JP2501207B2

JP2501207B2 - 光電変換装置

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Publication number: JP2501207B2
Application number: JP61291589A
Authority: JP
Inventors: 佳夫中村; 成利須川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-12-09
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPS63144561A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、トランジスタの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方式の光電変換装置に
係り、特に過剰キャリアの流出を防止することを企図し
た光電変換装置に関する。

［従来技術］第７図（Ａ）は、光電変換装置の概略的断面図、第６
図（Ｂ）は、その一つの光電変換セルの等価回路図であ
る。

第７図（Ａ）において、ｎシリコン基板１上にn^-エピ
タキシャル層４が形成され、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４上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⁺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の電位を制御するためのキャパシタ電極14、n⁺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１
の裏面にオーミックコンタクト用のn⁺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。

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・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、さらに低雑音を達成できる。また、構
造的に単純であるために、招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、上記光電変換セルを複数個配列して光
電変換装置を構成すると、ある画素に飽和光量以上の光
が照射された場合にスメアが発生するという問題点を有
していた。すなわち強い光が入謝すると、ｐベース領域
９に多量のホールが蓄積され、それによってベース電位
が上昇する。このベース電位がコレクタ電位を超えて上
昇すると、ベース・コレクタ間の空乏層22が消失してベ
ース中の蓄積キャリアが隣接セルに流出する（矢印2
3）。これによって隣接セルのｐベース領域９には流入
してきたホールが加わった蓄積状態となり、読出し信号
を画像再生した時にスメアを生じてしまう。

［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、その目的はスメア等を防止し、正確な出力信号
を得ることができる光電変換装置を提供することにあ
る。

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、該蓄積により発生した蓄積電圧を
前記半導体トランジスタの一方の主電極領域から読み出
す方式の複数の光電変換セルを有する光電変換装置にお
いて、前記複数の光電変換セルの主電極領域を両端の電位差
に依存してスイッチ動作を行う半導体素子の一方の端に
接続すると共に、該半導体素子の他端には前記制御電極
領域に所定レベル以上の過剰キャリアが蓄積されたとき
に該半導体素子が導通する所定の共通電位を接続するこ
とによって、前記制御電極領域の過剰キャリアを前記主
電極領域側から除去可能とした過剰キャリア除去手段を
有したことを特徴とする。

［作用］このような過剰キャリア除去手段によって上記制御電
極領域に蓄積された過剰キャリアを自動的に除去するこ
とができるため、過剰キャリアが隣接セルへ流出するこ
とがなくなり、再生画像のスメアを防止することができ
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１実施例の
概略的回路図である。

同図において、第７図に示す光電変換セルS₁〜S_nがラ
イン状に配列され、各光電変換セルのコレクタ電極12に
は一定の正電圧Vccが印加されている。各キャパシタ電
極17は走査回路の並列出力端子に各々接続され、各光電
変換セルは各出力端子からの信号φh₁〜φh_nによって読
出し動作又はリフレッシュ動作を行う。

また、各エミッタ電極19は各々トランジスタQ₁〜Q_nを
介して出力ライン103に共通に接続され、トランジスタQ
₁〜Q_nの各ゲート電極は、各キャパシタ電極17と同様
に、走査回路の並列出力端子に各々接続されている。さ
らに、各エミッタ電極19はPNダイオードD₁〜D_nを介して
一定電圧ラインLrhに接続され、ラインLrhには電圧Vcc
より低い一定電圧Veが印加されている。したがって、各
セルのｐベース領域９は、エミッタ領域15とのPN接合お
よびダイオードD₁〜D_nのPN接合を介してラインLrhに接
続されている。

出力ライン103は、トランジスタ104を介して接地され
るとともに、アンプ105に接続されている。アンプ105の
出力端子106から読出し信号がシリアルに外部へ出力さ
れる。またトランジスタ104のゲート電極には信号φhrs
が印加され、出力ライン103のリフレッシュを行う。

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

第２図は、本実施例の動作を説明するためのタイミン
グチャートである。

（リフレッシュ動作）まず、信号φhrsによりトランジスタ104をON状態とし
て出力ライン103を接地しておき、走査回路の並列出力
端子から信号φh₁〜φh_nを順次出力する。

これによってトランジスタQ₁〜Q_nが順次ONとなり、各
エミッタ電極19が出力ライン103を通して順次接地され
た状態となるとともに、同じタイミングでパルスφh₁〜
φh_nは各キャパシタ電極17に順次印加される。これによ
って、すでに述べたようなリフレッシュ動作が行われ、
ｐベース領域９に蓄積されたキャリアが除去される。

（蓄積動作）キャパシタ電極17には電圧を印加せずトランジスタQ₁
〜Q_nをOFF状態として、ｐベース領域９に入射光の照度
に対応した量のキャリアを蓄積させる。

その際、強い光が入射して過剰なキャリア（ここでは
ホール）が蓄積されベース電位が上昇し、一定電圧Veよ
り約1.4V程度高くなると、一定電圧VeのラインLrhとの
間のPN接合が順バイアス状態となり、過剰なキャリアは
ベース・エミッタ間のPN接合およびダイオードＤのPN接
合を通してラインLrhへ流出する。

こうして強い光が入射しても、ベース領域９内の過剰
なキャリアはラインLrhへ除去され、従来のような隣接
セルへの流出は防止される。

（読出し動作）蓄積動作を一定時間行った後、信号φhrsをローレベ
ルにしてトランジスタ104をOFF状態とし、出力ライン10
3を浮遊状態にする。

続いて、先ず、走査回路から信号φh₁が出力され、光
電変換セルS₁のキャパシタ電極17に読出しパルスが印加
される。これによって、トランジスタQ₁がONとなり、セ
ルS₁の信号がトランジスタQ₁を通して出力ライン103に
読出され、アンプ105を通して出力端子106から出力信号
V₁として出力される。

出力信号V₁が出力されると、信号φhrsによってトラ
ンジスタ104がON状態となり、出力ライン103に残留して
いるキャリアが除去される。

以下同様に、走査回路から信号φh₂〜φh_nが順次出力
され、光電変換セルS₂〜S_nのキャパシタ電極17に読出し
パルスが印加される。そして、各出力信号V₂，V₃・・・
が出力端子106から出力されるごとに、トランジスタ104
がON状態となって出力ライン103がリフレッシュされ
る。

このように、各光電変換セルS₁〜S_nの信号はトランジ
スタQ₁〜Q_nを通して直接に出力ライン103に読出され、
アンプ105を通して外部へ出力される。したがって、出
力ライン103には光電変換セルの高出力信号が現われ
る。

また、図示されるように、キャパシタ電極17に印加す
る電圧およびトランジスタQ₁〜Q_nのゲート電圧を共に走
査回路からの出力φh₁〜φh_nによって供給するために、
回路構成が簡単である。

さらに、過剰キャリアがラインLrhへ除去されるため
に、再生画像のスメア発生を防止できる。

なお、第２図中のパルスφrhは、次に述べる第２実施
例で必要とされるパルスである。

第３図は、本発明の第２実施例の概略的回路図であ
る。ただし、第１実施例と同一回路部分には同一番号を
付して説明は省略する。

本実施例では、各セルのエミッタ電極19がトランジス
タQ_e1〜Q_enを介して一定電圧ラインLrhに接続されてい
る。またトランジスタQ_e1〜Q_enのゲート電極にはパルス
φrhが印加され、パルスφrhが印加された状態でトラン
ジスタQ_e1〜Q_enのソース・ドレイン間電圧が一定値を超
えると導通状態となるように設定されている。

このように構成して第２図のパルスφrhを含むタイミ
ングで動作させる。これによって、トランジスタQ_e1〜Q
_enのゲート電極には蓄積動作時にのみパルスφrhが印加
され、この時のトランジスタQ_e1〜Q_enは、ソース・ドレ
イン間電圧、すなわち一定電圧Veと各セルのエミッタ電
圧との電位差によって各々導通状態が決定される。した
がって、ｐベース領域９に蓄積された過剰キャリアをト
ランジスタQ_e1〜Q_enを通してラインLrhへ除去すること
ができる。

次に、本発明の第３実施例に用いられる光電変換セル
について説明する。

第４図（Ａ）は、特願昭60-252653号に記載されてい
る光電変換セルの概略的平面図、第４図（Ｂ）は、その
Ａ−Ａ線断面図、第４図（Ｃ）は、その等価回路図であ
る。

各図において、ｎシリコン基板201上にはn^-エピタキ
シャル層203が形成され、n^-エピタキシャル層203にはｐ
ベース領域204が形成され、ｐベース領域204にはn⁺エミ
ッタ領域205および205′が形成されている。そして、n⁺
エミッタ領域205および205′には、エミッタ電極208お
よび208′が各々接続されている。

また、本例では、絶縁領域214と、その直下に設けら
れたn⁺領域215とによって素子分離領域202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204上には酸化膜６を挟んでキャパシタ
電極207が形成され、更に絶縁膜216を挟んで遮光膜217
が形成されている。遮光膜217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204の主要部分に受光面が形成される。また、遮
光膜217および受光面となる絶縁膜216上には保護絶縁膜
218が形成されている。

基本的な動作は、上記実施例と同様である。まず、光
励起されたキャリアが蓄積されてｐベース領域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207に読出し用の正電圧パル
スが印加され、読出し信号がエミッタ電極208および／
又は208′から出力される（読出し動作）。

また、エミッタ電極を接地し、キャパシタ電極207に
正電圧のリフレッシュパルスを印加することでリフレッ
シュ動作を行う。

このようなダブルエミッタ構造を有する光電変換セル
では、次に示すように、一方のエミッタを信号読出し用
に、他方のエミッタを過剰キャリア除去用に利用するこ
とができる。

第５図は、第４図に示す光電変換セルを用いた参考例
の概略的回路図である。ただし、第１実施例と同一回路
部分には同一番号を付して説明は省略する。

本参考例では、各セルの一方のエミッタ電極208′を
一定電圧ラインLrhに共通に接続し、一定電圧Veを印加
する。

これによってn⁺エミッタ領域205′に電圧Veが印加さ
れた状態となり、強い光が入射してベース電位が上昇す
ると、過剰キャリアはエミッタ領域205′のPN接合を通
してラインLrhへ除去される。

なお、上記各実施例ではラインセンサの場合を示した
が、エリアセンサにもそのまま適用できることは明らか
であり、同様の効果を得ることができる。

第６図は、上記実施例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301は上記各実施例の構成を
有し、その出力信号Voutは信号処理回路302によってゲ
イン調整等の処理が行われ、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301を駆動するための各種パルスφ、
電圧Vccおよび一定電圧Veはドライバ303によって供給さ
れ、ドライバ303は制御部304の制御によって動作する。
また、制御部304は撮像素子301の出力に基いて信号処理
回路302のゲイン等を調整するとともに、露出制御手段3
05を制御して撮像素子301に入射する光量を調整する。

上述したように、本発明による撮像素子301は入射光
の情報を正確に電気信号に変換しており、スメアのない
良質の画像が得られる。

［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、過剰キャリア除去手段によってトランジスタの制御
電極領域に蓄積された過剰キャリアを自動的に除去する
ことができるために、過剰キャリアが隣接セルへ流出す
ることがなくなり、再生画像のスメアを防止することが
できる。

又、過剰キャリア除去手段を主電極領域側に設けてい
るので、開口率を損なうことがない。

【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１実施例の概
略的回路図、第２図は、本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャート、第３図は、本発明の第２実施例の概略的回路図、第４図（Ａ）は、特願昭60-252653号に記載されている
光電変換セルの概略的平面図、第４図（Ｂ）は、そのＡ
−Ａ線断面図、第４図（Ｃ）は、その等価回路図、第５図は、第４図に示す光電変換セルを用いた参考例に
よる概略的回路図、第６図は、上記実施例を使用した撮像装置の一例の概略
的構成図、第７図（Ａ）は、特開昭60-12759号公報〜特開昭60-127
65号公報に記載されている光電変換セルの概略的断面
図、第７図（Ｂ）は等価回路図である。１……ｎ基板４……n^-エピタキシャル層６……素子分離領域９……ｐベース領域 12……絶縁層 14、17……キャパシタ電極 15……n⁺エミッタ領域 19……エミッタ電極 21……コレクタ電極 103……出力ライン 105……出力アンプ D₁〜D_n……ダイオード Qe₁〜Qe_n……トランジスタ Lrh……一定電圧ライン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体トランジスタの制御電極領域の電位
を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、該蓄積により発生した
蓄積電圧を前記半導体トランジスタの一方の主電極領域
から読出す方式の複数の光電変換セルを有する光電変換
装置において、前記複数の光電変換セルの主電極領域を両端の電位差に
依存してスイッチ動作を行う半導体素子の一方の端に接
続すると共に、該半導体素子の他端には前記制御電極領
域に所定レベル以上の過剰キャリアが蓄積されたときに
該半導体素子が導通する所定の共通電位を接続すること
によって、前記制御電極領域の過剰キャリアを前記主電
極領域側から除去可能とした過剰キャリア除去手段を有
したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】上記半導体素子は両端の電位差に依存する
電位障壁から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の光電変換装置。
【請求項３】上記半導体素子はPN接合であることを特徴
とする特許請求の範囲第２項記載の光電変換装置。
【請求項４】上記PN接合は、PN接合ダイオードであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光電変換装
置。
【請求項５】上記半導体素子は両端の電位差が所定のレ
ベルを越えたときに導通状態となるトランジスタである
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換
装置。