JP2005183978A - Signal charge converter for charge transfer element, output circuit, and imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イメージングシステムでのCCD(Charge Coupled Device)のような電荷伝送素子に係り、更に詳しくは、高い感度で電荷伝送素子からの信号電荷を電圧に変換させる信号電荷コンバータに関する。 The present invention relates to a charge transfer device such as a CCD (Charge Coupled Device) in an imaging system, and more particularly to a signal charge converter that converts signal charge from the charge transfer device into a voltage with high sensitivity.
図1は、フォトダイオード102のようなフォトダイオードアレイを含むイメージングシステム100を示す図面である。
FIG. 1 illustrates an
図1を参照すれば、各フォトダイオードは、フォトダイオードのピクセル位置での照度を示す信号電荷を蓄積する。垂直型の埋め込まれた電荷結合素子(buried charge coupled device:以下、BCCD)は、フォトダイオードの各列に沿って配置されるが、例えば、第1列には第1垂直型BCCDが、第2列には第2垂直型BCCDが、最後の列には最後の垂直型BCCDが配置される。 Referring to FIG. 1, each photodiode accumulates a signal charge indicating the illuminance at the pixel position of the photodiode. A vertical embedded charge coupled device (hereinafter referred to as a BCCD) is disposed along each column of photodiodes. For example, the first vertical BCCD is arranged in the first column, and the second vertical CCD (second CCD) is arranged in the second column. The second vertical type BCCD is arranged in the column, and the last vertical type BCCD is arranged in the last column.
各垂直型BCCDは、フォトダイオードの列からの信号電荷を水平型BCCD110に伝達する。水平型BCCD110は、垂直型BCCDからの信号電荷を、図1で点線で示した出力回路112に伝達する。出力回路112は水平型BCCD110からの信号電荷を電圧Voutに変化させる。
Each vertical BCCD transmits the signal charge from the photodiode row to the
出力回路112の内部には、出力MOS電界効果トランジスタ(metal oxide semiconductor field effect transistor:以下、MOSFET)114が水平型BCCD110及び電荷蓄積領域116の間に連結される。その他にも、リセットMOSFET118がリセット電圧Vresetソース及び電荷蓄積領域116の間に連結される。電荷蓄積領域116は、通常的に、水平型BCCD110からの信号電荷を蓄積する高濃度にドープされた接合である。出力MOSFET114には、水平型BCCDの最後の段からの信号電荷を電荷蓄積領域116の電荷ロード120に伝達するためのバイアスが印加される。
An output MOS field effect transistor (hereinafter referred to as a MOSFET) 114 is connected between the
リセットMOSFET118は、電荷蓄積領域116の電荷ロード120をリセット電圧Vresetにリセットさせるためにターンオンされる。リセットコントロール信号RESETは、リセットMOSFET118のゲートに印加される。通常的に、リセットMOSFET118は、水平型BCCD110からの信号電荷が電荷蓄積領域116によって蓄積されている時にターンオフ状態を維持する。
The
信号コンバータ122は、電荷蓄積領域116に連結されるが、電荷蓄積領域116で蓄積された信号電荷を、対応する電圧Voutに変換させるためのものである。そのような電圧Voutレベルは、電荷蓄積領域116で蓄積された信号電荷の量を示し、したがって、そのような信号電荷に対応する照度の強度を示す。
The
図2は、従来技術に係り、点線で示した信号コンバータ122の一例を示した図である。図2で、図1と同じ参照符号を有する要素は同様の構造及び機能を有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the
図2を参照すれば、信号コンバータ122は、第1ソースフォロアステージ133を構成する第1ドライバMOSFET132及び第1ロードMOSFET134を含む。その他にも、第2ソースフォロアステージ139を構成する第2ドライバMOSFET136及び第2ロードMOSFET138を含む。更に、第3ソースフォロアステージ143を構成する第3ドライバMOSFET140及び第3ロードMOSFET142を含む。
Referring to FIG. 2, the
各ソースフォロアステージ内には、それぞれのドライバMOSFETのソースがそれぞれのロードMOSFETのドレインに連結される。ドライバMOSFET132、136、140のドレインは高いバイアス電圧VDDに連結され、ロードMOSFET134、138、142のソースは低いバイアス電圧GNDに連結される。ロードMOSFET134、138、142のゲートは、図2の例ではGNDで示したゲートバイアス電圧に連結される。
Within each source follower stage, the source of the respective driver MOSFET is coupled to the drain of the respective load MOSFET. The drains of the
第1ドライバMOSFET132のゲートは電荷蓄積領域116に連結される。次のドライバMOSFETのゲートは前のドライバMOSFETのソースに連結される。したがって、第2ドライバMOSFET136のゲートは第1ドライバMOSFET132のソースに連結され、第3ドライバMOSFET140のゲートは第2ドライバMOSFET132のソースに連結される。それぞれのドライバMOSFETのゲート及びドライバMOSFETのソースは、それぞれ対応するソースフォロアステージの入力及び出力である。
The gate of the
第1ドライバMOSFET132は、エンハンスメント型MOSFETで具現されるに対し、他のMOSFET134、136、138、140、142はディプリーション型MOSFETで具現される。通常的は、エンハンスメント型MOSFETは、ゲート−ソース間の電圧VGSが0Vである時に導電が発生しないことに対し、ディプリーション型MOSFETは、ゲート−ソース間の電圧VGSが0Vである時にソースとドレインとの間に導電チャンネルを有する。
The
信号コンバータ122の感度Svは、信号コンバータ122の質を示す性質である。信号コンバータ122の感度Svは次の数式1で示す。
The sensitivity Sv of the
[数1]
Sv=CE×AVtotal
[Equation 1]
S v = CE × AV total
前記数式1で、CEは電荷伝送効率を示し、またAVtotalは信号コンバータ122の3つのソースフォロアステージ133、139、142を通じる全体電圧利得を示す。このAVtotalは次に数式2で示す。
In Equation 1, CE represents the charge transfer efficiency, and AV total represents the overall voltage gain through the three
[数2]
AVtotal=AV1st×AV2nd×AV3rd
[Equation 2]
AV total = AV 1st × AV 2nd × AV 3rd
前記数式2で、AV1stは第1ソースフォロアステージ133の電圧利得を示し、AV2ndは第2ソースフォロアステージ139の電圧利得を示し、またAV3rdは第3ソースフォロアステージ143の電圧利得を示す。各ソースフォロアステージの電圧利得AVは下記の数式3で示す。
In Equation 2, AV 1st represents the voltage gain of the first
[数3]
AV=gm/(gm+gds+gmb)
[Equation 3]
AV = g m / (g m + g ds + g mb)
前記数式3で、gmはトランスコンダクタンスを示し、gdsはチャンネルを通じるコンダクタンスを示し、またgmbはソースフォロアステージのドライバMOSFETに対するバックゲートトランスコンダクタンスを示す。ドライバMOSFETに対するトランスコンダクタンスgmは下記の数式4で示す。 In Equation 3, g m represents transconductance, g ds represents conductance through the channel, and g mb represents back gate transconductance for the driver MOSFET of the source follower stage. The transconductance g m for the driver MOSFET is shown in Equation 4 below.
[数4]
gm=[2μOXCOX(W/L)ID]1/2
[Equation 4]
g m = [2 μ OX C OX (W / L) ID ] 1/2
前記数式4で、μOXは電荷移動度を示し、COXはゲートキャパシタンスを示し、Wはゲート幅を示し、Lはゲート長を示し、またIDはドレイン電流を示す。その他にも、電荷伝送効率CEは下記の数式5で示す。 In Equation 4, μ OX represents charge mobility, C OX represents gate capacitance, W represents gate width, L represents gate length, and ID represents drain current. In addition, the charge transfer efficiency CE is expressed by Equation 5 below.
[数5]
CE=q/CS[CFD+CGS+CGD+CG]
[Equation 5]
CE = q / C S [C FD + C GS + C GD + C G ]
前記数式5で、qは電子電荷を示し、CSは電荷蓄積領域116のストレージロード120での全体キャパシタンスを示す。
In Equation 5, q denotes the electron charge, C S denotes the total capacitance at the
図3は出力MOSFET114、電荷蓄積領域116、リセットMOSFET118及び第1ドライバMOSFET132のレイアウト図である。
FIG. 3 is a layout diagram of the
図3を参照すれば、各構成要素は、電荷蓄積領域116のストレージロード120に連結される。出力MOSFET114は、ドレイン154及びソース156の間に配置されるゲート152を含む。リセットMOSFET118は、ドレイン160及びソース154の間に配置されるゲート158を含む。その他にも、第1ドライバMOSFET132は、ドレイン164及びソース166の間に配置されるゲート162を含む。したがって、ストレージロード120での全体キャパシタンスCSは、フローティング拡散ジャンクション116のキャパシタンスCFDと、リセットMOSFET118のゲート158とソース154との間、すなわち、図3で点線で示したオーバーラップ領域172内のオーバーラップキャパシタンスCGSと、出力MOSFET114のゲート152とドレイン154との間、すなわち、図3で点線で示したオーバーラップ領域174内のオーバーラップキャパシタンスCGDと、また第1ドライバMOSFET132のゲートキャパシタンスCGと、を含む。
Referring to FIG. 3, each component is connected to the
図4は、特許文献1に開示されている信号コンバータの実施例122Aを示した図面である。
図4を参照すれば、前記信号コンバータ122Aは、3つのソースフォロアステージのための3つのドライバMOSFET132、136、140と、それに対応する3つのロードMOSFET134、138、142と、を用いる。第1ドライバMOSFET132のドレインは、抵抗器182を介して電源VDDに連結され、第2ロードMOSFET138のソースは、レジスタ184を介して接地GNDに連結される。ゲートバイアス電圧ソース188及びゲートバイアスキャパシタ190は、ロードMOSFET134、138、142のゲートに連結される。
Referring to FIG. 4, the
図4の信号コンバータ122Aの動作は、図2の信号コンバータ122の動作と類似している。しかし、図4及び図5に示されたように、第1ドライバMOSFET132のゲート絶縁膜192が第2ドライバMOSFET136のゲート絶縁膜194より更に薄い。
The operation of the
図5は、特許文献に開示されている第1及び第2ドライバMOSFET132、136の断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the first and
図5を参照すれば、第1及び第2ドライバMOSFET132、136はPウエル196内に形成される。第1ドライバMOSFET132はゲート132A、ドレイン132B及びソース132Cを含み、第2ドライバMOSFET136はゲート136A、ドレイン136B及びソース136Cを含む。配線構造体198は、第1ドライバMOSFET132のソース132Cと第3ドライバMOSFET136のゲート136Aとを連結する。
Referring to FIG. 5, the first and
図4及び図5を共に参照すれば、第1ドライバMOSFET132のゲート絶縁膜192の厚さは、第2ドライバMOSFET136のように信号コンバータ122A内の他のMOSFETの厚さより薄く、それによって1/fノイズが減少する。その他にも、第1ドライバMOSFET132のトランスコンダクタンスgmが増加するにつれて、第1ソースフォロアステージの電圧利得AV1stも増加する。
Referring to FIGS. 4 and 5 together, the thickness of the
しかし、減少されたゲート絶縁膜192の厚さは、第1ドライバMOSFET132のゲートキャパシタンスCGを増加させるため、電荷伝送効率を減少させてしまう。その結果、従来技術に係る信号コンバータ122Aの全体感度が必ずしも増加するものではなく、単に第1ドライバMOSFET132のゲート絶縁膜192の厚さの減少だけでも更に悪化することもある。
However, the reduced thickness of the
それにも拘わらず、信号コンバータの全体感度が増加することは、イメージングシステムを更に高品質にする。したがって、信号コンバータは、イメージングシステムの品質向上のために、増加した全体感度を有することが要求される。 Nevertheless, increasing the overall sensitivity of the signal converter makes the imaging system even higher quality. Therefore, the signal converter is required to have an increased overall sensitivity in order to improve the quality of the imaging system.
本発明が達成しようとする技術的課題は、第1ドライバFETの後続の少なくともいずれか一つのドライバFETのゲート絶縁膜の厚さを減少させて、信号コンバータの全体感度を増加させることである。 The technical problem to be achieved by the present invention is to increase the overall sensitivity of the signal converter by reducing the thickness of the gate insulating film of at least one driver FET subsequent to the first driver FET.
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施例に係る信号コンバータは、信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータにおいて、前記信号電荷を受ける第1ドライバFETと、前記第1ドライバFETの出力に連結されるが、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄い厚さのゲート絶縁膜を有する前記第1ドライバFETに連結される後続ドライバFETと、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above technical problem, a signal converter according to an embodiment of the present invention is a signal converter that converts a signal charge into a voltage, and includes a first driver FET that receives the signal charge, and a first driver FET that receives the signal charge. A subsequent driver FET coupled to the first driver FET having a gate insulation thickness that is coupled to an output but having a thickness less than a gate insulation thickness of at least one other FET of the signal converter; It is characterized by providing.
前記第1ドライバFETは第1ステージに配置され、前記後続ドライバFETは前記第1ステージの次の第2ステージに配置されることが好ましい。 Preferably, the first driver FET is disposed in a first stage, and the subsequent driver FET is disposed in a second stage next to the first stage.
その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さと同じであることもある。そして、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより厚いこともある。 In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of the gate insulating film of the first driver FET. The thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be the same as the thickness of the gate insulating film of the first driver FET. The gate insulating film of the subsequent driver FET may be thicker than the gate insulating film of the first driver FET.
前記第1ドライバFETは第1ステージに配置され、前記後続ドライバFETは、第2ドライバFETを有する第2ステージを介して前記第1ステージに連結される第3ステージに配置されることが好ましい。 Preferably, the first driver FET is disposed on a first stage, and the subsequent driver FET is disposed on a third stage connected to the first stage via a second stage having a second driver FET.
その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さと同じであることもある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより厚いこともある。そして、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1及び第2ドライバFETの同じゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。 In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of the gate insulating film of the first driver FET. The thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be the same as the thickness of the gate insulating film of the first driver FET. The gate insulating film of the subsequent driver FET may be thicker than the gate insulating film of the first driver FET. The gate insulating film of the subsequent driver FET may be thinner than the same gate insulating film of the first and second driver FETs.
本実施例において、前記後続ドライバFETに連結されて出力電圧を発生させる最終ドライバFETを更に備え得る。 In this embodiment, a final driver FET connected to the subsequent driver FET to generate an output voltage may be further included.
その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記最終ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記最終ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さと同じであることもある。前記最終ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記第1及び最終ドライバFETの同じゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。そして、前記それぞれのドライバFETは、それぞれのロードFETに連結され得る。その時、前記それぞれのドライバFETは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄い、同じゲート絶縁膜の厚さを有することもある。 In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of the gate insulating film of the final driver FET. The thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be the same as the thickness of the gate insulating film of the final driver FET. The gate insulating film of the final driver FET may be thinner than the gate insulating film of the subsequent driver FET. The gate insulating film of the subsequent driver FET may be thinner than the same gate insulating film of the first and final driver FETs. The respective driver FETs can be connected to respective load FETs. At this time, each of the driver FETs may have the same gate insulating film thickness that is thinner than the thickness of at least one of the load FETs.
前記それぞれのドライバFETは、それぞれのロードFETに連結され得る。 The respective driver FETs can be coupled to respective load FETs.
その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、あらゆる前記ロードFETのそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。それぞれのロードFETは、それぞれの抵抗器を介してグラウンドに連結され得る。それぞれのロードFETは、同じ抵抗器を介してグラウンドに共に連結され得る。 In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of at least one gate insulating film of the load FET. The thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of the respective gate insulating film of every load FET. Each load FET can be coupled to ground through a respective resistor. Each load FET can be coupled together to ground through the same resistor.
前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記信号コンバータのあらゆる他のFETのそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。 The thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be thinner than the thickness of the respective gate insulating film of every other FET of the signal converter.
前記第1ドライバFETはエンハンスメント型MOSFETであり、前記信号コンバータのあらゆる他のFETはディプリーション型MOSFETであることが好ましい。 Preferably, the first driver FET is an enhancement type MOSFET, and every other FET of the signal converter is a depletion type MOSFET.
前記ドライバFETはそれぞれソースフォロアより構成できる。 Each of the driver FETs can be composed of a source follower.
前記第1ドライバFETは隔離されたウエル内に形成され得る。 The first driver FET may be formed in an isolated well.
前記信号電荷は電荷結合素子から出力され得る。 The signal charge can be output from a charge coupled device.
前記技術的課題を達成するために、本発明の他の実施例に係る信号コンバータは、信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータにおいて、ドライバFET及びロードFETを備え、最初のステージからは信号電荷を受け、それぞれの後続ステージは以前ステージから電圧を受けるように構成された複数個のステージと、前記信号コンバータの電荷伝達効率を減少させずに電圧利得を増加させる電圧利得増加手段と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above technical problem, a signal converter according to another embodiment of the present invention includes a driver FET and a load FET in a signal converter for converting a signal charge into a voltage, and the signal charge from the first stage. And each subsequent stage comprises a plurality of stages configured to receive a voltage from the previous stage, and voltage gain increasing means for increasing the voltage gain without decreasing the charge transfer efficiency of the signal converter. It is characterized by.
前記ドライバFETは、それぞれソースフォロアを構成することが好ましい。 Each of the driver FETs preferably constitutes a source follower.
前記各ステージのロードFETのソースは、それぞれの抵抗器を介してグラウンドに連結され得る。 The source of each stage load FET may be coupled to ground through a respective resistor.
前記各ステージのロードFETのソースは、同じ抵抗器を介してグラウンドに連結され得る。 The source of each stage load FET may be coupled to ground through the same resistor.
前記最初のステージのドライバFETは、孤立したウエル内に形成され得る。 The first stage driver FET may be formed in an isolated well.
前記最初のステージのドライバFETは、ゲートキャパシタンスを最小化する大きさを有し、最終ステージのドライバFETは、前記最終ステージの出力に連結されるロードを駆動するに十分な電流を供給できる大きさを有し、また中間ステージのドライバFETは、前記最初のステージ及び最終ステージのドライバFET間での電流を増幅させる大きさを有することが好ましい。 The first stage driver FET is sized to minimize gate capacitance, and the final stage driver FET is sized to provide sufficient current to drive a load coupled to the output of the final stage. The intermediate stage driver FET preferably has a magnitude for amplifying a current between the first stage and final stage driver FETs.
前記技術的課題を達成するために、本発明に係る信号伝達素子の出力回路は、前記信号伝達素子からの電荷を蓄積して信号電荷を発生させる信号蓄積領域と、前記信号電荷を受ける第1ドライバFET及び、前記第1ドライバFETの出力に連結され、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いゲート絶縁膜の厚さを有する後続ドライバFETを備えて、前記信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータと、前記信号蓄積領域をリセット電圧にリセットさせるようにターンオンされるリセットFETと、前記電荷伝達素子から前記信号蓄積領域に電荷を伝達するようにターンオンされる出力FETと、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the technical problem, an output circuit of a signal transmission element according to the present invention includes a signal accumulation region for accumulating charge from the signal transmission element to generate a signal charge, and a first receiving the signal charge. A driver FET and a subsequent driver FET coupled to the output of the first driver FET and having a gate insulating film thickness less than a gate insulating film thickness of at least one other FET of the signal converter; A signal converter that converts the signal charge into a voltage; a reset FET that is turned on to reset the signal storage region to a reset voltage; and a turn-on that transmits charge from the charge transfer element to the signal storage region. And an output FET.
前記第1ドライバFETは第1ステージを構成し、前記後続ドライバFETは前記第1ステージの次の第2ステージを構成できる。 The first driver FET may constitute a first stage, and the subsequent driver FET may constitute a second stage subsequent to the first stage.
前記第1ドライバFETは第1ステージを構成し、前記後続ドライバFETは、第2ステージを介して前記第1ステージと連結される第3ステージを構成できる。 The first driver FET may constitute a first stage, and the subsequent driver FET may constitute a third stage connected to the first stage via a second stage.
本発明において、前記後続ドライバFETの出力に連結されて出力電圧を発生させる最終ドライバFETを更に備え得る。 The present invention may further include a final driver FET connected to the output of the subsequent driver FET to generate an output voltage.
その場合、前記それぞれのドライバFETは、それぞれのロードFETに連結され得る。その時、前記それぞれのドライバFETは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄い、同じゲート絶縁膜の厚さを有し得る。 In that case, the respective driver FETs may be coupled to respective load FETs. In this case, each of the driver FETs may have the same gate insulating film thickness that is thinner than the thickness of at least one gate insulating film of the load FET.
前記ドライバFETはそれぞれソースフォロアを構成できる。 Each of the driver FETs can constitute a source follower.
前記それぞれのドライバFETは、それぞれのロードFETに連結され得る。その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。それぞれのロードFETは、それぞれの抵抗器を介してグラウンドに連結され得る。それぞれのロードFETは、同じ抵抗器を介してグラウンドに共に連結され得る。 The respective driver FETs can be coupled to respective load FETs. In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of at least one gate insulating film of the load FET. Each load FET can be coupled to ground through a respective resistor. Each load FET can be coupled together to ground through the same resistor.
前記第1ドライバFETはエンハンスメント型MOSFETであり、前記信号コンバータの他のあらゆるFETはディプリーション型MOSFETであることが好ましい。 Preferably, the first driver FET is an enhancement type MOSFET, and every other FET of the signal converter is a depletion type MOSFET.
前記第1ドライバFETは孤立したウエル内に形成され得る。 The first driver FET may be formed in an isolated well.
前記電荷伝達素子は電荷結合素子であり得る。 The charge transfer element may be a charge coupled element.
前記技術的課題を達成するために、本発明に係るイメージングシステムは、それぞれの信号電荷を蓄積するそれぞれのフォトダイオードよりなるフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイに連結されて、それぞれのフォトダイオードからのそれぞれの信号電荷をシフトする少なくともいずれか一つの信号伝達素子と、前記電荷伝達素子からシフトされたそれぞれの信号電荷を蓄積する信号蓄積領域と、前記それぞれの信号電荷を受ける第1ドライバFET、及び前記第1ドライバFETの出力に連結され、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いゲート絶縁膜の厚さを有する後続ドライバFETを備えて、前記信号蓄積領域に蓄積されたそれぞれの信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータを含みつつ、少なくともいずれか一つの信号伝達素子に連結される出力回路と、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above technical problem, an imaging system according to the present invention includes a photodiode array that includes respective photodiodes that accumulate respective signal charges, and is connected to the photodiode array, and is connected to each photodiode. At least one signal transfer element that shifts each signal charge, a signal storage region that stores each signal charge shifted from the charge transfer element, and a first driver FET that receives each signal charge, And a subsequent driver FET coupled to the output of the first driver FET and having a gate insulating film thickness that is less than a gate insulating film thickness of at least one other FET of the signal converter. Each signal charge accumulated in the area is converted to voltage While it includes a signal converter, characterized in that it comprises an output circuit coupled to at least one of the signal transmission element.
前記第1ドライバFETは第1ステージを構成し、前記後続ドライバFETは、前記第1ステージの次の第2ステージを構成できる。 The first driver FET may constitute a first stage, and the subsequent driver FET may constitute a second stage subsequent to the first stage.
前記第1ドライバFETは、第2ステージを介して前記第1ステージに連結される第3ステージを構成することもある。 The first driver FET may constitute a third stage connected to the first stage through a second stage.
前記信号コンバータは、前記後続ドライバFETの出力に連結されて、出力電圧を発生させる最終ドライバFETを更に備え得る。 The signal converter may further comprise a final driver FET coupled to the output of the subsequent driver FET to generate an output voltage.
その場合、前記それぞれのドライバFETは、それぞれのロードFETに連結され得る。その時、前記ドライバFETのそれぞれは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄い、同じゲート絶縁膜の厚さを有し得る。 In that case, the respective driver FETs may be coupled to respective load FETs. At this time, each of the driver FETs may have the same gate insulating film thickness that is thinner than the thickness of at least one gate insulating film of the load FET.
前記各ドライバFETは。それぞれのロードFETに連結され得る。 Each driver FET is. Each load FET can be connected.
その場合、前記後続ドライバFETのゲート絶縁膜の厚さは、前記ロードFETの少なくともいずれか一つのゲート絶縁膜の厚さより薄いこともある。それぞれのロードFETは、抵抗器を介してグラウンドに連結され得る。そして、それぞれのロードFETは、同じ抵抗器を介してグラウンドに共に連結されることもある。 In that case, the thickness of the gate insulating film of the subsequent driver FET may be smaller than the thickness of at least one gate insulating film of the load FET. Each load FET can be coupled to ground through a resistor. And each load FET may be connected together to the ground through the same resistor.
前記ドライバFETはそれぞれソースフォロアを構成できる。 Each of the driver FETs can constitute a source follower.
第1ドライバFETはエンハンスメント型MOSFETであり、前記信号コンバータのあらゆる他のFETはディプリーション型MOSFETであることが好ましい。 Preferably, the first driver FET is an enhancement type MOSFET, and every other FET of the signal converter is a depletion type MOSFET.
前記第1ドライバFETは孤立したウエル内に形成され得る。 The first driver FET may be formed in an isolated well.
前記電荷伝達素子は電荷結合素子であり得る。 The charge transfer element may be a charge coupled element.
前記出力回路は、前記電荷蓄積領域をリセット電圧にリセットさせるようにターンオンされるリセットFETと、前記電荷伝達素子からのそれぞれの信号電荷を前記電荷蓄積領域に伝達するようにターンオンされつつ、前記リセットFETをターンオフさせる出力FETと、を更に備え得る。 The output circuit includes a reset FET that is turned on to reset the charge storage region to a reset voltage, and a reset FET that is turned on to transmit each signal charge from the charge transfer element to the charge storage region. And an output FET that turns the FET off.
本発明に係る電荷伝送素子のための信号電荷コンバータによれば、第1ドライバFETの後続の少なくともいずれか一つのドライバFETのゲート絶縁膜の厚さを減少させて、信号コンバータの全体感度を増加させ得る信号コンバータを提供できる。 According to the signal charge converter for the charge transfer device according to the present invention, the thickness of the gate insulating film of at least one driver FET subsequent to the first driver FET is decreased to increase the overall sensitivity of the signal converter. The signal converter which can be made to provide can be provided.
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、本発明の実施例は、多様な形態に変形でき、本発明の範囲が下記で詳述する実施例に限られるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described in detail below.
図6を参照すれば、信号コンバータ202は、電荷蓄積領域204に蓄積された信号電荷を電圧Voutに変換しつつ感度を増加させる。本発明の一実施例で、図6の電荷蓄積領域116は、図1ないし図4の電荷蓄積領域116と同様に高濃度にドープされた接合で形成される。その他に、本発明は他の形態の電荷蓄積領域で具現され得る。
Referring to FIG. 6, the
前記信号コンバータ202は、第1ソースフォロアステージ206、第2ソースフォロアステージ208及び第3ソースフォロアステージ210を含む。第1ソースフォロアステージ206は、第1ドライバMOSFET212及び第1ロードMOSFET214を含む。第2ソースフォロアステージ208は、第2ドライバMOSFET216及び第2ロードMOSFET218を含む。第3ソースフォロアステージ210は、第3ドライバMOSFET220及び第3ロードMOSFET222を含む。
The
第1ドライバMOSFET212は高いバイアス電圧VDDに連結されるドレインと、第1ロードMOSFET214のドレインに連結されるソースと、また電荷蓄積領域204に連結されるゲートと、を有する。第1ロードMOSFET214は、ゲートバイアス電圧VGGに連結されるゲートと、第1ロード抵抗器R1を介してグラウンドに連結されるソースと、を有する。
The
同様に、第2ドライバMOSFET216は、高いバイアス電圧VDDに連結されるドレインと、第2ロードMOSFET218のドレインに連結されるソースと、を有する。第2ドライバMOSFET220のゲートは、第1ソースフォロアステージ206の出力、すなわち、第1ドライバMOSFET212のソースと連結される。第2ロードMOSFET218は、ゲートバイアス電圧VGGに連結されるゲートと、第2ロード抵抗器R2を介してグラウンドに連結されるソースと、を有する。
Similarly, the
第3ドライバMOSFET220は、高いバイアス電圧VDDに連結されるドレインと、第3ロードMOSFET222のドレインに連結されるソースと、を有する。第3ドライバMOSFET220のゲートは、第2ソースフォロアステージ206の出力、すなわち、第2ドライバMOSFET216のソースと連結される。第3ロードMOSFET222は、ゲートバイアス電圧VGGに連結されるゲートと、第3ロード抵抗器R3を介してグラウンドに連結されるソースと、を有する。第3ソースフォロアステージ210の出力は出力電圧Voutを提供する。
The
3つのソースフォロアステージ206、208、210が用いられる理由は、最終ステージ210の第3ドライバMOSFET220が、十分な速度を有するロードキャパシタ224を駆動させる程度の大きさを有するためである。例えば、通常的なロードキャパシタンスCLは約10pFであるが、そのようなロードキャパシタンスを十分な速度で駆動するための第3ドライバMOSFET220の幅は約1,000μmである。
The reason why the three source follower stages 206, 208, and 210 are used is that the
一方、最初のステージ206の第1ドライバMOSFET212の大きさ及び、それによるゲートキャパシタンスは、信号コンバータ202の電荷伝送効率を最大化できるように最小化することが要求される。第2ドライバMOSFET216は、第1ドライバMOSFET212から第3ドライバMOSFET220までの電流増幅を提供することで、第1ドライバMOSFET212と第3ドライバMOSFET220との間で円滑に遷移される。
On the other hand, the size of the
第1ドライバMOSFET212はエンハンスメント型MOSFETで具現するに対し、他のMOSFET214、216、218、220、222はそれぞれディプリーション型MOSFETで具現する。通常的に、エンハンスメント型MOSFETは、ゲート−ソース間の電圧VGSが0Vである時に導電が発生しないことに対し、ディプリーション型MOSFETはゲート−ソース間の電圧VGSが0Vである時、ソースとドレインとの間に導電チャンネルを有する。
The
図7は、図6の信号コンバータ202のMOSFET212、214、216、218、220、222の断面図である。MOSFET212、214、216、218、220、222は、例えば、シリコンウエハーの半導体基板232のPウエル230内に形成されるNチャンネルMOSFETである。
7 is a cross-sectional view of the
第1ドライバMOSFET212は、ゲート212A、ゲート絶縁膜212B、ドレイン212C及びソース212Dを含む。第1ロードMOSFET214は、ゲート214A、ゲート絶縁膜214B、ドレイン214C、ソース214D、及びディプリーション型MOSFETとしてイオン注入された導電チャンネル214Eを含む。配線構造体234は、第1ドライバMOSFET212のソース212Dと第1ロードMOSFET214のドレイン214Cとを連結する。
The
同様に、第2ドライバMOSFET216は、ゲート216A、ゲート絶縁膜216B、ドレイン216C、ソース216D及びディプリーション型MOSFETとしてイオン注入された導電チャンネル216Eを含む。第2ロードMOSFET218は、ゲート218A、ゲート絶縁膜218B、ドレイン218C、ソース218D及びディプリーション型MOSFETとしてイオン注入された導電チャンネル218Eを含む。配線構造体236は、第2ドライバMOSFET216のソース216Dと第2ロードMOSFET218のドレイン218Cとを連結する。
Similarly, the
第3ドライバMOSFET220は、ゲート220A、ゲート絶縁膜220B、ドレイン220C、ソース220D及びディプリーション型MOSFETとしてイオン注入された導電チャンネル220Eを含む。第3ロードMOSFET222は、ゲート222A、ゲート絶縁膜222B、ドレイン222C、ソース222D及びディプリーション型MOSFETとしてイオン注入された導電チャンネル222Eを含む。配線構造体238は、第3ドライバMOSFET220のソース220Dと第3ロードMOSFET222のドレイン222Cとを連結する。
The
第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜216Bの厚さは、他のMOSFET212、214、218、220、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄い。図2の信号コンバータ122を参照して説明したように、信号コンバータ202の感度は次の数式6で示す。
The thickness of the
[数6]
Sv=CE×AVtotal
[Equation 6]
S v = CE × AV total
前記数式6で、CEは電荷伝送効率を示し、またAVtotalは、3つのソースフォロアステージ206、208、210を通じる全体電圧利得を示す。このAVtotalを次に数式7で示す。 In Equation (6), CE represents the charge transfer efficiency, and AV total represents the overall voltage gain through the three source follower stages 206, 208, and 210. This AV total is expressed by Equation 7 below.
[数7]
AVtotal=AV1st×AV2nd×AV3rd
[Equation 7]
AV total = AV 1st × AV 2nd × AV 3rd
前記数式7で、AV1stは第1ソースフォロアステージ206の電圧利得を示し、AV2ndは第2ソースフォロアステージ208の電圧利得を示し、またAV3rdは第3ソースフォロアステージ210の電圧利得を示す。各ソースフォロアステージの電圧利得AVは下記の数式8で示す。
In Equation 7, AV 1st represents the voltage gain of the first
[数8]
AV=gm/(gm+gds+gmb)
[Equation 8]
AV = g m / (g m + g ds + g mb)
前記数式8で、gmはトランスコンダクタンスを示し、gdsはチャンネルによるコンダクタンスを示し、またgmbはソースフォロアステージのドライバMOSFETに対するバックゲートを示す。ドライバMOSFETに対するトランスコンダクタンスgmは下記の数式9で示す。 In Equation 8, g m represents transconductance, g ds represents channel conductance, and g mb represents a back gate for the driver MOSFET of the source follower stage. The transconductance g m for the driver MOSFET is expressed by Equation 9 below.
[数9]
gm=[2μOXCOX(W/L)ID]1/2
[Equation 9]
g m = [2 μ OX C OX (W / L) ID ] 1/2
前記数式9で、μOXはドライバMOSFETの電荷移動度を示し、COXはゲートキャパシタンスを示し、Wはゲート幅を示し、Lはゲート長を示し、またIDはドレイン電流を示す。 In Equation 9, μ OX represents the charge mobility of the driver MOSFET, C OX represents the gate capacitance, W represents the gate width, L represents the gate length, and ID represents the drain current.
更に、図6及び図19を参照すれば、信号コンバータ202は、イメージングシステム300内で用いられる出力回路302の一部である。図1及び図19を参照すれば、フォトダイオードアレイ102及び電荷結合素子CCD(図19の104、106、108、11)は、図1を参照して説明したものと同様に動作する。その他に、図19の出力回路302の出力MOSFET114及びリセットMOSFET118も図1を参照して説明したものと同様に動作する。
Still referring to FIGS. 6 and 19, the
信号コンバータ202の電荷伝送効率CEは、下記の数式10で示す。
The charge transfer efficiency CE of the
[数10]
CE=q/CS[CFD+CGS+CGD+CG]
[Equation 10]
CE = q / C S [C FD + C GS + C GD + C G ]
前記数式10で、qは電子電荷を示し、図6及び図19に示したように、CSは電荷蓄積領域204のストレージロード205での全体キャパシタンスを示す。図1及び図4を参照して説明したものと同様に、ストレージロード(図6及び図19)の全体キャパシタンスCsは、フローティング拡散ジャンクション204のキャパシタンスCFDと、リセットMOSFET118のゲート158とソース154との間のオーバーラップキャパシタンスCGSと、出力MOSFET114のゲート152とドレイン154との間のオーバーラップキャパシタンスCGDと、また第1ドライバMOSFET212のゲートキャパシタンスCGと、を含む。
In Equation 10, q represents an electron charge, as shown in FIGS. 6 and 19, C S denotes the total capacitance at the
本実施例で、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜216Bの厚さは、第2ソースフォロアステージ208の電圧利得AV2ndを増加させるように減少する。したがって、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalは増加する。しかし、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜の厚さの減少は、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEに影響を与えない。結果的に、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)は図7の実施例のように従来技術から増加する。
In the present embodiment, the thickness of the
本発明の他の実施例である図8を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さも、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜216Bの厚さと同様に減少する。したがって、第1及び第2ドライバMOSFET212、216のゲート絶縁膜の厚さは、他のMOSFET214、218、220、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さと実質的に同じであるか、またはそれより更に薄い。
Referring to FIG. 8, which is another embodiment of the present invention, the thickness of the
そのような場合、第1及び第2ステージ206、208の電圧利得AV1st、AV2ndはそれぞれ増加して、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを順に増加させる。第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さが増加するにつれて、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEも減少する。しかし、全体電圧利得AVtotalの増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が図8の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの減少としてのオフセット量を超える。
In such a case, the voltage gains AV 1st and AV 2nd of the first and
本発明の更に他の実施例である図9を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは更に薄く、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜216Bの厚さよりも更に薄い。したがって、第1及び第2ドライバMOSFET212、216のゲート絶縁膜の厚さは、他のMOSFET214、218、220、220のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄い。その他にも、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜の厚さよりも更に減少する。
Referring to FIG. 9, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
そのような場合、図9の第1ステージ206の電圧利得は、図8の実施例よりも更に増加する。したがって、図9の信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalは図8の実施例より更に増加する。しかし、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さの更なる減少によって、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEは図8の実施例より更に減少する。それにも拘わらず、全体電圧利得AVtotalの更なる増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が、図9の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの減少としてのオフセット量を超える。
In such a case, the voltage gain of the
本発明の更に他の実施例である図10を参照すれば、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜220Bの厚さは、他のMOSFET212、214、216、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより更に薄くなるように減少する。そのような場合、第3ステージ210の電圧利得AV3rdが増加して、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを順次増加させる。
Referring to FIG. 10, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
しかし、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜の厚さを減少させることは、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEに何らの影響を与えない。結果的に、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)は、図10の実施例のように従来技術から増加する。
However, reducing the thickness of the gate insulating film of the
本発明の更に他の実施例である図11を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜220Bの厚さと実質的に同一となるように減少する。したがって、第1及び第3ドライバMOSFET212、220のゲート絶縁膜の厚さは実質的に同じであり、他のMOSFET214、216、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さよりは薄い。
Referring to FIG. 11, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
そのような場合、第1及び第3ステージ206、210の電圧利得AV1st、AV3rdはそれぞれ増加して、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを順次に増加させる。第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さの減少によって、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEも減少する。しかし、全体電圧利得AVtotalの増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が図11の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの減少としてのオフセット量を超える。
In such a case, the voltage gains AV 1st and AV 3rd of the first and
本発明の更に他の実施例である図12を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは更に減少し、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜220Bの厚さよりも更に薄い。したがって、第1及び第3ドライバMOSFET212、220のゲート絶縁膜の厚さは、他のMOSFET214、216、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄い。
Referring to FIG. 12, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
そのような場合、図12の第1ステージ206の電圧利得は図11の実施例よりも更に増加する。したがって、図12の信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalは、図11の実施例より更に増加する。しかし、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さの減少によって、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEも図11の実施例より更に減少する。それにも拘わらず、全体電圧利得AVtotalの更なる増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が図12の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの更なる減少としてのオフセット量を超える。
In such a case, the voltage gain of the
本発明の更に他の実施例である図13を参照すれば、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜216Bの厚さと、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜220Bの厚さとは実質的に同じであり、他のMOSFET212、214、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さよりは薄い。そのような場合、第2及び第3ステージ208、210の電圧利得AV2nd、AV3rdはそれぞれ増加して、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを順次に増加させる。
Referring to FIG. 13, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
しかし、第2及び第3ドライバMOSFET216、220のゲート絶縁膜の厚さの減少は、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEに影響を与えない。結果的に、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)は、図13の実施例のように従来技術から増加する。その他にも、第2及び第3ドライバMOSFET216、220のゲート絶縁膜の厚さがいずれも減少して、第2及び第3ドライバMOSFET216、220のち一つのゲート絶縁膜の厚さが減少する図7または図10の実施例よりは、信号コンバータ202の全体感度が更に増加する。
However, the decrease in the thickness of the gate insulating film of the second and
本発明の更に他の実施例である図14を参照すれば、第1、第2及び第3ドライバMOSFET212、216、220のゲート絶縁膜212B、216B、220Bの厚さは実質的に同じであり、ロードMOSFET214、218、222のそれぞれのゲート導電膜の厚さより更に薄い。そのような場合、第1、第2及び第3ステージ206、208、210の電圧利得AV1st、AV2nd、AV3rdはそれぞれ増加して、信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを順次に増加させる。
Referring to FIG. 14, which is still another embodiment of the present invention, the thicknesses of the
第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さの減少によって、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEも減少する。しかし、全体電圧利得AVtotalの増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が図14の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの減少としてのオフセット量を超える。
As the thickness of the
本発明の更に他の実施例である図15を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは、図14の場合より更に減少する。したがって、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜の厚さは、第2及び第3ドライバMOSFET216、220の同じゲート絶縁膜の厚さより更に薄い。第2及び第3ドライバMOSFET216、220のゲート絶縁膜の厚さは、図15のロードMOSFET214、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより依然として薄い。その他にも、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さは、第2及び第3ドライバMOSFET216、220のゲート絶縁膜の厚さより更に減少する。
Referring to FIG. 15, which is still another embodiment of the present invention, the thickness of the
そのような場合、図15の第1ステージ206の電圧利得は、図14の実施例より更に増加する。したがって、図15の信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalは、図4の実施例より更に増加する。しかし、第1ドライバMOSFET212のゲート絶縁膜212Bの厚さの更なる減少によって、信号コンバータ202の電荷伝達効率CEも図14の実施例より更に減少する。それにも拘わらず、全体電圧利得AVtotalの更なる増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が図15の実施例のように従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの更なる減少としてのオフセット量を超える。
In such a case, the voltage gain of the
そのような方式で、図7ないし図15に示したような本発明の実施例で、ゲート絶縁膜の厚さは、信号コンバータ202で第1ドライバMOSFET212の次に配置される、少なくともいずれか一つの後続ドライバMOSFET216且つ/または220で減少する。そのようなゲート絶縁膜の厚さを減少させることで、全体電圧利得AVtotalは増加するが、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が従来技術から有利に増加し、電荷伝達効率CEには影響を与えない。したがって、少なくともいずれか一つの後続のドライバMOSFET216且つ/または220のゲート絶縁膜の厚さは、薄いゲート絶縁膜のブレークダウン電圧によって制限されない限度内で、なるべく薄いことが好ましい。
In this manner, in the embodiment of the present invention as shown in FIGS. 7 to 15, the thickness of the gate insulating film is at least one of the
更に、本発明は、図7ないし図15に示したような多様な実施例とは異なるゲート絶縁膜の厚さの関係で具現できる。例えば、第3ドライバMOSFET220のゲート絶縁膜の厚さは、第2ドライバMOSFET216のゲート絶縁膜の厚さより更に薄くてもその逆でもよい。いずれの場合でも、MOSFET216、220のゲート絶縁膜の厚さは、他のMOSFET212、214、218、222のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さより薄い。本発明において、ゲート絶縁膜の厚さは、第1ドライバMOSFET212の次に配置される、少なくともいずれか一つの後続ドライバMOSFET216且つ/または220に対して減少する。
In addition, the present invention can be implemented with a different gate insulating film thickness relationship from the various embodiments shown in FIGS. For example, the gate insulating film of the
その他に、図7ないし図15の本発明の実施例のうち一部の実施例で、ゲート絶縁膜の厚さは第1ドライバMOSFET212で減少するが、減少するほど電荷伝達効率CEも減少する。しかし、ゲート絶縁膜の厚さは、少なくともいずれか一つの後続ドライバMOSFET216且つ/または220でも減少するため、全体電圧利得AVtotalの増加は、信号コンバータ202の全体感度(SV=AVtotal×CE)が従来技術から依然として増加し、電荷伝達効率CEの減少としてのオフセット量を超える。
In addition, in some of the embodiments of the present invention of FIGS. 7 to 15, the thickness of the gate insulating film is reduced by the
図6ないし図15に3つのソースフォロアステージ206、208、210を示したが、例えばその間に介されるステージと共に具現することもできる。本発明は、第1ソースフォロアステージ206の次に配置される、少なくともいずれか一つの後続ドライバMOSFETのゲート絶縁膜の厚さが、信号コンバータの全体感度を増加させ得るように減少する時に具現できる。
Although six source follower stages 206, 208, and 210 are shown in FIGS. 6 to 15, for example, they can be implemented together with stages interposed therebetween. The present invention can be implemented when the thickness of the gate insulating film of at least one subsequent driver MOSFET disposed after the first
その他にも、本発明によって増加した全体感度を有する信号コンバータは、図6ないし図15に示したような実施例とは異なる方法で具現できる。例えば、本発明の更に他の実施例である図16を参照すれば、第1ドライバMOSFET212が孤立したPウエル402内に形成される。孤立したPウエル402は、他のMOSFET214、216、218、220、222を有するPウエル230から分離される。
In addition, the signal converter having the increased overall sensitivity according to the present invention can be implemented by a method different from the embodiments shown in FIGS. For example, referring to FIG. 16, which is yet another embodiment of the present invention, a
図16の実施例において、孤立したPウエル402は信号コンバータ202のノイズを減少させる。その理由は、電荷蓄積領域204に連結される第1ドライバMOSFET212が他のMOSFET214、216、218、22、222から孤立しるためである。その他に、孤立したPウエル402のドーパント濃度は、第1ドライバMOSFET212のバックゲートトランスコンダクタンスgmbを減少させ、それによって信号コンバータ202の全体電圧利得AVtotalを増加させるように減少することもある。図16の実施例は、第1ドライバMOSFET212が孤立したPウエル402にあることを除いては、図7の実施例と類似している。その他に、第1ドライバMOSFET212のための孤立したPウエル402を、図8ないし図15の他の実施例のうちいかなる実施例でも形成できる。
In the embodiment of FIG. 16, the isolated P-well 402 reduces the noise of the
本発明の更に他の実施例である図17を参照すれば、ドライバMOSFETのソースは、ソースフォロアステージ206、208、210のそれぞれのロードMOSFETのドレインに結合される。したがって、図7及び図17を参照すれば、第1ドライバMOSFET212のソース212Dと、第1ロードMOSFET214のドレイン214Cとは、一つの接合404で共に結合される。同様に、第2ドライバMOSFET216のソース216Dと、第2ロードMOSFET218のドレイン218Cとも、一つの接合406で共に結合される。また、第3ドライバMOSFET220のソース220Dと、第3ロードMOSFET222のドレイン222Cとも、一つの接合406で共に結合される。
Referring to FIG. 17, which is yet another embodiment of the present invention, the source of the driver MOSFET is coupled to the drain of the load MOSFET of each of the source follower stages 206, 208, 210. Accordingly, referring to FIGS. 7 and 17, the
そのような図17の実施例で、配線構造体234、236、238は、各ソースフォロアステージ206、208、210のそれぞれのドライバMOSFETのソースをロードMOSFETのドレインに連結するに当たって、必ずしも有利に用いられるものではない。また、ドライバMOSFETのソース及びロードMOSFETのドレインによって占有される領域は、そのような結合が、図17に示されたように、有利に減少することもある。
In such an embodiment of FIG. 17, the
図18は、本発明の更に他の実施例に係る信号コンバータ410を示す。
FIG. 18 shows a
図18を参照すれば、信号コンバータ410は、図6の信号コンバータ202と類似している。ただし、本実施例で、ロードMOSFET214、218、222のソースは同じ抵抗器RSを介してグラウンドに共に連結される。それに対し、図6の場合では、ロードMOSFET214、218、222の各ソースがそれぞれの抵抗器R1、R2、R3を介してグラウンドに連結される。いずれの場合でも、ロードMOSFETのソースでの抵抗器は、ロードMOSFETのドレインでの有効ロード抵抗を増加させる。
Referring to FIG. 18, the
一つの抵抗器RSの抵抗値は、ソースフォロアステージのそれぞれの更に一致した動作のために更に容易に調節できる。一方、ソースフォロアステージが共通抵抗器RSを介して連結されるため、図18の信号コンバータ410は更にノイズに影響を受けやすい。したがって、ノイズのある環境で動作させるためには、図6の信号コンバータ202が更に望ましい。
The resistance value of one resistor RS can be adjusted more easily for a more consistent operation of each of the source follower stages. On the other hand, since the source follower stage is connected via the common resistor RS, the
以上、本発明を好ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限られず、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者によって多様な変形が可能である。 Although the present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.
本発明は、イメージングシステムでの電荷結合素子のような電荷伝達素子を用いる応用分野に適用できる。 The present invention can be applied to application fields using a charge transfer element such as a charge coupled element in an imaging system.
202 信号コンバータ
204 電荷蓄積領域
205 ストレージロード
206 第1ソースフォロアステージ
208 第2ソースフォロアステージ
210 第3ソースフォロアステージ
212 第1ドライバMOSFET
214 第1ロードMOSFET
216 第2ドライバMOSFET
218 第2ロードMOSFET
220 第3ドライバMOSFET
222 第3ロードMOSFET
224 ロードキャパシタ
VDD バイアス電圧
VGG ゲートバイアス電圧
Vout 電圧
CL ロードキャパシタンス
R1 第1ロード抵抗器
R2 第2ロード抵抗器
R3 第3ロード抵抗器
202
214 First load MOSFET
216 Second driver MOSFET
218 Second load MOSFET
220 Third Driver MOSFET
222 Third load MOSFET
224 Load capacitor VDD Bias voltage VGG Gate bias voltage Vout voltage C L Load capacitance R1 First load resistor R2 Second load resistor R3 Third load resistor
Claims (62)
前記信号電荷を受ける第1ドライバFETと、
前記第1ドライバFETの出力に連結されるが、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄い厚さのゲート絶縁膜を有する、前記第1ドライバFETに連結される後続ドライバFETと、を備えることを特徴とする信号コンバータ。 In a signal converter that converts signal charge into voltage,
A first driver FET receiving the signal charge;
Connected to the output of the first driver FET, but connected to the first driver FET having a gate insulating film having a thickness smaller than the thickness of the gate insulating film of at least one other FET of the signal converter. And a subsequent driver FET.
ドライバFET及びロードFETを備えて、最初のステージからは信号電荷を受け、それぞれの後続ステージは前のステージから電圧を受けるように構成された複数個のステージと、
前記信号コンバータの電荷伝達効率を減少させずに電圧利得を増加させる電圧利得増加手段と、を備えることを特徴とする信号コンバータ。 In a signal converter that converts signal charge into voltage,
A plurality of stages, each comprising a driver FET and a load FET, configured to receive a signal charge from an initial stage and each subsequent stage receives a voltage from a previous stage;
Voltage gain increasing means for increasing the voltage gain without decreasing the charge transfer efficiency of the signal converter.
前記信号伝達素子からの電荷を蓄積して信号電荷を発生させる信号蓄積領域と、
前記信号電荷を受ける第1ドライバFET及び、前記第1ドライバFETの出力に連結され、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いゲート絶縁膜の厚さを有する後続ドライバFETを備えて、前記信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータと、
前記信号蓄積領域をリセット電圧にリセットさせるようにターンオンされるリセットFETと、
前記電荷伝達素子から前記信号蓄積領域に電荷を伝達するようにターンオンされる出力FETと、を含むことを特徴とする出力回路。 In the output circuit of the signal transmission element,
A signal accumulation region for accumulating charges from the signal transmission element to generate signal charges;
The first driver FET that receives the signal charge and the output of the first driver FET have a gate insulating film thickness that is smaller than the gate insulating film thickness of at least one other FET of the signal converter. A signal converter comprising a subsequent driver FET for converting the signal charge into a voltage;
A reset FET that is turned on to reset the signal storage region to a reset voltage;
And an output FET that is turned on so as to transfer charges from the charge transfer element to the signal storage region.
前記フォトダイオードアレイに連結されて、それぞれのフォトダイオードからそれぞれの信号電荷をシフトする少なくともいずれか一つの信号伝達素子と、
前記電荷伝達素子からシフトされた、それぞれの信号電荷を蓄積する信号蓄積領域と、
前記それぞれの信号電荷を受ける第1ドライバFET及び、前記第1ドライバFETの出力に連結され、前記信号コンバータの少なくともいずれか一つの他のFETのゲート絶縁膜の厚さより薄いゲート絶縁膜の厚さを有する後続ドライバFETを備えて、前記信号蓄積領域に蓄積されたそれぞれの信号電荷を電圧に変換させる信号コンバータを含みつつ、少なくともいずれか一つの信号伝達素子に連結される出力回路と、を含むことを特徴とするイメージングシステム。 A photodiode array comprising respective photodiodes for storing respective signal charges;
At least one signal transmission element coupled to the photodiode array and configured to shift a signal charge from each photodiode;
A signal storage region for storing each signal charge shifted from the charge transfer element;
The first driver FET that receives the respective signal charges and the gate insulating film thickness that is coupled to the output of the first driver FET and is thinner than the gate insulating film thickness of at least one other FET of the signal converter An output circuit coupled to at least one of the signal transmission elements, including a signal converter that converts each signal charge accumulated in the signal accumulation region into a voltage. An imaging system characterized by that.
前記電荷蓄積領域をリセット電圧にリセットさせるようにターンオンされるリセットFETと、
前記電荷伝達素子からのそれぞれの信号電荷を前記電荷蓄積領域に伝達するようにターンオンされつつ、前記リセットFETをターンオフさせる出力FETと、を更に備えることを特徴とする請求項48に記載のイメージングシステム。
The output circuit is
A reset FET that is turned on to reset the charge storage region to a reset voltage;
49. The imaging system according to claim 48, further comprising: an output FET that is turned on to transmit each signal charge from the charge transfer element to the charge storage region and that turns off the reset FET. .
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