JPS62115866A - 光電変換装置 - Google Patents

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］ 本発明は、光によって励起され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複数
個有し、各光電変換セルの読出し信号を読出しラインを
通して外部へ出力する光電変換装置に関する。

［従来技術］ 第５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５図ＣＢ）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１上に光電変換セルが
形成され配列されており、各光電変換セルは５ｉ０２　
、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−ヒには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＋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上には酸化膜
６が形成され、酸化膜６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８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十領域５に接続されたエミッタ電極８、基
板１の裏面に不純物濃度の高いｎ中領域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
が正方向に上昇する（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めに、読出し動作の繰
返しが可能である。

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十領域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繰り返される。

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屯極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
走により増幅してから読出すわけであり、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（こ
こではホール）によりベースに発生する電位Ｖｐは、Ｑ
／Ｃで榮えられる。ここでＱはベースに蓄積されたホー
ルの電荷量、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、高集積化された場合、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右利なものであると？Ｔ
える。

第６図は、上記光電変換セルを用いた従来の光電変換装
この一例を示す回路図である。

同図において、上記光電変換セル３０の各キャパシタ電
ＪＪｊ７は、水平ライン３１にライン毎に共通接続され
、各水モライン３１には取直走査部′３２から読出し川
又はりフレンシュ用の正電圧パルスが順次印加される。

また、光電変換セル３０の各エミッタ電極８は垂直ライ
ン３３に列毎に接続され、各垂直ライン３３は、スイッ
チングトランジスタ３４を介して読出しライン３５に共
通接続されている。読出しライン３５はリセット用トラ
ンジスタ３６を介して接地されるとともに、出力アンプ
３７の入力端子に接続されている。また、スイッチング
トランジスタ３４の各ゲート電極は水平走査部３８の出
力端子に各々接続され、水平走査部３８の動作によって
スイッチングトランジスタ３４は順次ＯＮ状態となる。

したがって、任、αのラインにおける光電変換セル３０
の各読出し信号は、順次ＯＮ状態となるスイッチングト
ランジスタ３４を通して読出しライン３５にシリアルに
読出され、出力アンプ３７によって増幅されて外部へ出
力される。その際、読出しライン３５は、各読出し信号
の外部への出力が終了する毎に、リセット用トランジス
タ３６によって接地電位にリセットされる。

［発明が解決しようとする問題点］ 」二足従来の光電変換装置では、読出しライン３５をリ
セット用トランジスタ３６によって接地電位にリセット
するために、出力アンプ３７を駆動する電源には正電源
Ｖｄｄと負電源Ｖｓｓの二種類を用いる必要があった。

しかしながら、このような従来の光電変換装置では、Ｌ
ＳＩ技術の進展に伴う駆動電源の単一化および低レベル
化に不利となることは明白である。

［問題点を解決するための手段］ 丑記従来の問題点を解決するために、本発明による光電
変換装置は、 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ｍ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
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という各動作を行
う光電変換セルを複数個有し、前記読出し動作時の読出
し信号を読出しラインを通して外部へ出力する光電変換
装置において、 前記読出しラインを接地電位以外の定電位に適時設定す
るスイッチ手段を設けたことを特徴とする。

［作用］ このように構成することで、上記読出しラインに読出し
信号を読出す前に、予め上記スイッチ手段によって読出
しラインを接地電位以外の定電位に設定することができ
、後段の出力アンプ等の駆動電源系を簡略化することが
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図は、本発明による光電変換装置の第一実施例を示
す回路図である。ただし、ここでは光電変換セル３０を
ｎＸｍ個配列した場合を説明する。

同図において、光電変換セル３０のキャパシタ電極７は
、ライン毎に水平ライン３１−１〜３１−ｎに共通接続
され、各水平ラインにはトランジスタ３８−１〜３８−
ｎを介して読出し用正電圧パルスφ「が印加される。ま
た、各水上ラインにはトランジスタ４０−１〜４０−ｎ
を介してリフレッシュ用パルスφｆが印加される。

トランジスタ３９−１〜３９−ｎの各ゲート電極は、垂
直シフトレジスタ＋０１の出力端子２０−１〜２０−ｎ
に接続され、また、トランジスタ４０−１〜４０−ｎの
各ゲート電極は垂直シフトレジスタ１０１の出力端子２
１−１〜２１−ｎに接続され、垂直走査が行われる。

光電変換セル３０の各エミッタ電極８は、列毎に垂直ラ
イン３３−１〜３３１に共通接続され、各垂直ラインは
トランジスタ３日−１〜３８１を介して読出しライン１
０２に接続されるとともに、トランジスタ３６−１〜３
６１を介して接地されている。なお、各垂直ライン３３
−１〜３３１には、浮遊容量Ｃマが存在している。

トランジスタ３８−１〜３８１の各ゲート電極は水平シ
フトレジスタ１０５の出力端子２２−１〜２２１に接続
されている。また、トランジスタ３６−１〜３６１の各
ゲート電極は共通に接続され、パルスφマが印加される
。

読出しライン１０２は、出力アンプ１０３の入力端子に
接続されるとともに、リセット用のトランジスタ１０４
を介して直流電源の陽極（電圧ｖｈ）に接続され、トラ
ンジスタ１０４のゲート電極にはパルスφｈが印加され
る。なお、読出しライン１０２には浮遊容Ｈｃｂが存在
している。また、出力アンプ１０３において、トランジ
スタ４１のドレイン電極には正電圧Ｖｄが印加され、ソ
ース電極１０Ｂは抵抗４２を介して接地されている。

なお、全ての光電変換セル３０のコレクタ電極１２は共
通に接続されており、正電圧Ｖｃが印加されている。

次に、このような構成を有する本実施例の具体的動作を
第２図を用いて詳細に説明する。

第２図は、本実施例の動作を示すタイミング波形図であ
る。ただし、ここでは第１ラインのみの動作を示してい
る。

まず、垂直シフトレジスタ１０１の出力端子２０−１か
らハイレベルが出力されるとトランジスタ３９−１がＯ
Ｎ状態となり、このタイミングに合わせて読出し用正電
圧パルスφ「がハイレベルとなる。これによって、水平
ライン３１−１に共通接続された光電変換セル３０の各
キャパシタ電極７に読出し用正電圧が印加され、第１ラ
インの光電変換セル３０に蓄積されていた各信号が、垂
直ライン３３−１〜３３１の各浮遊容量Ｃマに読出され
る。

次に、パルスφｈを印加してリセット用のトランジスタ
１０４をＯＮ状態とし、読出しライン１０２の浮遊容量
ａｈを正電位ｖｈにプリチャージしておく。

続いて、水平シフトレジスタ１０５の出力端子２２−■
からハイレベルが出力されると、トランジスタ３８〜ｌ
がＯＮ状態となり、垂直ライン３３−１の浮遊容量Ｃマ
に蓄積された信号が読出しライン１０２に読出され、出
力アンプ１０３で電流増幅されて外部へ出力される。そ
の直後、パルスφｈがハイレベルとなり、読出しライン
１０２は正電位ｖｈにリセットされる。続いて、水トシ
フトレジスタ１０５の出力端子２２−２からハイレベル
が出力され、川向ライン３３−２の浮遊容量Ｃマに蓄積
された読出し信号がトランジスタ３８−２を介して読出
しライン１０２に読出され、出力アンプ１０３を通して
外部へ出力される。このように、読出しライン１０２に
読出し信号が読出される毎に、読出しティン１０２はリ
セットされる。

以下同様に、水平シフトレジスタ１０５の出力端子２２
−３〜２２−ｆｆｉから１順次ハイレベルが出力され、
第１ラインの全ての光電変換セル３０に蓄積された信号
がシリアルに外部へ出力される。

こうして第１ラインの走査が終了すると、パルスφマを
ハイレベルとしてトランジスタ３Ｂ−１〜３Ｅｌ−ｍを
ＯＮ状態にし、光電変換セル３０のエミッタ電極８を接
地する。また、垂直シフトレジスタ１０１の出力端子２
１−１にハイレベルを出力してトランジスタ４０−１を
ＯＮ状態とし、このタイミングに合わせてリフレッシュ
用正電圧パルスφｆをハイレベルにして第１ラインの全
光電変換セル３０のリフレッシユ動作を行う。リフレッ
シュ動作が終了すると、第１ラインの光電変換セル３ｏ
は、次回の読出し動作までの期間、蓄積動作を行う。

第１ラインの光電変換セル３ｏが蓄積動作を開始すると
、垂直シフトレジスタｌｏｌの出力端子２ｏ−２および
２Ｉ−２から１ｖ次ハイレベルが出力され、第１ライン
と同様にして第２ラインの走査が行われる。以下、同様
に垂直シフトレジスタ１０１の動作タイミングに従って
、第３〜第ｎラインで順次読出し、リフレッシュおよび
蓄積の各動作が行われ、ＩＩＩ×１個の光電変換セル３
０の読出し信号が出力アンプ１０３の出力端子１０Ｂか
らシリアルに外部へ出力される。

第３図は、本発明の第二実施例の回路図である。本実施
例は、光電変換セル３ｏを一次元的に配列したラインセ
ンサであり、第１図における第１列の光電変換セル３０
のエミッタ電極８を直接読出しライン１０２に接続した
回路とほぼ同じ構成となっている。したがって、第一実
施例と同じ妻子には同一番号を付し、それらの構成の説
明は省略する。

第４図は、上記第二実施例の動作を示すタイミング波形
図である。

光電変換セル３０−１〜３０−ｎのベース領域４には蓄
積動作によって入射光量に対応したキャリアが蓄積され
ているものとする。

まず、パルスφｐをハイレベルとしてトランジスタ１０
４をＯＮ状態にし、読出しライン１０２の浮遊容量Ｃｐ
を正電圧Ｖｐによってプリチャージする。

続いて、シフトレジスタ１０１の出力端子２ｏ−１から
ハイレベルを出力し、トランジスタ３８−１をＯＮ状態
にする。このタイミングに合わせて、読出し用パルスφ
ｒがハイレベルになり、充電変換セル３０−１のキャパ
シタ電極７に読出し用正電圧が印加され、読出し動作が
行われる。ただし、パルスφｒの正電圧は、正電圧Ｖｐ
よりも高く設定されている。

この読出し動作によって、充電変換セル３０−１の読出
し信号は、読出しライン１０２に読出され、出力アンプ
１０３で電流増幅されて出力端子１０Ｂから外部へ出力
される。読出しが終了すると、シフトレジスタ１０１の
出力端子２１−１からハイレベルが出力され、トランジ
スタ４０−１がＯＮ状態となる。このタイミングに合わ
せて、リフレッシュ用パルスφｆおよびφｐがハイレベ
ルとなる。パルスφｆによって光電変換セル３０−１は
リフレッシュ動作を行い、パルスφｐによってトランジ
スタ１０４がＯＮ状態となって読出しライン１０２がプ
リチャージされる。ただし、パルスφｆの正電圧は、正
電圧Ｖｐより高く設定されている。

光電変換セル３０−１は、読出しおよびリフレッシュ動
作が終了すると、蓄積動作を行うが、それと並行して光
電変換セル３０−２の読出し、リフレッシュおよび蓄積
の各動作が同様に行われ、以下同様に光電変換セル３０
−３〜３０−ｎの各動作がシフトレジスタ１０１の動作
タイミングに合わせて順次行われる。こうして全ての光
電変換セル３０−１〜３０−ｎの読出し信号が、シリア
ルに出力端子１０Ｂから外部へ出力される。

なお、上記第一および第二実施例では、出力アンプ１０
３を絶縁ゲート型トランジスタを用いて構成したが、勿
論これに限定されるものではなく、へイボーラトランジ
スタを用いても容易に構成されることは明らかである。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明による光電変換装置
は、読出しラインを接地電位以外の定電位に適時設定す
るスイッチ手段を設けたことで、前記読出しラインに読
出し信号を読出す前に、予め前記スイッチ手段によって
読出しラインを接地電位以外の定電位に設定することが
でき、後段の出力アンプ等の駆動電源系を簡略化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の第一実施例を示
す回路図、 第２図は、本実施例の動作を示すタイミング波形図。 第３図は、本発明の第二実施例の回路図、第４図は、上
記第二実施例の動作を示すタイミング波形図、 第５図（Ａ）は、特開昭６０−１２７５９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５図（Ｂ）は、その１個の光電変
換セルの等価回路図。 第６図は、上記光電変換セルを用いた従来の光電変換装
置の一例を示す回路図である。 ７・・・キャパシタ電極 ８・・争エミッタ電極 １２１１拳Φコレクタ電極 ３０．３０−１〜３Ｏ−ｎｏ　＊　・光電変換セル１０
２　・・舎続出しライン １０３　・拳拳出力アンプ １０４　・・・リセット用トランジスタ代理人　弁理士
　山　下　穣　モ 第２図 第４図 廚２ｌ−ｎ０−一口− 第５　図　（Ａ） 第５回（Ｂ） −丁一系売有ｎ−１Ｆ−已（（方式） 昭和６１年２月１２日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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という各動
   作を行う光電変換セルを複数個有し、前記読出し動作時
   の読出し信号を読出しラインを通して外部へ出力する光
   電変換装置において、 前記読出しラインを接地電位以外の定電 位に適時設定するスイッチ手段を設けたことを特徴とす
   る光電変換装置。