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The AIPS ( Artificial Intelligent Partner System )
hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
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半導体まめ知識 （３）固体撮像装置とは？
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毎朝６時前から１時間ほど、お天気がいい日は、
自宅のそばの小川沿いや野道を Walking。
毎朝、健康のために、妻と萩原は歩いています。
その時に萩原が撮った写真と妻の絵手紙です。
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●荻野中学校の10月の絵手紙はこちらをclick してください。
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70歳のじじいのつぶやきです（笑顔）。
Story of Pinned Photo Diode
Pinned Photo Diode Patent by Hagiwara in 1975
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半導体産業人協会主催の２つの秋季半導体技術講座の紹介です。
（１）2018年11月1日～2日開催の半導体入門講座の案内
2018年度 秋季入門講座カリキュラム詳細版
（２）2018年11月5日～6日開催の半導体ステップアップ講座の案内
2018年度 秋季ステップアップ講座カリキュラム詳細版
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著書に 「人工知能を支える、デジタル回路の世界」
ISBN 978-4-88359-339-2 C3055 青山社 出版、
ハードカバー 475ページ、\9000 + Tax があります。
是非、購入してお読みください。
半導体素子の基本物理動作からその応用回路まで
やさしく解説しています。文系の方でも読みやすい
ように工夫し、むずしい数学のバックグラウンド知識
がなくても、容易に直観的に誰でも理解できるように
わかりやすい解説図を本書には多く用意しています。
この書籍の付録（１） 小学生の油わけ算の問題の解法例です。
付録（２） 中学生数学で解ける特殊相対性理論の解説です。
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Yoshiaki Hagiwara, Ph.D. IEEE Life Fellow、
the inventor of Pinned Photo Diode ( SONY HAD sensor )
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半導体まめ知識
（１）半導体とは？
（２）太陽電池とは？
（３）固体撮像装置とは？
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半導体まめ知識 （３）固体撮像装置とは？
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また、 このPhoto Diode （絵素）を、２次元平面に、横に 4000 個、縦に 3000 個配列し、
被写体をビデオカメラでとらえ、その映像をカメラのレンズで集光して、
その光画像の情報を、この平面に投影しますと、1200万画素の 高解像度の
固体撮像装置 ( Solid State Image Sensor ) となります。
この２次元配列された、1200万画素ぶんのPhoto Diodeに蓄積された、
1200万個の個別の信号電荷のかたまり （ 1200万個 packet 信号 )を、
image sensor 内から、1個しかない出口である外部端子（1個）に順序よく
転送し、最終的に家庭で見る高解像 high vision ＴＶ に 投影する必要が
あります。被写体を、まず、レンズ集光し、結像された １２００万個の
Photo Diodeの２次元配列から、順序よく各絵素の電気信号（電荷）を
取り出して、つまり電荷転送装置となる半導体回があってこそ、最終的に、
この１２００万個の映像信号（電荷）の Packet 信号が High Vision TV に
届き、その信号が順序よく、ＴＶの 映像 scan 方式に従い、 ＴＶの画面に、
映し出しますと、1200万画素の高解像度のきれいな画像を見ることができます。
Imager には少なくとも、まず (1) １２００万個のPhoto Diode と (1)１２００万個
のPhoto Diodeに光電変換され、蓄積された１２００万個の信号電荷をそれぞれ
こわすことなく、忠実にそのままの情報をもった信号電荷として順序よく電荷転送し、
最終的に 1 つしかない出口（出力端子）に電荷を転送する電荷転送装置（ＣＴＤ）が
必要です。 要するに少なくとも、この (1) 萩原が 1975年に考案し発明特許で
定義した半導体受光素子構造は、Photo Diode の改良版で、超感度、低雑音、
残像なしの、人間の目よりもすぐれた性能を持つ、賢い電子の目と言われる、
Pinned Photo Diode が必要です。そして、 (2) 電荷転送装置、つまり、Charge
Ｔｒａｎｓｆｅｒ Device (CTD) が必要です。電荷転送装置（ＣＴＤ）として、1969年に
発明された CCD （固体結合素子）は有名です。1980年から2000年の初め頃
までは、CCD型ＣＴＤを採用した、CCD image sensor が主流でしたが、それ以後、
現在に至っては、半導体微細化技術の大進歩により、CＭＯＳ transistor が
極端に微小構造に形成でき拡散容量雑音が激減し、それをつなぐ金属配線の幅と
厚さも微小寸法に加工が可能となり、金属配線雑音も激減し、また CMOS Active
回路の新しい工夫により、CＭＯＳ型ＣＴＤを採用した、ＣＭＯＳ Image sensor の
総合雑音が、それまで主流だった、CCD image sensorの出す総合雑音とあまり
かわらない程激減でき、さらに、CCD image sensor は 大容量のＭＯＳ型電極の
充放電動作が常に必要で、消費電力が膨大となり、また、high vision 画像では、
CCDの転送効率の 99.999 ％ では、忠実にアナログ信号電荷 packet の情報を
CCＤでは転送不可能で、しかし、CMOS image sensor では各絵素( photo diode )
付近で CMOS デジタル回路の工夫で A/D 変換が可能で、デジタル信号に変換
してから CMOS image sensor の中の、微細化されて配線雑音の少ない、digital
信号金属配線を使って、１つしかない出口（出力端子）に高速でデジタル信号を
電送できることが可能となりました。すなわち、CTD の部品でもある charge
transfer gate （ＣＴＧ）は、かならず、photo diodeのすぐそばに必要ですが、
その後段には、(3) A/D 変換回路が装備されることになります。また、その
高速に変換膨大な量のデジタル情報を高速に一時的に保存記憶する外部記憶
装置として、次に、かならず、(4)高速大容量 SRAM が必要となります。そして、
最終的に、(5)その保存された情報を再度別の永久保存用記憶装置に転送すること
ゆっくりしか動作できない、磁気テープ ( SONYの Passport Size の 8 mm サイズ
磁気テープのビデオカメラ）や Floppy Disk （ SONYのMAVICA ) が過去に好評
でしたが、現在では、源を切っても情報を保管維持する、不揮発メモリ素子 ( NVRAM )
が必要です。この不揮発メモリ素子 ( NVRAM ) として、みなさんがパソコンのメモリ
保存に使う ＵＳＢメモリがあるのは有名です。
結論として、現在の新しい ＣＭＯＳデジカメ ( CMOS digital image sensor ） は、
(1) まず、 ＳＯＮＹ時代に萩原が1975年発明した Pinned Photo Diode がある。
ＳＯＮＹ時代、1975年萩原が初めて考案し出願された発明特許で定義された
Pinned Photo Diodeで、かつ、ＣＭＯＳ image sensor への応用として、近年、
SONYの若手技術者により開発実現した世界初の裏面照射型のPinned Photo Diode
(2) 次に、 ＳＯＮＹが社内で最初に開発した ＳＯＮＹ社内製のA/D 変換回路がある。
ＳＯＮＹが初めて、ＣＭＯＳ image sensor の重要回路部品として、社内の若手技術者で
開発した世界発のデジカメ用の、SONY社内製のA/D 変換器とその周辺ＣＭＯＳ回路。
（3) 次に過去のＮＭＯＳ基本回路を改良工夫したＣＭＯＳ型電荷転送装置(CTD)がある。
CMOS型の電荷転送回路システムは、DRAM の信号転送回路に極似しており、
NMOS型のimage sensor で普及していたが、配線雑音の少ない CCD型の電荷転送
装置の実現に負け、NMOS型のimage sensor は市場から消えて、低価格のカメラで
ほそぼそと採用さていた。NMOS型のimage sensor の電荷転送回路は単純だった。
DRAM は常に refresh が必要で、劣化・減少した信号電荷はもともとアナログ信号で
あり、常に 1 bit ごと、active 回路で refresh していた。この方式に似て、１ bit ごとに
Source Follower type の analog active 回路が 各 1 bit 絵素ごとに装備され、近年の
昔のMOS型の電荷転送方式が返り咲き、CMOS image sensが完成した。
(４) 次に、世界初のＳＯＮＹが開発したデジカメ用高速瞬間記憶保存用Fast Cache SRAM がある。
ＳＯＮＹ時代に、萩原とそのチームが世界ではじめてデジカメ用高速キャッシュメモリとして
開発した 4 MSRAM。 当時は日本では大容量のＤＲＡＭのビジネスが脚光を浴びていて
世界発の、アクセス時間 25 nanosec の高速大容量 4 Mega bit SRAM と言っても、
あまりその価値を理解した技術者・事業家は存在せず、冷ややかに世界は見ていた。
この SONYの若手社員（宮司さん）が独自に考案発明したもので、萩原の開発部隊の
リーダーとして自ら設計した、dynamic floating bit line 方式の信号高速増幅回路は、
当時、界一の高速アクセス時間、 ２５ nanosec を実現した 4 MSRAM 技術として、
そのすごさは、見る人ぞ見るで、SONYの このSRAM 技術は 世界の Intel社が認め、
実際、SONY製の SRAM chip は Intel 社製造のマイコンボードに採用され、大量に
Intel 社が購入した。そのビジネスは Intel 社が SONYの SRAM 回路技術を学習し、
Intel Processor の中に、大容量の高速 Cache SRAM を内臓するまで続いた。当時、
SONYの萩原の開発チーム（宮司、中川原、郡、須賀、それに組織は違うが、もと萩原の
部下であった後輩の竹下たち若手後輩技術者たち）が技術開発したSRAMは Intel 社
だけでなく、HP社など多くの欧米の企業に認めらてＳＯＮＹの半導体ビジネスを支えた。
(５) 最後に低速永久記憶保存用の不揮発性記装置 Nonvolatile SRAM (NVRAM)がある。
歴史的には、 磁気テープや Floppy Disk や hard disk が採用され、愛用されたが、
現在ではデジカメには、 Nonvolatile SRAM (NVRAM)が採用され、広くパソコンの
USBメモリや SONY meory stick や miniDisk chip に内臓され活躍している。
世界のNonvolatile SRAM (NVRAM)の主要メーカをリードするのは東芝で、その基盤を
築いたのはもと東芝の外岡さんの NAND 型 NVRAM の発明であり、さらにその源と
なったのは、もと米国ベル研の研究者である Prof. Simon Sze の Floating Gate 型
double polysilicon gate NMOS trasistor の メモリ動作を発明し報告した研究である。
現在の デジカメ、 すなわち、CMOS digital image sensor の実現に貢献した技術者陣には、
(1) まず、ＳＯＮＹ時代に萩原良昭が1975年発明した Pinned Photo Diode がある。
ＳＯＮＹは、近年世界発の 裏面照射型のPinned Photo Diode を実用化した。
（2) 次に、ＳＯＮＹ技術陣（山田隆章さん、浅野勝昭さんたち）がデジカメ用に世界で
最初にＳＯＮＹの bipolar プロセス技術で開発した、ＳＯＮＹ社内製の高速の
Flash 型 A/D 変換回路があります。ＳＯＮＹの放送局用に高級ビデオカメラで、
一台が１０００万円もする高性能デジカメが世界で初めて市販されたデジカメです。
（3) 次に、過去のＮＭＯＳ基本回路を改良工夫したＣＭＯＳ型電荷転送装置(CTD)がある。
改良回路の工夫には、特に pinned photo diodeに始めて active 装備した
CMOS image sensor を考案発明した Phillips 社の技術者陣や、
CMOS image sensor で SNAP Shot 映像を可能にした、萩原の母校でもある、
米国のカリフォルニア工科大学（ CalTech ）所属の ジェット推進研究所、
すなわち、Jet Pulsion Lab ( ＪＰＬ）の技術者陣の貢献が大きいです。
(４) それに、世界初のＳＯＮＹの技術陣（萩原と宮司さんを含む技術部隊）が開発した
デジカメ用高速瞬間記憶保存用 Fast Cache SRAM がある。
(５) 最後に低速永久記憶保存用の不揮発性記装置 Nonvolatile SRAM (NVRAM)がある。
もと米国ベル研の研究者である Prof. Simon Sze と、もと東芝の外岡さんの貢献は偉大です。
結論として、
（１） Pinned Photo Diode は、 SONY時代 1975年の萩原良昭の発明です。
(２） CCD 型だけでなく、CMOS型 digital image sensor は、
世界の偉大な、特定の複数の発明者の複合体として考案され、
ともに世界で最初にＳＯＮＹがその開発・生産技術を開発し、
民生市場に高級ブランド SONY HAD image sensor として提供したものです。
それが、 image sensor です。
そうです。Photo Diode はビデオカメラの目のことを言います。
Photo Diodeとは、人間の目でいうと、目の網膜細胞のことです。
網膜細胞に光をあたると、網膜細胞はそれを電気信号（電荷）に変換します。
そして、目から脳にまで伸びた神経細胞の束で構成され、電気信号（電荷）を
脳まで転送する、電荷転送神経線を通って脳の一次記憶細胞に情報が
受け取られます。そうしてものを見て、目で見たものを私たちは脳で覚えます。
人間がものを見て、見たものを覚えるには、次の３つが必要です。
[1] 目の中の網膜細胞で光を電気信号（電荷）に変換し、
[2] 神経細胞で構成される電気信号（電荷）転送用の神経線を通って
[3] 脳にある記憶細胞に電気信号（電荷）が到達し、記憶されることが必要です。
Photo Diode は [1] の役目をする重要な電気部品です。
人間の網膜細胞の役割をするのが、このPhoto Diodeという電気部品です。
（４） そこで最後に、 Pinned Photo Diode とは何かを説明します。
たいへんむずかしい半導体物理のお話です。
興味ある方は、このＷＥＢサイトの親の MAIM HOME Page を見てください。
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毎朝、健康のために、妻と萩原は歩いています。
その時に萩原が撮った写真と妻の絵手紙です。
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著書に 「人工知能を支える、デジタル回路の世界」
ISBN 978-4-88359-339-2 C3055 青山社 出版、
ハードカバー 475ページ、\9000 + Tax があります。
是非、購入してお読みください。
半導体素子の基本物理動作からその応用回路まで
やさしく解説しています。文系の方でも読みやすい
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この書籍の付録（１） 小学生の油わけ算の問題の解法例です。
付録（２） 中学生数学で解ける特殊相対性理論の解説です。
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Yoshiaki Hagiwara, Ph.D. IEEE Life Fellow、
the inventor of Pinned Photo Diode ( SONY HAD sensor )
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