JPS63105577A - 光電変換装置の駆動方法 - 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］ 本発明は光電変換装置の駆動方法に係り、特に光電変換
セルのキャパシタに印加する制御パルスと光電変換特性
との関係を利用して光電変換セル自体の感度を変化させ
ることを企図した駆動方法に関する。

［従来技術］ 従来の撮像装置では、撮像素子の後段にＡＧＣ回路が設
けられ、入射光量がト分な所では利得を下げ、暗い所で
は利得を−Ｌげて撮影を行い、映像信ｔ）レベルの一定
化を図っている。

［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、上記従来の撮像装置では、ＡＧＣ回路に
よって撮像素子の出力を増幅するために１次のような問
題点を有していた。

ａ）撮像素子のランダムノイズが目立ってくる。

ｂ）撮像素子の駆動回路とその実装系に起因する固定パ
ターンノイズが目立ってくる。

Ｃ）各色信号のＡＧＣ回路の利得誤差によるホワイトバ
ランス誤差が発生し、特に外部側色によるホワイトバラ
ンス回路では上記誤差の補正が困難となる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記従来の問題点を解決しようとするものであ
り、その目的は光゛屯変換セル自体で感度調整を行うこ
とを可能にする駆動方法を提供することにある。

本発明は、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、該蓄
積によって発生した蓄積電圧を読出し、蓄積されたキャ
リアを消滅させるという各動作を行う光電変換セルを有
する光′Ｉヒ変換装置において、 前記読出し動作を行うための読出しパルス又は前記キャ
リア消滅動作を行うためのリフレッシュパルスを前記キ
ャパシタに印加する際に、これらのパルスの一方又は双
方のパルス、幅を変化させることで前記光電変換セルの
感度を変化させることを４￥徴とする。

［作用］ 上記光電変換セルの制御パルスと光電変換特性との関係
を利用することによって、キャパシタに印加するパルス
のパルス幅を変化させるだけで、」−配光電変換セル自
体の感度を変化させることができる。

以下、光電変換セルの具体例を示し、その光電変換特性
について説明する。

第５図（Ａ）は、光電変換装置の第−例の概略的平面図
、第５図ＣＢ）は、その一つの光電変換セルのＡ−Ａ　
’線断面図である。

各図において、ｎシリコン基板ｌ上にｎ−エピタキシャ
ル層４がノ杉成され、その中に素子分離領域６によって
相互に電気的に絶縁された光電変換セルが配列されてい
る。

まず、ｎ″′エピタキシャル層４Ｊｚにバイポーラトラ
ンジスタのＰベース領域９、その中にｎ十エミッタ領域
１５が形成されている。さらに、酸化膜１２を挟んで、
ｐベース領域９の電位を制御するだめのキャパシタ電極
１４、ｎ十エミッタ領域１５に接続しているエミッタ電
極１９が各々形成されている。

そして、キャパシタ電極１４に接続した電極１７、基板
ｌの表面にオーミックコンタクト用のｎ十領域２、バイ
ポーラトランジスタのコレクタ電極２１が各々形成され
、光電変換セルを構成している。

この光電変換セルの基本動作は、まず負電位にバイアス
されたＰベース領域９を浮遊状態とし、光励起により発
生した電子・ホール対のうちホールをｐベース領域９に
蓄積する　（蓄積動作）。

続いて、キャパシタ電極１４に正電圧を印加してエミッ
タｅベース間を順方向にバイアスし、蓄積されたホール
により発生した蓄積電圧を浮遊状態のエミッタ側へ読出
す（読出し動作）。

続いて、エミッタ側を接地してキャパシタ電極１４に正
電圧のパルスを印加し、ｐベース領域９に蓄積されたホ
ールを消滅させる。これにより。

リフレッシュ用の正電圧パルスが立下がった時点でｐベ
ース領域９が初期状態に復帰する（リフレッシュ動作）
。

このような光電変換装置は、蓄積された電荷を各セルの
増幅機能により電荷増幅してから読出すわけであり、高
出力、高感度、さらに低３Ｉ音を達成できる。また、構
造的に単純であるために、将来の高解像度化に対しても
有利なものである。

第６図は、上記光電変換装置の光電変換特性を示すグラ
フである。横軸は照度、縦軸はセンサ出力でアリ、ここ
ではリフレッシュパルスφｒＣ（７）パルス幅を５ＪＬ
ＳｅＣで一定とし、読出しパルスφｒのパルス幅をパラ
メータとして測定された。

同グラフに示すように、低照度側においてグラフが直線
性を有しており、読出しパルスφｒのパルス幅を変化さ
せることで、同じ照度に対するセンサ出力が変化してい
る。したがって、この変化を光電変換セルの感度調整に
利用することが１−Ｉｆ能である。

第７図（Ａ）は、光電変換装置の第二例の概略的平面図
、第７図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図、第７図（ＩＬ
’）は、その等価回路図である。ただし、第−例の光電
変換装置と同−機部を有する部分には同一番号を付して
いる。

第７図（Ａ）およびＣＢ）において、ｎシリコン基板ｌ
上にｎ一層４がエピタキシャル成長によって形成され、
そこに素子分離領域６によって分離された光電変換セル
が形成されている。光電変換セルは、コレクタ領域であ
るｎ一層４に形成されたｐベース領域９およびｎ十エミ
ッタ領域１５と、絶縁層１０１を挟んでＰベース領域９
およびｎ一層４のｐｎ接合部に跨って対向したポリシリ
コンのキャパシタ電極１０２とから構成されている。

また、層間絶縁層１０３を挟んでエミッタ電極１９が形
成されている。

キャパシタ電極１０２はｐベース領域９とｎ一層４とに
わたって設けられ、さらにｎ十エミッタ領域１５との間
隔が、ｐベース領域９における少数キャリアの拡散長よ
りも短かく形成されている。

なお、キャパシタ電極１０２およびエミッタ電８ｉ１９
の位置は本実施例に限定されるものではなく、第７図（
Ａ）に示す位置から９０°回転した位置に形成してもよ
い。要するに、キャパシタ電極１０２はｐベース領域９
とｎ一層４との接合をまたいで形成されることが必要で
ある。

第７図（Ｃ）は、この光電変換セルの等価回路図である
。なお、第−例の光電変換セルも、キャパシタ電８ｉ１
７とするだけで、同一の等価回路で表わすことができる
。

このように構成された本例の蓄積および読出し動作は第
−例と実質的に同一である。以下、本例のリフレッシュ
動作について説明する。

すでに述べたような蓄積動作および読出し動作の後、エ
ミッタ電極１９が接地され、キャパシタ電Ｎ１０２に正
電圧のリフレッシュパルスが印加される。キャパシタ電
極１０２に正電圧が印加されることによって、キャパシ
タを構成するｎ一層４の界面が多数キャリアの蓄積状態
となり、キャパシタを構成するｐベース領域９の界面が
反転状ｆＥとなる。このために、キャパシタを構成する
ｐベース領域９の界面がｎ一層４と同電位となり。

あたかもｎ十エミッタ領域１５と、ｐベース領域９と、
キャパシタを構成するｐベース領域９の界面部とでラテ
ラルバイポーラトランジスタが形成された状態となる。

このトランジスタはｈｆｅが低く、ｐベース領域９での
ホールの再結合が促進される。したがって、ｐベース領
域９に蓄積されているホールが急速に消滅し、リフレッ
シュパルス幅が短かくとも十分なリフレッシュ動作を行
うことができる。すなわち、高速動作に適した過渡的リ
フレッシュモードで動作させても、従来のような残像を
生じない。

第８図は、リフレッシュパルスφｒｃをパラメータとし
て測定した上記光電変換セルの光電変換特性を示すグラ
フ、第９図は、読出しパルスφｒをパラメータとして測
定した」−配光電変換セルの光電変換特性を示すグラフ
である。

第８図のグラフに示すように、リフレッシュパルスφｒ
Ｃのパルス幅を変化させることによってセンサ出力を変
化させることができ、感度調整に利用することができる
。また、本例の光電変換セルは第−例よりも広い照度範
囲で直線性を有しており、感度調整を行うのに適してい
る。

また、第９図に示すように、読出しパルスφｒのパルス
幅を変化させることによってもセンサ出力を変化させる
ことができ、感度調整に利用することができる。

このように読出しパルスφｒとリフレッシュパルスφｒ
ｅを変化させた時に光電変換特性が異なる現象は次のよ
うに説明される。

■　ベースに蓄積されていたホールが読出し動作中に再
結合することによってベース電位が降下すること。

（の　リフレッシュ動作の繰返しによって、ベース中の
ホールが再結合により不足して行き、リフレッシュ動作
後にベースに残る電圧Ｖｋが降下すること。

たとえば、光照射量が十分大きく、ホールの蓄ＪＸｉ；
、ｊ、が多い光電変換装置では、リフレッシュ動作は常
に高いベース電位から開始し、ベース電位は数ｐｓｅｃ
後には電圧Ｖｋとなる。

これに対して低照度の光電変換装置では、低いベース電
位からリフレッシュ動作が開始するために、読出し動作
およびリフレッシュ動作によって、ベース残留電圧Ｖｋ
が低下し、この低下が信号振幅の変化となって現われる
。

以上述べたように、いずれの光電変換装置においても、
各グラフから明らかなように、読出しパルスφｒおよび
／又はリフレッシュパルスφｒＣのパルス幅を制御する
ことによって、光電変換装置の感度を容易に調整できる
ことがわかる。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら、；Ｔ細に
説ＩＪＪする。

第１図（Ａ）は、光電変換装置の基本的な駆動回路図、
第１図（Ｂ）は、本発明による駆動方法の−・実施例を
説明するためのタイミングチャートである。

第１図（Ａ）において、」二足光電変換セルＳのキャパ
シタ電極１０２には制御電圧パルスＶｒが印加され、エ
ミッタ電Ｊ４ｉ１９はトランジスタＱｖｃを介して接地
されている。トランジスタＱｖｃのゲート電極にはパル
スφｖＣが印加される。さらに、エミッタ電極１９には
蓄積コンデンサＣが接続され、コンデンサＣは出力アン
プＡに接続されている。

このような構成において、同図（Ｂ）に示すタイミング
でパルスを印加することによりリフレッシュ、蓄積およ
び読出しの各動作を行わせる。また、キャパシタ電極１
０２に印加する駆動電圧Ｖｒ（ここでは正′Ｉｋ圧）の
リフレッシュパルスφｒＣ１〜φｒｃ３を適当に選択す
ることで、」二連したように光電変換セルＳの感度を変
化させることができる。

まず、パルスφＶＣによりトランジスタＱｖｃをＯＮと
して光電変換セルＳのエミッタ電極を接地しておき、キ
ャパシタ電極１０２にパルスφｒｃ１〜φｒＣ３印加す
ることでリフレッシュ動作を行う。続いて蓄積動作を行
った後、一定時間の駆動電圧Ｖｒ（読出しパルス）を印
加することで読出し動作を行い、コンデンサＣに読出し
信号をｉｎしてアンプＡを通して出力する。

このように、本実施例ではパルス幅の異なるリフレッシ
ュパルスφｒｃ１〜φｒｃ３を適当に選択することで感
度を３段階で変化させる。勿論、パルス幅の異なるリフ
レッシュパルスを多数用意しておけば、感度を多段階で
変化させることができる。また、上述したように、リフ
レッシュパルスを一定として、パルス幅の異なる読出し
パルスφｒを選択して印加することにより感度を変化さ
せてもよい。

第２図は、光電変換セルＳをエリア状に配列した光電変
換装置の概略的回路図である。

同図において、光電変換セルＳはｍＸｎ個配列されてお
り、各セルＳのキャパシタ電極１０２は行ごとに水モラ
インＨＬ、〜ＨＬｍに共通接続され、各水平ラインには
トランジスタＱｈ１〜Ｑ　ｈ　ｍを介して駆動電圧Ｖｒ
が印加される。またトランジスタＱｈｌ〜Ｑ　ｈ　ｍの
各ゲート電極にはパルスφ１〜φｍが印加され、各トラ
ンジスタのＯＮ１０　Ｆ　Ｆを制御する。

また各セルＳのエミッタ電極１９は列ごとに垂直ライン
ＶＬ１〜ＶＬｎに共通接続され、各垂直ラインはトラン
ジスタＱｒｌ〜Ｑ　ｒ　ｎを介して接地されるとともに
、蓄積コンデンサＣ１〜Ｃｎに接続されている。トラン
ジスタＱｒｘ〜Ｑｒｌｌ（７）ゲート電極にはパルスφ
’／Ｃが共通に印加されてＯＮ１０　Ｆ　Ｆ制御を行い
、各垂直ラインおよび各コンデンサＣの残留電荷を適時
クリアする。

更に、各垂直ラインはトランジスタＴ１〜Ｔｎを介して
出力ライン２０１に接続されている。トランジスタＴ１
〜Ｔｎの各ゲート電極には図示されていない走査回路か
らパルスφｈ１〜φｈｎが所定のタイミングで印加され
、トランジスタＴ１〜Ｔｎの０Ｎ１０　ＦＦ制御を行う
。

出力ライン２０１はトランジスタＱｈｃを介して接地さ
れ、トランジスタＱｈｃのゲート電極にはパルスφｈｃ
が印加される。また出力ライン２０１はアンプ２０２の
入力端子に接続され、出力ライン２０１に順次現われる
各光電変換セルＳの読出し信号はアンプ２０２を通して
出力信号Ｖｏｕｔとして外部へ出力される。

第３図は、上記エリア状の光電変換装置における本発明
の上記実施例を示すタイミングチャートである。

まず、各光電変換セルＳには入射照度に対応した電荷が
蓄積されているものとする。この状態でパルスφ１によ
ってトランジスタＱｈｌがＯＮとなり、駆動電圧Ｖｒの
読出しパルスφｒが第１行の光電変換セルＳＬｌ〜Ｓ１
　ｎのキャパシタ電極に印加され、第１行の読出し信５
）がコンデンサＣ１〜Ｃｎに蓄積される（期間Ｔｒ）。

続いて、パルスφｈ１〜φｈｎがトランジスタＴ１〜Ｔ
ｎに印加され、コンデンサ０１〜Ｃｎに蓄積された読出
し信号が出力ライン２０１に１順次現われてアンプ２０
２を通して出力される（期間Ｔｏ）。その際、読出し信
号が外部へ出力されるごとに、出力ライン２０１の残留
電荷はパルスφｈｃのタイミングでクリアされる。

こうして第１行の読出し信号がすべて出力されると、パ
ルスφＶＣによってＩ・ランジスタＱｒｔ〜Ｑ　ｒ　ｎ
をＯＮとしてエミッタ電極を接地する。

そして、駆動電圧Ｖｒのリフレッシュパルスφｒｅを第
１行の光電変換セルのみに印加してリフレッシュ動作を
行う（期間Ｔｒｃ）。既に述べたように、このリフレッ
シュパルスφｒＣのパルス幅によって第１行の光電変換
セルの次回読出し時の感度が決定される。

次に、パルスφ２によってトランジスタＱｈ２をＯＮと
し、第２行の光電変換セルＳ２１〜Ｓ２　ｎについて第
１行と同様の動作を行う。以下同様に、各行の読出し信
号を出力する。

このように本実施例では、リフレッシュパルスφｒｅの
パルス幅を適当に選択するだけで、光電変換セルＳ自体
の感度を変化Ｓせることができる。したがって、適当な
測光手段からの測光信号ニ従ってパルスφｒＣのパルス
幅を変化させれば、ＡＧＣ回路等を用いることなく光電
変換セル自体の感度を：Ａ整することが回部となる。

第４図は、上記光電変換装置を使用した撮像装置の一例
の概略的構成図である。

同図において、撮像素子４０１は第２図に示す光電変換
装置に該当する。撮像素子４０１の出力信号Ｖｏｕｔは
信号処理回路４０２によって増幅や測光処理等が行われ
、ＮＴＳＣ信号等の標準テレビジョン信号として出力さ
れる。

また、撮像素子４０１を駆動するためのし記名パルスφ
および駆動電圧Ｖｒはドライバ４０３によって供給され
、ドライバ４０３は制御部４０４の制御によって動作す
る。また制御部４０４は露出制御手段４０５を制御して
撮像素子４０１に入射する光１１ｔを調整する。

またＡＥセンサを設けることで、制御部４０４は信す処
理回路４０２又はＡＥセンサからの測光情報に基づいて
ドライバ４０３から出力される駆動電圧Ｖｒのパルス幅
を制御し、撮像素７−４０１の感度調整を行うこともで
きる。

さらに、制御部４０４に感度切換えスイフチ４０６を設
け、スイッチ４０６の接点Ａ、ＢおよびＣの接続の組合
わせによって駆動電圧Ｖｒのパルス幅を選択し、感度の
手動調整を行うこともできる。

［発明の効果］ 以上詳細に説］Ｊ１シたように、本発明による光電変換
装置の駆動方法は、光電変換セルのキャパシタに印加す
るパルスの幅を変化させることによって光電変換セル自
体の感度を変化させることができる。このために、ＡＧ
Ｃ回路を用いた場合のような各色信号間でのゲインのバ
ラツキ等がなく。

また信−）処理系でのノイズ又はダイナミックレンジの
設計に余裕をもたせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、光電変換装置の基本的な駆動回路図、
第１図（Ｂ）は、本発明による駆動方法の一実施例を説
明するためのタイミングチャート、第２図は、光電変換
セルＳをエリア状に配列した充電変換装置の概略的回路
図、 第３図は、］−記エリア状の光電変換装置における本発
明のＬ記実施例を示すタイミングチャート。 第４図は、上記光電変換装置を使用した撮像装置の一例
の概略的構成図、 第５図（Ａ）は、光電変換装置の第−例の概略的平面図
、第５図（Ｂ）は、その一つの光電変換セルのＡ−Ａ　
′線断面図、 第６図は、上記光電変換装置の光電変換特性を示すグラ
フ、 第７図（Ａ）は、光電変換装置の第二例の概略的平面図
、第７図（Ｂ）は、そのＩ−１線断面図、第７図（Ｇ）
は、その等価回路図、 第８図は、リフレッシュパルスφｒｃをパラメータとし
て測定した上記光電変換セルの光電変換特性を示すグラ
フ、 第９図は、読出しパルスφｒをパラメータとして測定し
た上記光電変換セルの光電変換特性を示すグラフである
。 １・・Φｎシリコン基板 ４・φｌＩｎ−エピタキシャル層 ６・・・素子分離領域 ９・ｓａｐミルベース １５・・・ｎ十エミッタ領域 １９１１・・エミッタ電極 ２１φΦ・コレクタ電極 １０１．１０４−−−絶縁膜 １０２＠・・キャパシタ電極 ２０１・φ・出力ライン ２０２−・拳アンプ ４０６−φや感度切換えスイッチ Ｖｒ・・・駆動電圧 φｒ−・轡読出しパルス φｒｃ・・・リフレッシュパルス 代理人　　弁理士　山　下　穣　子 弟１１：Ａ （Ｂ） 喜Ｆ化し 第３図 第４図 第５図 （Ｂン 第７図 （Ｂ） （Ｃ） 第８図 ＴＥ、ｌＬ（Ｅｖ）

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し、該蓄積に
   よって発生した蓄積電圧を読出し、蓄積されたキャリア
   を消滅させるという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、 前記読出し動作を行うための読出しパルス又は前記キャ
   リア消滅動作を行うためのリフレッシュパルスを前記キ
   ャパシタに印加する際に、これらのパルスの一方又は双
   方のパルス幅を変化させることで前記光電変換セルの感
   度を変化させることを特徴とする駆動方法。