JPH0719916B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents
Photoelectric conversion elementInfo
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- JPH0719916B2 JPH0719916B2 JP1077129A JP7712989A JPH0719916B2 JP H0719916 B2 JPH0719916 B2 JP H0719916B2 JP 1077129 A JP1077129 A JP 1077129A JP 7712989 A JP7712989 A JP 7712989A JP H0719916 B2 JPH0719916 B2 JP H0719916B2
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
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- H10F30/24—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
- H10F30/245—Bipolar phototransistors
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、負性抵抗特性を有するベース変調形バイポ
ーラ・トランジスタと、ホト・トランジスタとを、コレ
クタ領域を共通させた態様においてダーリントン接続し
てなる光電変換素子に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial application] The present invention connects a base modulation bipolar transistor having a negative resistance characteristic and a phototransistor in Darlington connection in a mode in which the collector regions are common. The present invention relates to a photoelectric conversion element.
[従来の技術及びその問題点] 従来、光電変換素子として、ホト・ダイオード、ホト・
トランジスタ、ホト・ダーリントン、さらには光サイリ
スタ等がよく知られている。これらの光電変換素子は、
ホト・カプラ、ホト・インタラプタを始め、光通信光電
スイッチ等の各種光電変換素子装置に広く利用されてい
る。このような各種光電変換装置の中で、直流バイアス
下で、高い感度を得ようとする場合、ホト・トランジス
タあるいはホト・ダーリントンが広く用いられている。
しかしながら、上記ホト・トランジスタは、感度の点に
おいてホト・ダーリントンに劣るものであり、出力も大
電流を取り出せない難点を有している。一方、上記ホト
・ダーリントンは、感度が極めて高く、大電流が取り出
せるものの、その反面、暗電流も同じく高い値をもち、
温度に対する感度の変化が大きく、暗電流が温度上昇と
共に急激に上昇する難点を有している。又、電流増幅率
が10000以上を有するため、応答性も極めて遅いものと
なる。さらには、ホト・トランジスタ及びホト・ダーリ
ントンは、そのほとんどが、ONあるいはOFFのスイッチ
的な回路素子として使うものであるが、共に、リニア増
幅素子のため、次段でパルス変換するものである。従っ
て、これらの回路素子では、チャタリング等の問題が生
じないように、ヒステリシス特性をもたせる目的におい
て、シュミット・トリガ回路等により波形整形を行う
が、部品点数が増大し、コストも高くつき、消費電流を
必要とする等の難点を有していた。[Prior Art and its Problems] Conventionally, as a photoelectric conversion element, a photodiode, a photo diode,
Well known are transistors, photo Darlingtons, and even optical thyristors. These photoelectric conversion elements are
It is widely used for various optoelectronic conversion device devices such as photo couplers, photo interrupters, and optical communication photoelectric switches. Among such various photoelectric conversion devices, a phototransistor or a photo Darlington is widely used when high sensitivity is desired under a DC bias.
However, the phototransistor is inferior to the photo Darlington in terms of sensitivity, and has a drawback that the output cannot take out a large current. On the other hand, the above photo Darlington has extremely high sensitivity and can take out a large current, but on the other hand, the dark current also has a high value,
There is a problem that the sensitivity changes greatly with temperature, and the dark current sharply rises as the temperature rises. Moreover, since the current amplification factor is 10,000 or more, the response becomes extremely slow. Further, most of the phototransistor and the photo Darlington are used as ON or OFF switch-like circuit elements, but since they are linear amplification elements, they are pulse-converted in the next stage. Therefore, with these circuit elements, the waveform is shaped by a Schmitt trigger circuit or the like for the purpose of providing a hysteresis characteristic so that problems such as chattering do not occur, but the number of parts increases, the cost is high, and the current consumption is high. There was a difficulty such as requiring.
一方、光入力に対し、大電流のスイッチングを可能とす
る光サイリスタは、直流バイアス下では、ONのスイッチ
制御は可能であるが、OFFのスイッチ制御は不可能であ
る。従って、この光サイリスタは、そのほとんどは交流
バイアス下で使われている。On the other hand, an optical thyristor capable of switching a large current with respect to an optical input can be ON-switched under DC bias, but cannot be OFF-switched. Therefore, most of this optical thyristor is used under AC bias.
[発明が解決しようとする課題] そこで、この発明は、上記する従来の技術における半導
体光電変換デバイスにみられる種々の問題点を解決しよ
うとするものであり、光入力に対して感度が高く、直流
バイアス下で大電流の双安定なスイッチ動作を高速に可
能とし、製造が容易で、且つコスト的に安価な光電変換
素子を提供することにある。[Problems to be Solved by the Invention] Accordingly, the present invention is intended to solve various problems found in the semiconductor photoelectric conversion device in the above-mentioned conventional technique, and has high sensitivity to optical input. It is an object of the present invention to provide a photoelectric conversion element that enables high-current bistable switch operation under a DC bias at high speed, is easy to manufacture, and is inexpensive.
[課題を解決するための手段] この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体
的には、第1の導電型の半導体材料からなるコレンタ領
域と、前記コレクタ領域に対し、第1のPN接合部を介し
て形成される第2の導電型の半導体材料からなるベース
受光部領域と、前記ベース受光部領域に対し、第2のPN
接合部を介して形成される第1の導電型の半導体材料か
らなるエミッタ領域とを備えてなるホト・トランジスタ
部と、 前記第1の導電型の半導体材料からなるコレクタ領域
と、前記コレクタ領域に対し、第1のPN接合部を介して
形成される第2の導電型の半導体材料からなる第1のベ
ース領域と、前記第1のベース領域に対し、第2のPN接
合を介して形成される第1の導電型の半導体材料からな
るエミッタ領域と、前記第1のベース領域から間隔を隔
てて位置するベース・コンタクト領域と、前記第1のベ
ース領域とベース・コンタクト領域との間に形成される
第2のベース領域と、前記第2のベース領域内に形成さ
れる第1の導電型を有するゲート領域とを備えてなるベ
ース変調形バイポーラ・トランジスタ部とからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるコレクタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるコ
レクタ領域とが互いに共有するものからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるエミッタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるベ
ース・コンタクト領域とをダーリントン接続してなる光
電変換素子を構成する。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the present invention specifically provides a first PN with respect to a collector region made of a semiconductor material of a first conductivity type and the collector region. A base PN region made of a second conductive type semiconductor material formed through the junction, and a second PN for the base PN region.
A phototransistor portion having an emitter region made of a first conductive type semiconductor material formed via a junction; a collector region made of the first conductive type semiconductor material; and a collector region formed in the collector region. On the other hand, a first base region made of a semiconductor material of a second conductivity type formed via the first PN junction portion and the first base region formed via the second PN junction to the first base region. Formed between the emitter region made of a first conductive type semiconductor material, the base contact region spaced apart from the first base region, and the first base region and the base contact region. A base-modulated bipolar transistor section including a second base region formed in the second base region and a gate region having a first conductivity type formed in the second base region. A collector region in the transistor part and a collector region in the base modulation type bipolar transistor part share one another, and an emitter region in the photo transistor part and a base contact region in the base modulation type bipolar transistor part. And a Darlington connection to form a photoelectric conversion element.
[作用] このように構成されるこの発明になる光電変換素子は、
ホト・トランジスタ部に定常光を入光させ、ベース変調
形バイポーラ・トランジスタ部のベースとコレクタ及び
ゲートを逆バイアス状態に付勢することにより、ホト・
トランジスタとベース変調形バイポーラ・トランジスタ
とのダーリントン接続で増幅された高感度な大電流出力
が負性抵抗特性を示す。かかる負性抵抗特性をもつ光電
変換素子に負荷を接続し、光入力を与えると、光入力に
対し高感度に、且つ大電流が高速度にヒステリシスを持
った双安定出力が得られる。[Operation] The photoelectric conversion element according to the present invention configured as described above is
By letting stationary light enter the phototransistor section and energizing the base, collector and gate of the base modulation type bipolar transistor section in the reverse bias state,
The highly sensitive large current output amplified by Darlington connection of the transistor and the base modulation type bipolar transistor shows a negative resistance characteristic. When a load is connected to the photoelectric conversion element having such a negative resistance characteristic and an optical input is given, a bistable output with hysteresis is obtained with high sensitivity to the optical input and a large current at a high speed.
[本発明の実施例] 以下、この発明になる光電変換素子にについて、図面に
示す具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。尚、こ
の発明の実施例の説明においては、シリコンを半導体材
料とした場合について、NPN型の半導体デバイスを例示
的に説明する。しかしながら、この発明は、他の化合物
半導体を半導体材料として適用することも可能であり、
しかもPNP型の半導体デバイスに構成することも可能で
ある。[Examples of the Present Invention] The photoelectric conversion elements according to the present invention will be described below in detail based on specific examples shown in the drawings. In the description of the embodiments of the present invention, an NPN type semiconductor device will be described as an example when silicon is used as a semiconductor material. However, the present invention is also applicable to other compound semiconductors as semiconductor materials,
In addition, it is also possible to construct a PNP type semiconductor device.
この発明において、その第1の実施例になる光電変換素
子についての概略的断面図を第1図に示し、さらに、そ
の概略的平面図を第2図に示す。第1図において、ま
ず、N+高不純物濃度基板(1)の上にN-コレクタ層
(2)を1015原子/cm3程度の不純物濃度で約5〜15μ
m程度の厚みに気相成長させる。続いて、P-ベース層を
1016原子/cm3程度の不純物濃度で約1〜3μm程度の
厚みにエピタキシャル成長させる。次にP-ベース層をベ
ース領域としてN-コレクタ層(2)と分離すべく不純物
濃度1020原子/cm3程度に拡散あるいはイオン注入し、N
+領域(4)を形成する。アイソレーションされたP-ベ
ース領域にベース変調形バイポーラ・トランジスタ(Ba
se Modulation Bipolor Transistor:以下、BAMBITと略
記する)部のP+ベース領域(5a)及びホト・トランジス
タ部のP+ベース受光部領域(5b)を、1018原子/cm3程
度に拡散あるいはイオン注入を行う。次に、前記BAMBIT
部のP+ベース・コンタクト領域(6)を、前記P+ベース
領域(5a)からP-ベース領域(3a)で隔てて形成する。
この時、P+ベース・コンタクト領域(6)は、P+ベース
領域(5a)及び(5b)と同時に形成してもよい。又、P+
ベース(5a)及び(5b)、P+ベース・コンタクト領域
(6)は、各々、N-コレクタ層(2)に達しなくてもよ
い。続いてBAMBIT部のエミッタ領域(7a)及びホト・ト
ランジスタ部のエミッタ領域(7b)を、各々所望の電流
増幅率となるように不純物濃度及び深さを選び形成す
る。引き続き、N+ゲート領域(8)をP+ベース領域(5
a)を囲むよう、P-ベース領域(3a)内に拡散あるいは
イオン注入により形成する。又、以上の工程でBAMBIT部
の特性あるいは電流増幅率によっては、エミッタ領域
(7a)、(7b)とN+領域(4)との同時形成、さらには
エミッタ領域(7a)、(7b)とN+ゲート領域(8)との
同時形成も可能である。次いで、周知の技術により、エ
ミッタ領域(7a)、(7b)と、P+ベース・コンタクト領
域(6)と、N+ゲート領域(8)に対して、コンタクト
用の穴を設け、たとえば、アルミニウム等の所望の金属
材料によってホト・トランジスタ部のエミッタ領域(7
b)とBAMBIT部のベース・コンタクト領域(6)とをダ
ーリントン接続し、出力を取り出すべくBAMBIT部のエミ
ッタ電極(11)、コレクタ電極(12)及びゲート電極
(13)を各々設ける。その他工程間のリソグラフィ、パ
シベーション等は、周知の技術によって形成される。In the present invention, a schematic sectional view of the photoelectric conversion element according to the first embodiment is shown in FIG. 1, and a schematic plan view thereof is shown in FIG. In Figure 1, first, N on the N + heavily doped substrate (1) - about an impurity concentration of the collector layer (2) about 10 15 atoms / cm 3 5~15μ
Vapor growth is performed to a thickness of about m. Then P - base layer
Epitaxial growth is performed with an impurity concentration of about 10 16 atoms / cm 3 to a thickness of about 1 to 3 μm. Then, with the P − base layer as a base region, diffusion or ion implantation is performed to separate the N − collector layer (2) into an impurity concentration of about 10 20 atoms / cm 3 ,
+ Region (4) is formed. Isolation been P - base region to the base modulation type bipolar transistor (Ba
se Modulation Bipolor Transistor: Hereinafter, abbreviated as BAMBIT) P + base region (5a) and phototransistor P + base light-receiving region (5b) are diffused or ion-implanted to about 10 18 atoms / cm 3. I do. Next, the BAMBIT
A partial P + base contact region (6) is separated from the P + base region (5a) by the P − base region (3a).
At this time, the P + base contact region (6) may be formed simultaneously with the P + base regions (5a) and (5b). Also, P +
The bases (5a) and (5b) and the P + base contact region (6) may not reach the N − collector layer (2), respectively. Subsequently, the emitter region (7a) of the BAMBIT portion and the emitter region (7b) of the phototransistor portion are formed by selecting the impurity concentration and the depth so that the desired current amplification factor is obtained. Subsequently, the N + gate region (8) is replaced with the P + base region (5
It is formed by diffusion or ion implantation in the P - base region (3a) so as to surround a). In the above process, depending on the characteristics of the BAMBIT part or the current amplification factor, the emitter regions (7a), (7b) and the N + region (4) are simultaneously formed, and further, the emitter regions (7a), (7b) are formed. Simultaneous formation with the N + gate region (8) is also possible. Then, by well-known techniques, contact holes are formed in the emitter regions (7a) and (7b), the P + base contact region (6), and the N + gate region (8), for example, aluminum. Depending on the desired metal material such as
b) is connected to the base contact region (6) of the BAMBIT section by Darlington connection, and an emitter electrode (11), a collector electrode (12) and a gate electrode (13) of the BAMBIT section are provided to extract the output. Lithography, passivation, etc. between other steps are formed by a well-known technique.
次いで、第1図並びに第2図に示すような実施例におい
て、その動作原理について説明する。まず、前記BAMBIT
自体の動作原理については、同一出願人による特願昭63
−196627号に詳述してあるので、ここではその詳細な説
明については省略するが、BAMBIT自体の静特性例とし
て、ゲートをコレクタと同電位にした時のベース接地特
性例を第3図に示し、ゲートをコレクタと同電位にし、
ベース電圧VBEをパラメータにした時のエミッタ接地特
性例を第4図に示す。尚、第3図及び第4図において
は、VCE(OFF)=VBE+VCB(OFF)の関係がある。次
に、第1図並びに第2図に示す第1の実施例になる光電
変換素子において、ゲートがコレクタと同電位の時の等
価回路を第5図に示し、第5図の等価回路に示される光
電変換素子に定常光を当てた場合について説明する。ホ
ト・トランジスタ部における受光部において光を受ける
と、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが、VCE(sat)′+V
F(B,E)……(ここに、VCE(sat)′は、ホト・トラン
ジスタ部の飽和電圧、VF(B,E)は、BAMBIT部のベース
・エミッタ間の立ち上がり電圧)に至り、ホト・トラン
ジスタ部よりの入力がBAMBIT部のベースへとダーリント
ン接続を介して入力され、それが増幅されて出力電流と
なる。そして、本来のBAMBITの特性上、コレクタ・エミ
ッタ間電圧VCEがVF(B,E)になる電圧より、コレクタ及
びゲートとベース間か逆バイアスされ、前記コレクタ・
エミッタ間電圧VCEが、VCE=VF(B,E)+VCB(ON)……
(ここに、VCB(ON)は、第3図で示すところのON電
圧)に至り、出力が負性抵抗特性を示そうとする。しか
しながら、第5図においては、BAMBIT部のベース(ホト
・トランジスタ部のエミッタ)が開放のため、コレクタ
・エミッタ間電圧VCEの増加と共に、BAMBIT部のベース
部のベース電圧も上昇し、常に、VCE−VCB(ON)の電位
になるように変化し、出力電流は、負性抵抗特性を示さ
ない。Next, the operating principle of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described. First, the BAMBIT
Regarding the principle of operation of itself, Japanese Patent Application No. Sho 63 by the same applicant
As detailed description is given in −196627, the detailed description is omitted here, but as an example of static characteristics of BAMBIT itself, an example of grounded base characteristics when the gate is set to the same potential as the collector is shown in FIG. And make the gate the same potential as the collector,
Figure 4 shows an example of grounded emitter characteristics when the base voltage V BE is used as a parameter. Incidentally, in FIGS. 3 and 4, there is a relationship of V CE (OFF) = V BE + V CB (OFF). Next, in the photoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, an equivalent circuit when the gate has the same potential as the collector is shown in FIG. 5, and shown in the equivalent circuit of FIG. A case will be described in which the photoelectric conversion element is irradiated with constant light. When light is received by the light receiving part of the phototransistor part, the collector-emitter voltage V CE changes to V CE (sat) ′ + V
F (B, E) …… (where V CE (sat) ′ is the saturation voltage of the phototransistor and V F (B, E) is the rising voltage between the base and emitter of the BAMBIT) , The input from the phototransistor section is input to the base of the BAMBIT section via Darlington connection, which is amplified and becomes the output current. Due to the original characteristics of BAMBIT, the collector-emitter voltage V CE becomes V F (B, E), or the reverse bias is applied between the collector and the gate and the base.
The emitter-to-emitter voltage V CE is V CE = V F (B, E) + V CB (ON)
(Here, V CB (ON) reaches the ON voltage shown in FIG. 3), and the output tries to exhibit a negative resistance characteristic. However, in FIG. 5, since the base of the BAMBIT section (the emitter of the phototransistor section) is open, the base voltage of the base section of the BAMBIT section rises as the collector-emitter voltage V CE increases. It changes to the potential of V CE -V CB (ON), and the output current does not show the negative resistance characteristic.
そこで、次に、ホト・トランジスタ部における受光部へ
の光照射時において、コレクタ及びゲートとエミッタ間
電圧VCEに対し、コレクタ及びゲートとベース間にV
CB(OFF)以上の逆バイアス電圧がかかるよう、例えば
第6図に示すように、抵抗rBEとして10kΩ程度の高抵抗
を挿入する。この状態で、同じくVCEを上昇して行く
と、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが、VCE(ON)≒V
F(B,E)+VCB(ON)より、BAMBIT部のベースへの入力
電流ICELは減少し、増幅された出力電流IC+IG+I
CEL(ここで、IC、IGはBAMBIT部のコレクタ電流及びゲ
ート電流である)も減少して負性抵抗特性を示す。そし
て、コレクタ・エミッタ間電圧VCEがVCE=VCE(OFF)=
VCB(OFF)+ICEL×rBEに至り、光入力電流ICELはすべ
て抵抗rBE側へ流れ光電変換素子の出力電流として、電
流ICELが増幅されなくなり、抵抗rBEを通して電流ICEL
のみ流れることになる。Therefore, next, at the time of irradiating light to the light receiving portion of the phototransistor, with respect to the collector-gate-emitter voltage V CE , the collector-gate-base V
In order to apply a reverse bias voltage of CB (OFF) or more, for example, as shown in FIG. 6, a high resistance of about 10 kΩ is inserted as the resistance r BE . In this state, if V CE is also increased, the collector-emitter voltage V CE becomes V CE (ON) ≈ V
From F (B, E) + V CB (ON), the input current I CEL to the base of the BAMBIT section decreases and the amplified output current I C + I G + I
CEL (where I C and I G are the collector current and gate current of the BAMBIT part) is also reduced and shows a negative resistance characteristic. The collector-emitter voltage V CE is V CE = V CE (OFF) =
Reaches the V CB (OFF) + I CEL × r BE, all the optical input current I CEL is to resistor r BE side as the output current flow photoelectric conversion element, a current I CEL is no longer amplified, the current I CEL through a resistor r BE
Only will flow.
照度(1x)をパラメータとした時、その様子を第7図に
示す。この第7図に示す特性曲線から理解できるよう
に、この発明になる光電変換素子は、通常のダーリント
ン・トランジスタ同様、VCE(sat)≒0.7Vで立ち上が
り、数100mA以上においても電圧制御型の負性抵抗出力
特性を示すものである。尚、IC+IG》ICELのため、第7
図から解る様に、ICELの影響はほとんど現れない。そし
て、その負性抵抗特性は、抵抗rBEより負性抵抗値を変
化させるができ、さらには、ゲート電圧でも負性抵抗特
性を変化させることができる。When the illuminance (1x) is used as a parameter, the situation is shown in FIG. As can be understood from the characteristic curve shown in FIG. 7, the photoelectric conversion element according to the present invention, like a normal Darlington transistor, rises at V CE (sat) ≈0.7V and is a voltage control type even at several hundred mA or more. It shows a negative resistance output characteristic. In addition, since I C + I G >> I CEL , the 7th
As can be seen from the figure, the effect of I CEL hardly appears. With respect to the negative resistance characteristic, the negative resistance value can be changed by the resistance r BE , and further, the negative resistance characteristic can be changed by the gate voltage.
次に、第7図に示す特性を持つ光電変換素子の光に対す
る入出力特性について、第8図に示すような基本回路例
としてコレクタに負荷RLを挿入した場合を第9図に基づ
き説明する。第8図において、ホト・トランジスタ部が
光を受けると、抵抗RL、rBEを通して光電流が流れる。
しかしながら、rBE》RLであるため、A点の電位VAは、
抵抗RLの影響をほとんど受けずに上昇する。普通のホト
・ダーリントンであるならば、およそ0.7Vに至り、出力
段のトランジスタへと流れ込み、それが増幅されて、ホ
ト・ダーリントンの出力となる。しかしながら、第1図
並びに第2図に示す第1の実施例になる光電変換素子
は、多少の入力光に対しては、第9図に示す特性曲線群
においてA曲線の状態であり、負荷抵抗RLとの交点はZ
点ではなく、X点でVCE=VCCとなり、出力電流はホト・
トランジスタ部のICELを除いて流れない。さらに、光入
力を与えると、光電変換素子の特性曲線でZ点がX点に
至るB曲線になり、つまりはBAMBITのベース電圧VAが、
VA=VBE=VCC−VCB(OFF)に至り、ホト・トランジスタ
部の光電流ICELがBAMBIT部のベースへと流れ込み、BAMB
IT部においてさらに増幅され、出力電流IC+IG+ICELが
負荷抵抗RLを通して流れ出す。すると、コレクタの電位
が下がり、この発明の光電変換素子が負性抵抗特性のた
め、第9図においてその負荷線上を逆行し、益々、出力
電流IC+IG+ICELが流れるようになる。この正帰還作用
のため、負荷線との交点は、X点よりY点へ瞬時に移動
して、スイッチONする。さらに、光入力を強くしても、
この発明の光電変換素子の飽和領域と負荷抵抗RLが交わ
るため、もはや出力はほとんど変化しない。Next, the input / output characteristics of the photoelectric conversion element having the characteristics shown in FIG. 7 with respect to light will be described with reference to FIG. 9 when the load R L is inserted in the collector as a basic circuit example as shown in FIG. . In FIG. 8, when the phototransistor section receives light, a photocurrent flows through the resistors R L and r BE .
However, since r BE >> R L , the potential V A at point A is
It rises with almost no effect of resistance R L. If it is a normal photo darlington, it reaches about 0.7V and flows into the transistor of the output stage, which is amplified and becomes the output of photo darlington. However, the photoelectric conversion element according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is in the state of the A curve in the characteristic curve group shown in FIG. The intersection with R L is Z
V CE = V CC at point X, not point, and the output current is
It does not flow except for I CEL in the transistor section. Further, when an optical input is given, the characteristic curve of the photoelectric conversion element becomes a B curve from the Z point to the X point, that is, the base voltage V A of BAMBIT is
V A = V BE = V CC −V CB (OFF) is reached, and the photocurrent I CEL of the phototransistor section flows into the base of the BAMBIT section, and BAMB
Further amplified in the IT section, the output current I C + I G + I CEL flows out through the load resistance R L. Then, the potential of the collector decreases, and the photoelectric conversion element of the present invention reverses on its load line in FIG. 9 due to the negative resistance characteristic, and the output current I C + I G + I CEL gradually flows. Due to this positive feedback action, the point of intersection with the load line instantly moves from point X to point Y, and the switch is turned on. Furthermore, even if the optical input is increased,
Since the saturation region of the photoelectric conversion element of the present invention intersects with the load resistance R L , the output hardly changes anymore.
一方、次いで、スイッチ・オンした後において、光入力
を弱める場合について説明する。光入力が弱くなって来
ると、その光入力強度に応じて、この発明になる光電変
換素子の出力特性曲線群も変化してくる。しかしなが
ら、光入力が弱くなってもC曲線に至らない限り、スイ
ッチ・オフせず、負荷抵抗RLとの交点はY点近辺であ
る。そして、C曲線よりさらに光入力が弱くなってくる
と、この発明の光電変換素子と負荷抵抗RLとは、飽和領
域ではもはや交わらなくなる。すると、交点は再びX点
に戻り、当該光電変換素子はスイッチオフする。このヒ
ステリシスを持って、二端子でスイッチオン並びにスイ
ッチオフする様子を第10図に示す。尚、第9図におい
て、ヒステリシスを持ってスイッチオン並びにスイッチ
オフするためには、光電変換素子の負性抵抗値|RN|
と、RLとがRL>|RN|を満たさないとスイッチオン・ス
イッチオフせず、高感度なリニア光増幅素子となる。On the other hand, next, a case where the light input is weakened after the switch is turned on will be described. When the light input becomes weaker, the output characteristic curve group of the photoelectric conversion element according to the present invention also changes according to the light input intensity. However, even if the light input becomes weak, the switch does not switch off unless the curve reaches the C curve, and the intersection with the load resistance RL is near the point Y. When the light input becomes weaker than the C curve, the photoelectric conversion element of the present invention and the load resistance RL no longer intersect in the saturation region. Then, the intersection returns to point X again, and the photoelectric conversion element is switched off. Figure 10 shows how the two terminals switch on and off with this hysteresis. In FIG. 9, in order to switch on and off with hysteresis, the negative resistance value of the photoelectric conversion element | R N |
If R L and R L do not satisfy R L > | R N |, they will not be switched on / off and a high-sensitivity linear optical amplification element will be obtained.
次に、この発明になる光電変換素子の他の使用例につい
て、第11図に基づいて説明する。第11図に示す回路は、
抵抗rBEが定電圧回路を通して結線されているもので、
第9図に示す曲線図において、最初からA曲線のような
状態を作るもので、抵抗rBEを小さく出来、より高感度
な、又高速度なスイッチ動作が可能になる。第12図は、
負荷抵抗RLをエミッタ側に接続したもので、第8図に示
す使い方と同様に、ヒステリシスを持って、又、二端子
でスイッチオン・スイッチオフする。Next, another usage example of the photoelectric conversion element according to the present invention will be described with reference to FIG. The circuit shown in FIG. 11 is
The resistor r BE is connected through a constant voltage circuit,
In the curve diagram shown in FIG. 9, a state similar to the A curve is created from the beginning, and the resistance r BE can be made small, so that more sensitive and high speed switch operation becomes possible. Figure 12 shows
The load resistor R L is connected to the emitter side, and has hysteresis and switches on and off with two terminals, similar to the usage shown in FIG.
この発明になる光電変換素子の第2の実施例を第13図に
示す。この第2の実施例になる光電変換素子は、P-ベー
ス領域をイオン注入で形成したもので、以下のようにし
て製造される。第13図において、まず、N+高不純物濃度
基板(1)の上にN-コレクタ層(2)をエピタキシャル
成長させ、前記N-コレクタ層(2)に対して、BAMBIT部
のP+ベース領域(5a)及びホト・トランジスタ部のP+ベ
ース受光部領域(5b)を1018原子/cm3程度に拡散ある
いはイオン注入を行う。次に、BAMBIT部のP+ベース・コ
ンタクト領域(6)をP+ベース領域(5a)から隔てて形
成する。この時、P+ベース・コンタクト領域(6)は、
P+ベース領域(5a)及び(5b)と同時に形成してもよ
い。続いて、P-ベース領域(3c)をP+ベース・コンタク
ト領域(6)とP+ベース領域(5a)の間に1016原子/cm
3程度の不純物濃度で、約1〜3μm程度の厚みにイオ
ン注入により形成する。続いて、所望の電流増幅率とな
るように、BAMBIT部のエミッタ領域(7a)及びホト・ト
ランジスタ部のエミッタ領域(7b)を形成する。そし
て、N+ゲート領域(8)をP-ベース領域(3c)内に形成
する。A second embodiment of the photoelectric conversion element according to the present invention is shown in FIG. The photoelectric conversion element according to the second embodiment has a P − base region formed by ion implantation and is manufactured as follows. In Figure 13, first, N on the N + heavily doped substrate (1) - collector layer (2) is epitaxially grown, the N - collector layer relative to (2), the BAMBIT portion P + base region ( 5a) and the P + base light receiving area (5b) of the phototransistor section are diffused or ion-implanted to about 10 18 atoms / cm 3 . Next, the P + base contact region (6) of the BAMBIT portion is formed apart from the P + base region (5a). At this time, the P + base contact region (6) is
It may be formed simultaneously with the P + base regions (5a) and (5b). Subsequently, a P - base region (3c) is formed between the P + base contact region (6) and the P + base region (5a) at 10 16 atoms / cm 3.
It is formed by ion implantation with an impurity concentration of about 3 to a thickness of about 1 to 3 μm. Subsequently, the emitter region (7a) of the BAMBIT portion and the emitter region (7b) of the phototransistor portion are formed so as to have a desired current amplification factor. Then, an N + gate region (8) is formed in the P − base region (3c).
この第2の実施例のものにおいても、BAMBIT部の特性及
び電流増幅率によっては、エミッタ領域(7a)、(7b)
とN+領域(5)との同時形成、エミッタ領域(7a)、
(7b)とN+ゲート領域(8)との同時形成も可能であ
る。又、その他各電極の形成及び工程間のリソグラフ
ィ、パシベーション等は、周知の技術で行われものであ
る。この製造工程によると、P-ベース領域(3b)をなく
すことができ、場合によっては、P+ベース領域(5a)を
P-ベース領域(3a)で囲む必要もなく、大きなチップサ
イズの縮少を可能とする。Also in the second embodiment, depending on the characteristics of the BAMBIT section and the current amplification factor, the emitter regions (7a), (7b)
And N + region (5) simultaneously formed, emitter region (7a),
It is also possible to simultaneously form (7b) and the N + gate region (8). In addition, formation of each electrode and lithography, passivation, etc. between steps are performed by known techniques. This manufacturing process eliminates the P - base region (3b) and, in some cases, the P + base region (5a).
A large chip size can be reduced without the need to surround it with the P - base region (3a).
第14図に示す第3の実施例は、前記第1の実施例のもの
において、その使用回路例で示した抵抗rBEを、抵抗領
域(14)として同一チップ内に形成したものである。こ
の第3の実施例になる素子における抵抗領域(14)は、
P+ベース拡散の工程において同時に形成することができ
る。尚、この抵抗領域は、第2の実施例のものにおいて
も組み込むことが可能である。The third embodiment shown in FIG. 14 is the same as the first embodiment, except that the resistance r BE shown in the example of the circuit used is formed in the same chip as the resistance region (14). The resistance region (14) in the device according to the third embodiment is
It can be formed simultaneously in the process of P + base diffusion. The resistance region can be incorporated in the second embodiment as well.
[発明の効果] 以上の構成になるこの発明の光電変換素子は、以下に示
す数多くの作用効果を奏する。[Advantages of the Invention] The photoelectric conversion element of the present invention having the above-described configuration has a number of operational effects described below.
(i)当該光電変換素子が、負性抵抗特性をもつため、
後処理回路なしに、又、極めて簡単な構成で、光入力に
対し、ヒステリシスを持った双安定スイッチ動作を二端
子で可能とする。(I) Since the photoelectric conversion element has a negative resistance characteristic,
The bistable switch operation with hysteresis can be performed with two terminals for optical input without a post-processing circuit and with an extremely simple structure.
(ii)当該素子自体の特性から、双安定なスイッチ動作
をするため、集積回路を使った場合のような消費電流を
必要としない。(Ii) Due to the characteristics of the element itself, a bistable switching operation is performed, so that current consumption as in the case of using an integrated circuit is not required.
(iii)ダーリントン接続されているため、微弱光に対
しても、大電流出力を高速スイッチングする。(Iii) Due to Darlington connection, high current output is switched at high speed even for faint light.
(iv)従来、ホト・ダーリントンで問題となった高いリ
ーク電流も、当該光電変換素子によれば、スイッチオフ
の状態で、ホト・トランジスタ部よりのリーク電流が増
幅されないため、高い感度、高い出力にも設計すること
ができる。(Iv) The high leakage current, which has been a problem in the conventional photo-darlington, has high sensitivity and high output because the photoelectric conversion element does not amplify the leakage current from the photo-transistor in the switch-off state. Can also be designed.
(v)出力をほとんど落とさずに、スレッシュ・レベル
が高くとれ、又、前記(iv)同様に、スイッチオフの状
態で、ホト・トランジスタ部よりのリーク電流が増幅さ
れないため、従来のホト・トランジスタ、ホト・ダーリ
ントンのようなリーク電流の温度上昇による著しい増加
がない。(V) The threshold level can be set to a high level with almost no drop in output, and like the above (iv), the leakage current from the phototransistor is not amplified in the switch-off state, so that the conventional phototransistor is not amplified. There is no significant increase in leak current due to temperature rise, as in Photo Darlington.
(vi)ゲート端子を使うことにより、スイッチオンする
光入力値を変化させたり、又スイッチング速度も改善で
きる。(Vi) By using the gate terminal, the optical input value for switching on can be changed and the switching speed can be improved.
(vii)従来のホト・トランジスタ、ホト・ダーリント
ン等に近いプロセスで製造することができ、製造が容易
であるとともに、低コストで安価に提供することができ
る。(Vii) It can be manufactured by a process close to that of a conventional phototransistor, photo-Darlington, etc., and is easy to manufacture, and can be provided at low cost and at low cost.
第1図は、この発明になる光電変換素子の具体的な第1
の実施例を示す概略的断面図、 第2図は、第1図に示す第1の実施例装置の概略的平面
図、 第3図は、ベース変調形バイポーラ・トランジスタのベ
ース接地特性曲線図、 第4図は、ベース変調形バイポーラ・トランジスタのエ
ミッタ接地特性曲線図、 第5図は、当該光電変換素子の等価回路図、 第6図は、当該光電変換素子の第1のエミッタ接地接続
例を示す回路図、 第7図は、第6図のエミッタ接地接続例において、ベー
ス・エミッタ間の抵抗を一定とし、光入力をパラメータ
とした時のエミッタ接地特性曲線図、 第8図は、当該光電変換素子に負荷を接続し、光入力に
対し双安定出力を得るための第1の接続例を示す回路
図、 第9図は、第8図に示す回路例において、双安定出力が
得られることを示す動作説明図、 第10図は、第8図に示す回路例において、光入力に対す
る出力特性例を示すグラフ、 第11図は、当該光電変換素子に負荷を接続し、光入力に
対し双安定出力を得るための第2の接続例を示す回路
図、 第12図は、当該光電変換素子に負荷を接続し、光入力に
対し双安定出力を得るための第3の接続例を示す回路
図、 第13図は、この発明になる光電変換素子の第2の実施例
を示す概略的断面図、 第14図は、当該光電変換素子に、ベース・エミッタ間の
高抵抗体を同一素子内に形成した第3の実施例を示す概
略的平面図である。 (1)、(2)……コレクタ領域 (3)……ベース領域 (3a)……第2のベース領域 (4)……N+領域 (5a)……BAMBIT部のP+領域 (5b)……ホト・トランジスタ部のベース受光部領域 (6)……BAMBIT部のベース・コンタクト領域 (7a)……BAMBIT部のエミッタ領域 (7b)……ホト・トランジスタ部のエミッタ領域 (8)……ゲート領域 (9)……酸化膜 (10)……ベース電極 (11)……エミッタ電極 (12)……コレクタ電極 (13)……ゲート電極 (14)……ベース・エミッタ間抵抗FIG. 1 is a first specific example of the photoelectric conversion element according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of the first embodiment device shown in FIG. 1, FIG. 3 is a grounded base characteristic curve diagram of a base modulation type bipolar transistor, and FIG. FIG. 4 is a grounded emitter characteristic curve diagram of a base modulation type bipolar transistor, FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion element, and FIG. 6 is a first grounded emitter connection example of the photoelectric conversion element. The circuit diagram shown in FIG. 7 is a grounded emitter characteristic curve diagram when the resistance between the base and the emitter is constant and the light input is used as a parameter in the grounded emitter connection example of FIG. 6, and FIG. A circuit diagram showing a first connection example for obtaining a bistable output with respect to an optical input by connecting a load to the conversion element. FIG. 9 shows that a bistable output can be obtained in the circuit example shown in FIG. 10 is an explanatory view of the operation of FIG. FIG. 11 is a graph showing an example of output characteristics with respect to optical input in the circuit example shown in FIG. 11, and FIG. 11 is a circuit showing a second connection example for obtaining a bistable output with respect to optical input by connecting a load to the photoelectric conversion element. FIG. 12 is a circuit diagram showing a third connection example for connecting a load to the photoelectric conversion element and obtaining a bistable output with respect to an optical input, and FIG. 13 is a photoelectric conversion element according to the present invention. 14 is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a schematic plan view showing a third embodiment in which a high resistance body between a base and an emitter is formed in the same element in the photoelectric conversion element. Is. (1), (2) …… Collector area (3) …… Base area (3a) …… Second base area (4) …… N + area (5a) …… P + area of BAMBIT section (5b) …… Base region of phototransistor of phototransistor (6) …… Base contact of BAMBIT (7a) …… Emitter of BAMBIT (7b) …… Emitter of phototransistor (8) …… Gate region (9) …… Oxide film (10) …… Base electrode (11) …… Emitter electrode (12) …… Collector electrode (13) …… Gate electrode (14) …… Base-emitter resistance
Claims (1)
タ領域と、前記コレクタ領域に対し、第1のPN接合部を
介して形成される第2の導電型の半導体材料からなるベ
ース受光部領域と、前記ベース受光部領域に対し、第2
のPN接合部を介して形成される第1の導電型の半導体材
料からなるエミッタ領域とを備えてなるホト・トランジ
スタ部と、前記第1の導電型の半導体材料からなるコレ
クタ領域と、前記コレクタ領域に対し、第1のPN接合部
を介して形成される第2の導電型の半導体材料からなる
第1のベース領域と、前記第1のベース領域に対し、第
2のPN接合を介して形成される第1の導電型の半導体材
料からなるエミッタ領域と、前記第1のベース領域から
間隔を隔てて位置するベース・コンタクト領域と、前記
第1のベース領域とベース・コンタクト領域との間に形
成される第2のベース領域と、前記第2のベース領域内
に形成される第1の導電型を有するゲート領域とを備え
てなるベース変調形バイポーラ・トランジスタ部とから
なり、 前記ホト・トランジスタ部におけるコレクタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるコ
レクタ領域とが互いに共有するものからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるエミッタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるベ
ース・コンタクト領域とをダーリントン接続してなるこ
とを特徴とする光電変換素子。1. A collector region made of a semiconductor material of a first conductivity type, and a base light receiving portion made of a semiconductor material of a second conductivity type formed in the collector region via a first PN junction. And a second area for the base light receiving area
A phototransistor portion comprising an emitter region made of a semiconductor material of a first conductivity type formed via a PN junction portion of the semiconductor device, a collector region made of a semiconductor material of the first conductivity type, and the collector. A first base region made of a semiconductor material of a second conductivity type formed through a first PN junction portion with respect to the region, and a second PN junction formed with respect to the first base region. Between the formed emitter region made of a semiconductor material of the first conductivity type, the base contact region spaced apart from the first base region, and the first base region and the base contact region. A base-modulated bipolar transistor section having a second base region formed in the second base region and a gate region having a first conductivity type formed in the second base region. To The collector region in the transistor part and the collector region in the base modulation type bipolar transistor part share one another, and the emitter region in the photo transistor part and the base contact region in the base modulation type bipolar transistor part. A photoelectric conversion element characterized in that and are connected by Darlington connection.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP1077129A JPH0719916B2 (en) | 1989-03-27 | 1989-03-27 | Photoelectric conversion element |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11512996B2 (en) | 2019-11-15 | 2022-11-29 | Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. | Flow speed detection circuit and associated chip and flow meter |
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|---|---|---|---|---|
| JP2696300B2 (en) * | 1993-06-30 | 1998-01-14 | 株式会社光電子工業研究所 | Two-terminal photoelectric conversion element |
| JP4105170B2 (en) * | 2005-03-02 | 2008-06-25 | 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 | Semiconductor device and inspection method thereof |
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1989
- 1989-03-27 JP JP1077129A patent/JPH0719916B2/en not_active Expired - Fee Related
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