DE10123819B4 - Festkörper-Bildsensor und Vorrichtung mit einem solchen - Google Patents

Festkörper-Bildsensor und Vorrichtung mit einem solchen Download PDF

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Abstract

Festkörper-Bildsensor mit:
– einem fotoelektrischen Wandler (1) zum Wandeln von einfallendem Licht in elektrische Ladung;
– einem logarithmischen Wandler zum logarithmischen Wandeln eines vom fotoelektrischen Wandler ausgegebenen fotoelektrischen Stroms, wobei dieser logarithmische Wandler einen ersten MOS-Transistor (2) mit einer mit dem fotoelektrischen Wandler verbundenen Source und einem mit einer Spannungsquelle verbundenen Drain aufweist; und
– einem Ausleseabschnitt zum Auslesen eines vom ersten MOS-Transistor erhaltenen Signals, der einen zweiten MOS-Transistor (3) mit einem mit dem fotoelektrischen Wandler und der Source des ersten MOS-Transistors verbundenen Gate und ein mit dem Drain des ersten MOS-Transistors verbundenes Drain aufweist;
– wobei das Gatepotenzial des ersten MOS-Transistors zwischen einem Versorgungsspannungspotenzial und einem Massepotenzial fixiert ist, wobei das Gatepotenzial des ersten MOS-Transistors (2) geringfügig höher als das Schwellenpotenzial des ersten MOS-Transistors ist, wenn seine Source auf Masse liegt, und so ausreichend niedriger als das Versorgungsspannungspotenzial ist, dass die Vorspannung des fotoelektrischen Wandlers...

Description

    • Priorität: 6 Juni 2000, Japan, Nr.2000-169649 (P)
  • Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor und eine Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit einem solchen.
  • Es wurde eine verstärkende Festkörperbildsensor-Vorrichtung vorgeschlagen, die über einen Festkörper-Bildsensor mit der Funktion einer Signalverstärkung verfügt, wobei durch eine Abrasterschaltung ein verstärkter fotoelektrischer Strom ausgelesen wird. Genauer gesagt, ist eine Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Bauweise bekannt, die einen Festkörper-Bildsensor und eine periphere Treiberschaltung oder Signalverarbeitungsschaltung mit CMOS-Aufbau beinhaltet.
  • Der Festkörper-Bildsensor in der Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit CMOS-Aufbau muss einen fotoelektrischen Wandler, einen Verstärker, einen Pixelselektor und dergleichen aufweisen. Daher verfügt diese Vorrichtung über mehrere MOS-Transistoren T zusätzlich zu einer Fotodiode PD im fotoelektrischen Wandler.
  • 9 zeigt den Aufbau eines CMOS-Festkörper-Bildsensors 900 vom (PD+3T)-Typ (Mabuchi et al., "1/4-inch BGA Mode 33K-pixel CMOS Image Sensor", Technical Reports of the Institute of Image Information and Television Engineers, IPU97-13, März 1997). Dieser Festkörper-Bildsensor 900 verfügt über eine Fotodiode 1, einen Rücksetzabschnitt 8 (MOS-Transistor), einen Verstärker 3 (MOS-Transistor), einen Bauteilselektor 4 (MOS-Transistor) und eine Signalleitung 5. Ein Rücksetztaktsignal ist durch ΦRST gekennzeichnet. Ein Bauelement-Auswähltaktsignal ist durch ΦSEL gekennzeichnet. Das Versorgungsspannungsquellenpotenzial ist mit VD gekennzeichnet.
  • Nun wird der Betrieb des Festkörper-Bildsensors 900 beschrieben. Nachdem der Rücksetzabschnitt 8 einen Rücksetzvorgang zum Rücksetzen der Fotodiode 1 auf das Versorgungsspannungsquellenpotenzial VD ausgeführt hat, wird durch einfallendes Licht bν eine Signalladung erzeugt. Aufgrund der Erzeugung der Ladung nimmt das Sourcepotenzial des Rücksetzabschnitts 8 von VS auf VD ab. Das Ausmaß der Abnahme ist proportional zur Stärke des einfallenden Lichts und der Ansammlungszeit. Daher ist die Ladungsmenge betreffend das Sourcepotenzial VS proportional zur Stärke des einfallenden Lichts, wenn die Ansammlungszeit konstant ist. Die Änderung des Sourcepotenzials VS wird vom Verstärker 3 verstärkt, und danach wird diese Änderung des Sourcepotenzials VS durch den Bauelement-Auswählabschnitt 4 ausgewählt und auf die Signalleitung 5 ausgegeben.
  • Jedoch ist bei diesem Festkörper-Bildsensor 900 das Signal proportional zur Stärke des einfallenden Lichts. Daher tritt dann, wenn das einfallende Licht ziemlich stark ist, ein Problem auf, wenn der Dynamikbereich klein ist.
  • Um für das einfallende Licht einen großen Dynamikbereich zu erzielen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein fotoelektrischer Strom logarithmisch komprimiert und dann ausgelesen wird (PCT-Offenlegungsveröffentlichung Nr. JP 7-506932 A für die japanische nationale Phase, japanische Offenlegungsveröffentlichung Nr. JP 9-298286 und dergleichen).
  • 10 zeigt den Aufbau eines anderen herkömmlichen Festkörper-Bildsensors 1000, bei dem n-Kanal-Pixel verwendet sind. Jedoch können in ähnlicher Weise p-Kanal-Pixel verwendet werden. Dieser Festkörper-Bildsensor 1000 verfügt über eine Fotodiode 1, einen Verstärker 3 (MOS-Transistor), einen Einrichtungsselektor 4 (MOS-Transistor) und eine Signalleitung 5. Ein Bauelement-Auswähltastsignal ist mit ΦSEL gekennzeichnet. Das Versorgungsspannungsquellenpotenzial ist mit VD gekennzeichnet. Ein Hauptunterschied zum Festkörper-Bildsensor 900 besteht darin, dass ein MOS-Transistor 2 vorhanden ist, der den fotoelektrischen Strom IP der Fotodiode 1 logarithmisch wandelt. Dieser Festkörper-Bildsensor 1000 verschiebt den fotoelektrischen Strom IP auf automatische Weise so, dass ein Sourcepotenzial VS im Wesentlichen dem fotoelektrischen Strom entspricht. In diesem Fall wird kein Ansammlungsvorgang ausgeführt, so dass kein Rücksetzvorgang erforderlich ist.
  • Nachfolgend wird eine Betriebsweise des MOS-Transistors 2 im Einzelnen beschrieben. 11 ist ein Diagramm, das zum Erläutern des Potenzials des MOS-Transistors 2 des herkömmlichen Festkörper-Bildsensors 1000 verwendet wird. Wie es in
  • 10 dargestellt ist, ist das Gatepotenzial VD des MOS-Transistors 2 auf das Versorgungsspannungsquellenpotenzial VD fixiert. Daher ist das Potenzial eines Kanalabschnitts des MOS-Transistors 2 ein konstanter Wert ΦG(H). Wenn das Sourcepotenzial VS unter ΦG(H) liegt, führt der MOS-Transistor 2 einen schwachen Inversionsvorgang aus (einen Vorgang in einem Bereich unter dem Schwellenwert. In diesem Fall ist ein Strom ID ein Diffusionsstrom Idif, der unter dem Gate vom Sourceende zum Drainende des Kanalabschnitts fließt. Die Ladungsmenge am Sourceende und diejenige am Drainende hängen von der Potenzialdifferenz (VS – ΦG) zwischen dem Gate und der Source sowie der Potenzialdifferenz (VD – ΦG) zwischen dem Gate und dem Drain ab. Der Strom ID ist wie folgt repräsentiert: ID = I0·exp[-q(αVG – VS)/kT] ·(1 – exp[-q(UD – VS)/kT]) (1) ΦG = ΦO + αVG wobei IO eine Konstante ist, q die Elektronenladung ist, k die Boltzmann-Konstante ist und T die absolute Temperatur ist (z. B.: C. Mead, "Analog VLSI and Neural Systems", Addison-Wesley, 1989). Ferner ist α etwas kleiner als 1, wobei α jedoch von der Dicke des Gateisolierfilms und der Fremdstoffkonzentration im Kanal abhängt. Es wird darauf hingewiesen, dass das Potenzial des Substrats als Bezugspotenzial (GND = Masse) angenommen ist.
  • In der Formel (1) kann (1-exp[q(αVD – VS)/kT]) durch Eins angenähert werden, da q(VD – VS)/kT>>1 gilt. Daher kann die Formel (1) wie folgt angenähert werden: log(ID) = [–q(αVG – VS)/kT] + const. (2)
  • Da das Gatepotenzial VG des MOS-Transistors 2 des Festkör per-Bildsensors 1000 den konstanten Wert VD hat, ist das Sourcepotenzial VS gemäß der Formel (2) proportional zu log(ID).
  • Ferner ändert sich das Sourcepotenzial VS des MOS-Transistors 2 auf solche Weise, dass der Strom ID dem fotoelektrischen Strom IP entspricht, wie unten beschrieben. Wenn IP > ID gilt, nimmt das Sourcepotenzial VS ab, so dass der Wert VG – VS des MOS-Transistors 2 zunimmt und auch ID zunimmt. Wenn IP < ID gilt, nimmt das Sourcepotenzial VS zu, so dass der Wert VG – VS des MOS-Transistors abnimmt und auch ID abnimmt. Im Ergebnis gilt IP = ID, und das Sourcepotenzial VS ist proportional zu log(IP). Anders gesagt, ist das Sourcepotenzial VS ein Wert, der durch logarithmisches Wandeln eines fotoelektrischen Stroms erhalten wird.
  • 12 ist ein Diagramm, das zum Erläutern der Logarithmus-Wandlungscharakteristik eines Festkörper-Bildsensors verwendet wird. Die horizontale Achse kennzeichnet den Wert αVG – VS, und die vertikale Achse kennzeichnet den Wert log(ID). wenn der MOS-Transistor 2 mit schwacher Invertierung arbeitet, ist αVG – VS proportional zu log(ID), wobei αVG – VS < Vth (Schwellenpotenzial) gilt: Formel (1) und (2).
  • Die Obergrenze des fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch gewandelt werden kann (Imax), wird dann erhalten, wenn αVG – VS = αVth gilt. Die Untergrenze eines fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch gewandelt werden kann (Imin), ist durch den Dunkelstrom der Fotodiode begrenzt (z. B.: Y. P. Tsividis, "Operation and Modeling of the MOS-Transistor", McGraw-Hill, 1988). In diesem Fall ist, da die Obergrenze Imax im Wesentlichen ein konstanter Wert ist, der Bereich (Dynamikbereich) für einen fotoelektrischen Strom, der logarithmisch gewandelt werden kann, durch den Dunkelstrom einer Fotodiode begrenzt.
  • Jedoch existiert beim Festkörper-Bildsensor 1000 das folgende Problem. Der Dunkelstrom einer Fotodiode hängt wesentlich von der Stärke eines Felds an einer Übergangsgrenzfläche ab. Wenn die Feldstärke zunimmt, nimmt der Dunkelstrom schnell zu. Die Feldstärke an der Übergangsgrenzfläche hängt vom Konzentrationsgradienten an der Übergangsgrenzfläche und der an diese angelegten Vorspannung ab. Ferner hat beim Festkörper-Bildsensor 1000 eine Vorspannung VJ der Fotodiode den Wert VS.
  • 13 zeigt die Beziehung zwischen der Vorspannung VJ und dem Dunkelstrom Idunkel der Fotodiode. Da beim Festkörper-Bildsensor 1000 die Vorspannung VJ den Wert VS(H) hat, der kleiner als das Potenzial VG(H) des Kanalabschnitts unter dem Gate ist (11), hat der Dunkelstrom Idunkel(H) einen hohen Wert (13).
  • Wenn beim vorstehend beschriebenen Festkörper-Bildsensor ein n-Kanal-Pixel verwendet wird, wird die Struktur unter Verwendung eines typischen CMOS-Herstellverfahrens auf solche Weise erstellt, dass n+-Schichten 12 und 13 hoher Konzentration in einer Wanne 11 mit relativ hoher Konzentration in einem p-Substrat 10 niedriger Konzentration ausgebildet werden (14). Die Struktur des Pixels in 14 enthält einen n-Bereich 12 einer Fotodiode, einen Source- oder einen Drainbereich 13 eines MOS-Transistors sowie einen Oxidfilm 14 zum Isolieren von Bauelementen.
  • Wenn ein typisches Herstellverfahren verwendet wird, ist der Konzentrationsgradient an der Übergangsgrenzfläche einer Fotodiode hoch. Daher nimmt die Feldstärke an dieser Übergangsgrenzfläche einer Fotodiode zu, wodurch der Dunkelstrom weiter zunimmt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper-Bildsensor mit verbesserter Empfindlichkeit und erhöhtem Dynamikbereich durch weiteres Absenken der Untergrenze des fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch gewandelt werden kann, durch Senken des Dunkelstroms einer Fotodiode sowie eine Vorrichtung mit einem derartigen Festkörper-Bildsensor zu schaffen.
    •
  • Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Festkörper-Bildsensors durch die Lehre des Anspruchs 1 und 5 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Lehre des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Festkörper-Bildsensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2, 3 und 6.
  • Gemäß der Erfindung wird das Gatepotenzial eines ersten MOS-Transistors zum logarithmischen Wandeln eines von einer Fotodiode ausgegebenen fotoelektrischen Stroms auf ein Potenzial zwischen dem Versorgungsspannungsquellenpotenzial und dem Massepotenzial fixiert, wobei es geringfügig höher als ein Schwellenpotenzial ist, wenn seine Source auf Masse liegt, und so ausreichend niedriger als das Versorgungsspannungspotenzial ist, dass die Vorspannung des fotoelektrischen Wandlers einen niedrigen Wert annimmt. Die Vorspannung der Fotodiode wird somit auf einen Wert unter dem bei herkömmlichen Strukturen eingestellt. Sie liegt geringfügig höher als ein ein Bezugspotenzial bildendes Massepotenzial GND. Da der Dunkelstrom von der Vorspannung an der Fotodiode abhängt, kann er stark verringert werden, und die Untergrenze eines fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch gewandelt werden kann, wird weiter abgesenkt.
  • DE 195 33 061 A1 offenbart einen programmierbaren MOS-Feldeffekttransistor, bei dem das Gatepotential über eine Kapazität eingestellt wird. Dieses Verfahren ist zum einen aufwändig, da ein programmierbarer Baustein verwendet wird, und zum anderen hat es den Nachteil, dass die Spannung über die Kapazität abfällt und somit nicht fixiert ist. Diese Druckschrift kann daher keine Anregung zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe geben.
  • Es ist wahrscheinlich, dass der Spannungspegel eines logarithmisch gewandelten Signals abnimmt, wodurch sich der zweite MOS-Transistor nicht mehr in seinem Arbeitsbereich befindet. In diesem Fall kann der Eingangsbereich des zweiten MOS-Transistors, wenn er vom Verarmungstyp ist, zur Seite niedriger Spannungen verschoben werden, um dadurch den Arbeitsbereich aufrechtzuerhalten.
  • Ferner ist bei der Erfindung mindestens ein Abschnitt des die Fotodiode bildenden Diffusionsbereichs in einem Bereich mit niedriger Fremdstoffkonzentration vorhanden, so dass der Konzentrationsgradient an der Übergangsgrenzfläche gesenkt werden kann. Daher wird die Feldstärke an der Fotodiode wirkungsvoller abgesenkt, wodurch es möglich ist, den Dunkelstrom weiter zu senken.
    •
  • Diese und andere Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren besser erkennbar.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Festkörper-Bildsensors 100 gemäß einem Beispiel 1 der Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Diagramm, das zum Erläutern der Beziehung zwischen Potenzialen in einem ersten MOS-Transistor des Festkörper-Bildsensors 100 des Beispiels 1 verwendet wird.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gatepotenzial VG und dem Kanalpotenzial ΦG des Festkörper-Bildsensors 100 des Beispiels 1 zeigt.
  • 4 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Festkörper-Bildsensors 400 gemäß einem Beispiel 2 der Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik eines zweiten MOS-Transistors des Festkörper-Bildsensors 6 beim Festkörper-Bildsensor 400 des Beispiels 2 zeigt.
  • 6 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Festkörper-Bildsensors 600 gemäß dem Beispiel 3 der Erfindung zeigt.
  • 7A bis 7C sind Schnittansichten zum Veranschaulichen von Schritten zum Herstellen des Festkörper-Bildsensors 600 des Beispiels 3.
  • 7D bis 7F sind Schnittansichten zum Veranschaulichen von Schritten zum Herstellen eines herkömmlichen Festkörper-Bildsensors.
  • 8 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Festkörper-Bildsensors 800 gemäß dem Beispiel 4 der Erfindung zeigt.
  • 9 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines herkömmlichen Festkörper-Bildsensors 900 zeigt.
  • 10 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines anderen herkömmlichen Festkörper-Bildsensors 1000 zeigt.
  • 11 ist ein Diagramm, das zum Erläutern der Beziehung zwischen Potenzialen in einem MOS-Transistor beim herkömmlichen Festkörper-Bildsensor 1000 verwendet wird.
  • 12 ist ein Diagramm, das zum Erläutern der Logarithmus-Wandlungscharakteristik eines Festkörper-Bildsensors verwendet wird.
  • 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Dunkelstromeigenschaften einer Fotodiode und einer Vorspannung zeigt.
  • 14 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines typischen Festkörper-Bildsensors zeigt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand veranschaulichender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei ist für den Festkörper-Bildsensor ein n-Kanal-Pixel verwendet, jedoch kann in entsprechender Weise ein p-Kanal-Pixel verwendet werden, wenn die Polarität umgekehrt wird.
  • Beispiel 1
  • Der in 1 dargestellte Festkörper-Bildsensor 100 gemäß dem Beispiel 1 der Erfindung verfügt über eine Fotodiode 1, einen ersten MOS-Transistor 2 zum logarithmischen Wandeln eines fotoelektrischen Stroms IP der Fotodiode 1, einen zweiten MOS-Transistor 3 zur Verstärkung, einen dritten MOS-Transistor 4 zum Auswählen von Bauelementen und eine Signalleitung 5. Ein Bauelement-Auswähltaktsignal ist mit ΦSEL gekennzeichnet. Ein Versorgungsspannungspotenzial ist mit VD gekennzeichnet. Ein Ausleseabschnitt 9 besteht aus dem zweiten MOS-Transistor 3, dem dritten MOS-Transistor 4 und dem Pixel-Auswähltaktsignal ΦSEL.
  • Die Fotodiode 1 wirkt als fotoelektrischer Wandler zum Umsetzen von einfallendem Licht in Ladungen. Die Source des ersten MOS-Transistors 2 ist mit dem fotoelektrischen Wandler verbunden, und seine Source ist mit einer Spannungsquelle verbunden. Der erste MOS-Transistor 200 wirkt als logarithmischer Wandler zum logarithmischen Wandeln des vom fo toelektrischen Wandler ausgegebenen fotoelektrischen Stroms. Das Gate des zweiten MOS-Transistors 3 ist mit dem fotoelektrischen Wandler und der Source des ersten MOS-Transistors 2 verbunden, und sein Drain ist mit dem Drain des ersten MOS-Transistors 2 verbunden. Der zweite MOS-Transistor 3 wirkt als Ausleseabschnitt zum Auslesen eines Signals, das vom ersten MOS-Transistor 2 durch Wandeln des vom fotoelektrischen Wandler ausgegebenen fotoelektrischen Stroms erhalten wurde. Der dritte MOS-Transistor 4 wirkt als Schaltelement zum Festlegen, ob eine Verbindung mit der Signalleitung 5 hergestellt werden soll. Die Source des zweiten MOS-Transistors 3 ist über den dritten MOS-Transistor 4 mit der Signalleitung 5 verbunden. Ferner ist, wie oben beschrieben, das Gatepotenzial VG des ersten MOS-Transistors 2 auf ein Potenzial zwischen dem Versorgungsspannungspotenzial VD und dem Massepotenzial GND fixiert. Im Festkörper-Bildsensor 100 des Beispiels 1 entspricht das Gatepotenzial VG des ersten MOS-Transistors 2 nicht dem Versorgungsspannungspotenzial VD, sondern es wird durch Teilen von VD durch Widerstände r1 und r2 erhalten, d. h., es ist wie folgt repräsentiert: VG = VD·r2/(r1 + r2) (3)
  • Der Wert von VG wird vorzugsweise so eingestellt, dass er einem Schwellenpotenzial VTH der geerdeten Source des ersten MOS-Transistors 2 entspricht oder etwas höher ist (z. B. bis zu ungefähr 0,5 V höher).
  • Der Grund hierfür wird nun beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das zum Erläutern der Beziehung zwischen Potenzialen im ersten MOS-Transistor 2 verwendet wird. Wie es in 1 dargestellt ist, ist das Potenzial des Kanalabschnitts des ersten MOS-Transistors 2 ein konstanter Wert ΦG(L), da das Gatepotenzial VG des ersten MOS-Transistors 2 auf einen Wert fixiert ist, der ausreichend niedriger als das Versorgungs spannungspotenzial VD ist. Wenn das Sourcepotenzial VS des ersten MOS-Transistors 2 tiefer als ΦG(L) ist, führt der MOS-Transistor 2 einen schwach invertierenden Vorgang aus (d. h. einen Vorgang in einem Bereich unter einer Schwelle). In diesem Fall ist ein Strom ID ein vom Sourceende zum Drainende des Kanalabschnitts unter dem Gate fließender Diffusionsstrom Idif. Der Strom ID ist durch die Formel (1) repräsentiert. Die Beziehung zwischen VS und log(ID) ist proportional, wie in der Formel (2) angegeben.
  • In 2 ist die Differenz zwischen dem Sourcepotenzial VS und dem Massepotenzial GND (Substratpotenzial), das das Bezugspotenzial für das Sourcepotenzial VS bildet, ziemlich niedrig im Vergleich zum Fall beim herkömmlichen Sensor (11). 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Gatepotenzial VG und dem Kanalpotenzial ΦG des Festkörper-Bildsensors 100 des Beispiels 1 zeigt. Die horizontale Achse repräsentiert das Gatepotenzial VG, und die vertikale Achse repräsentiert das Kanalpotenzial ΦG. Das Gatepotenzial VG, bei dem ΦG = 0 gilt, ist bei geerdeter Source das Schwellenpotenzial (VTH).
  • Da beim herkömmlichen Bauteil VG = VD = VG(H) gilt, gilt VS(H) > ΦG(H), so dass das am Übergangsabschnitt der Fotodiode 1 anliegende Vorpotenzial VJ (=VS) einen hohen Wert einnimmt (11). Demgegenüber nimmt beim Beispiel 1 das am Übergangsabschnitt der Fotodiode 1 anliegende Vorpotenzial VJ (=VS) einen niedrigen Wert ein, da VG = VTH + Δ = VG(L) (Δ ist ein kleiner Spannungswert) und damit VS(L) > ΦG(L) gilt (2).
  • Der Dunkelstrom der Fotodiode 1 hängt deutlich vom Vorpotenzial VJ (= der Sourcespannung VS) ab. Beim Beispiel 1 kann die Sourcespannung VS in großem Ausmaß von VS(H) auf VS(L) gesenkt werden. Daher ist der Dunkelstrom Idunkel stark von Idunkel(H) auf Idunkel(L) gesenkt.
  • Wenn der Dunkelstrom der Fotodiode 1 abnimmt, wird die Obergrenze des fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch gewandelt werden kann, weiter von Imin1 auf Imin2 (12) abgesenkt, wodurch die Empfindlichkeit verbessert wird. Ferner kann der Dynamikbereich, der der Bereich für den logarithmisch wandelbaren fotoelektrischen Strom ist, von D2 auf D1 vergrößert werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass beim Beispiel 1 zwar der dritte MOS-Transistor 4 als Schaltelement vorhanden ist, dass jedoch ein CMOS-Schalter verwendet werden kann, bei dem ein p- und ein n-Kanal-MOS-Transistor verwendet sind, die komplementär zueinander sind. Dasselbe gilt für die folgenden Beispiele.
  • Beispiel 2
  • Das Beispiel 2 der Erfindung wird anhand des in 4 dargestellten Blockschaltbilds eines Festkörperbildsensor-Vorrichtungs 400 erläutert.
  • Ein Unterschied gegenüber dem Festkörper-Bildsensor 100 besteht darin, dass der zweite MOS-Transistor kein typischer Anreicherungstransistor 3 mehr ist, sondern ein Verarmungstransistor 6. Zum Erleichtern der Beschreibung der Funktion ist ein MOS-Transistor 7 als Last (nachfolgend auch als MOS-Lasttransistor bezeichnet) zwischen eine Signalleitung 5 und Masse geschaltet. Dieser MOS-Lasttransistor 7 kann in ähnlicher Weise beim Aufbau des Beispiels 1 vorhanden sein.
  • Wenn sich ein dritter MOS-Transistor 4 zum Auswählen von Bauelementen in einem EIN-Zustand befindet, ist zwischen einem zweiten MOS-Transistor 6 zur Verstärkung und dem MOS- Lasttransistor 7 eine Sourcefolgerschaltung gebildet.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des zweiten MOS-Transistors 6 der Festkörper-Bildsensoren 100 und 400 des Beispiels 2 zeigt. In 5 kennzeichnet (A) die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des zweiten MOS-Transistors 3 des Beispiels 1, der vom Anreicherungstyp ist, und (B) kennzeichnet die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des zweiten MOS-Transistors 6 des Beispiels 2 der vom Verarmungstyp ist.
  • Wie es beim Beispiel 1 beschrieben ist, führt der zweite MOS-Transistor vom herkömmlichen Anreicherungstyp (A) keinen normalen Betrieb aus, wenn die Sourcespannung VS in starkem Umfang von VS(H) auf VS(L) abgesenkt wird. Daher erfolgt für den zweiten MOS-Transistor ein Wechsel auf den Verarmungstyp (B), so dass er selbst dann normalen Betrieb ausführen kann, wenn die Sourcespannung VS auf VS(L) abgesenkt ist.
  • Beispiel 3
  • Das Beispiel 3 wird anhand des Schnittbilds eines Festkörper-Bildsensors 600 gemäß 6 erläutert.
  • Ein Unterschied zum herkömmlichen Festkörper-Bildsensor der 14 besteht darin, dass ein n-Bereich (Diffusionsbereich) 12 (Fotodiode) nicht in einer Wanne 11 mit relativ hoher Konzentration, sondern in einem p-Substrat 10 niedriger Konzentration vorhanden ist. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Source- oder Drainbereich 13 eines MOS-Transistors in der Wanne 11 mit relativ hoher Konzentration vorhanden ist, ähnlich wie in 14.
  • Die 7A bis 7C veranschaulichen Schritte zum Herstellen des Festkörper-Bildsensors 600. Die 7D bis 7F veran schaulichen demgegenüber Schritte zum Herstellen eines herkömmlichen Festkörper-Bildsensors. Nachfolgend wird ein Herstellverfahren für den Festkörper-Bildsensor 600 der 6 im Vergleich mit dem für den Festkörper-Bildsensor der 14 beschrieben.
  • Gemäß den 7A und 7D werden Ionen vom p-Typ in das Substrat 10 vom p-Typ implantiert, um die Wanne 11 hoher Konzentration auszubilden (7B und 7E). In diesem Fall wird beim Beispiel 3 die Ionenimplantation ausgeführt, während ein Teil des p-Substrats 10, der später eine Fotodiode bildet, mit einem Resist 20 abgedeckt ist. So werden die Ionen in einen durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneten Bereich implantiert. Danach wird, gemäß den 7B und 7E, eine Implantation von N+-Ionen so ausgeführt, dass der Source- oder Drainbereich 13 (7C und 7F) des MOS-Transistors ausgebildet werden. So werden die in den 7C und 7F dargestellten Strukturen erhalten. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ionenimplantation zum Ausbilden der Wanne 11 zwar nach der Herstellung eines Feldoxidfilms 14 ausgeführt wird, dass aber die Herstellung des Feldoxidfilms 14 der Ionenimplantation zur Herstellung der Wanne 11 vorausgehen kann.
  • Bei der Struktur des Beispiels 3 kann der Konzentrationsgradient in den meisten Bereichen der Übergangsgrenzfläche der Fotodiode verringert werden. Im Ergebnis ist die Feldstärke an der Fotodiode weiter verringert, so dass der Dunkelstrom weiter gesenkt werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass beim Festkörper-Bildsensor 600 der Konzentrationsgradient in der gesamten Übergangsgrenzfläche der Fotodiode verkleinert werden kann. Wenn jedoch die zur Ausbildung der Wanne verwendeten Ionen vom p-Typ bei einem anschließenden Wärmeprozess in horizontaler Richtung diffundieren (Richtung von einer Seite zur anderen in den 7A bis 7F), wird ein Rand bereich der Fotodiode durch eine p-Wanne bedeckt, so dass der nicht von der Wanne bedeckte Teil klein wird. In diesem Fall wird ein Bereich der Übergangsgrenzfläche der Fotodiode, der einen kleinen Konzentrationsgradienten aufweist, klein.
  • Beispiel 4
  • 8 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer Festkörperbildsensor-Vorrichtung 800 mit einer Anzahl erfindungsgemäßer Festkörper-Bildsensoren zeigt. Die Festkörperbildsensor-Vorrichtung 800 verfügt über eine VG-Erzeugungsschaltung, die den in einer Matrix angeordneten Festkörper-Bildsensoren gemeinsam ist. Ein Verstärker 21 ist ein Spannungsfolger zum impedanzmäßigen Umsetzen (Verstärkung 1) einer Spannung VG, die durch Teilen von VD durch r1 und r2 erhalten wurde. Die Festkörperbildsensor-Vorrichtung 800 verfügt über einen Anreicherungstransistor 3 als zweiten MOS-Transistor, wie beim Beispiel 1 angegeben. Es kann ein Verarmungstransistor 6 vorhanden sein, wie beim Beispiel 2 angegeben.
  • Bei dieser Festkörperbildsensor-Vorrichtung 800 werden die dritten MOS-Transistoren 4 (Schaltelemente) durch das Taktsignal ΦSEL gleichzeitig mit der Einheit eines Horizontalarrays der Sensoren in den EIN-Zustand überführt, wodurch sie mit den Signalleitungen 5 verbunden werden. Dieser Schaltvorgang schreitet in vertikaler Richtung fort.
  • Die Festkörperbildsensor-Vorrichtung 800 beinhaltet die Festkörper-Bildsensoren 100, 400 oder 600 gemäß der Erfindung. Ähnlich wie bei den Beispielen 1 bis 3 kann eine Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit hoher Empfindlichkeit und großem Dynamikbereich erzielt werden.
  • Wie oben beschrieben, ist bei der Erfindung die Vorspannung einer Fotodiode geringfügig höher als ein bestimmter niedriger Wert (z. B. ein Massepotenzial GND, das ein Bezugspotenzial bildet), so dass der Dunkelstrom stark verringert ist und die Untergrenze des fotoelektrischen Stroms, der logarithmisch wandelbar ist, weiter abgesenkt werden kann. Daher kann die Empfindlichkeit verbessert werden, und der Dynamikbereich kann zur Seite geringerer Beleuchtungsintensitäten erweitert werden.
  • In diesem Fall nimmt der Spannungspegel eines logarithmisch gewandelten Ausgangssignals ab, so dass die Tendenz besteht, dass ein zweiter MOS-Transistor nicht mehr in seinem Arbeitsbereich arbeiten kann. Daher ist es bevorzugt, dass der zweite MOS-Transistor vom Verarmungstyp ist. In diesem Fall kann der Arbeitsbereich erhalten bleiben, da der Eingangsbereich des zweiten MOS-Transistors zur Seite niedriger Spannungen verschoben werden kann.
  • Ferner ist zumindest ein Teil eines eine Fotodiode bildenden Diffusionsbereichs in einem Bereich mit niedriger Fremdstoffkonzentration enthalten, so dass der Konzentrationsgradient an einer Übergangsgrenzfläche verringert werden kann. Daher wird die Feldstärke an der Fotodiode wirkungsvoll abgesenkt, was es ermöglicht, den Dunkelstrom weiter zu verringern.
  • Gemäß der Erfindung kann eine Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit extrem hoher Empfindlichkeit und großem Dynamikbereich erhalten werden. Daher ist die Wirkung der Erfindung im praktischen Gebrauch bedeutend.

Claims (6)

  1. Festkörper-Bildsensor mit: – einem fotoelektrischen Wandler (1) zum Wandeln von einfallendem Licht in elektrische Ladung; – einem logarithmischen Wandler zum logarithmischen Wandeln eines vom fotoelektrischen Wandler ausgegebenen fotoelektrischen Stroms, wobei dieser logarithmische Wandler einen ersten MOS-Transistor (2) mit einer mit dem fotoelektrischen Wandler verbundenen Source und einem mit einer Spannungsquelle verbundenen Drain aufweist; und – einem Ausleseabschnitt zum Auslesen eines vom ersten MOS-Transistor erhaltenen Signals, der einen zweiten MOS-Transistor (3) mit einem mit dem fotoelektrischen Wandler und der Source des ersten MOS-Transistors verbundenen Gate und ein mit dem Drain des ersten MOS-Transistors verbundenes Drain aufweist; – wobei das Gatepotenzial des ersten MOS-Transistors zwischen einem Versorgungsspannungspotenzial und einem Massepotenzial fixiert ist, wobei das Gatepotenzial des ersten MOS-Transistors (2) geringfügig höher als das Schwellenpotenzial des ersten MOS-Transistors ist, wenn seine Source auf Masse liegt, und so ausreichend niedriger als das Versorgungsspannungspotenzial ist, dass die Vorspannung des fotoelektrischen Wandlers einen niedrigen Wert annimmt.
  2. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite MOS-Transistor (3) vom Verarmungstyp ist.
  3. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines im fotoelektrischen Wandler (1) vorhandenen Diffusionsbereichs in einem Bereich mit niedriger Fremdstoffkonzentration enthalten ist.
  4. Festkörperbildsensor-Vorrichtung mit mindestens einem Festkörper-Bildsensor (100, 400, 600) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ausleseabschnitt ein Schaltelement (4) zum Auswählen einer Verbindung mit einer Signalleitung aufweist; und – die Source des zweiten MOS-Transistors (3) über das Schaltelement (3) mit der Signalleitung verbunden ist.
  5. Festkörper-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei – der fotoelektrische Wandler (1) in einem Bereich des Substrats mit einem ersten Leitungstyp vorgesehen ist; – Source und Drain des ersten MOS-Transistors (2) in einer Wanne des ersten Leitungstyps in dem Substrat ausgebildet sind; und wobei – der Bereich des fotoelektrischen Wandlers (1) und des Substrats eine Übergangsgrenzfläche bilden,
  6. Festkörper-Bildsensor gemäß Anspruch 5, wobei der Bereich des Substrats mit dem ersten Leitungstyp eine niedrige Dotierstoffkonzentration und die Wanne eines zweiten Leitungstyps eine hohe Dotierstoffkonzentration aufweist.
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