JPH0283976A - 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、光電変換装置に係り、特に半導体トランジス
タのベース領域に電荷を蓄積し、この電荷に対応する出
力を取り出す光電変換装とに関する。

［従来の技術］ 従来の制御電極領域に光励起により発生したキャリアを
蓄積する光電変換装置について第６図を用いて説明する
。

第６図は、従来の充電変換装置の光電変換セルの縦断面
図である。

第６図に示すように、ｎシリコン基板ｌ上には、ｎ−エ
ピタキシャル層３が形成され、ｐベースｇｉ城４には、
ｎ◆エミッタ領域５が形成されている。そして、ｎ÷エ
ミッタ領域５には、エミッタ電極８が接続されている。

隣接する光電変換セルとの間には、絶縁領域１４とその
直下に設けられたｎφ領域１５とにより素子分離領域２
が形成され、光照射により発生した電荷が隣接するセル
へ拡散することを防止している。

ｐベース領域４Ｌには、＃化＃！Ｊ６を挟んでキャバシ
タ′心極７が形成され、更に絶縁［１６，遮光膜１７が
形成されている。遮光１＆１１７および絶縁膜１６上に
は保護絶縁膜１８が形成されている。

次に、上記光電変換装置の基本的動作について説明する
。

まず、バイポーラのベースであるｐベース領域４は負電
位の初期状態にあるとする。このｐペース領域４の受光
面に光が入射すると、入射光により発生した電子・正孔
対のうち正孔がｐベース領域４にＪＭされ、ａ積された
正孔によって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７に読出し用の正電圧パルスが
印加され、蓄ｙ１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通にしたエミッタ電極８から出力さ
れる（読出し動作）。

この読出し動作で要求されるバイポーラの特性としては
、読出しゲインが十分とれることが要求され、エミッタ
接地電流増幅率ｈｆＥを大きくシ。

この読出し動作による各画素間のバラツキを防止する必
要性から、ベース領域の容ＩｃＢ、ベースエミッタ間容
量ＣＢＥ等のパラメータの精度が要求される。

次に、Ｐベース領域４に蓄積された正孔を除去するには
、エミッタ電Ｊ４ｉ８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ベース領域４は、ｎ◆エミッタ領域５
に対して順方向にバイアスされ、エミッタからベースへ
注入される電子により蓄積されていた正孔が再結合し消
滅する。

そして、リフレッシュパルスが立ち下がった時点でｐベ
ース領域が初期状態に復帰する（リフレッシュ動作）。

この再結合により正孔が消滅していく時定数τＦは τｒ＝ｈＥｔ・Ｃ８・ＲＥ となる、ただし、ＨＥはエミッタ側の抵抗値である。こ
のことから、高速のリフレッシュ動作を実現しようとす
ると、ｈｒ［は小さい方が望ましい。

さらに、このリフレッシュ動作により各画素ごとのベー
ス電位が同一の値に収束するためには、ｈｌＥの制御性
の良いプロセスで素子を作製しなければならない。

［発明が解決しようとしている課題１ 以上説明したように、従来の光電変換装置においては、
読出し動作時でのｈｒＥは大きく、一方リフレッシュ動
作時でのｈｒＥは小さくかつ非常にコントロールされた
ものが要求され１両者の動作においては、相矛盾する特
性が要求されていた。

また、一般にｈＨが高くなればなる程、ｂｒｔのコント
ロールは難しく、リフレッシュ動作ヲ行っても各画素間
のバラツキが収束しにくいという問題点を有していた。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光電変換装置は、半導体トランジスタのベース
領域に電荷を蓄積し、この電荷に対応する出力を取り出
す光電変換装置において、前記ベース領域に、＃Ｊ記ベ
ース領域に蓄積された電荷に対応する出力を読出す第一
のエミッタ領域と、前記ベース領域に蓄積された電荷を
消滅させる第二のエミッタ領域とを別々に設けたことを
特徴とする。

［作用］ 本発明の光電変換Ｓｔｔは、ベース領域内に読出し用の
高ｈＦｔのエミッタと、リフレッシュ用低ｈＦＥのエミ
ッタとを別々に設けることにより、読出し特性及びリフ
レッシュ特性の優れた光電変換装置を実現しようとする
ものである。

従来、特願昭８０−２５２８５３号、及び特願昭６１−
２１９８６８号等に記載されている光電変換装置におい
ても、ベース領域内に２つのエミッタを設けたものがあ
るが、これらは、１つのエミッタがベース領域に蓄積さ
れた１画素ごとの情報を読出すためのもので、もう一方
のエミッタが各画素の信号の平均値やピーク値を検出す
るためのものであって本発明とは異にするものである。

なお、リフレッシュ用エミッタを低ｈＦ［化することに
より、各画素間でのｈＦＥが安定化され、固定パターン
ノイズの少ない光電変換装置が実現できる。

［実施例］ 以下、未発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は、本発明の光電変換装置の一実施例の等価回路
図である。

ｍ１図において、Ｓ１〜Ｓｎは、ベース部に上記ベース
電位制御用キャパシタ２０とｎｐｎバイポーラトランジ
スタ構成部とからなる光電変換セル、Ｔ　ｄ（”　Ｔ　
ｄｎは、上記バイポーラトランジスタのベース龜位をリ
セットするためのＰチャンネルＭＯＳトランジスタで１
例えばＴｄｌのトランジスタを例にとると、そのゲート
電極２１は、゛上記キャパシタ２０と端子２２に共通に
接続され、パルスφ尺が入力される。その他Ｔｄ２〜Ｔ
　ａ　ｎもＴｄｌと同様な構成となっている。そのソー
ス′這極２３には、端子２４より一定電圧ＷａＳが適時
印加される。　Ｔｂ＋〜Ｔｂｎはエミッタ電位をリセッ
トするためのｎチャンネルＭＯ５）ランジスタである。

光電変換セルＳ１〜Ｓｎのバイポーラトランジスタの一
方のエミー、夕は１例えばＳｌ　に注目するとエミッタ
２５は、ｎチャンネルＭＯ３）ランジスタＴｂＩを介し
て端子２６に共通に接続される。

Ｓ２からＳｎ　に対してはそれぞれトランジスタＴｂｌ
”Ｔｂｎを介して端子２６に接続される。

ｎチャンネルＭＯ５）ランジスタＴｂ＋ＮＴｂｎの共通
接続されたゲート電極２７には、端子２８よりパルスφ
ＶＲ５が入力され、端子２６には、電圧ＶＢＢより十分
に′電圧又は接地電圧であるＶ　ｗａｓが適時印加され
る。

さらに、各光電変換セルＳ　ｌ”　Ｓ　ｎのもう一方の
エミッタ、例えばＳｌに注目すると、エミッタ２９は、
ｎチャンネルＭＯ５）ランジスタＴ　ａ　ｌを介して、
蓄積用キャパシタＣ１１に接続され、モヤバシタＣ目は
ｎチャンネルＭＯ５）ランジスタＴｅｌを介して出力ラ
イン３０に共通接続される。

他の光電変換セルＳ２〜Ｓｏに対しても、それぞれｎチ
ャンネルＭＯ３）ランジスタＴ　ａ　２〜Ｔ　ａ　ｎを
介して蓄積用キャパシタＣＩ２〜Ｃｒｎに接続され、各
ｎチャネルＭｏＳトランジスタＴＣ２〜ＴＣｎを介して
出力ラインに接続される。ｎチャンネルＭＯ５）ランジ
スタＴ−１〜”ｒａｎのゲート電極３１は、端子３２に
共通に接続され、端子３２には、パルスφ■が入力され
る。ｎチャンネルＭＯ３）ランジスタＴＣＩ〜Ｔ　ｃ　
ｎのそれぞれのゲート電極はシフトレジスタ３３の出力
端子に接続され、シフトレジスタ３３によって上記ｎチ
ャンネルＭＯ５）ランジスタＴ　ｅ　ｌ　”’　Ｔ　Ｃ
ｎは順次ＯＮ状態になる。また、シフトレジスタ３３は
端子３４から入力されるシフトパルスφＳＨによって動
作が開始するように構成されている。

出力ライン３０は、出力アンプ３５を通して出力端子３
６に接続されている。また、出力アンプ３５の入力は、
トランジスタ３７を介して端子３８に接続され、端子３
８には一定′屯圧ＶＨＲＳが印加されている。

また、トランジスタ３７のゲート電極には、パルスφＨ
大Ｓが入力する。

以下、上記構成の光電変換装置の動作を説明する。

（リフレッシュ動作） マス、端子２２へのパルスφｋを低いレベルにし、ｐチ
ャンネルＭＯ５）ランジスタＴｄｌ〜Ｔ　ｄ　ｎをＯＮ
状態とし、光電変換セルＳ！〜Ｓｎのベース電位を端子
２４のｔｕ位Ｖ８Ｂにする。続いて、端子２８に高いレ
ベルのパルスφＶＲ５を印加し、ｎチャンネルＭＯ３）
ランジスタＴｂ＋〜ＴｂｎをＯＮ状態とし、全てのビッ
トのリセット用エミッタ電極２５をリセット電位ｖ　ｗ
ａｓ　にし、その後端子２２に高いレベルのパルスφＲ
を印加する。パルスφＲは高いレベルゆえに、Ｐチャン
ネルＭＯ５）ランジスタＴｄｌ〜Ｔ　ｄ　ｎはＯＦＦ状
態となり、光電変換セル５１＝Ｓｎのバイポーラトラン
ジスタのベースはフローティング状態となり。

かつベースに設けられたキャパシタを介してベース電位
がもち上げられるため、上記リセット用エミッタ電極１
例えばＳｌに注目すればリセット用エミッタ電極２５か
らベース部に電子が注入され、ｐベース領域に蓄積され
ていた正孔は２再結合により消滅する。

本発明の場合、上記リセット用エミッタにより構成され
るバイポーラトランジスタのｈＢは。

ｌＯ〜１００となり、小さく設定できるために、従来に
比較して高速のリフレッシュ動作が実現できた。

（蓄量動作） パルスφｇを中間レベル（ｐチャンネルＭＯ３）ランジ
スタＴ　ａ　＋　”　Ｔ　ｄｎがＯＦＦ状態を継持して
いるレベル）にすると、各セルに設けられたキャパシタ
を介してベース電位は低下し、エミッタに対して逆バイ
アス状態となる。この状態で各々の光電変換セルにおい
て入射光の照度に対応した電荷を蓄積する。

（読出し動作） まず、ｎチャンネルＭＯＳ）ランジスタＴｂｌ〜Ｔ　ｈ
　ｎをＯＦＦ状態にし、各ビットのエミッタを浮遊（フ
ローティング）状態にする。

続いて端子３２にパルスφＴを印加してｎチャンネルＭ
ＯＳ）ランジスタＴＪＩ”’ＴａｎをＯＮ状態にすると
ともに、端子２２より高いレベルのパルスφＲを印加す
る。これにより各ビー、トからの信号が読出されてコン
デンサＣＩＩ〜Ｃｔｎに各々蓄積される。この場合、　
　ｈｒＥの高い（例えばｔｏｏｏ程度）エミッタを通し
て読出されるため蓄積されている信号が破壊され、読出
しゲインが低下する問題は生じない。

続いて、ｎチャンネルＭＯＳ）ランジスタＴａｌ”　Ｔ
ａｎｔ’　ＯＦ　Ｆ　ｌ、た後、シフトレジスタ３３に
より、ｎチャンネルＭＯＳ）ランジスタＴＣＩ〜Ｔ　Ｃ
ｎを順次ＯＮ状態として、信号を順次出力ライン３０に
読出し、アンプ３５を通して出力する。

その際、各信号が出力されるごとに、パルスφＨＲ３に
よってトランジスタ３７がＯＮ状思となり、出力ライン
３０の残留電荷をリセットする。

次に本発明に係る光電変換装置の光電変換セル部（第１
図の５１〜Ｓ口）の説明を行う。

第２図は、本発明の光電変換装置の第一χ流側の光電変
換セルの縦断面図である。なお、第６図と同一構成部材
は同一番号をつけて説明を省略すｍ２図において、エミ
ッタ電位をリセットするＭＯＳ）ランジスタＴｂ＋〜Ｔ
　ｂ　ｎ側に接続されているエミッタ電極２９の下のｎ
◆層４２の濃度ｓｇＥｓｒは、転送用ＭＯ３）ランジス
タＴａ１〜Ｔ　ａ　ｎ側に接続されている読出し用エミ
ッタ″Ｗ１極２５の下のｎ＋ｆｉ４１の１３ｙＩＮａｔ
Ａｏよりもうすくなっている。つまり ＮｅＥｓ■＜　Ｎ穴Ｅ＾０ である、これによりｎ◆層４２とＰベース４とコレクタ
となるｎ−エピタキシャル層３とｎシリコン基板ｌから
構成されるバイポーラトランジスタのｈｒｃは、ｎ◆層
４１とｐベース４とコレクタとなるｎ−エピタキシャル
層３とｎシリコン基板ｌから成るトランジスタのｈｒＥ
よりも低くなっている。ｈ「［も約１００前後のものは
、容易に作製できるため、過渡リフレッシュ用エミッタ
から構成されるバイポーラトランジスタの各セル間のｈ
ｔｔのバラツキは極めて小さくなり、蓄積動作開始前の
各画素セル間のベース電位は一定となる。

したがって、これらの増幅型光電変換装置特有の固定パ
ターンノイズが低減され、Ｓ／Ｎの向上を図ることがで
きる。

次に１本発明の第二実施例について、第３図を用いて説
明する。

第３図は１本発明の光電変換装置の第二実施例の光電変
換セルの縦断面図である。なお、第６図と同一構成部材
は同、一番号をつけて説明を省略する。

第３図において、４３．４４は同一濃度のｎ＋層、４５
は、ベース層４よりも濃度の高い２層である。第一実施
例では、読出し用のエミッタ部の濃度を過渡リフレッシ
ュ用エミッタ部のものよりも高くすることで、高いｈｒ
ｒのバイポーラトランジスタを作製したが、本第二実施
例では。

過渡リフレッシュ用エミッタの周辺のみ高濃度のＰ領域
４５を設けることにより、逆に過渡リフレッシュ用のバ
イポーラトランジスタのｈｒＥを低くしたものである。

なお、不図示であるが。

第１図に示すように、本光電変換セルには、べ−ス’１
ｌｌｔ位リセット用のｐチャネルＭＯ５）ランジスタＴ
ｄＩ〜Ｔ　ｄｎも設けられているが、上記ｐチャネルＭ
Ｏ３）ランジスタのソース−ドレインとなるＰ◆領領域
形成する工程が、プロセス内にすでに存在するので、こ
のＰ◆層を形成する工程を高濃度のｐ＋領域４５を形成
する工程に利用すれば。

本第二実施例の場合、マスク枚数を増さずに作製できる
という利点がある。

次に、本発明の第三実施例について、第４図を用いて説
明する。

第４図は、本発明の光電変換装置の第三実施例の光電変
換セルの縦断面図である。なお、第６図と同−構Ｉ＆部
材は同一番号をつけて説明を省略する。

第４図において、４６はＳｉよりも禁止帯幅の広い材料
により形成されたエミッタ２４７は、上記エミッタ４６
よりも禁止帯幅の狭い材料から成るエミッタである。エ
ミッタ４６の材料としては。

アモルファスＳ１．アモルファスＳｉＣ、多ＭＬＳｉＣ
，微結晶Ｓｉ、これらの結品状態（アモルファス状ｊム
を含む）が混在した状態のもの、弔結品Ｓ＋Ｃ、ａ素ド
ープしたＳｉ等が、一方、エミッタ４７としては通常よ
く使用されるＡｓドープした多結晶Ｓｉ′ｊｉ−が利用
できる１本第三実施例は読出し用のエミッタとして禁止
帯幅の広いものを使用し、ヘテロバイポーラトランジス
タを構成し、高ｈｒｃ化を実現したものである。ｈｔｔ
は、ベース部とエミッタ部とのバンドギャップの差ΔＥ
ｇに対して指数関数的に増大するため、第−及び第二実
施例のものに比較して、極めて高いｈＦＥが実現できる
。

次に、本発明の第四実施例について、第５図を用いて説
明する。

第５図は１本発明の光電変換装置の第四実施例の光電変
換セルの縦断面図である。なお、第６図と同一４１成部
材は同一番号をつけて説明を省略する。

第５図において、４６はＳｉよりも禁止帯幅の広い材料
により形成されたエミッタ、４７は、上記４６よりも禁
止帯幅の狭い材料により形成されたエミッタである点は
、第三実施例と同様であるが、各エミッタ４６．４７の
真下に浅いｎ層が形成されている点が異なる。ｆＲ三実
施例の場合、エミッタ部とベース部との接合部は、ちょ
うど、上記エミッタ４６．４７の薄膜と、エピタキシャ
ルＳｉ層との界面となり、この界面で生じる再結合によ
りベース電流が増大し、ｂｔｔが低下してしまうという
可能性がある６本第四実施例では、各エミッタ４６とエ
ミッタ４７の直下に薄い（浅い）ｎ層を設は上記界面で
発生する再結合電流を低減したものである。

以上説明した第一〜第四叉流側は、半導体トランジスタ
がｎｐｎ型バイポーラトランジスタであるが、ｐｎｐ型
バイポーラトランジスタについても同様に適用すること
ができる。

次に１本発明を適用した画像読取装置の一例を示す。

第７図は、画像読取装置の一例の概略的構成図である。

同図において、原稿５０１は読取り部５０５に対して相
対的に矢印Ｙ方向に機械的に移動する。

また、画像の読み取りは、イメージセンサ５０４によっ
て矢印Ｘ方向に走査することで行われる。

まず、光源５０２からの光は原稿５０１で反射し、その
反射光が結像光学系５０３を通してイメージセンサ５０
４上に像を結像する。これによって、イメージセンサ５
０４には入射光の強さに対応したキャリアが蓄積され、
光Ｍｌ変換されて画像信号として出力する。

この画像信号は、ＡＤ変！Ｉｌ器５０６によりデジタル
変換され１画像処理部５０７内のメモリに画像データと
して取り込まれる。そして、シェーディング補正、色補
正等の処理が行われ、パンコン５０８又はプリンタ等へ
送信される。

こうしてＸ方向の走査の画像信号転送が終了すると、原
稿５０１がＹ方向へ相対的に移動し、以下同様の動作を
鰻り返すことで、原稿５０１の前画像を電気信号に変換
し画像情報として取り出すことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように１本発明の光電変換装置によれば、
ベース領域内に信号読出し用の高ｈＦＦのエミッタとリ
フレッシュ用の低ｈＦＥのエミッタとを設けることによ
り、 １）信号の読出しゲインが高い。

２）　リセット動作が速い。

３）　リセット動作により、各画素間のリセット電位を
一定にでき、固定パターンノイズの少ない高Ｓ／Ｎのセ
ンサが実現できる、竿の効果を有する光電変換装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

ｉｆ図は１本発明の光電変換装置の一実施例の等価回路
図である。 第２図は、本発明の光電変換装置の第一実施例の光電変
換セルの縦断面図である。 第３図は、本発明の光電変換装置の第二実施例の光電変
換セルの縦断面図である。 第４図は、本発明の光電変換装置の第三実施例の光電変
換セルの縦断面図である。 第５図は、本発明の光電変換装置の第四実施例の光電変
換セルの縦断面図である。 ｔ５６図は、従来の光電変換装置の光電変換セルの縦断
面図である。 第７図は１画像読取装置の一例の概略的構成図である。 Ｓｌ　〜ｓｎ　　：光電変換セル、　Ｔｄｌ　〜Ｔａｎ
：ｐチャンネルＭＯ５）ランジスタ、”ｒａｌ〜Ｔａｎ
＋Ｔｂ＋〜Ｔｂｎ　、　Ｔｃ＋　”Ｔｃｎ　：　ｎチャ
ンネルＭＯ３）ランジスタ、Ｃ＋１〜Ｃｔｎ：Ｚ積用キ
ャパシタ２０：キャパシタ、２１．２７：ゲート電極、
２２．２４．２Ｂ、２８，３２，３４，３８：端子、２
３：ソース電極、２５，２９，４６゜４７：エミッタ、
３０：出力ライン、３３：シフトレジスタ、３５：出力
アンプ、３６：出力端子、３７：トランジスタ、４１，
４２，４３゜４４：ｎ４−Ｍ！？、４：ベース、４５：
２層。 代理人　弁理士　山　下　積　平 □田 一一−１６ メーーーー１ 第 図 〜１８ 一−１ 第 図 ７−〜１８ ｌ−〜−７１ 第 図 □１日 〆一一−１ ｎ 、−１８ ／−＼−１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体トランジスタのベース領域に電荷を蓄積し
   、この電荷に対応する出力を取り出す光電変換装置にお
   いて、 前記ベース領域に、前記ベース領域に蓄積された電荷に
   対応する出力を読出す第一のエミッタ領域と、前記ベー
   ス領域に蓄積された電荷を消滅させる第二のエミッタ領
   域とを別々に設けたことを特徴とする光電変換装置。
2. （２）前記第一のエミッタ領域から構成される半導体ト
   ランジスタのエミッタ接地電流増幅率ｈ＿Ｆ＿Ｅが、前
   記第二のエミッタ領域から構成される半導体トランジス
   タのエミッタ接地電流増幅率ｈ＿Ｆ＿Ｅよりも大きいこ
   とを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。