接続されてい
る。また、トランジスタ２８−１〜２８−ｎのゲート電
極はライン２８を介して端子３０に共通に接続され、端
子３０には信号φｔが印加される。トランジスタ２８−
１〜２８〜ｎの他方の主電極は、それぞれ電荷蓄積用キ
ャパシタ３１−１〜３１−ｎを介して接地されていると
ともに、トランジスタ３４−１〜３４−ｎを介して出力
ライン３５に接続されている。

トランジスタ３４−１〜３４−ｎのゲート電極はシフト
レジスタ３２の並列出力端子３３−１〜３３−ｎに各々
接続され、各並列出力端子からは信号φ１〜φｎが出力
される。

出力ライン３５は、出力ライン３５をリセットするため
のトランジスタ３６を介して接地されているとともに、
出力アンプであるトランジスタ３３のゲート電極に接続
されている。リヤー２ト用トランジスタ３６のゲート電
極はライン３７を介して端子３８に接続され、端子３８
には信号φｈｓが印加される。また、トランジスタ３３
の一方の主電極は正電位の端子４１に接続され、他方の
主電極は抵抗４０を介して負電位の端子４２に接続され
ている。さらに、他方の主電極はキャパシタを介して増
幅器４３の入力端子に接続され、読出された光情報は増
幅器４３の出力端子４４から送出される。なお、増幅器
４３の前段のキャパシタは、増幅器４３の動作点電位に
よっては不要となる。。

一方、共通ライン２２は、トランジスタ４６を介して接
地されるとともに、増幅度調整回路４５の入力端子に接
続されている。トランジスタ４８のゲート電極はライン
３７を介して端子３８に接続され、トランジスタ３８と
同じ信号φｈｓが印加される。また、増幅度調整６回路
４５の出力端子は、増幅器４３の増幅度選択端子に接続
され、共通ライン２２からの入力信号に基づいて増幅ｒ
Ａ４３の増幅度を調整する。

次に、このような構成を有する本実施例の動作を第２図
（Ｂ）を参照しながら説明する。

（リフレッシュ動作）まず、信号φマＳおよびφｂｓをハイレベルにすること
で、トランジスタ２５−１〜２５−ｎ、ＩＪ−１＝ツト
用トランジスタ３Ｂおよび４６をＯＮ状態にする。これ
によって、光電変換セル２０−１〜２Ｑ−ｎの各エミッ
タ電極８および８′は接地状態になる。

続いて、時点ｔ１において、信号φｔがハイレベルとな
り、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯＮ状態となる
。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１
−ｎが接地状態となり、残留電荷が除去される。続いて
、時点ｔ２において、信号φｔのパルスが立下がると、
信号φｒがハイレベルとなり、各光電変換セル２０−１
〜２０−ｎのキャパシタ電極７にリフレッシュ用の正電
圧が印加される。各エミッタ電極８および８′は接地状
態にあるから、すでに述べたようにリフレッシュ動作が
行われ、時点ｔ３で信号φｒが立下がると各光電変換セ
ルのベース領域４は負電位の初期状態に復帰する。リフ
レッシュ動作が終了すると、信号φマＳおよびφｈｓは
立下がり、トランジスタ２５−１〜２５−ｎおよび２８
−１〜２８−ｎはＯＦＦ状態となる。

（蓄積動作）この状態で、各光電変換セル２０−１〜２０−ｎのベー
ス領域４には入射光によって励起された電子・正孔対の
うちの正孔が光情報とじて蓄積され、各セルのベース電
位は初期の負電位から入射光量に対応した蓄積電正分だ
け各々上昇する。

（読出し動作）蓄積動作を所望時間行うと、まず、信号φｔをハイレベ
ルにしてトランジスタ２８−１〜２８−ｎをＯＮ状態と
し、垂直ライン２１−１〜２１−ｎと電荷蓄積用キャパ
シタ３１−１〜３１−ｎとを各々接続状態にする。

続いて１時点ｔ４において、信号φｒが立上がり各光電
変換セルのキャパシタ電極７に読出し用正電圧が印加さ
れる。これによって、すでに述べたように読出し動作が
行われ、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情報が電
荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎおよび共通ライ
ン２２に読出される。

この時、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎには
、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情報が各々読出
されるが、共通ライン２２には、入射光量が最も高かっ
た光電変換セルの光情報がピーク電圧として現われる。

増幅度調整回路４５は、このピーク電圧に基づいて増幅
器４３の増幅度を２ｇｌ整し、光情報の大小の広がりを
抑制するとともに、自動的な絞りの役割を果たす。

このようにして増幅器４３の増幅度が調整されると、信
号φｒおよびφｔが立下がり、信号φｈｓのパルスが端
子３８に印加される。これによってトランジスタ２８−
１〜２８−ｎがＯＦＦ状態となり、また共通ライン２２
および出力ライン３５がリセットされる。

続いて、時点ｔ５からシフトレジスタ３２ヲ動作させ、
電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎから蓄積され
た光情報を順次出力する。まず、シフトレジスタ３２の
出力端子３３−１から出力される信号φ１かハイレベル
になることで、トランジスタ３４−１がＯＮ状態となり
、電荷蓄積用キャパシタ３１−１に蓄積されている光情
報が出力ライン３５に読出される。読出された光情報は
、トランジスタ３９を介して増幅度が２ｇＪ整された増
幅器４３に入力し、端子４４から出力される。続いて、
信号φｌが立下がると、信号φｈｓがハイレベルとなり
、出力ライン３５がトランジスタ３Ｂを介して接地され
て残留する電荷が除去される。

以下同様に、シフトレジスタ３２から出力される信号φ
２〜φｎが順次ハイレベルとなり、電荷蓄積用キャパシ
タ３１〜２〜３１−ｎに蓄積されている各光情報が出力
ライン３５に順次読出されるとともに、各光情報が読出
される毎に信号φｈｓがハイレベルになり、出力ライン
３５はリセットされる。こうして、全ての光電変換セル
２０−１〜２０−ｎの光情報が増幅度の調整された増幅
器４３からシリアルに出力される。以下同様に、リフレ
ッシュ、蓄積および読出しの各動作が繰返されるが、読
出し動作を行う毎にピーク値が検出されて増幅器４３の
増幅度が調整される。

このように、光情報の読出し動作と、ピーク値検出動作
とを並行して行うことができるために、全体として動作
の高速化を達成できる。

第３図（Ａ）は、本実施例を用いた撮像装置の第二例を
示す回路図、第３図（Ｂ）は、その動作を示すタイミン
グ波形図である。ただし、第２図に示す回路と同じ部分
には、同一記号および番号を付して説明は省略する。

第３図（Ａ）において、光電変換セル２０−１〜２０−
ｎのバイポーラトランジスタは、後述するように、ベー
ス領域４中でのキャリア消滅を小さくするために’；ｔ
［、増幅率ｈ「ｅ　を十分大きくしている。光電変換セ
ル２０−１〜２０−ｎの各エミッタ電極８′は共通ライ
ン２２に接続され、リセット用トランジスタ４６を介し
て接地されているとともに、制御回路４８に接続されて
いる。また、トランジスタ４６のゲート電極は端子２７
に接続され、信号φマＳが印加される。

制御回路４８は、ライン２９およびライン２３に各々信
号φＬおよびφｒを出力する。ただし、後述するように
、読出し動作時における信号φＬは共通ライン２２の電
圧Ｖｐｋが設定電圧ｖＯに達した時に出力される。さら
に制御回路４８はシフトレジスタ３２に制御信号を出力
する。

なお、その他の回路構成は、増幅器４３および増幅度調
整回路４５を除いて第２図（Ａ）に示す回路と同じであ
る。

次に、第３図（Ｂ）を参照しながら上記撮像装置の動作
を説明する。

まず、信号φマＳおよびφｈｓをハイレベルにすること
で、トランジスタ２５−１〜２５−ｍ、リセット用トラ
ンジスタ３６および４８をＯＮ状態にする。これによっ
て、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの各エミッタ電極
８および８′は接地され、共通ライン２２の電位Ｖｐｋ
は接地電位となる。

続いて、時点ｔ１において、信号φｔがハイレベルとな
り、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯＮ状態となる
。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１
ｎが接地状態となり、残留電荷が除去される。続いて、
信号φＥのパルスが立下がると、時点ｔ２において、信
号φｒがハイレベルとなり、各光電変換セル２０−１〜
２０−ｎのキャパシタ電極７に正電圧が印加される。各
エミッタ電極８および８′は接地状態にあるから、すで
に述べたようにリフレッシュ動作が行われる。

時点ｔ３においてリフレッシュ動作は終了し、信号φマ
Ｓおよびφｈｓはケ下がってトランジスタ２５−１〜２
５−ｎおよび２８−１〜２８−ｎはＯＦＦ状態となる。

しかし、信号φｒはハイレベルのままであり、各光電変
換セルのキャパシタ電極７には正電圧が印加され続けて
いる。この状８で蓄積動作を行うと、読出し動作が並行
して行われ、エミッタ電極８および８′には入射光ｒに
対応した光情報の電圧が現われる。この時、各光電変換
セルのペース領域４に蓄積されたホールは１／ｈｒｅだ
けが再結合によって消滅するが、電流増幅−Ｅｔ＋ｒ。

が十分大きいために、再結合によるホールの消滅は無視
することができる。

各エミッタ電極８は、トランジスタ２日−１〜２８−ｎ
および２５−１〜２５−ｎがＯＦＦ状態であるために、
光電変換セル２０−１〜２０−ｎの各光情報の電圧とな
る。それに対して、各エミッタ電極８′は、共通ライン
２２に接続されているために、各光情報のうちのピーク
電圧Ｖｐｋが現われる。

ピーク電圧Ｖｐｋの変化は制御回路４８で検知され、ピ
ーク電圧Ｖｐｋが予め設定された電圧値Ｖｏに達すると
　（時点Ｌ４）、制御回路４日は信号φＬをハイレベル
としてトランジスタ２８−１〜２８−ｎヲＯＮ状１、！
ｉとする。これによって、蓄積動作は終了し、東直ライ
ン２１−１〜２１−ｎに現われていた各光情報が電荷蓄
積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積される。以下
、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積され
た各光情報を順次出力する動作（時点ｔ５以降）は、第
２図に示す第−例と同様であるから省略する。

上記第二例の撮像装置では、エミッタ電極８′からピー
ク電圧Ｖｐｋを検出し、その電圧Ｖｐｋに基づいて蓄積
動作期間を調整することで、第−例と同様に光情報の大
小の広がりを抑制し、自動的な絞りの機能を実現してい
る。勿論、第二例の方式を第−例に応用して、ピーク電
圧Ｖｐｋに基づいて増幅器４３の増幅度を調整してもよ
い。

また、上記実施例では、光電変換セルを一次元状に配列
したラインセンサを例示したが、二次元状に配列したエ
リアセンサであっても本発明は適用可能であることは明
白〒ある。

［発明の効果］以上詳細に説明したように１本発明による光電変換装置
は、主電極領域とは別に設けられた半導体領域から光情
報を読出すことができるために。

一方で主電極領域から光情報の読出しを行い、他方で前
記半導体領域から光情報を読出すことができ、例えば測
光やピーク値検出等に用いることができる。これによっ
て、Ｎ積又は読出し動作等に並行して測光やピーク値検
出等を行うことができ、全体として動作の高速化を達成
できる。また、それらの検出値に基づいて光情報の処理
を行う回路を構成すれば、光情報を安定して読出すこと
ができるとともに、後段の信号処理回路の設計も容易と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の一実施例
の概略的平面図、第１図（Ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図
、第１図（Ｃ）は、その等価回路図、第２図（Ａ）は、
本実施例を用いた撮像装置の第−例を示す回路図、第２
図（Ｂ）は、その撮像装置の動作を示すタイミングチャ
ート。第３図（Ａ）は、本実施例を用いた撮像装置の第二例を
示す回路図、第３図（Ｂ）は、その動作を示すタイミン
グ波形図、第４図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭６０−１２７８５号公報に記載されている光電変換装
置の概略的断面図、第４図（Ｂ）は、その１個の光電変
換セルの等価回路図である。７・拳・キャパシタ電極８、８′・・・エミッタ電極１２・・・コレクタ電極２０−１〜２０−ｎ・・・光電変換セル２２・ｅ・共通
ライン３５・・・読出しライン４３・Φ・増幅器４５・・・増幅度調整回路４８１１・・制御回路代理人　弁理士　山　下　穣　平第４図（Ａ）第４図（Ｂ）手続７市正書（方式）昭和６１年２月１２日特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿１９　事件の表示昭和６０年特許願第２５２６５３号２、　発明の名称光電変換装置３、　補正をする者事件との関係　特許出願人住所　東京都大田区下丸子３丁目３０番２号名称（１０
０）キャノン株式会社４、代理人住所　東京都港区虎ノ門五丁目１３番１号虎ノ門４０森
ビル昭和６１年　１月２８日６、　補正の対象図面および委任状７、　補正の内容

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体トランジスタの制御電極領域の電位をキャ
パシタを介して制御することにより、前記制御電極領域
に光励起によって発生したキャリアを蓄積する蓄積動作
と、該蓄積により発生した蓄積電圧によって制御された
信号を前記半導体トランジスタの主電極領域から読出す
読出し動作と、前記制御電極領域に蓄積されたキャリア
を消滅させるリフレッシュ動作の各動作を行う光電変換
セルを有する光電変換装置において、前記制御電極領域に、前記主電極領域と同一導電型の半導体領域を前記主電極領域とは別に設け
たことを特徴とする光電変換装置。