JPS6250992B2 - - Google Patents
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- JPS6250992B2 JPS6250992B2 JP53086572A JP8657278A JPS6250992B2 JP S6250992 B2 JPS6250992 B2 JP S6250992B2 JP 53086572 A JP53086572 A JP 53086572A JP 8657278 A JP8657278 A JP 8657278A JP S6250992 B2 JPS6250992 B2 JP S6250992B2
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- Light Receiving Elements (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体装置に関し、特に半導体光電変
換装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a semiconductor photoelectric conversion device.
従来半導体光電変換装置としては、光伝導性光
検出器フオトダイオード、フオトトランジスタ等
が知られている。フオトトランジスタは従来のト
ランジスタと同様の構造を有し、光によつて生じ
たキヤリアをトランジスタのベース領域に蓄積し
てエミツタ電流を制御している。 2. Description of the Related Art Photoconductive photodetectors, photodiodes, phototransistors, and the like are conventionally known as semiconductor photoelectric conversion devices. A phototransistor has a structure similar to that of a conventional transistor, and controls emitter current by accumulating carriers generated by light in the base region of the transistor.
一方、従来の飽和型特性を示すバイポーラトラ
ンジスタ及び電界効果トランジスタとは対称的に
不飽和型電流電圧特性を示し得る静電誘導トラン
ジスタが本発明者によつて提案され(特許第
968336号(特公昭52―6076号)「電界効果トラン
ジスタ」、特許第968337号(特公昭52―17720号)
「電界効果トランジスタ」)種々の発展を遂げてい
る。 On the other hand, the present inventor proposed a static induction transistor that can exhibit unsaturated current-voltage characteristics in contrast to conventional bipolar transistors and field effect transistors that exhibit saturated characteristics (Patent No.
968336 (Special Publication No. 52-6076) "Field-effect transistor", Patent No. 968337 (Special Publication No. 17720-1972)
``Field-effect transistor'') has achieved various developments.
静電誘導トランジスタは、ソースから固有ゲー
ト(実質的にドレイン電流の制御を行なつている
所)までの直列抵抗が極めて小さくされており、
高い変換コンダクタンスを有する。 Static induction transistors have extremely low series resistance from the source to the intrinsic gate (where the drain current is essentially controlled).
Has high conversion conductance.
又固有ゲートに電位障壁を生じさせた場合は、
その電位障壁の高さをゲート電位とドレイン電位
のいづれによつても制御することができ、不飽和
型特性を示し得る原因となつている。さらにゲー
ト容量を非常に小さくすることが可能で、高速
度、低電力動作に適している。 Also, if a potential barrier is created at the intrinsic gate,
The height of the potential barrier can be controlled by both the gate potential and the drain potential, which is the reason why it can exhibit unsaturated characteristics. Furthermore, the gate capacitance can be made extremely small, making it suitable for high-speed, low-power operation.
本発明の目的は、静電誘導トランジスタの原理
を用いた高感度半導体光電変換装置を提供するこ
とである。 An object of the present invention is to provide a highly sensitive semiconductor photoelectric conversion device using the principle of a static induction transistor.
以下図面を参照して本発明を説明する。 The present invention will be explained below with reference to the drawings.
第1図は、本発明の基本実施例を説明するため
の回路図であり、nチヤンネル接合型静電誘導フ
オトトランジスタQのソースは接地され、ドレイ
ンは負荷抵抗Rを介して正電圧源VBに接続され
ている。ドレインと負荷抵抗Rとの接続中点に出
力端子Vputが接続されている。光hvが静電誘導
フオトトランジスタに照射し、チヤンネル内に電
子正孔対が発生すると、生じた正孔の少なくとも
一部はp型ゲート領域に蓄積され、ゲート電位V
Gを上昇させる。この光照射による起電力を透過
回路的に可変電圧源VGで示してある。光照射に
よつて生じたゲート電位VGに依存して出力(ド
レイン)電圧Vputが変化するので、照射光量を
知ることができる。 FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a basic embodiment of the present invention, in which the source of an n-channel junction type static induction phototransistor Q is grounded, and the drain is connected to a positive voltage source V B through a load resistor R. It is connected to the. An output terminal V put is connected to the midpoint between the drain and the load resistor R. When light h v irradiates the electrostatic induction phototransistor and electron-hole pairs are generated in the channel, at least some of the generated holes are accumulated in the p-type gate region and the gate potential V
Increase G. The electromotive force caused by this light irradiation is shown as a variable voltage source V G in the form of a transparent circuit. Since the output (drain) voltage V put changes depending on the gate potential V G generated by light irradiation, the amount of irradiated light can be known.
第2図に零ゲートバイアスで十分チヤンネルが
ピンチオフしている静電誘導フオトトランジスタ
の特性を示す。第2図において、g1〜g4は光量変
化による―曲線であり、l1,l2は電源電圧を
変化させた時の負荷曲線である。光が全く照射せ
ず、pn接合による拡散電位がそのままゲート・
チヤンネル間に生じてチヤンネルが十分ピンチオ
フしている場合の特性がg4で、固有ゲートの電位
障壁を下げ電流を流し始めるのにあるドレイン電
圧Vthを必要としている。 FIG. 2 shows the characteristics of a static induction phototransistor in which the channel is sufficiently pinched off with zero gate bias. In FIG. 2, g 1 to g 4 are curves due to changes in the amount of light, and l 1 and l 2 are load curves when the power supply voltage is changed. There is no light irradiation, and the diffusion potential due to the pn junction remains as it is at the gate.
The characteristic when the channel is sufficiently pinched off between channels is g4 , and a certain drain voltage Vth is required to lower the potential barrier of the inherent gate and start flowing current.
光を照射すると、生じた正孔がゲート領域に蓄
積されゲートを順方向にバイアスする。即ち拡散
電位と光照射によつて生じる起電力の和がゲー
ト・チヤンネル間に発生する。生じる起電力は光
量すなわちゲート領域に蓄積される電荷の量とゲ
ート容量によつて決まる。照射光量の増加と共に
特性曲線は、g3,g2,g1,と変化していく。g2は
チヤンネルに中性領域が生じはじめた状態に対応
し、g1ではチヤンネルは抵抗性の特性になつてい
る。 Upon irradiation with light, the holes generated are accumulated in the gate region and bias the gate in the forward direction. That is, the sum of the diffusion potential and the electromotive force generated by light irradiation is generated between the gate and the channel. The generated electromotive force is determined by the amount of light, that is, the amount of charge accumulated in the gate region and the gate capacitance. As the amount of irradiation light increases, the characteristic curve changes from g 3 to g 2 to g 1 . g 2 corresponds to a state where a neutral region begins to appear in the channel, and at g 1 the channel has a resistive characteristic.
第3図は、第1図の構成に用いるフオトトラン
ジスタの一実施例を示す。n+型Si基板1上にn-
型エピタキシヤル層を成長させ、その上にp+型
ゲートメツシユ領域3を形成する。さらにその上
にn-型エピタキヤル層4を成長し、表面に薄い
n+型層5を形成する。基板1の裏面全面とn+型
層5の上面周辺部に金属電極11,15を形成す
る。電極15に囲まれた部分6が受光部となる。 FIG. 3 shows an embodiment of a phototransistor used in the configuration of FIG. n - on n + type Si substrate 1
A type epitaxial layer is grown, and a p + type gate mesh region 3 is formed thereon. Furthermore, an n -type epitaxial layer 4 is grown on top of that, and a thin layer is formed on the surface.
An n + type layer 5 is formed. Metal electrodes 11 and 15 are formed on the entire back surface of the substrate 1 and around the upper surface of the n + type layer 5. A portion 6 surrounded by the electrode 15 becomes a light receiving portion.
基板1をソースとして用い、n+型層5をドレ
インとして用いる。n+型層5の厚さは、入射光
の減衰を少なくするよう十分小さく(たとえば
0.3〜0.5μmに)選ぶ。n-型層4は、ゲート・ド
レイン間領域であり、印加電圧、光感度等を決定
する領域である。入射光が吸収される領域の大部
分が空乏層化し、入射光によつて電離した正孔の
大部分がゲート領域に到達できる厚さに選ぶのが
よい。耐圧を高くするには不純物密度を減少させ
るとよい。可視光を対象とした場合、たとえば
1014cm-3程度の不純物密度で10〜20μm程度の厚
さにする。p+型ゲートメツシユ領域の間隔は、
pn接合の拡散電位による空乏層が互いに重なり
合いチヤンネル中に十分電位障壁を形成するよう
に選ぶ。たとえばチヤンネルを形成するn-型層
の不純物密度が1×1014cm-3の場合ゲート領域の
不純物密度1018cm-3以上、メツシユ間隔は約5μ
m以下に選ぶ。n-型層2は、ソース・ゲート間
領域であり、n-型層4と共に光感度を決定する
領域である。たとえば、不純物密度1×1014cm
-3、厚さ2〜3μm程度に選ぶ。n+型基板にはあ
まり制限はないが、たとえば不純物密度1018〜
1020cm-3のものを用いる。出力電圧のダイナミツ
ク・レンジを広くとるためには、n-型層4の不
純物密度を下げ印加電圧を高くすることもよい。
検出すべき光の波長が長くなり吸収係数が低くな
る場合、ゲート・ドレイン間隔(n-型層4の厚
さ)はより厚くできる。 The substrate 1 is used as a source, and the n + type layer 5 is used as a drain. The thickness of the n + type layer 5 is small enough to reduce the attenuation of the incident light (e.g.
0.3 to 0.5 μm). The n - type layer 4 is a region between the gate and drain, and is a region that determines applied voltage, photosensitivity, and the like. The thickness is preferably selected so that most of the region where incident light is absorbed becomes a depletion layer and most of the holes ionized by the incident light can reach the gate region. In order to increase the breakdown voltage, it is preferable to reduce the impurity density. For example, when targeting visible light,
The impurity density is about 10 14 cm -3 and the thickness is about 10 to 20 μm. The spacing of the p + type gate mesh region is
It is selected so that the depletion layers due to the diffusion potential of the pn junction overlap each other and form a sufficient potential barrier in the channel. For example, if the impurity density of the n - type layer forming the channel is 1 × 10 14 cm -3, the impurity density of the gate region is 10 18 cm -3 or more, and the mesh spacing is approximately 5μ.
Choose m or less. The n - type layer 2 is a region between the source and the gate, and together with the n - type layer 4, determines the photosensitivity. For example, impurity density 1×10 14 cm
-3 , choose a thickness of about 2 to 3 μm. There are not many restrictions on n + type substrates, but for example, the impurity density is 10 18 ~
10 20 cm -3 is used. In order to widen the dynamic range of the output voltage, it is also good to lower the impurity density of the n - type layer 4 and increase the applied voltage.
When the wavelength of the light to be detected becomes longer and the absorption coefficient becomes lower, the gate-drain distance (thickness of the n - type layer 4) can be made thicker.
上記の実施例では、ゲート領域の電位はたかだ
か零から拡散電位までしか変化できない。より広
い範囲でゲート電位を変化させるには第4図のよ
うな構成にするとよい。 In the embodiments described above, the potential of the gate region can vary from at most zero to the diffusion potential. In order to change the gate potential over a wider range, a configuration as shown in FIG. 4 may be used.
第4図の構成では、第3図の構成にさらにゲー
ト領域引出部3′と絶縁層6によつて絶縁された
ゲート電極7が加えられており、ゲートに外部か
らバイアスを印加できる構造になつている。この
ようなゲート構造を以下容量結合性接合ゲートと
よぶ。 In the configuration shown in FIG. 4, a gate region lead-out portion 3' and a gate electrode 7 insulated by an insulating layer 6 are added to the configuration shown in FIG. 3, resulting in a structure in which a bias can be applied to the gate from the outside. ing. Such a gate structure is hereinafter referred to as a capacitively coupled junction gate.
この場合は、ゲート電極7に逆バイアスを印加
してゲート領域3からチヤンネル領域4,2に延
びる空乏層をひろげることができるからゲート間
隔等の制限は弱まる。ゲート電極7に印加した電
圧のうちゲート領域3とチヤンネル領域2,4と
の間に印加される電圧の割合は主としてゲート電
極7とゲート領域3′,3との間の容量C1とゲー
ト領域3,3′とソース領域1との間の容量C2と
で決まる。より多くの電圧成分をゲート領域3に
印加するにはC1を大きく、C2を小さくすればよ
い。 In this case, the depletion layer extending from the gate region 3 to the channel regions 4 and 2 can be expanded by applying a reverse bias to the gate electrode 7, so that restrictions on gate spacing etc. are weakened. Of the voltage applied to the gate electrode 7, the proportion of the voltage applied between the gate region 3 and the channel regions 2, 4 is mainly determined by the capacitance C1 between the gate electrode 7 and the gate regions 3', 3 and the gate region. 3, 3' and the capacitance C 2 between the source region 1 and the source region 1. In order to apply more voltage components to the gate region 3, it is sufficient to increase C 1 and decrease C 2 .
第4図の容量結合性接合ゲートを有する静電誘
導フオトトランジスタを用いた場合の回路図を第
5図に示す。第2図の回路と比較すると、絶縁ゲ
ート型トランジスタであることとゲートの逆バイ
アス電源が付加されたことが大きな相違点であ
る。第4図の静電誘導フオトトランジスタは、ゲ
ートの外部引出電極部を除けば第3図のものと同
様である。ゲート領域引出部3′、絶縁層6、ゲ
ート電極7が容量を形成し、光起電力によるゲー
トバイアス電源VGと外部逆バイアス電源VGOが
容量を介して接続されていることになるので、ゲ
ート部分は点線で示したような等価回路となる。
特性曲線も原理的には前の実施例と同様である
が、この実施例では外部から逆バイアスを印加で
きるので零バイアス状態でチヤンネルがピンチオ
フしている必要はない。従つて素子の設計の自由
度が増す。 FIG. 5 shows a circuit diagram using the electrostatic induction phototransistor having the capacitively coupled junction gate shown in FIG. 4. Compared to the circuit shown in FIG. 2, the major differences are that it is an insulated gate transistor and that a reverse bias power source is added to the gate. The electrostatic induction phototransistor shown in FIG. 4 is similar to the one shown in FIG. 3 except for the external lead electrode portion of the gate. The gate region lead-out portion 3', the insulating layer 6, and the gate electrode 7 form a capacitor, and the photovoltaic gate bias power source V G and the external reverse bias power source V GO are connected via the capacitor. The gate part becomes an equivalent circuit as shown by the dotted line.
The characteristic curve is also similar in principle to the previous embodiment, but in this embodiment, a reverse bias can be applied externally, so there is no need for the channel to be pinched off in the zero bias state. Therefore, the degree of freedom in element design increases.
第6図の特性曲線において、g1〜g8は外部逆バ
イアスと光起電力による順バイアスの和である実
効ゲートバイアスを変化させた時の―曲線で
ある。 In the characteristic curves shown in FIG. 6, g 1 to g 8 are curves obtained when the effective gate bias, which is the sum of the external reverse bias and the forward bias due to the photovoltaic force, is changed.
外部逆バイアスを大きくすることによつて動作
範囲を広くすることができる。前の実施例と同様
ドレイン電圧源VBを変化させることによつて負
荷曲線をl1,l2,l3のように変化させることがで
きる。たとえばドレイン電圧源をVB1,VB2,V
B3のように変化させれば、非常に強い光から微弱
光まで限られたドレイン電流範囲で測定すること
ができる。ドレイン電圧を増加することによつて
感度を上げることができるのは飽和型特性を示す
フオトトランジスタには見られない特徴である。 The operating range can be widened by increasing the external reverse bias. As in the previous embodiment, by changing the drain voltage source V B , the load curve can be changed as l 1 , l 2 , l 3 . For example, the drain voltage sources are V B1 , V B2 , V
By changing it like B3 , it is possible to measure the drain current in a limited range from very strong light to weak light. The ability to increase sensitivity by increasing the drain voltage is a feature not found in phototransistors exhibiting saturation type characteristics.
以上述べた実施例では、光照射によつてチヤン
ネル中に生じた少数キヤリアは逆導電型のゲート
領域に蓄積されている。ゲート領域を浮遊構造に
しておくと、蓄積した電荷はリーク抵抗を介して
消去するだけなので、応答速度が遅くなる。 In the embodiments described above, the minority carriers generated in the channel by light irradiation are accumulated in the gate region of the opposite conductivity type. If the gate region is made to have a floating structure, the accumulated charge is simply erased through the leakage resistor, resulting in a slow response speed.
蓄積した電荷を積極的に逃がすにはゲート領域
とソース領域との間に導電路を接続すればよい。
抵抗を接続した場合はゲート領域の容量と抵抗と
の値によつて応答速度が決まる。この抵抗は同一
半導体チツプ内に拡散等によつて形成することが
できる。 In order to actively release the accumulated charges, a conductive path may be connected between the gate region and the source region.
When a resistor is connected, the response speed is determined by the values of the capacitance and resistance of the gate region. This resistor can be formed within the same semiconductor chip by diffusion or the like.
導電路としてスイツチ手段を接続すると、スイ
ツチングの断続周波数で応答速度が決まる。この
場合、スイツチ手段がオフの期間は電荷が蓄積し
続けるので応答速度が遅くても感度を上げたい場
合はスイツチ手段のオフの期間を長くすればよ
い。スイツチ手段をトランジスタ等で形成し、同
一半導体チツプに集積化してもよいし、メカニカ
ルチヨツパ等で形成し外付けしてもよい。 When a switching means is connected as a conductive path, the response speed is determined by the switching frequency. In this case, charge continues to accumulate while the switch means is off, so if it is desired to increase the sensitivity even if the response speed is slow, it is sufficient to lengthen the off period of the switch means. The switch means may be formed of a transistor or the like and integrated on the same semiconductor chip, or may be formed of a mechanical chopper or the like and attached externally.
受光部の構造は、上記実施例の構造に限らな
い。たとえば、受光面を形成する場合はドレイン
側でもソース側でも、それ以外の場所でも構わな
い。動作状態において活性領域に十分光を導入で
きればよい。 The structure of the light receiving section is not limited to the structure of the above embodiment. For example, when forming the light-receiving surface, it may be formed on the drain side, the source side, or any other location. It is sufficient that sufficient light can be introduced into the active region in the operating state.
上記実施例のように受光面側に電極が配置され
る時の電極構造も図示の如きものに限らない。電
極をストライプあるいはメツシユ形状にしてもよ
いし、受光面全面に透明電極を設けてもよい。 The electrode structure when the electrode is arranged on the light-receiving surface side as in the above embodiment is not limited to that shown in the drawings. The electrodes may have a stripe or mesh shape, or a transparent electrode may be provided over the entire light receiving surface.
特に前記チヤンネル領域の不純物密度及び寸法
としては例えば1014/cm3程度であつて前記ゲー
ト領域により挾まれている前記チヤンネル領域の
幅が5μm以下であるように選ぶ。このチヤンネ
ル領域の幅とは、SITが第3図、第4図に示され
たような埋め込みゲート構造の場合にはp+ゲー
ト・p+ゲート間の仕上り状態におけるn-領域の
横幅としての寸法である。あるいはSITが平面ゲ
ートあるいは切り込みゲート構造等の他のゲート
構造の場合にも、ゲートで挾まれた仕上り状態に
おけるn-チヤンネル領域の横幅としての寸法で
ある。 In particular, the impurity density and dimensions of the channel region are selected to be, for example, about 10 14 /cm 3 and the width of the channel region sandwiched by the gate region is 5 μm or less. The width of this channel region is the width of the n - region in the finished state between the p + gate and the p + gate when the SIT has a buried gate structure as shown in Figures 3 and 4. It is. Alternatively, when the SIT is a planar gate or other gate structure such as a notched gate structure, it is the width of the n - channel region in the finished state sandwiched by the gate.
半導体材料もSiに限らず、より長波長の光測定
には狭い禁止帯幅を有する半導体(たとえば
Ge、Pb1-xSnxTe(S,Se)、Hg1-xCdxTe等)を
用いればよいし、より短波長の光測定には広い禁
止帯幅の半導体(たとえばGaAs等)を用いるこ
ともできる。導電型をすべて逆にしてもよいこと
は説明するまでもないであろう。 Semiconductor materials are not limited to Si, but also include semiconductors that have a narrow bandgap (for example,
Ge, P b1-x Sn x Te (S, Se), Hg 1-x Cd x Te, etc.) can be used, or for shorter wavelength optical measurements, a semiconductor with a wide bandgap (e.g. GaAs, etc.) can be used. It can also be used. It goes without saying that all conductivity types may be reversed.
本発明の要旨は、静電誘導トランジスタを光検
知器として用い、入射光によつて電離したキヤリ
アをゲート領域に蓄積し、実効ゲート電圧を変化
させて入射光強度を電気信号として取り出すこと
にある。特にゲートを容量結合型接合ゲートとす
ると動作範囲が拡がり、拡い強度範囲の光検出に
適する。特許請求の範囲中の「半導体光電変換装
置」の用語は、第3,4図に示すような素子と、
これらの素子を組み込んだ第1,5図に示すよう
な装置との両方を意味する。 The gist of the present invention is to use a static induction transistor as a photodetector, accumulate carriers ionized by incident light in the gate region, and extract the intensity of the incident light as an electrical signal by changing the effective gate voltage. . In particular, if the gate is a capacitively coupled junction gate, the operating range will be expanded, making it suitable for light detection over a wide intensity range. The term "semiconductor photoelectric conversion device" in the claims refers to an element as shown in FIGS. 3 and 4,
This refers to both the devices shown in FIGS. 1 and 5 incorporating these elements.
特開昭49―88492号に代表される従来公知の接
合型FET構造の光電変換装置の基本的な動作原
理は以下の通りである。受光部に入射する光によ
り発生する電子―正孔対のうちの一方(nチヤン
ネルの場合は正孔)がゲート領域に蓄積し、ゲー
ト領域の電位の高さが変化する。このゲート電位
の変化により、中性チヤンネルの幅が制御され、
出力信号が変化する。また、ドレイン電圧の増加
に対してドレイン電流は飽和するので、ドレイン
電圧による出力の制御はほとんどできない。もち
ろんゲート点の高さがドレイン電圧により制御さ
れることはないわけである。又、ゲート領域から
の空乏層だけでチヤンネル領域をピンチオフさせ
た状態では、チヤンネル抵抗が非常に高いため、
非常に小さな出力信号しか得られない。 The basic operating principle of a conventionally known photoelectric conversion device having a junction type FET structure, as typified by Japanese Patent Laid-Open No. 49-88492, is as follows. One of the electron-hole pairs (holes in the case of an n-channel) generated by light incident on the light receiving section accumulates in the gate region, and the potential level of the gate region changes. This change in gate potential controls the width of the neutral channel,
The output signal changes. Furthermore, since the drain current saturates as the drain voltage increases, it is almost impossible to control the output using the drain voltage. Of course, the height of the gate point is not controlled by the drain voltage. In addition, when the channel region is pinched off only by the depletion layer from the gate region, the channel resistance is extremely high.
Only a very small output signal is obtained.
本発明の半導体光電変換装置ではSITの動作原
理を用いており、不純物密度(例えば1014/cm
3)、チヤンネル寸法(例えばチヤンネル間隔5
μm以下)等の構造が大きく違うため、その動作
原理は前記特開昭49―88492号に代表される公知
の接合型FET構造の光電変換装置と基本的に異
なる。ゲート点の電位の高さは、受光部に入射す
る光量により制御され、この点では従来公知の接
合型FET構造の光電変換装置と同じである。し
かし、本発明のSITによる半導体光電変換装置と
従来公知の接合型FET構造の光電変換装置の動
作の基本的な違いは別の点にある。即ち、本発明
のSIT光検出器では、入射光量によるゲート点の
電位の変化により、空乏化したチヤンネル領域中
に生じる電位の鞍点である固有ゲート点の電位障
壁の高さが変化し出力信号が得られる。より電位
が高くキヤリア(nチヤンネルの場合は正孔)が
たまりやすいゲート領域で、より電位が低くソー
スからのキヤリアの注入を起こしやすい固有ゲー
ト点の電位を制御するため、本発明のSIT光検出
記では、非常に高い光利得が得られる。実際に
108を越える光利得が得られている。また、本発
明のSITによる半導体光電変換装置では、ドレイ
ン電圧による静電誘導効果により、固有ゲート点
(ゲート点ではない)の電位障壁の高さか制御さ
れ、ドレイン電圧により出力信号は指数関数的に
増加するという特徴がある。 The semiconductor photoelectric conversion device of the present invention uses the operating principle of SIT, and the impurity density (for example, 10 14 /cm
3 ), channel dimensions (e.g. channel spacing 5
(μm or less), etc., and therefore its operating principle is fundamentally different from that of the known junction FET structure photoelectric conversion device typified by the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 49-88492. The height of the potential at the gate point is controlled by the amount of light incident on the light receiving section, and in this respect it is the same as a conventionally known photoelectric conversion device having a junction type FET structure. However, the fundamental difference in operation between the semiconductor photoelectric conversion device using SIT of the present invention and the conventionally known photoelectric conversion device having a junction type FET structure lies in another point. That is, in the SIT photodetector of the present invention, as the potential at the gate point changes depending on the amount of incident light, the height of the potential barrier at the unique gate point, which is the saddle point of the potential generated in the depleted channel region, changes, and the output signal changes. can get. The SIT optical detection of the present invention controls the potential of the gate region, which has a higher potential and tends to accumulate carriers (holes in the case of an n-channel), and the specific gate point, which has a lower potential and is more likely to cause carrier injection from the source. In this case, a very high optical gain can be obtained. actually
An optical gain exceeding 108 was obtained. In addition, in the semiconductor photoelectric conversion device using SIT of the present invention, the height of the potential barrier at the intrinsic gate point (not the gate point) is controlled by the electrostatic induction effect due to the drain voltage, and the output signal is exponentially changed depending on the drain voltage. It has the characteristic of increasing.
以上述べた様に、従来公知の接合型FET構造
の光電変換装置と本発明のSITによる半導体光電
変換装置では、動作原理及び特性が著しく異な
る。 As described above, the operating principles and characteristics of the conventionally known photoelectric conversion device having a junction FET structure and the semiconductor photoelectric conversion device using the SIT of the present invention are significantly different.
次に、本発明のSITによる半導体光電変換装置
の実験結果の一例を示す。この実験に使用した
SIT光検出器は、ノーマリ・オフ型で、素子面積
は50×60μm2の素子である。SIT光検出器のゲー
ト端子は解放状態にして、光利得の入射光強度依
存性の測定を行なつた光源には、波長λ=880nm
のGaAsLEDを用いた。また、ドレインバイアス
VDを50mVから3Vまで変換させて測定を行なつ
た。ドレインバイアスVD=3Vで入射光強度Piが
10-3μW/cm2以下では108を越える光利得が得ら
れている。入射光強度Piが小さいほど、光利得が
大きいというのもSIT光検出器の特徴である。ま
た、ドレインバイアスVD=50mV、100mVで
は、入射光強度Piが10-4〜102μW/cm2の範囲で
一定の光利得が得られている。 Next, an example of experimental results of a semiconductor photoelectric conversion device using SIT of the present invention will be shown. used for this experiment
The SIT photodetector is a normally-off type device with an element area of 50 × 60 μm 2 . The gate terminal of the SIT photodetector was left open, and the light source used to measure the dependence of the optical gain on the incident light intensity had a wavelength λ = 880 nm.
A GaAs LED was used. In addition, measurements were performed while converting the drain bias V D from 50 mV to 3V. At drain bias V D = 3V, the incident light intensity Pi is
An optical gain exceeding 10 8 was obtained below 10 −3 μW/cm 2 . Another feature of the SIT photodetector is that the smaller the incident light intensity Pi, the greater the optical gain. Further, when the drain bias V D =50 mV and 100 mV, a constant optical gain is obtained when the incident light intensity Pi is in the range of 10 -4 to 10 2 μW/cm 2 .
さらに光利得GのドレインバイアスVD依存性
の測定結果について述べる。入射光強度Piをパラ
メータとして光利得Gは、ドレインバイアスVD
の増加に伴いほぼ指数関数的に増加する傾向を示
す。この特性は、SIT光検出記特有のものであ
る。接合型FET構造の光電変換装置では、光利
得GがドレインバイアスVDの増加に伴い飽和す
る特性を示すからである。 Furthermore, the measurement results of the dependence of the optical gain G on the drain bias V D will be described. The optical gain G using the incident light intensity Pi as a parameter is the drain bias V D
It shows a tendency to increase almost exponentially as the value increases. This characteristic is unique to SIT photodetection. This is because a photoelectric conversion device having a junction FET structure exhibits a characteristic in which the optical gain G is saturated as the drain bias V D increases.
本発明のSITによる半導体光電変換装置は、上
記の実験結果で示した他に低雑音という特性も有
している。 In addition to the above experimental results, the semiconductor photoelectric conversion device using SIT of the present invention also has a low noise characteristic.
第1図は本発明の基本実施例の半導体光電変換
装置の回路図、第2図は第1図の光検出素子の特
性図、第3図は第1図の光検出素子の構造の断面
図、第4図は光検出素子の他の構造の断面図、第
5図は第4図の光検出素子を用いた本発明の他の
実施例の半導体光電変換装置の回路図、第6図は
第4図の光検出素子の特性図である。
Fig. 1 is a circuit diagram of a semiconductor photoelectric conversion device according to a basic embodiment of the present invention, Fig. 2 is a characteristic diagram of the photodetecting element shown in Fig. 1, and Fig. 3 is a cross-sectional view of the structure of the photodetecting element shown in Fig. 1. , FIG. 4 is a sectional view of another structure of the photodetecting element, FIG. 5 is a circuit diagram of a semiconductor photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention using the photodetecting element of FIG. 4, and FIG. 5 is a characteristic diagram of the photodetecting element shown in FIG. 4. FIG.
Claims (1)
域と、前記チヤンネル領域の両側面に設けられた
チヤンネル領域と同一導電型で高不純物密度の主
電流を流すためのソースおよびドレイン領域と、
前記チヤンネル領域に接して設けられ入射する光
により主に前記チヤンネル領域内で発生するキヤ
リアを蓄積し、かつ前記ソース及びドレイン領域
間の主電流を制御するための他方の導電型のゲー
ト領域と、前記チヤンネル領域の所定の部分に光
を導入するための受光部とを備え、前記チヤンネ
ル領域内に生じる電位の鞍点である固有ゲート点
の電位の高さが、前記受光部へ入射する光の光量
および前記ドレイン領域に印加する電圧によつて
容量結合的に制御され、前記ゲート領域と前記チ
ヤンネル領域との拡散電位により生じる前記ゲー
ト領域からの空乏層だけで前記チヤンネル領域が
ピンチオフし、不飽和型電流電圧特性を示し得る
ような不純物密度、寸法および配置を前記各領域
が有し、特に前記チヤンネル領域の不純物密度が
1014/cm3程度であり、前記ゲート領域により挾
まれている前記チヤンネル領域の幅が5μm以下
であることを特徴とする半導体光電変換装置。 2 前記ゲート領域が、電気的に浮遊状態にされ
ていることを特徴とする前記特許請求の範囲第1
項記載の半導体光電変換装置。 3 前記ゲート領域上に設けられた絶縁層と、該
絶縁層上に設けられた導電性ゲート電極とを有す
る前記特許請求の範囲第1項記載の半導体光電変
換装置。 4 前記導電性ゲート電極に接続された逆バイア
ス電圧源を有する前記特許請求の範囲第3項記載
の半導体光電変換装置。[Claims] 1. A channel region of low impurity density of one conductivity type, and a source and drain provided on both sides of the channel region for flowing a main current of the same conductivity type and high impurity density as the channel region. area and
a gate region of the other conductivity type provided in contact with the channel region and for accumulating carriers mainly generated within the channel region due to incident light and controlling the main current between the source and drain regions; a light receiving section for introducing light into a predetermined portion of the channel region, and the height of the potential at the unique gate point, which is a saddle point of the potential generated in the channel region, is determined by the amount of light incident on the light receiving section. The drain region is controlled in a capacitive manner by the voltage applied to the drain region, and the channel region is pinched off only by the depletion layer from the gate region, which is generated by the diffusion potential between the gate region and the channel region, and the channel region becomes an unsaturated type. Each region has impurity density, dimensions, and arrangement such that it can exhibit current-voltage characteristics, and in particular, the impurity density in the channel region is
10 14 /cm 3 or so, and the width of the channel region sandwiched by the gate region is 5 μm or less. 2. Claim 1, wherein the gate region is electrically floating.
The semiconductor photoelectric conversion device described in . 3. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 1, comprising an insulating layer provided on the gate region and a conductive gate electrode provided on the insulating layer. 4. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 3, further comprising a reverse bias voltage source connected to the conductive gate electrode.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8657278A JPS5513924A (en) | 1978-07-14 | 1978-07-14 | Semiconductor photoelectronic conversion device |
US06/039,445 US4427990A (en) | 1978-07-14 | 1979-05-15 | Semiconductor photo-electric converter with insulated gate over p-n charge storage region |
US07/332,441 US5019876A (en) | 1978-07-14 | 1989-04-04 | Semiconductor photo-electric converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8657278A JPS5513924A (en) | 1978-07-14 | 1978-07-14 | Semiconductor photoelectronic conversion device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5513924A JPS5513924A (en) | 1980-01-31 |
JPS6250992B2 true JPS6250992B2 (en) | 1987-10-28 |
Family
ID=13890720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8657278A Granted JPS5513924A (en) | 1978-07-14 | 1978-07-14 | Semiconductor photoelectronic conversion device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5513924A (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH077844B2 (en) * | 1981-11-30 | 1995-01-30 | 財団法人半導体研究振興会 | Static induction type semiconductor photoelectric conversion device |
JPS5895877A (en) * | 1981-12-01 | 1983-06-07 | Semiconductor Res Found | Semiconductor photoelectric transducer device |
JPS59107578A (en) * | 1982-12-11 | 1984-06-21 | Junichi Nishizawa | Semiconductor photoelectric conversion device |
JPS59207640A (en) * | 1983-05-11 | 1984-11-24 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP5401203B2 (en) * | 2009-08-07 | 2014-01-29 | 株式会社日立製作所 | Semiconductor light receiving device and manufacturing method thereof |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4988492A (en) * | 1972-09-22 | 1974-08-23 |
-
1978
- 1978-07-14 JP JP8657278A patent/JPS5513924A/en active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4988492A (en) * | 1972-09-22 | 1974-08-23 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS5513924A (en) | 1980-01-31 |
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