JPS6376475A - 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、トランジスタの制御電極領域の電位を制御す
ることで、制御電極領域に光によって励起されたキャリ
アを蓄積し、その蓄積電圧によってトランジスタ出力を
制御する光電変換セルを複数個有し、各光電変換セルの
読出し信号を出力ラインを通して外部へ出力する光電変
換装置に関する。

［従来技術］ 第５図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７８５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５図ＣＢ）は、その等価回路図で
ある。

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５ｉ０２　
、　Ｓｉ３　Ｎ４　、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。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

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中領域５が形成されてい
る。ｐ領域４およびｎ中領域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。

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。

その他に、ｎ中領域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十領域１１、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。

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
が正方向に上昇する（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、蓄積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、読出し動作の緑
返しが可能である。

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８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中領域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。

第６図は、上記光電変換セルを用いたセンサラインおよ
びその駆動回路の従来例を示す回路図である。

同図において、光電変換セルＳ１”Ｓｎの各コレクタ電
極１２には一定の電圧が印加されている。

各キャパシタ電極７は端子１１０に共通に接続され、端
子１１０には読出し動作およびリフレッシュ動作を行う
ための信号φ１が印加される。また、各エミッタ電極８
は垂直ラインＬｌ−Ｌｎに各々接続され、垂直ラインＬ
１ｘＬｎは各々バッファ用トランジスタＴａｌ〜Ｔａｎ
の一方の主電極に接続されている。

バッファ用トランジスタＴａ１〜Ｔａｎのゲート電極は
端子１１１に共通に接続され、端子１１１には信号φ２
が印加される。また、バッファ用トランジスタＴａ１〜
Ｔａｎの他方の主電極は、それぞれ蓄積手段としての電
荷蓄積用キャパシタ６１〜Ｇｎを介して接地されている
とともに、トランジスタＲＴ１〜ＲＴｎを介して出力ラ
イン１０３にｖｉ統されている。トランジスタＲＴｉ〜
ＲＴｎのゲート電極はシフトレジスタの並列出力端子に
各々接続され。

並列出力端子からは信号φｈ１〜φｈｎが順次出力され
る。

出力ライン１０３は、出力ライン１０３をリフレッシュ
するためのトランジスタＴｒを介して接地されている。

トランジスタＴｒのゲート電極には信号φｆ２が印加さ
れる。

また、垂直ラインＬ１〜Ｌｎは、各々バッファ用トラン
リスタ丁ｂ１〜丁ｂｎを介して接地されている。バッフ
ァ用トランジスタＴｂ、〜Ｔｂｎのゲート電極は端子１
１２に共通に接続され、端子１１２には信号φ３が印加
される。

このような構成において、読出し動作は次のように行わ
れる。

各光電変換セルＳ１〜Ｓｎには入射光の照度に対応した
キャリアが蓄積されているものとする。

この状態で、バッファ用トランジスタＴａ１〜Ｔａｎを
ＯＮ、バッファ用トランジスタＴｂ、〜ＴｂｎをＯＦＦ
にしてエミッタ電極８を浮遊状態とし、端子１１０に読
出し用正電圧パルスを印加する。これによって、すでに
述べたように、垂直ラインＬ１〜Ｌｎに各光電変換セル
の出力信号が読出され、各信号が電荷蓄積用キャパシタ
Ｃ１〜Ｃｎに蓄積される。

続いて、バッファ用トランジスタＴａｌ〜ＴａｎをＯＦ
Ｆとして、シフトレジスタを動作させトランジスタＴ１
〜Ｔｎを順次ＯＮする。これによって、キャパシタ０１
〜Ｃｎに蓄積されていた各信号が順次出力ライン１０３
に読出され、アンプを通して外部へ出力される。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、従来では光電変換セルの出力信号を垂直ラ
インに接続されたキャパシタ又は垂直ラインの配線容量
に蓄積した後、出力ラインに順次読出し、シリアルに信
号を外部へ出力していた。

しかしながら、出力ラインにも容量ｃｈが存在するため
に、垂直ラインの配線容量又はキャパシタの容量Ｃｖに
蓄積された信号は、容量分割によってレベルが低下し、
特に光電変換セルの個数が多くなる程、レベル低下は顕
著となる。

具体的には、容量Ｃｖのキャパシタ０１〜Ｃｎに蓄積さ
れた信号電圧Ｖは、容量ｃｈの出力ライン１０３に転送
された時、容量分割によりＣｖ／（Ｃｖ＋Ｃｈ）倍に低
下する。光電変換セルの個数が多い高解像度センサでは
出力ラインの配線容量ｃｈが大きくなくために、出力の
レベル低下も顕著となる。

このような問題点は、上記ラインセンサだけではなく、
エリアセンサの場合も同様である。

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、光電変換セルの出力を低下させずに
読出すことができ、しかも構成が簡単な光電変換装置を
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 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
キャリアを蓄積する蓄積動作と、該蓄積により発生した
蓄積電圧により制御された信号を読出す読出し動作と、
蓄積されたキャリアを消滅させるリフレッシュ動作とを
行う光電変換セルを複数個有し、前記読出し動作時の読
出し信号を出力ラインを通して外部へ出力する光電変換
装置において、 前記読出し動作時に、前記光電変換セルから出力される
読出し信号を前記出力ラインに直接読み出すことを特徴
とする。

［作用］ このように、光電変換セルの出力を出力ラインに直接読
み出すために、従来のような容量分割による出力低下が
起こらず、上記光電変換セルの高出力をそのまま読出す
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一実施例の回
路図である。

同図において、第５図に示す光電変換セルＳ１〜Ｓｎが
ライン状に配列され、各光電変換セルのコレクタ電極１
２には一定の正電圧が印加されている。各キャパシタ電
極７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〜φｈｎ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８は出力ライン１０３に共通に接
続されている。出力ライン１０３は、トランジスタ１０
４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１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、出力ライン１０３を通して各光電変換セルのエ
ミッタ電極８を接地する。

続いて、走査回路の並列出力端子から信号φｈ１〜φｈ
ｎを出力し、リフレッシュパルスを光電変換セルＳ１〜
Ｓｎのキャパシタ電極７に順次印加する。これによって
、すてに述べたようなリフレッシュ動作が行われ、ｐペ
ース領域４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７には電圧を印加せず、エミッタ電極８
を接地した状態で、ｐベース領域４に入射光の照度に対
応した量のキャリアを蓄積させる。

（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１０３およびエミッタ電極８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７に読出しパルスが印
加される。これによって、セルＳ１の信号が出力ライン
１０３に読出され、アンプ１０５を通して出力端子１０
６から出力信号ｖ１として出力される。

出力信号Ｖｉ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〜φｈｎが順次出
力され、光電変換セルＳ２〜Ｓｎのキャパシタ電極７に
読出しパルスが印加される。そして、各出力信号ｖ２．
ｖ３　・１１＠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１
０３がリフレッシュされる。

このように、各光電変換セルＳ１〜Ｓｎの信号は、直接
、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
、従来のように容量分割されてレベル低下した信号では
なく、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７に印加する
電圧を走査回路によって供給するために１回路構成が従
来に比べて大幅に簡単化されている。

第３図は、本発明の第二実施例の回路図である。なお、
第一実施例と共通する部分は同一番号が付されている。

第３図において、各光電変換セルＳ１〜Ｓｎのエミッタ
電極８と、出力ライン１０３との間にスイッチングトラ
ンジスタＱ工〜Ｑｎが各々接続され、スイッチングトラ
ンジスタＱ１〜Ｑｎの各ゲート電極は対応する光電変換
セルのキャパシタ電極７に接続されている。

本実施例の動作タイミングは、第２図に示すものと同一
である。

リフレッシュ動作では、トランジスタ１０４を介して出
力ライン１０３を接地しておき、リフレッシュパルスに
よって接続されたスイッチングトランジスタをＯＮ状態
にする。これによってエミッタ電極８をスイッチングト
ランジスタおよび出力ライン１０３を介して接地し、す
でに述べたようにｐベース領域４に蓄積されたキャリア
が除去される。

蓄積動作時にはスイッチングトランジスタＱ１〜Ｑｎは
ＯＦＦ状態であり、第一実施例と同様に浮遊状態のＰベ
ース領域４に入射光に照度に対応したキャリアが蓄積さ
れる。スイッチングトランジスタＱｘＮＱｎはＯＦＦ状
態であるために、強い光が入射してｐベース領域４の電
位が上昇し、エミッタ側に信号が読出されても、その信
号が出カライン１０３に現われることはない。

読出し動作では、出力ライン１０３を浮遊状態として、
読出しパルスをキャパシタ電極７に印加する。これによ
って、スイッチングトランジスタがＯＮ状態となり、第
一実施例と同様に信号の読出しが行われる。

この場合、たとえば光電変換セルＳ１の読出し動作が終
了すれば、スイッチングトランジスタＱ１はＯＦＦ状態
になり、出力ライン１０３はリフレッシュされる。した
がって１次に光電変換セルＳ２の読出しを行う時には、
出力ライン１０３には前の情報は残留しておらず、また
他のスイッチングトランジスタＱ１およびＱ３〜Ｑｎは
ＯＦＦ状態であるために、光電変換セルＳ２の信号だけ
を読出すことができる。すなわち、本実施例のスイッチ
ングトランジスタＱ１〜Ｑｎによって、ブルーミングや
スメアを防止することができる。

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４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ｖＯ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３０
４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３０５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１本実施例による撮像素子３０１では高
いレベルの出力信号Ｖｏｕｔを得ることができるために
、続く信号処理の負担が軽減される。

［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
、光電変換セルの出力を出力ラインに直接読み出すため
に、従来のような容量分割による出力低下が起こらず、
光電変換セルを高密度に多数形成する場合１も高い出力
レベルで読み出しを行うことができ、後段の信号処理が
容易となる。

【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一実施例の回
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１本発明の第二実施例の回路図、第４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５図（Ａ）は、特開昭６０−１２７５９号公報〜特開
昭Ｈ−１２７８５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５図（Ｂ）はその等価回路図、第６
図は、上記光電変換セルを用いたセンサラインおよびそ
の駆動回路の従来例を示す回路図である。 ｌφ争・基板 ３−・・ｎ−エピタキシャル層 ４・・・ｐベース領域 ５・・・ｎ十エミッタ領域 ７・・・キャパシタ電極 ８・・・エミッタ電極 １２・・・コレクタ電極 １０３−・ｅ出力ライン １０５・・・アンプ １０６拳・・出力端子 Ｓ１〜５ｎＩＩＩＩＩＩ光電変換セル Ｑ１〜Ｑ１１＊φ拳スイッチングトランジスタ代理人　
弁理士　山　下　穣　平 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図（Ａ） 第５図（Ｂ） 第６図

Claims (3)

【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り制御された信号を読出す読出し動
   作と、蓄積されたキャリアを消滅させるリフレッシュ動
   作とを行う光電変換セルを複数個有し、前記読出し動作
   時の読出し信号を出力ラインを通して外部へ出力する光
   電変換装置において、 前記読出し動作時に、前記光電変換セル から出力される読出し信号を前記出力ラインに直接読み
   出すことを特徴とする光電変換装置。
2. （２）上記光電変換セルの読出し動作は、走査回路から
   の制御信号によって各光電変換セルの制御電極領域の電
   位を制御することにより行われ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。
3. （３）各光電変換セルと上記出力ラインとの間に各々ス
   イッチ手段を設け、各光電変換セルの読出し動作時に、
   対応するスイッチ手段を閉じ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。