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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
index005_Semionductor_Device_Physics_for_PPD.html
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Story of Pinned Photo Diode
Hagiwara at SONY is the true inventor of Pinned Photo Diode
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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 （１）半導体とは？
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（１）まず、世の中の物質を電気を通すか通さないかで分類します。
世の中の物質は、電気を通す金属性物質（Ｍ型）と、電気を全く通さない絶縁体物質（Ｏ型）と
電気を通したり通さなかったりする半導体物質（Ｓ型）など大きくわけて4種類があります。
また半導体物質(S型）には電気を通す時、２種類の通し方があり、Ｎ型とＰ型半導体に分類されます。
（１）Ｎ型半導体は、負の電荷をもった電子（electron)をcharge carrierとして
半導体結晶体 ( Silicon Ｃｒｙｓｔａｌ ）の中で、電流となるＮ型半導体物質です。
（２）Ｐ型半導体は、正の電荷を帯びた原子（イオン）がシリコン結晶体の中で
自分が中性になるために隣接する中性の原子から電子を奪い、
奪われた原子が代わりに、正の電荷を帯びた原子（イオン）となり、
さらに原子（イオン）は、そ自分が中性になるために隣接する、
別の中性の原子から電子を奪い、中性になり、結果的に、
正の電荷が次から次へと移動して、導体結晶体 ( Silicon Ｃｒｙｓｔａｌ ）の中で、
電流となる Ｐ型半導体物質があります。
血液型にもＡ型、Ｂ型、ＡＢ型とＯ型があり、その性質の細かいことは私も知りませんが、
交通事故などで輸血するときのルールがあります。
それと同じです。あまり、物質の細かい性質はこのお話でも知る必要はありません。
いろいろ世の中の物質が、この４種類の血液型 ( A, B, AB, O )と同じく、
電流と光をと通すか通さないかで、物質も ( M, O, Ｓ、Ｘ ) の4通りにと分類され、
さらに半導体（Ｓ）は、Ｐ型とＮ型に分類されるということだけを覚えておいてください（笑顔）。
この中で半導体集積回路の材料となるのは、( M, O, P、N) の４つの物質です。
Ｘ型の物質は光も電子（電流）も通さない物質で半導体集積回路をまわりから包み保護し、
外部の紫外線や電気障害（静電気や雷）や電波障害から保護する物質として使用します。
[1] M型は電気を通す金属性物質、光は反射する。
金属配線がいい例です。
金属はアルミ原子や金の原子などのぎっしりかたまった固体です。
その金属原子の中を自由に浮遊するのが電子です。原子を太陽系にたとえると、
太陽（プラスの電荷を持つ原子核）の周りをまわる地球（マイナスの電荷を持つ電子）
の様なものです。太陽の強大な重力が及ぼす引力で地球は太陽のまわりをまわっていますが、
マイナスの電荷を持つ電子は、プラスの電荷を持つ原子核に電気力でしばられていますが、
一番外の軌道にある電子は、少しのエネルギーを光などで外部からもらうことができると、
原子核の引力に勝ち、ロケットが元気に太陽系から太陽の引力圏から飛び出すように、
電子も自由電子となり、半導体結晶体（ silicon crystal ) の電子にとってはすけすけの
自由空間をさまようことができます。しかし、それでも金属原子のすきまで浮遊している
だけです。金属のかたまりから脱出したわけではありません。金属は電子の海にも
たとえることができます。電子の海の中を電子は自由電子になって浮遊しています。
ますで、海の中の水の分子のようなものです。しかし、その水の分子はなかなか海の
外には出られません（涙）。
しかし、もし、本当に強いでエネルギーを持った光（強い紫外線）があたれば、水面近くに
ある電子にその光のエネルギー（光子）がぶつかり、電子がそのエネルギーを吸収し
元気になり、金属の原子核の引力から脱出できて、完全に金属から飛び出すことも
可能なはずです。金属に強い紫外線を照射すると電子が飛び出すはずです！
この現象を世界で最初に物理的に理解し、光のエネルギーの粒を 光子( photo )と
名前を付けたのは Albert Eistein でした。彼は 相対性理論で 有名ですが、
今では中学校の数学 （時間変数 t と空間変数 x の２つの変数の連立方程式）の
の知識があれば理解できる特殊相対性理論が当時の物理学者は理解できません
でした。逆に、Albert Eistein は、もっと単純な、この光電効果の物理モデルの提唱
することにより、すなわち、金属に光を照射すると電子が飛び出す現象の物理的な
解釈 （光は波でありまた粒子でもあるという新規な全く新しい物理概念 ）により、
多くの当時の世界の物理学者の感銘を受け、Albert Eistein はノーベル賞を受賞
することになりました。むずかしい数学よりも誰もが理解できる直観に訴えることが
できることが、誰にも理解できるようにする努力を惜しまないことが重要であることは、
今の物理学だけでなく、どんな学問でも共通して、たいへん重要なことですね。
さて、金属とは何かのお話に戻ります。
[2] 次に絶縁体であるO型の説明です。Ò型物質は電気を通さない絶縁体のことで、
ガラス性で光を通すもののことです。絶縁体にＸ型で黒いゴムや黒い服地などが
あります。色のついた服は一部の波長の光が光を反射する化合物金属の粉や
染料や塗料が反射したものと解釈してください。ここではSilicon 結晶体を酸化
するとそのまわりに形成されるきれいな薄い酸化膜 SiO2 やアルミ金属を酸化
するとそのまわりに形成されるきれいなアルミナと呼ばれる酸化膜 Al2O3 や
炭素原子(C)を惑星の奥深く、中心核ので重力の圧力の中で、酸化されたときに
できるダイヤモンドの宝石などを連想してください。これらはＯ型の絶縁体です。
[3] Ｎ型は電気を通す時もあれば通さない時もあり、中途半端な物質で、
金属と同じような電気の通し方をするものでＮ型半導体と呼ぶ。
空の箱の中をボール（電子）が自由に移動する状態を連想します。
そのボール（電子）はマイナスの電荷を帯びます。
[4] P型は電気を通す時もあれば通さない時もあり、中途半端な物質で、
ボールがいっぱい詰まった箱の中でボールが全く動けない状態で
１個だけボールが飛び出し、穴 ( hole ) があいた状態を連想します。
その穴 ( hole ) はプラスの電荷を帯びます。
まあ難しく考えないで、物質は、電気を通すか通さないかで、
一般に、( M, O, N, P ) と分類される、
ということだけを覚えておいてください（笑顔）。
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半導体まめ知識 （２）太陽電池とは？
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（２）そこで、Diodeとは何かを説明します。
Ｎ型の半導体物質の下にＰ型の半導体物質を接合したものをＮＰ接合と呼びます。
DiodeとはこのＮＰ接合の別名です。ＮＰ接合型 Diode とも言います。
また、Ｐ型の半導体物質の下にＮ型の半導体物質を接合したものは、
ＰＮ接合と呼びます。ＰＮ接合型 Diode とも言います。
（３）Photo Diode とは光を感知する Diode のことです。
また光を感知し電気エネルギーに変換する Diodeを太陽電池といいます。
Photo Diodeは太陽電池であると言えます。
上の図の様に、不思議にもこのＰＮ接合体 ( diode と呼ばれる半導体素子 ）に光を照射すると
電流が流れて、電球をともすことができます。必ず、Ｐ型の半導体がプラス ( Positive ) になり、
Ｎ型の半導体がマイナス( Negative ) 端子になり、市販の普通の電池のように電流が流れます！
さて、どうして流れるのかは、たいへんむずかしい物理現象なのでここでは省略しますが、この
ように人類は光を照射すると電流が流れる、たいへん役に立つ半導体素子（ Semiconductor
Device ) を製造する技術を身に着け、現在世界の省エネに貢献しようとしていま～す。
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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６時前から１時間ほど、お天気がいい日は、
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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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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
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がなくても、容易に直観的に誰でも理解できるように
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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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