JPH0689992A

JPH0689992A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH0689992A
Application number: JP4327571A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Sugawa; 成利須川; Nobuyoshi Tanaka; 信義田中; Toshimoto Suzuki; 敏司鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-03-29

Abstract

(57)【要約】【目的】蓄積又は読出し動作等に並行して測光やピー
ク値検出等を行い、全体として動作の高速化を図る。【構成】半導体トランジスタの制御電極領域４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４に光励起によって発生したキャリアを蓄積する
蓄積動作と、該蓄積により発生した蓄積電圧によって制
御された信号を前記半導体トランジスタの主電極領域５
から読出す読出し動作と、前記制御電極領域４に蓄積さ
れたキャリアを消滅させるリフレッシュ動作の各動作を
行う光電変換セルを有する光電変換装置において、前記
制御電極領域４に、前記主電極領域５と同一導電型の半
導体領域５′を前記主電極領域５とは別に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタの制御電
極領域の電位をキャパシタを介して制御することで、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、その蓄積電圧によって出力を制御する光電変換セ
ルを有する光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６ (Ａ）は、特開昭６０−１２７５９
号公報〜特開昭６０−１２７６５号公報に記載されてい
る光電変換装置の概略的断面図、図６ (Ｂ）は、その１
個の光電変換セルの等価回路図である。

【０００３】両図において、ｎ⁺シリコン基板１上に光
電変換セルが形成され配列されており、各光電変換セル
はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、又はポリシリコン等より成る
素子分離領域２によって隣接する光電変換セルから電気
的に絶縁されている。

【０００４】各光電変換セルは次のような構成を有す
る。

【０００５】エピタキシャル技術等で形成される不純物
濃度の低いｎ^- 領域３上にはｐタイプの不純物をドーピ
ングすることでｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純
物拡散技術又はイオン注入技術等によってｎ⁺領域５が
形成されている。ｐ領域４およびｎ⁺領域５は、各々バ
イポーラトランジスタのベースおよびエミッタである。

【０００６】このように各領域が形成されたｎ^-領域３
上には酸化膜６が形成され、酸化膜６上に所定の面積を
有するキャパシタ電極７が形成されている。キャパシタ
電極７は酸化膜６を挟んでｐ領域４と対向し、キャパシ
タ電極７にパルス電圧を印加することで浮遊状態にされ
たｐ領域４の電位を制御する。

【０００７】その他に、ｎ⁺領域５に接続されたエミッ
タ電極８、基板１の裏面に不純物濃度の高いｎ⁺領域１
１、およびバイポーラトランジスタのコレクタに電位を
与えるためのコレクタ電極１２がそれぞれ形成されてい
る。

【０００８】次に、基本的な動作を説明する。まず、バ
イポーラトランジスタのベースであるｐ領域４は負電位
の初期状態にあるとする。このｐ領域４側から光１３が
入射し、入射光によって発生した電子・正孔対のうちの
正孔がｐ領域４に蓄積され、蓄積された正孔によってｐ
領域４の電位が正方向に変化する（蓄積動作）。

【０００９】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、蓄積動作時のベース電位変化分
に対応した読出し信号、すなわち光情報が浮遊状態にし
たエミッタ電極８から出力される（読出し動作）。ただ
し、ベースであるｐ領域４の蓄積電荷量はほとんど減少
しないために、非破壊読出しが可能である。

【００１０】また、ｐ領域４に蓄積された正孔を除去す
るには、エミッタ電極８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領域４はｎ⁺領域５に対して順方向に
バイアスされ、蓄積された正孔が除去される。そして、
リフレッシュパルスが立下がった時点でｐ領域４は負電
位の初期状態に復帰する（リフレッシュ動作）。以後、
同様に蓄積、読出し、リフレッシュという各動作が繰り
返される。

【００１１】要するに、ここで提案されている方式は、
光入射により発生したキャリアを、ベースであるｐ領域
４に蓄積し、その蓄積電荷量によってエミッタ電極８を
コレクタ電極１２との間に流れる電流をコントロールす
るものである。したがって、蓄積されたキャリアを、各
セルの増幅機能により増幅してから光情報として読出す
わけであり、高出力、高感度、さらに低雑音を達成でき
る。

【００１２】また、光励起によってベースに蓄積された
キャリアによりベースに発生する電位Ｖｐは、Ｑ／Ｃで
与えられる。ここでＱはベースに蓄積されたキャリアの
電荷量、Ｃはベースに接続されている容量である。この
式により明白な様に、高集積化された場合、セル・サイ
ズの縮小と共にＱもＣも小さくなることになり、光励起
により発生する電位Ｖｐは、ほぼ一定に保たれることが
わかる。したがって、ここで提案されている方式は、将
来の高解像度化に対しても有利なものであると言える。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光電変換装置では、光電変換セルに蓄積された光情
報をエミッタ電極８から読出すだけであるために、測光
やピーク値検出を行う動作を読出し動作の前に挿入する
必要があり、高速動作の支障となっていた。また、それ
らの検出値に基づいて露光時間又は利得等を調節する回
路構成および動作が複雑化するという問題点も有してい
た。

【００１４】

【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する蓄積動作
と、該蓄積により発生した蓄積電圧によって制御された
信号を前記半導体トランジスタの主電極領域から読出す
読出し動作と、前記制御電極領域に蓄積されたキャリア
を消滅させるリフレッシュ動作の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、前記制御電極領域
に、前記主電極領域と同一導電型の半導体領域を前記主
電極領域とは別に設けたことを特徴とする。

【００１５】

【作用】上記主電極領域とは別に設けられた上記半導体
領域から光情報を読出すことができるために、その光情
報を例えば測光やピーク値検出等に用いることができ、
蓄積又は読出し動作等に並行して測光やピーク値検出等
を行うことができる。

【００１６】

【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。

【００１７】図１（Ａ）は、本発明による光電変換装置
の一実施例の概略的平面図、図１ (Ｂ）は、そのＡ−Ａ
線断面図、図１ (Ｃ）は、その等価回路図である。ただ
し、図６の従来例と同一機能を有する領域および部材に
は同一番号を付して説明は省略する。

【００１８】各図において、ｎ^- エピタキシャル層３に
はｐベース領域４が形成され、ｐベース領域４にはエミ
ッタ領域となるｎ⁺領域５および５′が形成されてい
る。そして、ｎ⁺領域５および５′には、エミッタ電極
８および８′が各々接続されている。

【００１９】また、本実施例では、絶縁領域１４と、そ
の直下に設けられたｎ⁺領域１５とによって素子分離領
域２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。

【００２０】ｐベース領域４上には酸化膜６を挟んでキ
ャパシタ電極７が形成され、更に絶縁膜１６を挟んで遮
光膜１７が形成されている。遮光膜１７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４の主要部分に受光面が形成される。
また、遮光膜１７および受光面となる絶縁膜１６上には
保護絶縁膜１８が形成されている。

【００２１】なお、本実施例では、エミッタ領域が二個
形成されているが、勿論これに限定されるものではな
く、目的に応じて複数個のエミッタ領域を設ければよ
い。

【００２２】また、本実施例の基本動作は従来例と同様
であり、蓄積、読出し、そしてリフレッシュの各動作が
行われる。ただし、エミッタ領域を二個有するために光
情報を別個に読出すことが可能であり、次に述べるよう
な撮像装置に適用することができる。

【００２３】図２は、本実施例を用いた撮像装置の第一
例を示す回路図、図３は、その撮像装置の動作を示すタ
イミングチャートである。

【００２４】同図において、ｎ個の光電変換セル２０−
１〜２０−ｎは一次元に配列され、各コレクタ電極１２
は共通に接続されて正電圧又は接地電圧が印加される。
また、各キャパシタ電極７はライン２３を介して端子２
４に共通に接続され、端子２４には読出し又はリフレッ
シュ動作を行うための信号φｒが印加される。さらに、
一方のエミッタ電極８は、各々垂直ライン２１−１〜２
１−ｎに接続され、他方のエミッタ電極８′は、共通ラ
イン２２に接続されている。

【００２５】垂直ライン２１−１〜２１−ｎは各々トラ
ンジスタ２５−１〜２５−ｎを介して接地されている。
また、トランジスタ２５−１〜２５−ｎの各ゲート電極
はライン２６を介して端子２７に共通に接続され、端子
２７に信号φｒｓが印加される。

【００２６】さらに、垂直ライン２１−１〜２１−ｎは
各々トランジスタ２８−１〜２８−ｎの一方の主電極に
接続されている。また、トランジスタ２８−１〜２８−
ｎのゲート電極はライン２９を介して端子３０に共通に
接続され、端子３０には信号φｔが印加される。トラン
ジスタ２８−１〜２８−ｎの他方の主電極は、それぞれ
電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎを介して接地
されているとともに、トランジスタ３４−１〜３４−ｎ
を介して出力ライン３５に接続されている。

【００２７】トランジスタ３４−１〜３４−ｎのゲート
電極はシフトレジスタ３２の並列出力端子３３−１〜３
３−ｎに各々接続され、各並列出力端子からは信号φ₁
〜φｎが出力される。

【００２８】出力ライン３５は、出力ライン３５をリセ
ットするためのトランジスタ３６を介して接地されてい
るとともに、出力アンプであるトランジスタ３９のゲー
ト電極に接続されている。リセット用トランジスタ３６
のゲート電極はライン３７を介して端子３８に接続さ
れ、端子３８には信号φｈｓが印加される。また、トラ
ンジスタ３９の一方の主電極は正電位の端子４１に接続
され、他方の主電極は抵抗４０を介して負電位の端子４
２に接続されている。さらに、他方の主電極はキャパシ
タを介して増幅器４３の入力端子に接続され、読出され
た光情報は増幅器４３の出力端子４４から送出される。
なお、増幅器４３の前段のキャパシタは、増幅器４３の
動作点電位によっては不要となる。

【００２９】一方、共通ライン２２は、トランジスタ４
６を介して接地されるとともに、増幅度調整回路４５の
入力端子に接続されている。トランジスタ４６のゲート
電極はライン３７を介して端子３８に接続され、トラン
ジスタ３６と同じ信号φｈｓが印加される。また、増幅
度調整回路４５の出力端子は、増幅器４３の増幅度選択
端子に接続され、共通ライン２２からの入力信号に基づ
いて増幅器４３の増幅度を調整する。

【００３０】次に、このような構成を有する本実施例の
動作を図３を参照しながら説明する。（リフレッシュ動作）まず、信号φｖｓおよびφｈｓを
ハイレベルにすることで、トランジスタ２５−１〜２５
−ｎ、リセット用トランジスタ３６および４６をＯＮ状
態にする。これによって、光電変換セル２０−１〜２０
−ｎの各エミッタ電極８および８′は接地状態になる。

【００３１】続いて、時点ｔ₁において、信号φｔがハ
イレベルとなり、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯ
Ｎ状態となる。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３
１−１〜３１−ｎが接地状態となり、残留電荷が除去さ
れる。続いて、時点ｔ₂において、信号φｔのパルスが
立下がると、信号φｒがハイレベルとなり、各光電変換
セル２０−１〜２０−ｎのキャパシタ電極７にリフレッ
シュ用の正電圧が印加される。各エミッタ電極８および
８′は接地状態にあるから、すでに述べたようにリフレ
ッシュ動作が行われ、時点ｔ₃で信号φｒが立下がると
各光電変換セルのベース領域４は負電位の初期状態に復
帰する。リフレッシュ動作が終了すると、信号φｖｓお
よびφｈｓは立下がり、トランジスタ２５−１〜２５−
ｎおよび２８−１〜２８−ｎはＯＦＦ状態となる。（蓄積動作）この状態で、各光電変換セル２０−１〜２
０−ｎのベース領域４には入射光によって励起された電
子・正孔対のうちの正孔が光情報として蓄積され、各セ
ルのベース電位は初期の負電位から入射光量に対応した
蓄積電圧分だけ各々上昇する。（読出し動作）蓄積動作を所望時間行うと、まず、信号
φｔをハイレベルにしてトランジスタ２８−１〜２８−
ｎをＯＮ状態とし、垂直ライン２１−１〜２１−ｎと電
荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎとを各々接続状
態にする。

【００３２】続いて、時点ｔ₄において、信号φｒが立
上がり各光電変換セルのキャパシタ電極７に読出し用正
電圧が印加される。これによって、すでに述べたように
読出し動作が行われ、光電変換セル２０−１〜２０−ｎ
の光情報が電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎお
よび共通ライン２２に読出される。

【００３３】この時、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜
３１−ｎには、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情
報が各々読出されるが、共通ライン２２には、入射光量
が最も高かった光電変換セルの光情報がピーク電圧とし
て現われる。増幅度調整回路４５は、このピーク電圧に
基づいて増幅器４３の増幅度を調整し、光情報の大小の
広がりを抑制するとともに、自動的な絞りの役割を果た
す。

【００３４】このようにして増幅器４３の増幅度が調整
されると、信号φｒおよびφｔが立下がり、信号φｈｓ
のパルスが端子３８に印加される。これによってトラン
ジスタ２８−１〜２８−ｎがＯＦＦ状態となり、また共
通ライン２２および出力ライン３５がリセットされる。

【００３５】続いて、時点ｔ₅からシフトレジスタ３２
を動作させ、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎ
から蓄積された光情報を順次出力する。まず、シフトレ
ジスタ３２の出力端子３３−１から出力される信号φ₁
がハイレベルになることで、トランジスタ３４−１がＯ
Ｎ状態となり、電荷蓄積用キャパシタ３１−１に蓄積さ
れている光情報が出力ライン３５に読出される。読出さ
れた光情報は、トランジスタ３９を介して増幅度が調整
された増幅器４３に入力し、端子４４から出力される。
続いて、信号φ₁が立下がると、信号φｈｓがハイレベ
ルとなり、出力ライン３５がトランジスタ３６を介して
接地されて残留する電荷が除去される。

【００３６】以下同様に、シフトレジスタ３２から出力
される信号φ₂〜φｎが順次ハイレベルとなり、電荷蓄
積用キャパシタ３１−２〜３１−ｎに蓄積されている各
光情報が出力ライン３５に順次読出されるとともに、各
光情報が読出される毎に信号φｈｓがハイレベルにな
り、出力ライン３５はリセットされる。こうして、全て
の光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情報が増幅度の
調整された増幅器４３からシリアルに出力される。以下
同様に、リフレッシュ、蓄積および読出しの各動作が繰
返されるが、読出し動作を行う毎にピーク値が検出され
て増幅器４３の増幅度が調整される。

【００３７】このように、光情報の読出し動作と、ピー
ク値検出動作とを並行して行うことができるために、全
体として動作の高速化を達成できる。

【００３８】図４は、本実施例を用いた撮像装置の第二
例を示す回路図、図５は、その動作を示すタイミング波
形図である。ただし、図２，３に示す回路と同じ部分に
は、同一記号および番号を付して説明は省略する。

【００３９】図４において、光電変換セル２０−１〜２
０−ｎのバイポーラトランジスタは、後述するように、
ベース領域４中でのキャリア消滅を小さくするために電
流増幅率ｈ_feを十分大きくしている。光電変換セル２０
−１〜２０−ｎの各エミッタ電極８′は共通ライン２２
に接続され、リセット用トランジスタ４６を介して接地
されているとともに、制御回路４８に接続されている。
また、トランジスタ４６のゲート電極は端子２７に接続
され、信号φｖｓが印加される。

【００４０】制御回路４８は、ライン２９およびライン
２３に各々信号φｔおよびφｒを出力する。ただし、後
述するように、読出し動作時における信号φｔは共通ラ
イン２２の電圧Ｖｐｋが設定電圧Ｖ₀に達した時に出力
される。さらに制御回路４８はシフトレジスタ３２に制
御信号を出力する。

【００４１】なお、その他の回路構成は、増幅器４３お
よび増幅度調整回路４５を除いて図２に示す回路と同じ
である。

【００４２】次に、図５を参照しながら上記撮像装置の
動作を説明する。

【００４３】まず、信号φｖｓおよびφｈｓをハイレベ
ルにすることで、トランジスタ２５−１〜２５−ｎ、リ
セット用トランジスタ３６および４６をＯＮ状態にす
る。これによって、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの
各エミッタ電極８および８′は接地され、共通ライン２
２の電位Ｖｐｋは接地電位となる。

【００４４】続いて、時点ｔ₁において、信号φｔがハ
イレベルとなり、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯ
Ｎ状態となる。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３
１−１〜３１−ｎが接地状態となり、残留電荷が除去さ
れる。続いて、信号φｔのパルスが立下がると、時点ｔ
₂において、信号φｒがハイレベルとなり、各光電変換
セル２０−１〜２０−ｎのキャパシタ電極７に正電圧が
印加される。各エミッタ電極８および８′は接地状態に
あるから、すでに述べたようにリフレッシュ動作が行わ
れる。

【００４５】時点ｔ₃においてリフレッシュ動作は終了
し、信号φｖｓおよびφｈｓは立下がってトランジスタ
２５−１〜２５−ｎおよび２８−１〜２８−ｎはＯＦＦ
状態となる。

【００４６】しかし、信号φｒはハイレベルのままであ
り、各光電変換セルのキャパシタ電極７には正電圧が印
加され続けている。この状態で蓄積動作を行うと、読出
し動作が並行して行われ、エミッタ電極８および８′に
は入射光量に対応した光情報の電圧が現われる。この
時、各光電変換セルのベース領域４に蓄積されたホール
は１／ｈ_feだけが再結合によって消滅するが、電流増幅
率ｈ_feが十分大きいために、再結合によるホールの消滅
は無視することができる。

【００４７】各エミッタ電極８は、トランジスタ２８−
１〜２８−ｎおよび２５−１〜２５−ｎがＯＦＦ状態で
あるために、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの各光情
報の電圧となる。それに対して、各エミッタ電極８′
は、共通ライン２２に接続されているために、各光情報
のうちのピーク電圧Ｖｐｋが現われる。

【００４８】ピーク電圧Ｖｐｋの変化は制御回路４８で
検知され、ピーク電圧Ｖｐｋが予め設定された電圧値Ｖ
₀に達すると（時点ｔ₄）、制御回路４８は信号φｔを
ハイレベルとしてトランジスタ２８−１〜２８−ｎをＯ
Ｎ状態とする。これによって、蓄積動作は終了し、垂直
ライン２１−１〜２１−ｎに現われていた各光情報が電
荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積される。
以下、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積
された各光情報を順次出力する動作（時点ｔ₅以降）
は、図２，３に示す第一例と同様であるから省略する。

【００４９】上記第二例の撮像装置では、エミッタ電極
８′からピーク電圧Ｖｐｋを検出し、その電圧Ｖｐｋに
基づいて蓄積動作期間を調整することで、第一例と同様
に光情報の大小の広がりを抑制し、自動的な絞りの機能
を実現している。勿論、第二例の方式を第一例に応用し
て、ピーク電圧Ｖｐｋに基づいて増幅器４３の増幅度を
調整してもよい。

【００５０】また、上記実施例では、光電変換セルを一
次元状に配列したラインセンサを例示したが、二次元状
に配列したエリアセンサであっても本発明は適用可能で
あることは明白である。

【００５１】

【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、主電極領域とは別に設けられた半導
体領域から光情報を読出すことができるために、一方で
主電極領域から光情報の読出しを行い、他方で前記半導
体領域から光情報を読出すことができ、例えば測光やピ
ーク値検出等に用いることができる。これによって、蓄
積又は読出し動作等に並行して測光やピーク値検出等を
行うことができ、全体として動作の高速化を達成でき
る。また、それらの検出値に基づいて光情報の処理を行
う回路を構成すれば、光情報を安定して読出すことがで
きるとともに、後段の信号処理回路の設計も容易とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明による光電変換装置の一実施例
の概略的平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図、（Ｃ）
はその等価回路図である。

【図２】本実施例を用いた撮像装置の第一例を示す回路
図である。

【図３】図２の撮像装置の動作を示すタイミングチャー
トである。

【図４】本実施例を用いた撮像装置の第二例を示す回路
図である。

【図５】図４の動作を示すタイミング波形図である。

【図６】（Ａ）は特開昭６０−１２７５９号公報〜特開
昭６０−１２７６５号公報に記載されている光電変換装
置の概略的断面図、（Ｂ）はその１個の光電変換セルの
等価回路図である。

【符号の説明】

７キャパシタ電極８，８′ エミッタ電極１２コレクタ電極２０−１〜２０−ｎ光電変換セル２２共通ライン３５読出しライン４３増幅器４５増幅度調整回路４８制御回路

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】光電変換装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、第一導電型の半導体か
らなる制御電極領域と該第一導電型とは異なる第二導電
型の第一及び第二の主電極領域と該第二導電型の半導体
からなる第三の主電極領域とを有し、光エネルギーを受
けることにより生成されるキャリアを該制御電極領域に
蓄積可能なトランジスタと、該第一の主電極領域に電気
的に接続された容量負荷を含む出力回路と、該第二の主
電極領域に設けられ前記制御電極領域に蓄積されたキャ
リアに基く信号を読み出す為の回路と、を具備する光電
変換装置に関する。

【０００２】

【０００４】各光電変換セルは次のような構成を有す
る。

【００１３】

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の光電変換装置
は、第一導電型の半導体からなる制御電極領域と該第一
導電型とは異なる第二導電型の第一及び第二の主電極領
域と該第二導電型の半導体からなる第三の主電極領域と
を有し、光エネルギーを受けることにより生成されるキ
ャリアを該制御電極領域に蓄積可能なトランジスタと、
該第一の主電極領域に電気的に接続された容量負荷を含
む出力回路と、該第二の主電極領域に設けられ前記制御
電極領域に蓄積されたキャリアに基く信号を読み出す為
の回路と、を具備する光電変換装置において、前記第一
の主電極領域と前記出力回路との接続部及び前記第二の
主電極領域と前記回路との接続部を半導体基体の表面側
に設け、それらの上に遮光層が設けられていることを特
徴とする。

【００１５】

【作用】上記第一の主電極領域とは別に設けられた上記
第二の主電極領域から光情報を読出すことができるため
に、その光情報を例えば測光やピーク値検出等に用いる
ことができ、蓄積又は読出し動作等に並行して測光やピ
ーク値検出等を行うことができる。

【００１６】なお、第一の主電極領域と第二の主電極領
域とから、それぞれ取り出される信号は感度がそろった
信号となる。

【００１７】

【００１８】図１（Ａ）は、本発明による光電変換装置
の一実施例の光電変換部の概略的平面図、図１ (Ｂ）
は、そのＡ−Ａ線断面図、図１ (Ｃ）は、その等価回路
図である。ただし、図６の従来例と同一機能を有する領
域および部材には同一番号を付して説明は省略する。

【００１９】各図において、ｎ^- エピタキシャル層３に
は制御電極領域たるｐベース領域４が形成され、ｐベー
ス領域４には第一の主電極領域及び第二の主電極領域た
るエミッタ領域のｎ⁺領域５および５′が形成されてい
る。そして、ｎ⁺領域５および５′には、エミッタ電極
８および８′が各々接続されている。なお、ｎ^- エピタ
キシャル層３及びｎ⁺ シリコン基板１の一部は第三の主
電極領域となるコレクタ領域を構成する。

【００２０】また、本実施例では、絶縁領域１４と、そ
の直下に設けられたｎ⁺領域１５とによって素子分離領
域２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。

【００２１】ｐベース領域４上には酸化膜６を挟んでキ
ャパシタ電極７が形成され、更に絶縁膜１６を挟んで遮
光膜１７が形成されている。遮光膜１７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４の主要部分に受光面が形成される。
また、遮光膜１７および受光面となる絶縁膜１６上には
保護絶縁膜１８が形成されている。

【００２２】なお、本実施例では、エミッタ領域が二個
形成されているが、勿論これに限定されるものではな
く、目的に応じて複数個のエミッタ領域を設ければよ
い。

【００２３】また、本実施例の基本動作は従来例と同様
であり、蓄積、読出し、そしてリフレッシュの各動作が
行われる。ただし、エミッタ領域を二個有するために光
情報を別個に読出すことが可能である。

【００２４】図２は、本発明による光電変換装置の第一
実施例の回路図、図３は、その動作を示すタイミングチ
ャートである。

【００２５】同図において、ｎ個の光電変換セル２０−
１〜２０−ｎは一次元に配列され、各コレクタ電極１２
は共通に接続されて正電圧又は接地電圧が印加される。
また、各キャパシタ電極７はライン２３を介して端子２
４に共通に接続され、端子２４には読出し又はリフレッ
シュ動作を行うための信号φｒが印加される。さらに、
一方のエミッタ電極８は、各々垂直ライン２１−１〜２
１−ｎに接続され、他方のエミッタ電極８′は、共通ラ
イン２２に接続されている。

【００２６】垂直ライン２１−１〜２１−ｎは各々トラ
ンジスタ２５−１〜２５−ｎを介して接地されている。
また、トランジスタ２５−１〜２５−ｎの各ゲート電極
はライン２６を介して端子２７に共通に接続され、端子
２７に信号φｒｓが印加される。

【００２７】さらに、垂直ライン２１−１〜２１−ｎは
各々トランジスタ２８−１〜２８−ｎの一方の主電極に
接続されている。また、トランジスタ２８−１〜２８−
ｎのゲート電極はライン２９を介して端子３０に共通に
接続され、端子３０には信号φｔが印加される。トラン
ジスタ２８−１〜２８−ｎの他方の主電極は、それぞれ
電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎを介して接地
されているとともに、トランジスタ３４−１〜３４−ｎ
を介して出力ライン３５に接続されている。

【００２８】トランジスタ３４−１〜３４−ｎのゲート
電極はシフトレジスタ３２の並列出力端子３３−１〜３
３−ｎに各々接続され、各並列出力端子からは信号φ₁
〜φｎが出力される。

【００２９】出力ライン３５は、出力ライン３５をリセ
ットするためのトランジスタ３６を介して接地されてい
るとともに、出力アンプであるトランジスタ３９のゲー
ト電極に接続されている。リセット用トランジスタ３６
のゲート電極はライン３７を介して端子３８に接続さ
れ、端子３８には信号φｈｓが印加される。また、トラ
ンジスタ３９の一方の主電極は正電位の端子４１に接続
され、他方の主電極は抵抗４０を介して負電位の端子４
２に接続されている。さらに、他方の主電極はキャパシ
タを介して増幅器４３の入力端子に接続され、読出され
た光情報は増幅器４３の出力端子４４から送出される。
なお、増幅器４３の前段のキャパシタは、増幅器４３の
動作点電位によっては不要となる。

【００３０】一方、共通ライン２２は、トランジスタ４
６を介して接地されるとともに、増幅度調整回路４５の
入力端子に接続されている。トランジスタ４６のゲート
電極はライン３７を介して端子３８に接続され、トラン
ジスタ３６と同じ信号φｈｓが印加される。また、増幅
度調整回路４５の出力端子は、増幅器４３の増幅度選択
端子に接続され、共通ライン２２からの入力信号に基づ
いて増幅器４３の増幅度を調整する。

【００３１】次に、このような構成を有する本実施例の
動作を図３を参照しながら説明する。（リフレッシュ動作）まず、信号φｖｓおよびφｈｓを
ハイレベルにすることで、トランジスタ２５−１〜２５
−ｎ、リセット用トランジスタ３６および４６をＯＮ状
態にする。これによって、光電変換セル２０−１〜２０
−ｎの各エミッタ電極８および８′は接地状態になる。

【００３２】続いて、時点ｔ₁において、信号φｔがハ
イレベルとなり、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯ
Ｎ状態となる。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３
１−１〜３１−ｎが接地状態となり、残留電荷が除去さ
れる。続いて、時点ｔ₂において、信号φｔのパルスが
立下がると、信号φｒがハイレベルとなり、各光電変換
セル２０−１〜２０−ｎのキャパシタ電極７にリフレッ
シュ用の正電圧が印加される。各エミッタ電極８および
８′は接地状態にあるから、すでに述べたようにリフレ
ッシュ動作が行われ、時点ｔ₃で信号φｒが立下がると
各光電変換セルのベース領域４は負電位の初期状態に復
帰する。リフレッシュ動作が終了すると、信号φｖｓお
よびφｈｓは立下がり、トランジスタ２５−１〜２５−
ｎおよび２８−１〜２８−ｎはＯＦＦ状態となる。（蓄積動作）この状態で、各光電変換セル２０−１〜２
０−ｎのベース領域４には入射光によって励起された電
子・正孔対のうちの正孔が光情報として蓄積され、各セ
ルのベース電位は初期の負電位から入射光量に対応した
蓄積電圧分だけ各々上昇する。（読出し動作）蓄積動作を所望時間行うと、まず、信号
φｔをハイレベルにしてトランジスタ２８−１〜２８−
ｎをＯＮ状態とし、垂直ライン２１−１〜２１−ｎと電
荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎとを各々接続状
態にする。

【００３３】続いて、時点ｔ₄において、信号φｒが立
上がり各光電変換セルのキャパシタ電極７に読出し用正
電圧が印加される。これによって、すでに述べたように
読出し動作が行われ、光電変換セル２０−１〜２０−ｎ
の光情報が電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎお
よび共通ライン２２に読出される。

【００３４】この時、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜
３１−ｎには、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情
報が各々読出されるが、共通ライン２２には、入射光量
が最も高かった光電変換セルの光情報がピーク電圧とし
て現われる。増幅度調整回路４５は、このピーク電圧に
基づいて増幅器４３の増幅度を調整し、光情報の大小の
広がりを抑制するとともに、自動的な絞りの役割を果た
す。

【００３５】このようにして増幅器４３の増幅度が調整
されると、信号φｒおよびφｔが立下がり、信号φｈｓ
のパルスが端子３８に印加される。これによってトラン
ジスタ２８−１〜２８−ｎがＯＦＦ状態となり、また共
通ライン２２および出力ライン３５がリセットされる。

【００３６】続いて、時点ｔ₅からシフトレジスタ３２
を動作させ、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎ
から蓄積された光情報を順次出力する。まず、シフトレ
ジスタ３２の出力端子３３−１から出力される信号φ₁
がハイレベルになることで、トランジスタ３４−１がＯ
Ｎ状態となり、電荷蓄積用キャパシタ３１−１に蓄積さ
れている光情報が出力ライン３５に読出される。読出さ
れた光情報は、トランジスタ３９を介して増幅度が調整
された増幅器４３に入力し、端子４４から出力される。
続いて、信号φ₁が立下がると、信号φｈｓがハイレベ
ルとなり、出力ライン３５がトランジスタ３６を介して
接地されて残留する電荷が除去される。

【００３７】以下同様に、シフトレジスタ３２から出力
される信号φ₂〜φｎが順次ハイレベルとなり、電荷蓄
積用キャパシタ３１−２〜３１−ｎに蓄積されている各
光情報が出力ライン３５に順次読出されるとともに、各
光情報が読出される毎に信号φｈｓがハイレベルにな
り、出力ライン３５はリセットされる。こうして、全て
の光電変換セル２０−１〜２０−ｎの光情報が増幅度の
調整された増幅器４３からシリアルに出力される。以下
同様に、リフレッシュ、蓄積および読出しの各動作が繰
返されるが、読出し動作を行う毎にピーク値が検出され
て増幅器４３の増幅度が調整される。

【００３８】このように、光情報の読出し動作と、ピー
ク値検出動作とを並行して行うことができるために、全
体として動作の高速化を達成できる。

【００３９】図４は、本発明による光電変換装置の第二
実施例の回路図、図５は、その動作を示すタイミング波
形図である。ただし、図２，３に示す回路と同じ部分に
は、同一記号および番号を付して説明は省略する。

【００４０】図４において、光電変換セル２０−１〜２
０−ｎのバイポーラトランジスタは、後述するように、
ベース領域４中でのキャリア消滅を小さくするために電
流増幅率ｈ_feを十分大きくしている。光電変換セル２０
−１〜２０−ｎの各エミッタ電極８′は共通ライン２２
に接続され、リセット用トランジスタ４６を介して接地
されているとともに、制御回路４８に接続されている。
また、トランジスタ４６のゲート電極は端子２７に接続
され、信号φｖｓが印加される。

【００４１】制御回路４８は、ライン２９およびライン
２３に各々信号φｔおよびφｒを出力する。ただし、後
述するように、読出し動作時における信号φｔは共通ラ
イン２２の電圧Ｖｐｋが設定電圧Ｖ₀に達した時に出力
される。さらに制御回路４８はシフトレジスタ３２に制
御信号を出力する。

【００４２】なお、その他の回路構成は、増幅器４３お
よび増幅度調整回路４５を除いて図２に示す回路と同じ
である。

【００４３】次に、図５を参照しながら上記光電変換装
置の動作を説明する。

【００４４】まず、信号φｖｓおよびφｈｓをハイレベ
ルにすることで、トランジスタ２５−１〜２５−ｎ、リ
セット用トランジスタ３６および４６をＯＮ状態にす
る。これによって、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの
各エミッタ電極８および８′は接地され、共通ライン２
２の電位Ｖｐｋは接地電位となる。

【００４５】続いて、時点ｔ₁において、信号φｔがハ
イレベルとなり、トランジスタ２８−１〜２８−ｎがＯ
Ｎ状態となる。これによって、電荷蓄積用キャパシタ３
１−１〜３１−ｎが接地状態となり、残留電荷が除去さ
れる。続いて、信号φｔのパルスが立下がると、時点ｔ
₂において、信号φｒがハイレベルとなり、各光電変換
セル２０−１〜２０−ｎのキャパシタ電極７に正電圧が
印加される。各エミッタ電極８および８′は接地状態に
あるから、すでに述べたようにリフレッシュ動作が行わ
れる。

【００４６】時点ｔ₃においてリフレッシュ動作は終了
し、信号φｖｓおよびφｈｓは立下がってトランジスタ
２５−１〜２５−ｎおよび２８−１〜２８−ｎはＯＦＦ
状態となる。

【００４７】しかし、信号φｒはハイレベルのままであ
り、各光電変換セルのキャパシタ電極７には正電圧が印
加され続けている。この状態で蓄積動作を行うと、読出
し動作が並行して行われ、エミッタ電極８および８′に
は入射光量に対応した光情報の電圧が現われる。この
時、各光電変換セルのベース領域４に蓄積されたホール
は１／ｈ_feだけが再結合によって消滅するが、電流増幅
率ｈ_feが十分大きいために、再結合によるホールの消滅
は無視することができる。

【００４８】各エミッタ電極８は、トランジスタ２８−
１〜２８−ｎおよび２５−１〜２５−ｎがＯＦＦ状態で
あるために、光電変換セル２０−１〜２０−ｎの各光情
報の電圧となる。それに対して、各エミッタ電極８′
は、共通ライン２２に接続されているために、各光情報
のうちのピーク電圧Ｖｐｋが現われる。

【００４９】ピーク電圧Ｖｐｋの変化は制御回路４８で
検知され、ピーク電圧Ｖｐｋが予め設定された電圧値Ｖ
₀に達すると（時点ｔ₄）、制御回路４８は信号φｔを
ハイレベルとしてトランジスタ２８−１〜２８−ｎをＯ
Ｎ状態とする。これによって、蓄積動作は終了し、垂直
ライン２１−１〜２１−ｎに現われていた各光情報が電
荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積される。
以下、電荷蓄積用キャパシタ３１−１〜３１−ｎに蓄積
された各光情報を順次出力する動作（時点ｔ₅以降）
は、図２，３に示す第一例と同様であるから省略する。

【００５０】上記第二実施例の光電変換装置では、エミ
ッタ電極８′からピーク電圧Ｖｐｋを検出し、その電圧
Ｖｐｋに基づいて蓄積動作期間を調整することで、第一
実施例と同様に光情報の大小の広がりを抑制し、自動的
な絞りの機能を実現している。勿論、第二実施例の方式
を第一実施例に応用して、ピーク電圧Ｖｐｋに基づいて
増幅器４３の増幅度を調整してもよい。

【００５１】また、上記実施例では、光電変換セルを一
次元状に配列したラインセンサを例示したが、二次元状
に配列したエリアセンサであっても本発明は適用可能で
あることは明白である。

【００５２】

【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、第一の主電極領域とは別に設けられ
た第二の主電極領域から光情報を読出すことができるた
めに、一方で第一の主電極領域から光情報の読出しを行
い、他方で第二の主電極領域から光情報を読出すことが
でき、例えば測光やピーク値検出等に用いることができ
る。これによって、蓄積又は読出し動作等に並行して測
光やピーク値検出等を行うことができ、全体として動作
の高速化を達成できる。また、それらの検出値に基づい
て光情報の処理を行う回路を構成すれば、光情報を安定
して読出すことができるとともに、後段の信号処理回路
の設計も容易となる。

【００５３】また、第一の主電極領域と第二の主電極領
域とから、それぞれ取り出される信号は感度がそろった
信号となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明による光電変換装置の一実施例
の光電変換部の概略的平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線断
面図、（Ｃ）はその等価回路図である。

【図２】本発明による光電変換装置の第一実施例の回路
図である。

【図３】図２の光電変換装置の動作を示すタイミングチ
ャートである。

【図４】本発明による光電変換装置の第二実施例の回路
図である。

【図５】図４の動作を示すタイミング波形図である。

【符号の説明】７キャパシタ電極８，８′ エミッタ電極１２コレクタ電極２０−１〜２０−ｎ光電変換セル２２共通ライン３５読出しライン４３増幅器４５増幅度調整回路４８制御回路

Claims

【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する
蓄積動作と、該蓄積により発生した蓄積電圧によって制
御された信号を前記半導体トランジスタの主電極領域か
ら読出す読出し動作と、前記制御電極領域に蓄積された
キャリアを消滅させるリフレッシュ動作の各動作を行う
光電変換セルを有する光電変換装置において、前記制御電極領域に、前記主電極領域と同一導電型の半
導体領域を前記主電極領域とは別に設けたことを特徴と
する光電変換装置。