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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildsensor (Halbleiterbildsensor).
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.: 2012-019057 beschreibt die relative Anordnung eines photoelektrischen Wandlers und einer Ausleseschaltung in einem Festkörper-Bildsensor, der eine Bildfläche durch Anordnen einer Vielzahl von Bildgebungsblöcken bildet.
2 der
japanischen Patentveröffentlichungsschrift Nr.: 2012-019057 beschreibt eine Anordnung, bei der Bildelemente (Pixel) in einer ungradzahligen Spalte und Bildelemente in einer gradzahligen Spalte ein liniensymmetrisches Layout in Bezug auf eine symmetrische Achse zwischen der ungradzahligen Spalte und der gradzahligen Spalte aufweisen.
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1 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei benachbarte Bildelemente liniensymmetrisch in Bezug auf eine Linie entlang einer Spaltenrichtung als eine symmetrische Achse angeordnet sind. Jedes Bildelement richtet sich nach dem in
6 der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr.: 2012-019057 beschriebenen Layout des einen Bildelements. Ein Strom fließt von einem Knoten n1 zu GND durch einen Transistor
303, der mit einem photoelektrischen Wandler
202 über einen Knoten CVC verbunden ist, und einen Transistor
304, mit dem ein EN-Signal verbunden ist. Dieser Strom fließt von links nach rechts in dem linkseitigen Bildelement, und von rechts nach links in dem rechtseitigen Bildelement.
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Allgemein weist ein Prozess zum Formen eines Transistors einen Ionenimplantationsschritt auf. Es gibt beispielsweise eine Ionenimplantation zum Formen einer Senke, eine Ionenimplantation zum Formen eines Source-/Drain-Bereichs, eine Ionenimplantation zum Justieren eines Schwellwerts und dergleichen. Dabei kann zum Vermeiden eines Kanalisierungsphänomens eine Ionenimplantation (die als schräge Ionenimplantation bezeichnet ist) ohne Implantieren von Ionen parallel zu einer Normalen (Senkrechten) auf einer Halbleitersubstratoberfläche in einer Richtung mit einer Neigung von etwa 7° in Bezug auf die Normale durchgeführt werden.
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Wenn eine schräge Ionenimplantation in dem Layout, wie es in 1 gezeigt ist, durchgeführt wird, weicht, da die Stromflussrichtung in dem linksseitigen Bildelement von demjenigen in dem rechtsseitigen Bildelement abweicht, die Beziehung zwischen einem Ionenimplantationswinkel und der Stromrichtung in dem linksseitigen Bildelement von demjenigen in dem rechtsseitigen Bildelement ab. Dann verschiebt sich eine Spannungs-Strom-Charakteristik des Transistors leicht zwischen dem linksseitigen Bildelement und dem rechtsseitigen Bildelement, und ein Pixelausgang verschiebt sich zwischen einer ungradzahligen Spalte und einer gradzahligen Spalte. Dies erzeugt ein Rauschen (Störung) mit festem Muster.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen eine Technik bereit, um vorteilhafterweise ein Rauschen (Störung) mit festem Muster zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung in ihrer ersten Ausgestaltung stellt einen Festkörperbildsensor mit einem Bildelement-Array bereit, bei dem eine Vielzahl von Bildelementen derart angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Linien entlang einer ersten Richtung und eine Vielzahl von Linien entlang einer zweiten Richtung bilden, die die erste Richtung schneidet, wobei jedes aus der Vielzahl der Bildelemente einen photoelektrischen Wandler und eine Ausleseschaltung aufweist, die konfiguriert ist, ein Signal entsprechend Ladungen, die in dem photoelektrischen Wandler erzeugt werden, zu einer Signalleitung auszugeben, die Ausleseschaltung eine Gruppe von Transistoren aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie einen durch eine Stromquelle versorgten Strompfad bilden, die Vielzahl der Linien entlang der ersten Richtung eine erste Linie und eine zweite Linie aufweist, die benachbart zueinander sind, die Ausleseschaltung eines Bildelements in der ersten Linie und die Ausleseschaltung eines Bildelements in der zweiten Linie zwischen dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der ersten Linie und dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der zweiten Linie angeordnet sind, und Richtungen von Strömen, die jeweils durch die Gruppe von Transistoren in der Ausleseschaltung des Bildelements in der ersten Linie und der Vielzahl der Transistoren in der Ausleseschaltung des Bildelements in der zweiten Linie fließen, dieselben sind.
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Die vorliegende Erfindung in ihrer zweiten Ausgestaltung stellt einen Festkörperbildsensor mit einem Bildelement-Array bereit, bei dem eine Vielzahl von Bildelementen derart angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Linien entlang einer ersten Richtung eine Vielzahl von Linien entlang einer zweiten Richtung bilden, die die erste Richtung schneidet, wobei jedes aus der Vielzahl der Bildelemente einen photoelektrischen Wandler und eine Ausleseschaltung aufweist, die konfiguriert ist, ein Signal entsprechend Ladungen, die in dem photoelektrischen Wandler erzeugt werden, zu einer Signalleitung auszugeben, die Ausleseschaltung einen ersten Transistor, der konfiguriert ist, eine Stromquelle zu bilden, und eine Vielzahl von zweiten Transistoren aufweist, die angeordnet sind, um einen Strompfad zusammen mit der Stromquelle zu bilden, die Vielzahl der Leitungen entlang der ersten Richtung eine erste Linie und eine zweite Linie aufweist, die benachbart zueinander sind, die Ausleseschaltung eines Bildelements in der ersten Linie und die Ausleseschaltung eines Bildelements in der zweiten Linie zwischen dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der ersten Linie und dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der zweiten Linie angeordnet sind, und Richtungen von Strömen, die jeweils durch den ersten Transistor und die Vielzahl der zweiten Transistoren des Bildelements in der ersten Linie und den ersten Transistor und der Vielzahl der zweiten Transistoren des Bildelements in der zweiten Linie fließen, dieselben sind.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen (unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen) deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Layoutdarstellung zur Beschreibung eines technischen Problems;
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2A und 2B veranschaulichen ein Beispiel für die Anordnung eines Festkörperbildsensors;
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3 veranschaulicht ein Beispiel der Anordnung eines Bildgebungsblocks;
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4 zeigt ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Anordnung eines Bildelements;
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5 zeigt ein Zeitverlaufsdiagramm, das eine Beispiel des Betriebs des Festkörperbildsensors veranschaulicht; und
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6 zeigt eine Darstellung, die ein Beispiel für das Layout des Bildelements veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die schematische Anordnung eines Festkörperbildsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben. 2A zeigt eine Draufsicht des Festkörperbildsensors 100 und 2B zeigt eine Schnittansicht des Festkörperbildsensors 100. Der Festkörperbildsensor 100 kann beispielsweise durch Anordnen einer Vielzahl von Bildgebungsblöcken 101 geformt werden. In diesem Fall kann ein Sensorfeld SP einschließlich einer (einzelnen) Bildgebungsfläche durch Anordnung der Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 geformt werden. Die Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 kann auf einen Trägersubstrat 102 angeordnet werden. Wenn der Festkörperbildsensor 100 durch einen Bildgebungsblock 101 geformt wird, wird das Sensorfeld SP durch diesen Bildgebungsblock 101 geformt. Jeder aus der Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 kann beispielsweise ein Block sein, bei dem ein Schaltelement auf einem Halbleitersubstrat geformt ist, oder ein Block sein, bei dem eine Halbleiterschicht auf beispielsweise einem Glassubstrat geformt ist, und das Schaltelement auf dieser Halbleiterschicht geformt ist. Jeder aus der Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 weist ein Bildelement-Array (Bildelementanordnung) auf, bei dem eine Vielzahl von Bildelementen derart angeordnet sind, dass eine Vielzahl von Reihen und Spalten geformt wird.
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Der Festkörperbildsensor 100 kann beispielsweise als ein Sensor, der ein Bild einer Strahlung wie Röntgenstrahlen erfasst, oder als ein Sensor geformt sein, der ein Bild von sichtbarem Licht erfasst. Wenn der Festkörperbildsensor 100 als der Sensor geformt ist, der das Bild von Strahlung erfasst, kann ein Szintillator 103, der Strahlung in sichtbares Licht umwandelt, typischerweise auf dem Sensorfeld SP vorgesehen sein. Der Szintillator 103 wandelt Strahlung in sichtbares Licht um. Dieses sichtbare Licht tritt in das Sensorfeld SP ein und erfährt eine photoelektrische Umwandlung durch jeden photoelektrischen Wandler des Sensorfelds SP (Bildgebungsblock 101).
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Ein Beispiel für die Anordnung von jedem der Bildgebungsblöcke 101 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Es sei bemerkt, dass, wenn der Festkörperbildsensor 100 durch einen Bildgebungsblock 101 geformt wird, dieser Bildgebungsblock 101 als der Festkörperbildsensor betrachtet werden kann. Der Bildgebungsblock 101 weist ein Bildelement-Array (Bildelementanordnung) GA auf, bei dem eine Vielzahl von Bildelementen derart angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Reihen und Spalten bilden, wobei eine Vielzahl von Spaltensignalleitungen 208a vorgesehen sind. Wenn sowohl jede Reihe als auch jede Spalte als ”Linie” definiert sind, weist der Bildgebungsblock 101 das Bildelement-Array auf, bei der eine Vielzahl von Bildelementen derart angeordnet sind, dass eine Vielzahl von Linien entlang der ersten Richtung eine Vielzahl von Linien entlang der zweiten Richtung, die die erste Richtung schneidet, geformt werden. Die zwei Linien, die benachbart zueinander sind, können zur Vereinfachung als die erste Linie und die zweite Linie bezeichnet werden, um diese voneinander zu unterscheiden. Eine Vielzahl von Linien entlang der ersten Richtung weist beispielsweise die ersten und zweiten Linien auf, die benachbart zueinander sind.
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Jedes aus der Vielzahl der Bildelemente 201 weist einen photoelektrischen Wandler (beispielsweise eine Fotodiode) 202 und eine Ausleseschaltung 203 auf, die konfiguriert ist, ein Signal (optisches Signal) entsprechend Ladungen, die in dem photoelektrischen Wandler 202 erzeugt werden, zu der Spaltensignalleitung 208a auszugeben. Eine Vielzahl von Spaltensignalleitungen 208b können ebenfalls in dem Bildelement-Array GA vorgesehen sein. Die Ausleseschaltung 203 kann geformt werden, so dass Rauschen der Ausleseschaltung 203 zu jeder der Spaltensignalleitungen 208b ausgegeben wird. Zumindest ein Teil der Ausleseschaltung 203 in jedem der zwei Bildelemente 201, die benachbart entlang der Reihenrichtung sind, ist in der Fläche, die durch die zwei photoelektrischen Wandler 202 der zwei benachbarten Bildelemente 201 sandwichartig umgeben ist, im Array angeordnet. Die Ausleseschaltung 203 in jedem der zwei Bildelemente 201, die benachbart zueinander in der Reihenrichtung sind, können beispielsweise liniensymmetrisch in Bezug auf eine Grenzlinie der zwei Bildelemente 201 als eine Symmetrieachse angeordnet sein. Eines der zwei Bildelemente 201, die benachbart zueinander entlang der Reihenrichtung sind, ist in einer ungradzahlige Spalte enthalten, und das andere ist in einer gradzahligen Spalte enthalten.
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Jede vertikale Abtastschaltung 204 weist beispielsweise ein vertikales Schieberegister auf, das einen Schiebevorgang in Reaktion auf den ersten Takt durchführt, und tastet (wählt) eine Vielzahl von Reihen in dem Bildelement-Array GA entsprechend dem Schiebevorgang durch das vertikale Schieberegister ab (aus). Das vertikale Schieberegister ist durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Registern geformt. Ein durch das erste Register empfangener Impuls wird aufeinanderfolgend (sequentiell) zu dem nächsten Register in Reaktion auf einen ersten Takt übertragen. Die Reihe entsprechend dem Register, der einen Impuls hält, ist eine auszuwählende Reihe.
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Jede horizontale Abtastschaltung 205 kann beispielsweise außerhalb des photoelektrischen Wandlers 202 in der äußersten Reihe in dem Bildelement-Array GA angeordnet sein, kann jedoch zwischen den photoelektrischen Wandlern 202 in den zwei benachbarten Reihen angeordnet sein. Jede der horizontalen Abtastschaltungen 205 weist beispielsweise ein horizontales Schieberegister auf, das einen Schiebevorgang in Reaktion of einen zweiten Takt durchführt, und tastet (wählt) eine Vielzahl von Spalten in dem Bildelement-Array GA entsprechend dem Schiebevorgang durch das horizontale Schieberegister ab (aus). Das horizontale Schieberegister ist durch Reihenschaltung einer Vielzahl von Registern geformt. Ein durch das erste Register aufgenommener Impuls wird sequentiell zu dem nächsten Register in Reaktion auf den zweiten Takt übertragen. Die Spalte entsprechend dem Register, der einen Impuls hält, ist eine auszuwählende Spalte.
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Jede der vertikalen Abtastschaltungen 204 kann durch Anordnen einer Vielzahl von Einheitsvertikalabtastschaltungen VSR geformt sein, die jeweils ein Register zum Formen des vertikalen Schieberegisters in der vertikalen Richtung aufweisen. Jede der Einheitsvertikalabtastschaltungen VSR können in der Fläche angeordnet sein, die von dem photoelektrischen Wandler 202 des zu einer gewissen Spalte gehörenden Bildelements (der zweiten Spalte von der linken Seite in 3) und dem photoelektrischen Wandler 202 des Bildelements, das zu der Spalte gehört, die benachbart zu der Spalte ist (der dritten Spalte von der linken Seite in 3), sandwichartig umgeben ist. Die Anordnung an dieser Position wird möglich, da beide der Ausleseschaltungen 203 der zwei benachbarten Bildelemente 201 in der Fläche angeordnet sind, die von den photoelektrischen Wandlern 202 der zwei benachbarten Bildelemente 201 sandwichartig umgeben ist, das heißt, einer Fläche, in der keine Ausleseschaltung 203 zwischen den zweiten und dritten Spalten produziert ist. Weiterhin kann durch Anwenden dieser Anordnung der photoelektrische Wandler 202, der zu der äußersten linken Spalte gehört, an einer Position nahe der linken Kante des Bildgebungsblocks 101 angeordnet werden, und kann der photoelektrische Wandler 202, der zu der äußersten rechten Spalte gehört, an einer Position nahe der rechten Kante des Bildgebungsblocks 101 angeordnet werden. Dies ermöglicht es, den Abstand zwischen den benachbarten photoelektrischen Wandlern 202 des Bildgebungsblocks 101 zu reduzieren, wenn der Festkörperbildsensor 100 durch Anordnen der Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 geformt wird. Dies trägt zu einer Verbesserung der Auflösung bei. Alternativ dazu können die photoelektrischen Wandler 202 zu gleichen Intervallen durch dieses Layout angeordnet werden, selbst wenn eine Vielzahl der Bildgebungsblöcke 101 angeordnet sind. Dies trägt zu einer Verbesserung der Bildqualität bei.
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Wenn ein Impuls durch das vertikale Schiebregister übertragen wird, treibt jede der Einheitsvertikalabtastschaltungen VSR ein Reihenauswahlsignal VST auf einen aktiven Pegel an, um das Bildelement 201 in der Reihe auszuwählen, zu dem der Impuls gehört. Das optische Signal und das Rauschen (die Störung) des Bildelements 201 in der ausgewählten Reihe werden zu den Spaltensignalleitungen 208a und 208b jeweils ausgegeben.
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Jede der horizontalen Abtastschaltungen 205 kann durch Anordnung einer Vielzahl von Einheitshorizontalabtastschaltungen HSR, die jeweils ein Register zum Formen des horizontalen Schieberegisters aufweisen, in der horizontalen Richtung geformt werden. Wenn ein Impuls durch das horizontale Schieberegister übertragen wird, steuert jede der Einheitshorizontalabtastschaltungen HSR einen Schalter 207, um die Spalte auszuwählen, zu der der Impuls gehört, das heißt, um die Spaltensignalleitungen 208a und 208b in der Spalte mit horizontalen Signalleitungen 209a und 209b zu verbinden. Genauer werden das optische Signal und das Rauschen des Bildelements 201 in der ausgewählten Reihe zu den Spaltensignalleitungen 208a und 208b ausgegeben, und das Signal in der ausgewählten Spalte (das heißt, die ausgewählten Spaltensignalleitungen 208a und 208b) wird zu den horizontalen Signalleitungen 209a und 209b ausgegeben, wodurch eine XY-Adressierung implementiert wird. Die horizontalen Signalleitungen 209a und 209b sind mit den Eingängen von Ausgangsverstärkern 210a und 201b verbunden. Die zu den horizontalen Signalleitungen 209a und 209 ausgegebenen Signale werden durch die Ausgangsverstärker 210a und 210b verstärkt, um durch Kontaktstellen (Pads) 211 und 211b ausgegeben zu werden.
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Das Bildelement-Array GA kann derart betrachtet werden, dass es derart angeordnet ist, dass eine Vielzahl von Einheitszellen 200, die jeweils das Bildelement 201 aufweisen, eine Vielzahl von Reihen und Spalten bilden. Eine gegebene Einheitszelle 200 weist zumindest einen Teil der Einheitsvertikalabtastschaltung VSR auf. In dem in 3 gezeigten Beispiel weist ein Satz von zwei Einheitszellen 200 eine Einheitsvertikalabtastschaltung VSR auf. Jedoch kann eine Einheitszelle 200 eine Einheitsvertikalabtastschaltung VSR aufweisen, oder der Satz von drei oder mehr Einheitszellen 200 können eine Einheitsvertikalabtastschaltung VSR aufweisen.
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Ein Beispiel für die Anordnung von jedem der Bildelemente 200 ist unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Das Bildelement 201 weist den photoelektrischen Wandler 200 und die Ausleseschaltung 203 auf, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Der photoelektrische Wandler 202 kann typischerweise eine Photodiode sein. Die Ausleseschaltung 203 kann beispielsweise eine erste Verstärkungsschaltung 310, eine Klemmschaltung 320, eine optische Signalabtast- und Halteschaltung (Schaltung zum Abtasten und Halten eines optischen Signals) 340, eine Rauschabtast- und Halteschaltung 360, NMOS-Transistoren 343 und 363 als zweite Verstärkerschaltungen sowie Reihenauswahltransistoren 344 und 364 aufweisen.
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Der photoelektrische Wandler 202 weist einen Ladespeicherabschnitt auf. Der Ladespeicherabschnitt ist mit dem Gate eines NMOS-Transistors (Verstärkungstransistors) 303 in der ersten Verstärkerschaltung 310 verbunden. Die Source des NMOS-Transistors 303 ist mit einem NMOS-Transistor 305 über einen NMOS-Transistor 304 verbunden. An den NMOS-Transistor 305 wird eine Gate-Spannung Vb angelegt, wobei der NMOS-Transistor als Konstantstromquelle arbeitet. Eine erste Source-Folgeschaltung ist durch die NMOS-Transistoren 303 und 305 geformt. Der NMOS-Transistor 304 ist ein Freigabeschalter (Enable-Schalter), der die erste Source-Folgeschaltung betreibt, wenn eine an das Gate angelegte Steuerungsspannung Vg auf den aktiven Pegel eingestellt ist, und unterbricht den Strom aus der ersten Source-Folgeschaltung, um einen Energiesparzustand einzustellen, wenn die Steuerungsspannung Vg auf einen inaktiven Pegel eingestellt ist. In einem ersten Source-Folgeschaltung-Betriebszustand wird ein Strompfad zwischen einem Leistungsquellenknoten und einem Masseknoten durch die NMOS-Transistoren 303, 304 und 305 geformt. Die Steuerungsspannung Vg kann gemeinsam allen Bildelementen 201 in dem Bildelement-Array GA zugeführt werden.
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Der NMOS-Transistor 304 kann als Schaltung mit geerdetem Gate betrieben werden, indem die Steuerungsspannung Vg auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. In diesem Fall arbeitet der NMOS-Transistor 304 als eine Konstantstromquelle einer Kaskaden-Konfiguration durch die NMOS-Transistoren 304 und 305. Die erste Verstärkungsschaltung 310 gibt ein Signal entsprechend dem Potential eines Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC zu einem Zwischenknoten n1 aus.
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In einem in 4 gezeigten Beispiel bilden der Ladungsspeicherabschnitt des photoelektrischen Wandlers 202 und das Gate des NMOS-Transistors 303 einen gemeinsamen Knoten. Dieser Knoten fungiert als der Ladungs-Spannungs-Wandler CVC, der Ladungen, die in dem Ladungsspeicherabschnitt gespeichert sind, in eine Spannung umwandelt. Das heißt, dass eine Spannung V (= Q/C), die durch die in dem Ladungsspeicherabschnitt gespeicherten Ladungen Q und einem Kapazitätswert C des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC bestimmt ist, in dem Ladungs-Spannungs-Wandler CVC auftritt. Der Ladungs-Spannungs-Wandler CVC wird mit einem Rücksetzpotential Vres über einen PMOS-Transistor 302 verbunden, der als ein Rücksetzschalter dient. Wenn ein Rücksetzsignal PRES auf den aktiven Pegel eingestellt wird, wird der PMOS-Transistor 302 eingeschaltet, und wird das Potential des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC auf das Rücksetzpotential Vres zurückgesetzt.
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Die Klemmschaltung 320 klemmt durch einen Klemmkondensator 321 ein Rauschen, das zu dem Zwischenknoten n1 durch die erste Verstärkungsschaltung 310 ausgegeben wird, entsprechend dem Rücksetzpotential des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC. Somit ist die Klemmschaltung 320 eine Schaltung zum Aufheben dieses Rauschens aus dem Signal, das zu dem Zwischenknoten n1 aus der ersten Source-Folgeschaltung entsprechend Ladungen ausgegeben wird, die durch die photoelektrische Umwandlung in dem photoelektrischen Wandler 202 erzeugt werden. Rauschen, das zu diesem Zwischenknoten n1 ausgegeben wird, enthält kTC-Rauschen (thermisches Rauschen) beim Zurücksetzen. Der Klemmvorgang wird durchgeführt, indem, während ein PMOS-Transistor 306 in einem eingeschalteten Zustand beibehalten wird, ein PMOS-Transistor 321 in einem ausgeschalteten Zustand eingestellt wird, nachdem er zu dem eingeschalteten Zustand eingestellt worden ist. Der PMOS-Transistor 306 kann auf den eingeschalteten Zustand eingestellt werden, indem ein Freigabesignal (Enable-Signal) EN auf den aktiven Pegel eingestellt wird. Weiterhin kann der PMOS-Transistor 323 auf den eingeschalteten Zustand eingestellt werden, indem ein Klemmsignal PCL auf den aktiven Pegel eingestellt wird. Die Ausgangsseite des Klemmkondensators 321 ist mit dem Gate eines NMOS-Transistors (Verstärkungstransistors) 322 verbunden. Der Source des NMOS-Transistors 322 ist mit einem NMOS-Transistor 325 über einen NMOS-Transistor 324 verbunden. An den NMOS-Transistor 325 wird die Gate-Spannung Vb angelegt, und der NMOS-Transistor 325 arbeitet als die Konstantstromquelle. Die zweite Source-Folgeschaltung ist durch die NMOS-Transistoren 322 und 325 geformt. Der NMOS-Transistor 324 ist ein Freigabeschalter (Enable-Schalter), der die zweite Source-Folgeschaltung betreibt, wenn die an das Gate angelegte Spannung Vg auf den aktiven Pegel eingestellt ist, und unterbricht den Strom aus der zweiten Source-Folgeschaltung, um einen Energiesparzustand einzustellen, wenn die Spannung Vg auf den inaktiven Pegel eingestellt ist. In einem zweiten Source-Folgeschalungs-Betriebzustand wird ein Strompfad zwischen dem Leistungsquellenknoten und dem Masseknoten durch die NMOS-Transistoren 322, 324 und 325 geformt. Die Steuerungsspannung Vg kann gemeinsam an alle Bildelemente 201 in dem Bildelement-Array GA angelegt werden, wie es vorstehend beschrieben worden.
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Der NMOS-Transistor 324 kann als die Schaltung mit geerdetem Gate betrieben werden, indem die Steuerungsspannung Vg auf den geeigneten Wert eingestellt wird, wie es vorstehen beschrieben worden ist. In diesem Fall arbeitet der NMOS-Transistor 324 als eine Konstantstromquelle einer Kaskaden-Konfiguration durch die NMOS-Transistoren 324 und 325.
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Das aus der zweiten Source-Folgeschaltung entsprechend den durch die photoelektrische Umwandlung in dem photoelektrischen Wandler 202 erzeugten Ladungen ausgegebene Signal wird als das optische Signal in einem Kondensator 342 über einen Schalter 341 geschrieben, indem ein Optiksignal-Abtastsignal TS auf den aktiven Pegel eingestellt wird. Das Signal, das aus der zweiten Source-Folgeschaltung ausgegeben wird, wenn der PMOS-Transistor 323 auf den eingeschalteten Zustand unmittelbar nach Zurücksetzen des Potentials des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC ausgegeben wird, ist Rauschen. Dieses Rauschen wird in einem Kondensator 362 über einen Schalter 361 durch Einstellen eines Rauschabtastsignals TN auf den aktiven Pegel beschrieben. Dieses Rauschen enthält die Versatzkomponente der zweiten Source-Folgeschaltung.
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Wenn jede der Einheitsvertikalabtastschaltungen VSR der vertikalen Abtastschaltung 204 das Reihenauswahlsignal VST auf den aktiven Pegel ansteuert, wird das in dem Kondensator 342 gehaltene Signal (optische Signal) zu der Spaltensignalleitung 208a über den NMOS-Transistor 343 in der zweiten Verstärkungsschaltung und dem Reihenauswahltransistor 344 ausgegeben. Gleichzeitig wird das in dem Kondensator 362 gehaltene Signal (Rauschen) zu der Spaltensignalleitung 208b über den NMOS-Transistor 363 in der zweiten Verstärkungsschaltung und dem Reihenauswahltransistor 364 ausgegeben. Der NMOS-Transistor 343 in der zweiten Verstärkungsschaltung formt eine Source-Folgeschaltung zusammen mit einer Konstantstromquelle 301a, die mit der Spaltensignalleitung 208a verbunden ist. Gleichermaßen formt der NMOS-Transistor 363 in der zweiten Verstärkungsschaltung die Source-Folgeschaltung zusammen mit einer Konstantstromquelle 301b, die mit der Spaltensignalleitung 208b verbunden ist.
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Das Bildelement 201 kann einen Addierschalter 346 aufweisen, der konfiguriert ist, die optischen Signale der Vielzahl der benachbarten Bildelemente 201 addieren. In einer Addierbetriebsart wird ein Addierbetriebsartsignal ADD auf den aktiven Pegel eingestellt, und wird der Addierschalter 346 auf den eingeschalteten Zustand eingestellt. Dadurch werden die Kondenstoren 342 der benachbarten Bildelemente 201 miteinander durch den Addierschalter 346 verbunden, um das optische Signal zu mitteln. Gleichermaßen kann das Bildelement 201 einen Addierschalter 366 aufweisen, der konfiguriert ist, Rauschkomponenten der Vielzahl benachbarter Bildelemente 201 zu addieren. Wenn der Addierschalter 366 auf den eingeschalteten Zustand eingestellt ist, werden die Kondensatoren 362 der benachbarten Bildelemente 201 miteinander durch den Addierschalter 366 verbunden, um die Rauschkomponenten zu mitteln.
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Das Bildelement 201 kann eine Funktion zum Ändern der Empfindlichkeit aufweisen. Das Bildelement 201 kann beispielsweise erste und zweite Empfindlichkeitsänderungsschalter 380 und 382 sowie ein Schaltungselement aufweisen, das diese begleitet. Wenn eine erstes Änderungssignal WIDE 1 auf den aktiven Pegel eingestellt ist, wird der der erste Empfindlichkeitsänderungsschalter 380 eingeschaltet, und wird der Kapazitätswert eines ersten zusätzlichen Kondensators 381 zu dem Kapazitätswert des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC addiert. Dies reduziert die Empfindlichkeit des Bildelements 201. Wenn ein zweites Änderungssignal WIDE 2 auf den aktiven Pegel eingestellt wird, wird der zweite Empfindlichkeitsänderungsschalter 382 eingeschaltet, und wird der Kapazitätswert eines zweiten zusätzlichen Kondensators 383 zu dem Kapazitätswert des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC addiert. Dies reduziert die Empfindlichkeit des Bildelements 201 weiter. Durch Addieren der Funktion zum Reduzieren der Empfindlichkeit des Bildelements 201 auf diese Weise ist es möglich, eine größere Lichtmenge aufzunehmen und einen dynamischen Bereich zu erweitern.
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Die NMOS-Transistoren 303 und 304 sind beispielhafte Transistoren, die konfiguriert sind, den Strompfad zusammen mit dem NMOS-Transistor 305 zu formen, der konfiguriert ist, die Konstantstromquelle zu formen. Die NMOS-Transistoren 322 und 324 sind beispielhafte Transistoren, zu konfiguriert sind, den Strompfad zusammen mit dem NMOS-Transistor 325 zu formen, der konfiguriert ist, die Konstantstromquelle zu formen. Der NMOS-Transistor 343 und der Reihenauswahltransistor 344 sind beispielhafte Transistoren, die konfiguriert sind, den Strompfad zusammen mit der Konstantstromquelle 301a zu bilden. Der NMOS-Transistor 363 und der Reihenauswahltransistor 364 sind beispielhafte Transistoren, die konfiguriert sind, den Strompfad zusammen mit der Konstantstromquelle 301b zu formen. In dem in 4 gezeigten Beispiel wird der Strompfad zwischen dem Leistungsquellenknoten (Leistungsquellenleitung) und dem Masseknoten (Masseleitung) geformt. Jedoch kann der Strompfad zwischen unterschiedlichen Potentialknoten geformt werden.
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Hauptsignale, die jedem der Bildelemente 201 zugeführt werden, sind unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Das Rücksetzsignal PRES, das Freigabesignal En, das Klemmsignal PCL, das Optiksignal Abtastsignal TS und das Rauschabtastsignal TN sind Signale, die bei niedrigen Pegeln aktiv sind (Active Low Signals). Das Rücksetzsignal PRES, das Freigabesignal EN, das Klemmsignal PCL, das Optiksignal Abtastsignal TS und das Rauschabtastsignal TN werden gemeinsam allen Reihen des Bildelement-Arrays GA zugeführt, wodurch ein globaler elektronischer Verschluss implementiert wird.
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Zunächst wird das Freigabesignal En zu dem Zeitpunkt t1 aktiv. Danach wird das Optiksignal-Abtastsignal TS auf den aktiven Pegel wie ein Impuls während der Zeitdauer zwischen Zeitpunkt t2 und t3 eingestellt, um das optische Signal in den Kondensator 342 zu schreiben. Dann wird das Rücksetzsignal PRES auf den aktiven Pegel wie ein Impuls während der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 eingestellt, um das Potential des Ladungs-Spannungs-Wandlers CVC zurückzusetzen. Dann wird das Klemmsignal PCL zu dem Zeitpunkt t6 auf den aktiven Pegel eingestellt. In einem Zustand, in dem das Klemmsignal PCL sich auf dem aktiven Pegel befindet, wird das Rauschabtastsignal TN während der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkt t7 und t8 auf den aktiven Pegel wie ein Impuls eingestellt, um Rauschen in dem Kondensator 362 zu schreiben.
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Darauffolgend stellt die Einheitsvertikalabtastschaltung VSR entsprechend der ersten Reihe der vertikalen Abtastschaltung 204 das Reihenauswahlsignal VST (VST0) auf den aktiven Pegel. Dies bedeutet, dass jede der vertikalen Abtastschaltungen 204 die erste Reihe des Bildelement-Arrays GA auswählt. In diesem Zustand stellen die Einheitshorizontalabtastschaltungen HSR entsprechend den ersten bis letzten Spalten der horizontalen Abtastschaltungen 205 die Spaltenauswahlsignale HST (HST0 bis HSTn) auf den aktiven Pegel ein. Dies bedeutet, dass jede der horizontalen Abtastschaltungen 205 sequentiell die ersten bis letzten Spalten des Bildelement-Arrays GA auswählt. Dadurch werden die optischen Signale und das Rauschen der Bildelemente aus den ersten bis letzten Spalten in der ersten Reihe des Bildelement-Arrays GA aus den Ausgangsverstärkern 210a und 210b ausgegeben. Danach stellt die Einheitsvertikalabtastschaltung VSR entsprechend der zweiten Reihe der vertikalen Abtastschaltung 204 das Reihenauswahlsignal VST (VST1) auf den aktiven Pegel ein. Die Einheitshorizontalabtastschaltungen HSR entsprechen den ersten bis letzten Spalten der horizontalen Abtastschaltungen 205 stellen die Spaltenauswahlsignale HST (HST0 bis HSTn) auf den aktiven Pegel in. Durch Durchführen eines derartigen Betriebs bis zu der letzten Reihe wird ein Bild aus dem Bildelement-Array GA ausgegeben.
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Das Layout des Bildelements 201 ist unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 zeigt ein Bildelement 201a in einer ungradzahligen Linie (ungradzahligen Spalte) und ein Bildelement 201b in einer gradzahligen Linie (gradzahligen Spalte). Das Bildelement 201a in der ungradzahligen Linie und das Bildelement 201b in der gradzahligen Linie weisen das liniensymmetrische Layout in Bezug auf eine Symmetrieachse SA zwischen der ungradzahligen Linie und der gradzahligen Linie auf. Weiterhin sind die Ausleseschaltung 203 des Bildelements 201a und die Ausleseschaltung 203 des Bildelements 201b zwischen dem photoelektrischen Wandler 202 des Bildelements 201a und dem photoelektrischen Wandler 202 des Bildelements 201b angeordnet.
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Während der erste Source-Folger innerhalb der ersten Verstärkungsschaltung 310 arbeitet, fließt ein Strom durch die NMOS-Transistoren 303 und 305, die den ersten Source-Folger bilden, und den NMOS-Transistor 304. Die Stromrichtung ist parallel zu der Symmetrieachse SA als die Grenzachse zwischen den Bildelementen 201a und 201b. Daher sind die Richtungen des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 303, 305 und 304 des Bildelements 201a fließt, und diejenige des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 303, 305 und 304 des Bildelements 201b fließen, dieselben, das heißt, parallel zueinander. Es sei bemerkt, dass die Stromrichtungen der zwei Transistoren nicht parallel zu der Symmetrieachse SA sein müssen, solange wie sie dieselben Stromrichtungen aufweisen.
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Weiterhin fließt, während der Source-Folger innerhalb der Klemmschaltung 320 arbeitet, ein Strom durch die NMOS-Transistoren 322 und 325, die den zweiten Source-Folger formen, und den NMOS-Transistor 324. Die Stromrichtung ist parallel zu der Symmetrieachse SA als die Grenzachse zwischen den Bildelementen 201a und 201b. Daher sind die Richtungen des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 322, 325 und 324 des Bildelements 201a fließt, und diejenige des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 322, 325 und 324 des Bildelements 201b fließen, dieselben, das heißt, parallel zueinander. Es sei bemerkt, dass die Stromrichtungen der zwei Transistoren nicht parallel zu der Symmetrieachse Sa sein müssen, solange wie sie dieselben Stromrichtungen aufweisen.
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Wenn sich die Reihenauswahlsignale VST (VST0, VST1 ...) auf dem aktiven Pegel befinden, fließt ein Strom durch den NMOS-Transistor 343 in der zweiten Verstärkungsschaltung und den Reihenauswahltransistor 344. Außerdem fließt, wenn die Reihenauswahlsignale VST (VST0, VST1 ...) sich auf dem aktiven Pegel befinden, ein Strom durch den NMOS-Transistor 363 in der zweiten Verstärkungsschaltung und den Reihenauswahltransistor 364. Diese Stromrichtungen sind parallel zu der Symmetrieachse SA als die Grenzachse zwischen den Bildelementen 201a und 201b. Daher sind die Richtung des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 343, 344, 363 und 364 des Bildelements 201a fließt, und diejenige des Stroms, der durch die NMOS-Transistoren 343, 344, 363 und 364 des Bildelements 201b fließt, dieselben, das heißt, parallel zueinander. Es sei bemerkt, dass die Stormrichtungen der zwei Transistoren nicht parallel zu der Symmetrieachse SA sein müssen, solange wie sie dieselben Stromrichtungen aufweisen.
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Wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Richtungen des Stroms, der durch die Transistoren fließt, die den Strompfad zusammen mit einer Stromquelle bilden, während des Auslesevorgangs dieselben in den zwei benachbarten Bildelementen 201a und 201b. Dementsprechend ist bei der Formung dieser Transistoren, selbst wenn eine schräge Ionenimplantation bei einem beliebigen Neigungswinkel durchgeführt wird, die Beziehung zwischen der Stromrichtung und dem Ionenimplantationswinkel zwischen den Bildelementen 201a und 201b dieselbe. Dies ermöglicht es, die Differenz in einer Transistorcharakteristik (beispielsweise einer Spannungs-Strom-Charakteristik) zwischen den Bildelementen 201a und 201b zu reduzieren, wodurch das Rauschen mit festem Muster reduziert wird. Es sei bemerkt, dass der Neigungswinkel in einer schrägen Ionenimplantation als der Winkel in Bezug auf einer Normale auf einer Halbleitersubstrat Oberfläche definiert werden kann, auf der Ionenimplantation durchgeführt wird.
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In Bezug auf die Addierschalter 346 und 366 ändert sich die Stromflussrichtung in Abhängigkeit von der Differenz in einem Ausgangspegel einer Vielzahl von Bildelementen, zu denen ein Signal addiert werden sollte. Daher kann es sein, dass in Bezug auf die Addierschalter 346 und 366 die Stromrichtung des Bildelements 201a und diejenige des Bildelements 201b nicht dieselben sind. In einem in 6 gezeigten Beispiel schneidet die Richtung des Stroms, der durch die Addierschaltung 346 und 366 fließt, die Symmetrieachse SA. Das heißt, dass die Richtung des Stroms, der durch die Addierschalter 346 und 366 fließt, und diejenige des Stroms, der durch die Transistoren fließt, die den Strompfad zusammen mit der Stromquelle formen, voneinander abweichen. Entsprechend diesem Layout ist es möglich, effizient eine Vielzahl von Transistoren anzuordnen, die in der Ausleseschaltung 203 enthalten sind.
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Zusätzlich zu den Addierschaltern 346 und 366 müssen in Bezug auf die ersten und zweiten Empfindlichkeitsänderungsschalter 380 und 382, den Rücksetzschalter 302, den PMOS-Transistor 306, die Schaltern 341 und 361 oder dergleichen die Stromrichtung des Bildelements 201a und diejenige des Bildelements 201b nicht dieselben sein. In dem in 6 gezeigten Beispiel sind jedoch in Bezug auf die ersten und zweiten Empfindlichkeitsänderungsschalter 380 und 382, den Rücksetzschalter 302, den PMOS-Transistor 306 und die Schaltern 341 und 361 die Richtungen der Ströme, die durch diese fließen, zwischen den Bildelementen 201a und 201b dieselben. Dadurch, dass die Stromrichtungen dieser Transistoren gleichförmig gemacht werden, ist es möglich, das Rauschen mit festem Muster weiter zu reduzieren.
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In dem vorstehend beschrieben Beispiel weisen die Bildelemente in der ungradzahligen Spalte und die Bildelemente der gradzahligen Spalte das liniensymmetrische Layout in Bezug auf die Symmetrieachse zwischen der ungradzahligen Spalte und der gradzahligen Spalte auf, und die Ausleseschaltungen der Bildelemente in der ungradzahligen Spalte und der gradzahligen Spalte sind zwischen dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der ungradzahligen Spalte und dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der gradzahligen Spalte angeordnet. Spalten und Reihen können jedoch vertauscht werden. Das heißt, die Bildelemente in der gradzahligen Reihe und die Bildelemente in der ungradzahligen Reihe haben das liniensymmetrische Layout in Bezug auf die Symmetrieachse zwischen der ungradzahligen Reihe und der gradzahligen Reihe, und die Ausleseschaltungen der Bildelemente in der ungradzahligen Reihe und der gradzahligen Reihe sind zwischen dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der ungradzahligen Reihe und dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der gradzahligen Reihe angeordnet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, sei verständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten veranschaulichten Ausführungsbeispiele begrenzt ist.
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Jedes von Bildelementen in einem Bildelement-Array weist einen photoelektrischen Wandler und eine Ausleseschaltung auf, die ein Signal entsprechend Ladungen ausgibt, die in dem photoelektrischen Wandler erzeugt werden. Die Ausleseschaltung weist eine Gruppe von Transistoren auf, die derart angeordnet sind, dass sie einen Strompfad bilden, der durch eine Stromquelle versorgt wird. Die Ausleseschaltung eines Bildelements in der ersten Linie in dem Array und die Ausleseschaltung eines Bildelements in einer zweiten Linie in dem Array sind zwischen dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der ersten Linie und dem photoelektrischen Wandler des Bildelements in der zweiten Linie angeordnet. Richtungen von Strömen, die jeweils durch die Gruppe der Transistoren in der Ausleseschaltung des Bildelements in der ersten Linie und der Vielzahl der Transistoren in der Ausleseschaltung des Bildelements in der zweiten Linie fließen, sind dieselben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012-019057 [0002, 0002, 0003]
