JPS6222543B2 - - Google Patents

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JPS6222543B2
JPS6222543B2 JP55150795A JP15079580A JPS6222543B2 JP S6222543 B2 JPS6222543 B2 JP S6222543B2 JP 55150795 A JP55150795 A JP 55150795A JP 15079580 A JP15079580 A JP 15079580A JP S6222543 B2 JPS6222543 B2 JP S6222543B2
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JP
Japan
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diffusion region
type diffusion
metal wiring
type
wiring layer
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JP55150795A
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Japanese (ja)
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JPS5775469A (en
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Mitsuo Ooshima
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、受光装置に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to a light receiving device.

第1図は従来の受光装置の断面図であり、この
第1図において、1は第1の導電型の基板、2は
第1の導電型とは異なる層、3は表面保護のシリ
コン酸化膜、4は層2の電極である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional light receiving device. In FIG. 1, 1 is a substrate of the first conductivity type, 2 is a layer different from the first conductivity type, and 3 is a silicon oxide film for surface protection. , 4 are the electrodes of layer 2.

また、第2図は第1図の使い方の等価回路図で
ある。この第2図において、Eは電源であり、こ
の電源Eの両極間に負荷抵抗RLと第1図の受光
装置PDが直列に接続されている。
Further, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the usage of FIG. 1. In this FIG. 2, E is a power source, and a load resistor RL and a light receiving device PD of FIG. 1 are connected in series between both poles of this power source E.

このような従来の受光装置の動作は、P―N接
合を逆バイアスして、負荷抵抗RLを接続して用
いる。光が照射されると、3nA/mm2Lux程度の光
電流ILが流れるが、同時に50〜200pA/mm2程度
の暗電流Idと呼ばれる接合リーク電流が流れる。
Such a conventional light receiving device operates by reverse biasing the PN junction and connecting a load resistor RL. When light is irradiated, a photocurrent I L of about 3 nA/mm 2 Lux flows, but at the same time a junction leakage current called dark current Id of about 50 to 200 pA/mm 2 flows.

すなわち、(IL+Id)が負荷抵抗RLに流れ
る。したがつて、光が弱い場合に、暗電流が無視
できなくなり、正確な光信号を得ることができな
くなる欠点があつた。その様子が第3図に示され
ている。
That is, (I L +Id) flows to the load resistance RL. Therefore, when the light is weak, the dark current cannot be ignored, making it impossible to obtain an accurate optical signal. The situation is shown in FIG.

また、暗電流は、周囲温度が30〜35℃上昇する
と、約1桁大きくなるので、上記欠点はより大き
くなると云う欠点があつた。
Further, the dark current increases by about one order of magnitude when the ambient temperature rises by 30 to 35°C, so the above-mentioned drawback becomes even greater.

この発明は、上記の点にかんがみなされたもの
で、暗電流を減少させかつ暗電流の温度特性にす
ぐれた受光装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a light receiving device that reduces dark current and has excellent temperature characteristics of dark current.

以下、この発明の受光装置の実施例について図
面に基づき説明する。第4図はその一実施例の構
成を示す断面図である。この第4図において、5
はN型単結晶シリコン基板である。N型単結晶シ
リコン基板5に第1P型拡散領域6が形成されて
おり、この第1P型拡散領域6と離間して第2P型
拡散領域7が形成されている。
Embodiments of the light receiving device of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of one embodiment. In this Figure 4, 5
is an N-type single crystal silicon substrate. A first P-type diffusion region 6 is formed in an N-type single crystal silicon substrate 5, and a second P-type diffusion region 7 is formed apart from the first P-type diffusion region 6.

第1P型拡散領域6には、第1N型拡散領域8、
オーミツクをとるためのP型コンタクト領域9が
形成されている。そして、N型単結晶シリコン基
板5、第1P型拡散領域6、第2P型拡散領域7の
上面には、第2P型拡散領域7上の第1開口部1
3、第1N型拡散領域8上の第2開口部14、P
型コンタクト領域9上の第3開口部15を除い
て、酸化物層10が形成されている。
The first P-type diffusion region 6 includes a first N-type diffusion region 8,
A P-type contact region 9 is formed to provide ohmic contact. The upper surfaces of the N-type single crystal silicon substrate 5, the first P-type diffusion region 6, and the second P-type diffusion region 7 are provided with a first opening 1 on the second P-type diffusion region 7.
3. Second opening 14 on first N-type diffusion region 8, P
An oxide layer 10 is formed except for the third opening 15 over the mold contact region 9 .

第1開口部13と第2開口部14上には酸化物
層10をまたぐようにして、第1金属配線層11
により、第2P型拡散領域7と第1N型拡散領域8
が結線されている。また、第3開口部15上には
第2金属配線層12が形成されている。
A first metal wiring layer 11 is formed over the first opening 13 and the second opening 14 so as to straddle the oxide layer 10.
Accordingly, the second P-type diffusion region 7 and the first N-type diffusion region 8
is connected. Further, a second metal wiring layer 12 is formed on the third opening 15 .

これらの第1金属配線層11、第2金属配線層
12上および酸化物層10上には、中間絶縁膜1
6が形成されている。この中間絶縁膜16上にお
いて、受光窓18を除いて光しやへい層17が形
成されている。受光窓18には入射光19が入射
するようになつている。
An intermediate insulating film 1 is formed on the first metal wiring layer 11, the second metal wiring layer 12, and the oxide layer 10.
6 is formed. A light-shielding layer 17 is formed on the intermediate insulating film 16 except for the light-receiving window 18 . Incident light 19 is made to enter the light receiving window 18 .

次に、上述のような構造を有するこの発明の受
光装置の製造工程について概述する。まず、キヤ
リア密度1015/cm3程度の〈100〉N型単結晶シリ
コン基板5を用いて第1P型拡散領域6を10〜15
μmの拡散深さに拡散する。
Next, the manufacturing process of the light receiving device of the present invention having the above-described structure will be outlined. First, using a <100> N-type single crystal silicon substrate 5 with a carrier density of about 10 15 /cm 3 , a first P-type diffusion region 6 is formed with 10 to 15
Diffuses to a diffusion depth of μm.

次に、第2P拡散領域7(P+層)を拡散すると
ともに、第1P型拡散領域6にP型コンタクト領
域9を2μ程度拡散する。そして、この第1P型
拡散領域6に第1N型拡散領域8(N+層)を2〜
3μ程度に拡散する。
Next, while diffusing the second P diffusion region 7 (P + layer), a P type contact region 9 of about 2 μm is diffused into the first P type diffusion region 6 . Then, a first N-type diffusion region 8 (N + layer) is placed in this first P-type diffusion region 6 .
Diffuses to about 3μ.

次に、金属膜とシリコン間にオーミツクをとる
ために、第2P型拡散領域7、第1N型拡散領域
8、P型コンタクト領域9上の酸化物層10にそ
れぞれ第1ないし第3開口部13〜15を開口さ
せ、金属膜を1μ程度蒸着後、ホトリソ工程を経
て、第1金属配線層11、第2金属配線層12を
得る。第1金属配線層11が受光装置の出力部に
なる。
Next, in order to establish an ohmic between the metal film and the silicon, first to third openings 13 are formed in the oxide layer 10 on the second P-type diffusion region 7, the first N-type diffusion region 8, and the P-type contact region 9, respectively. 15 are opened, a metal film is deposited to a thickness of about 1 μm, and then a photolithography process is performed to obtain a first metal wiring layer 11 and a second metal wiring layer 12. The first metal wiring layer 11 becomes the output part of the light receiving device.

次に、中間絶縁膜16を0.5〜1μ程度形成
後、光しやへい層17をたとえば、アルミニウム
を1μ程度蒸着し、受光窓18を第2P型拡散領
域7上に開口する。また、第1P型拡散領域6と
第2P型拡散領域7の間隔は100μ程度離間する。
Next, after forming an intermediate insulating film 16 of about 0.5 to 1 μm, a light-shielding layer 17 of, for example, aluminum of about 1 μm is deposited, and a light-receiving window 18 is opened on the second P-type diffusion region 7 . Further, the distance between the first P type diffusion region 6 and the second P type diffusion region 7 is about 100 μm.

第5図は上述のように製造されたこの発明の受
光装置の動作例を示す等価回路図である。この第
5図において、20はN型単結晶シリコン基板5
と第2P型拡散領域7とで構成される第1のダイ
オード(受光素子)であり、第4図におけるN型
単結晶シリコン基板5がカソードとなり、第1金
属配線層11がアノードとなるものである。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing an example of the operation of the light receiving device of the present invention manufactured as described above. In this FIG. 5, 20 is an N-type single crystal silicon substrate 5.
and a second P-type diffusion region 7, the N-type single crystal silicon substrate 5 in FIG. 4 serves as a cathode, and the first metal wiring layer 11 serves as an anode. be.

また、21は光しやへいされた第2のダイオー
ド(受光素子)であり、第4図における第1P型
拡散領域6と第1N型拡散領域8とで構成される
ものであり、カソードが第1金属配線層11で、
アノードが第2金属配線層12である。この第1
のダイオード20と第2のダイオード21はそれ
ぞれ逆バイアスされている。すなわち、第1のダ
イオード20のカソード(N型単結晶シリコン基
板5)が第1の直流電源E1の正極に接続され、
同ダイオード20のアノード(第1金属配線層1
1)が前記第1の直流電源E1の負極に接続され
ている。また、第2のダイオード21のカソード
(第1金属配線層11)が第2の直流電源E2の
正極に接続され、同ダイオード21のアノード
(第2金属配線層12)が前記第2の直流電源E
2の負極に接続される。そして、この第2の直流
電源E2の正極および第1の直流電源E1の負極
と第1のダイオード20のアノードおよび第2の
ダイオード21のカソード(第1金属配線層1
1)間には負荷抵抗RLが接続され、その両端が
出力outとして導出される。
Further, 21 is a second diode (light receiving element) which is shielded from light and is composed of the first P-type diffusion region 6 and the first N-type diffusion region 8 in FIG. 1 metal wiring layer 11,
The anode is the second metal wiring layer 12. This first
The diode 20 and the second diode 21 are each reverse biased. That is, the cathode (N-type single crystal silicon substrate 5) of the first diode 20 is connected to the positive electrode of the first DC power source E1,
The anode of the diode 20 (first metal wiring layer 1
1) is connected to the negative electrode of the first DC power source E1. Further, the cathode (first metal wiring layer 11) of the second diode 21 is connected to the positive electrode of the second DC power source E2, and the anode (second metal wiring layer 12) of the second diode 21 is connected to the second DC power source E2. E
Connected to the negative electrode of No.2. The positive electrode of the second DC power source E2, the negative electrode of the first DC power source E1, the anode of the first diode 20, and the cathode of the second diode 21 (the first metal wiring layer 1
1) A load resistor RL is connected between them, and both ends thereof are derived as an output.

第1のダイオード20には、入射光19が受光
窓18を通して入射し、光電流ILと第1のダイ
オード20の暗電流Id1が流れる。第2のダイオ
ード21には、光しやへいされているため、光電
流は流れず、暗電流Id1のみが流れる。
Incident light 19 enters the first diode 20 through the light receiving window 18, and a photocurrent I L and a dark current Id 1 of the first diode 20 flow. Since the second diode 21 is shielded from light, no photocurrent flows, and only the dark current Id 1 flows.

第1のダイオード20の光電流は3mA/mm2
Lux程度であり、暗電流は50〜200PA/mm2であ
る。第2のダイオード21の暗電流は拡散濃度な
どが第1のダイオード20と異なるため、500〜
1000PA/mm2程度である。
The photocurrent of the first diode 20 is 3mA/mm 2
Lux, and the dark current is 50 to 200 PA/ mm2 . The dark current of the second diode 21 is different from that of the first diode 20 in terms of diffusion concentration, etc.
It is about 1000PA/ mm2 .

ここでは、暗電流はほぼ面積に比例するので、
Id1とId2をほぼ等しくするために、第2のダイオ
ード21の面積を第1のダイオード20の面積の
約1/5にしている。
Here, the dark current is approximately proportional to the area, so
In order to make Id 1 and Id 2 approximately equal, the area of the second diode 21 is made approximately 1/5 of the area of the first diode 20.

また、出力電圧Voutは{(IL+Id1)−Id2}×R
Lに比例するので、Id1≒Id2としてあるため、出
力電圧VoutはILLにほぼ等しくなる利点を有
する。
Also, the output voltage Vout is {( IL + Id 1 ) − Id 2 }×R
Since it is proportional to L , Id 1 ≈Id 2 , so the output voltage Vout has the advantage of being approximately equal to I L RL .

さらに、第1のダイオード20の暗電流と第2
のダイオード21の暗電流の温度特性も約30〜35
℃程度上昇で、暗電流が1桁上昇するので、(Id1
−Id2)の値は非常に小さく、従来の場合の暗電流
Id1の増加傾向に比較し、軽減できるので、受光
装置の暗電流の温度特性にすぐれる利点を有す
る。
Furthermore, the dark current of the first diode 20 and the second
The temperature characteristic of the dark current of diode 21 is also about 30 to 35
As the dark current increases by an order of magnitude with an increase of approximately ℃, (Id 1
−Id 2 ) is very small, and the dark current in the conventional case
Since it can be reduced compared to the increasing tendency of Id 1 , it has the advantage of excellent temperature characteristics of the dark current of the light receiving device.

なお、この発明は第2のダイオードを有するこ
とにより、実効暗電流を小さくできるので、微弱
光の検知を広い温度範囲で検知できる利点があ
り、広いダイナミツクレンジの要求されるホトダ
イオードに利用できる。
Note that by including the second diode, the present invention can reduce the effective dark current, so it has the advantage of being able to detect weak light in a wide temperature range, and can be used for photodiodes that require a wide dynamic range.

以上のように、この発明の受光装置によれば、
第1および第2の受光素子を形成し、この各受光
素子を通して負荷に逆方向に電流を流し、第2の
受光素子は光しやへいして暗電流のみを流すこと
により、第1の受光素子で発生した不要な暗電流
は第2の受光素子の暗電流で差し引くようにした
ので、出力端における実効暗電流が非常に小さく
なるとともに、実効暗電流の温度特性も向上す
る。これにより、低照度の微弱光も広い温度範囲
で検知できる利点がある。
As described above, according to the light receiving device of the present invention,
By forming first and second light receiving elements, passing current in the opposite direction to the load through each light receiving element, and blocking light from the second light receiving element to allow only dark current to flow, the first light receiving element Since the unnecessary dark current generated is subtracted by the dark current of the second light-receiving element, the effective dark current at the output terminal becomes extremely small, and the temperature characteristics of the effective dark current are also improved. This has the advantage that even low-intensity, weak light can be detected over a wide temperature range.

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

第1図は従来の受光装置の構造を示す断面図、
第2図は第1図の受光装置の使い方の等価回路
図、第3図は従来の受光装置の照度対電流の特性
図、第4図はこの発明の受光装置の一実施例の構
造を示す断面図、第5図は第4図の受光装置の使
い方の等価回路図である。 5…N型単結晶シリコン基板、6…第1P型拡
散領域、7…第2P型拡散領域、8…第1N型拡散
領域、9…P型コンタクト領域、10…酸化物
層、11…第1金属配線層、12…第2金属配線
層、13…第1開口部、14…第2開口部、15
…第3開口部、16…中間絶縁膜、17…光しや
へい層、18…受光窓、19…入射光、20…第
1のダイオード、21…第2のダイオード、E1
…第1の直流電源、E2…第2の直流電源、RL
…負荷抵抗。
Figure 1 is a sectional view showing the structure of a conventional light receiving device.
Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of how to use the light receiving device shown in Fig. 1, Fig. 3 is a characteristic diagram of illuminance versus current of a conventional light receiving device, and Fig. 4 shows the structure of an embodiment of the light receiving device of the present invention. The sectional view, FIG. 5, is an equivalent circuit diagram of how to use the light receiving device of FIG. 4. 5... N-type single crystal silicon substrate, 6... First P-type diffusion region, 7... Second P-type diffusion region, 8... First N-type diffusion region, 9... P-type contact region, 10... Oxide layer, 11... First Metal wiring layer, 12... Second metal wiring layer, 13... First opening, 14... Second opening, 15
... Third opening, 16... Intermediate insulating film, 17... Light-shielding layer, 18... Light-receiving window, 19... Incident light, 20... First diode, 21... Second diode, E1
...First DC power supply, E2...Second DC power supply, RL
…Load resistance.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 N型単結晶シリコン基板と、このN型単結晶
シリコン基板の表面の一部に形成された第1P型
拡散領域と、この第1P型拡散領域から所定の距
離を隔てて上記N型単結晶シリコン基板の表面に
形成され該N型単結晶シリコン基板とで第1の受
光素子を形成する第2P型拡散領域と、上記第1P
型拡散領域の表面の一部に形成され該第1P型拡
散領域とで第2の受光素子を形成する第1N型拡
散領域と、この第1N型拡散領域から所定の距離
離間して上記第1P型拡散領域の表面に形成され
たP型コンタクト領域と、上記第2P型拡散領域
の表面に第1開口部および上記第1N型拡散領域
の表面に第2開口部と上記P型コンタクト領域の
表面に第3開口部を配置するごとく上記N型単結
晶シリコン基板の表面に形成された酸化物層と、
上記第1開口部と第2開口部を電気的に結合する
ごとく上記酸化物層上に形成された第1の金属配
線層と、上記第3開口部から上記酸化物層上に形
成された第2の金属配線層と、上記酸化物層と第
1および第2の金属配線層上に形成された絶縁物
層と、上記第2P型拡散領域の上方に存在する上
記絶縁物層の表面以外の上記絶縁物層の表面に入
射光の透過を防止するごとく形成された光しやへ
い層と、上記第1の金属配線層に負極、上記N型
単結晶シリコン基板に正極が接続された第1の直
流電源と、上記第1の金属配線層に正極、上記第
2の金属配線層に負極が接続された第2の直流電
源と、この第2の直流電源の正極および上記第1
の直流電源の負極と上記第1の金属配線層間に挿
入された負荷とを具備してなる受光装置。
1 an N-type single-crystal silicon substrate, a first P-type diffusion region formed on a part of the surface of this N-type single-crystal silicon substrate, and the above-mentioned N-type single crystal at a predetermined distance from this first P-type diffusion region. a second P-type diffusion region formed on the surface of the silicon substrate and forming a first light receiving element together with the N-type single crystal silicon substrate;
a first N-type diffusion region that is formed on a part of the surface of the first P-type diffusion region and forms a second light-receiving element with the first P-type diffusion region; a P-type contact region formed on the surface of the type diffusion region, a first opening on the surface of the second P-type diffusion region, a second opening on the surface of the first N-type diffusion region, and a surface of the P-type contact region. an oxide layer formed on the surface of the N-type single crystal silicon substrate such that a third opening is arranged;
A first metal wiring layer formed on the oxide layer so as to electrically couple the first opening and the second opening, and a first metal wiring layer formed on the oxide layer from the third opening. the second metal wiring layer, the insulating layer formed on the oxide layer and the first and second metal wiring layers, and the surface of the insulating layer existing above the second P-type diffusion region. a light-shielding layer formed on the surface of the insulating layer to prevent transmission of incident light; a first metal wiring layer having a negative electrode connected to the first metal wiring layer; and a positive electrode connected to the N-type single crystal silicon substrate. a second DC power source having a positive electrode connected to the first metal wiring layer and a negative electrode connected to the second metal wiring layer; a positive electrode of the second DC power source and the first DC power source;
A light receiving device comprising a negative electrode of a DC power source and a load inserted between the first metal wiring layer.
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