JP2008048405A - Photoelectric conversion apparatus, x-ray image pickup apparatus, and system having the apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus which is excellent in read-out speed, high S/N, high tone level, and low cost for a photoelectric conversion apparatus. <P>SOLUTION: A photoelectric conversion apparatus has a photoelectric conversion circuit unit comprising a plurality of photoelectric conversion elements, switching elements, matrix signal wires, and gate drive wires arranged on the same substrate in order to output parallel signals, a driving circuit unit for applying a driving signal to the gate drive wire, and a read-out circuit unit for converting the parallel signals transferred through the matrix signal wires into serial signals to output them. The read-out circuit unit comprises at least one or more analog operational amplifiers connected with each of the matrix signal wires, transfer switches for transferring output signals from the respective matrix signal wires outputted through each amplifier, read-out capacitors, and read-out switches for successively reading out signals from the read-out capacitors as serial signals. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムに関し、更に詳しくは、医療や内部検査などの非破壊検査のためのX線検出器やディジタル複写機、電子黒板、ファクシミリ等の事務機器などの画像入力部として適用することができる光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムに関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion apparatus and a photoelectric conversion system having the apparatus, and more specifically, office equipment such as an X-ray detector, a digital copying machine, an electronic blackboard, and a facsimile machine for nondestructive inspection such as medical treatment and internal inspection. The present invention relates to a photoelectric conversion device that can be applied as an image input unit and the like, and a photoelectric conversion system having the device.

現在、医療診断用に用いられるX線撮像装置では、X線を人体に曝射させ、人体を透過したX線を可視光に変換させる蛍光体に照射させ、その蛍光をフィルムに露光させるいわゆるフィルム方式が主流になっている。   Currently, in an X-ray imaging apparatus used for medical diagnosis, a so-called film that exposes X-rays to a human body, irradiates a fluorescent substance that converts X-rays transmitted through the human body into visible light, and exposes the fluorescence to a film. The method has become mainstream.

しかしながら、高齢化社会をむかえつつある日本はもとより 世界的にも病院内での診断効率の向上や、より精度の高い医療機器が強く望まれている。そういった状況の中、従来のフィルム方式でのX線撮像装置においては、患者のX線画像を医師が得るまでには、途中にフィルムの現像処理工程があるために長い時間を必要とし、時としてはX線撮影中に患者が動いてしまった場合や露出があわない場合などに、再度撮影のやり直しが余儀なくされる。これらは病院内での診療の効率向上を妨げる要因であり、また患者の負担が大きく、今後の新しい医療社会を目指していくとき大きな障害となってくる。   However, not only in Japan, which is facing an aging society, but also worldwide, there is a strong demand for improved diagnostic efficiency in hospitals and more accurate medical devices. Under such circumstances, in a conventional film type X-ray imaging apparatus, it takes a long time to obtain a patient's X-ray image because there is a film development process on the way, and sometimes If the patient moves during X-ray imaging or if the exposure does not match, the imaging must be performed again. These are factors that hinder the improvement of the efficiency of medical treatment in hospitals, and the burden on patients is large, which becomes a major obstacle when aiming for a new medical society in the future.

近年、医療業界において”X線画像情報のディジタル化”の要求が高まりつつある。ディジタル化が達成されれば、医師がリアルタイムに最適なアングルでの患者のX線画像情報を知ることができ、得られたX線画像情報は光磁気ディスクのような媒体を用いて記録、管理することができる。またファクシミリや他の通信方式等を利用すれば、患者のX線画像情報は世界中どこの病院にへも短時間に送ることが可能となる。   In recent years, the demand for “digitalization of X-ray image information” is increasing in the medical industry. If digitalization is achieved, the doctor can know the patient's X-ray image information at an optimal angle in real time, and the obtained X-ray image information is recorded and managed using a medium such as a magneto-optical disk. can do. If a facsimile or other communication method is used, the patient's X-ray image information can be sent to any hospital in the world in a short time.

また、建物の躯体などの物体内部の検査に代表される非破壊検査などにおいても、X線撮影のための各種機器の設置や必要とする部位の撮影を何度もやり直せるものでもない。しかしながら、フィルム方式の場合、このような検査においても、現像が終了するまで必要部位の撮影が完了したかどうかについてはわからない。また、専門家の判断もフィルム現像が終了したものを見てからになるので必要に応じてその場で別の角度からの撮影の指示や処置の指示を行なうことができない。   Further, even in non-destructive inspection represented by inspection inside an object such as a building frame, installation of various devices for X-ray imaging and imaging of necessary parts cannot be performed again and again. However, in the case of the film system, even in such an inspection, it is not known whether imaging of a necessary part is completed until development is completed. Further, since the expert's judgment is made after seeing the film developed, it is impossible to give an instruction for photographing or a treatment from another angle as needed.

したがって、このような分野においてもリアルタイムな所望部位のX線画像情報に対する要求は高い。   Accordingly, there is a high demand for X-ray image information of a desired part in real time even in such a field.

そこで、最近では”X線画像情報のディジタル化”の要求に答えるべくCCD固体撮像素子やアモルファスシリコン光電変換素子をフィルムの代わりに用いたX線撮像装置が提案されてきている。   Therefore, recently, an X-ray imaging apparatus using a CCD solid-state imaging element or an amorphous silicon photoelectric conversion element instead of a film has been proposed in order to meet the demand for “digitization of X-ray image information”.

図1は、このようなX線撮像装置に適用可能な2次元光電変換装置の一例の等価回路図である。図1では説明を簡単化するため3×3の2次元光電変換装置を表しているが、実際の光電変換装置は、装置の目的にもよるが、更に多数ビットで構成される。   FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of an example of a two-dimensional photoelectric conversion apparatus applicable to such an X-ray imaging apparatus. Although a 3 × 3 two-dimensional photoelectric conversion device is shown in FIG. 1 for the sake of simplicity of explanation, an actual photoelectric conversion device is composed of a larger number of bits depending on the purpose of the device.

図1において、T1-1 ,T1-2 ,T1-3 ,T2-1 ,…,T3-3 は夫々スイッチング素子、S1-1 ,S1-2 ,S1-3 ,S2-1 ,…,S3-3 は夫々光電変換素子、SR1はシフトレジスタ、SR2はシフトレジスタ、G1,G2,G3は夫々ゲート駆動配線、M1,M2,Mは夫々信号配線、C1,C2,C3は夫々読み出し容量、RES1,RES2,RES3は夫々リセットスイッチ、CRESはリセット用の電圧パルス入力部、OPはオペアンプ、Caは蓄積容量(例えば配線に付加される等価的な付加容量)、U1,U2,U3は夫々読出し用のスイッチング素子、N1,N2,N3は夫々スイッチング素子U1〜U3のためのゲート駆動用配線、1は光電変換回路部、2は読出し用回路部である。 In FIG. 1, T 1-1 , T 1-2 , T 1-3 , T 2-1 ,..., T 3-3 are switching elements, S 1-1 , S 1-2 , S 1-3 , respectively. S 2-1 ,..., S 3-3 are photoelectric conversion elements, SR 1 is a shift register, SR 2 is a shift register, G 1, G 2 and G 3 are gate drive wirings, M 1, M 2 and M are signal wirings, C 1 C2 and C3 are read capacitors, RES1, RES2 and RES3 are reset switches, CRES is a voltage pulse input unit for reset, OP is an operational amplifier, Ca is a storage capacitor (for example, an equivalent additional capacitor added to the wiring), U1, U2 and U3 are read switching elements, N1, N2 and N3 are gate drive wirings for the switching elements U1 to U3, 1 is a photoelectric conversion circuit section, and 2 is a read circuit section.

図1において、光電変換素子S1-1〜S3-3に入射した光hνは、光電変換素子S1-1〜S3-3 により光電変換され、光電変換信号電荷として、それぞれの光電変換素子S1-1〜S3-3 の電極間容量に蓄積される。これらの光電変換信号は、転送用スイッチT1-1〜T3-3及び信号配線M1〜M3を通って、並列の電圧出力となる。さらに、読み出し用スイッチ回路部により直列信号となり、外部に取り出される。 In Figure 1, the light hν which is incident on the photoelectric conversion element S1-1~S3-3 is photoelectrically converted by the photoelectric conversion elements S 1-1 to S 3-3, as a photoelectric conversion signal charges, each of the photoelectric conversion elements S 1-1 is accumulated in inter-electrode capacity to S 3-3. These photoelectric conversion signals pass through the transfer switches T1-1 to T3-3 and the signal wirings M1 to M3 and become parallel voltage outputs. Further, it is converted into a serial signal by the read switch circuit unit and taken out to the outside.

図1の光電変換装置の構成例においては、総画素数9ビットの光電変換素子を3ビットずつまとめて3行に分割してある。上述の各動作は、順次この行単位で行われる。   In the configuration example of the photoelectric conversion device in FIG. 1, photoelectric conversion elements having a total number of pixels of 9 bits are grouped in 3 bits and divided into 3 rows. The above-described operations are sequentially performed in units of rows.

図2は図1に示される光電変換装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。   FIG. 2 is a timing chart showing an example of the operation of the photoelectric conversion apparatus shown in FIG.

第1行の光電変換素子S1-1〜S3-3 に入射した光情報(hν)は、光電変換され、信号電荷として、S1-1〜S1-3それぞれの光電変換素子内の電極間容量に蓄積される。一定の蓄積時間を経過した後、シフトレジスタSR1よりゲート駆動用配線G1に転送用の第1の電圧パルスをT1時間与え、転送用スイッチ素子T1-1〜T1-3をオン状態に切り替える。これにより、光電変換素子S1-1〜S1-3内の電極間容量(S1-1〜S1-3)にそれぞれ蓄えられていた信号電荷が、それぞれ信号配線M1〜M3を通って、負荷コンデンサC1〜C3に転送され、各負荷コンデンサC1〜C3の電位V1〜V3は、信号の電荷量分だけ高くなる(転送動作)。 The optical information (hν) incident on the photoelectric conversion elements S 1-1 to S 3-3 in the first row is photoelectrically converted and used as signal charges between the electrodes in each of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3. Accumulated in capacity. After a certain accumulation time has elapsed, a first voltage pulse for transfer is applied to the gate drive wiring G1 from the shift register SR1 for a time T1, and the transfer switch elements T1-1 to T1-3 are turned on. As a result, the signal charges stored in the interelectrode capacitances (S1-1 to S1-3) in the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 pass through the signal wirings M1 to M3, respectively, and load capacitors C1. To C3, and the potentials V1 to V3 of the load capacitors C1 to C3 are increased by the amount of charge of the signal (transfer operation).

続いて、ゲート駆動用配線N1〜N3にシフトレジスタSR2より電圧パルスを順次与え、読み出し用スイッチU1〜U3を順次オン状態に切り替えることにより、負荷コンデンサC1〜C3に転送されていた第1行の信号を直列信号に変換し、電圧ホロワ型のオペアンプOPによりインピーダンス変換後に3画素分の信号(Vout)を、T3時間の間で光電変換素装置の外部へ出力する(読出動作)。   Subsequently, voltage pulses are sequentially applied from the shift register SR2 to the gate driving wirings N1 to N3, and the readout switches U1 to U3 are sequentially turned on, thereby transferring the first row transferred to the load capacitors C1 to C3. The signal is converted into a serial signal, and after impedance conversion by the voltage follower type operational amplifier OP, a signal (Vout) for three pixels is output to the outside of the photoelectric conversion device during the time T3 (read operation).

その後、リセット用スイッチRES1〜RES3にリセット用の電圧パルスCRESをT2時間印可して負荷コンデンサC1〜C3をリセットし、次行の読み出し動作に備える(リセット動作)。   Thereafter, a reset voltage pulse CRES is applied to the reset switches RES1 to RES3 for a time T2, thereby resetting the load capacitors C1 to C3 and preparing for the read operation of the next row (reset operation).

以下、シフトレジスタSR2よりゲート駆動用配線G2、G3を順次駆動することにより、光電変換素子S2-1〜S3-3の全画素のデータを時系列的に出力する。   Thereafter, by sequentially driving the gate drive wirings G2 and G3 from the shift register SR2, the data of all the pixels of the photoelectric conversion elements S2-1 to S3-3 are output in time series.

一般に、エリアタイプ(2次元に光センサが配列されているタイプ)の光電変換装置では、上述のように各行単位で、転送〜読み出し〜リセットの各動作が順次行われるため、光電変換装置からの画像信号は、図2中Voutに示されるように間欠的に出力される。すなわち、1行を読みとるために必要な時間はT1+T3+T2となり、全ビットを読みとるためには図1に示した3×3の2次元光電変換装置の場合、その3倍の時間が必要となる。例えば医療用のX線撮像装置の光電変換装置部の大きさは、肺部の部分を撮影するX線撮像装置を例にとると、40cm×40cm程度必要と言われており、仮に100μmの画素ピッチで形成するとなると、総画素数としては4000×4000で1600万画素と膨大な画素数になる。単純に図1に示される構成で読み取り動作を行うとすると4000×(T1+T2+T3)の時間が必要となる。実際にはT3に必要な時間が大きくなるために、読み出し用回路部を複数個(N個)設け、N個並列に読み取り走査をすることにより4000×{(T1+T2+T3)/N}の時間で全画素を読みとる構成が一般的である。   In general, in an area type (two-dimensional photosensor array) photoelectric conversion device, each operation of transfer, readout, and reset is sequentially performed for each row as described above. The image signal is output intermittently as indicated by Vout in FIG. That is, the time required to read one row is T1 + T3 + T2, and in order to read all the bits, the 3 × 3 two-dimensional photoelectric conversion device shown in FIG. 1 requires three times as long. For example, the size of the photoelectric conversion device of a medical X-ray imaging device is said to be about 40 cm × 40 cm when taking an example of an X-ray imaging device that images a lung portion. If it is formed at a pitch, the total number of pixels is 4000 × 4000, which is 16 million pixels, which is an enormous number of pixels. If the reading operation is simply performed with the configuration shown in FIG. 1, a time of 4000 × (T1 + T2 + T3) is required. Actually, since the time required for T3 becomes long, a plurality of readout circuit units (N) are provided, and N scanning is performed in parallel, so that all of the time is 4000 × {(T1 + T2 + T3) / N}. A configuration in which pixels are read is common.

しかしながら、そういった構成にしたとしても、1行の画素(=4000/N個)の読み取りを行うために必要な時間は、転送〜読み出し〜リセットの各動作が順次行われる従来の光電変換装置では、転送時間T1とリセット時間T2が各行の画素を読みとる際に毎回必要となるために、特に多画素数の光電変換装置の走査時間は予想以上にかかる場合があるという問題点を有していた。特に、転送用スイッチング素子(T1-1〜T3-3)をコスト的効果の高いアモルファスシリコン(以下、「a−Si」と称する)TFT(Thin Film Transistor)で構成する場合、そのスイッチング性能が単結晶シリコンを材料にしたスイッチ素子に比べて充分でないために、光電変換装置のより一層の高速読み取り化という点で改善し得る課題を有している。   However, even with such a configuration, the time required to read one row of pixels (= 4000 / N) is a conventional photoelectric conversion device in which transfer, read, and reset operations are sequentially performed. Since the transfer time T1 and the reset time T2 are required every time when the pixels in each row are read, the scanning time of the photoelectric conversion device having a large number of pixels may be longer than expected. In particular, when the transfer switching elements (T1-1 to T3-3) are composed of amorphous silicon (hereinafter referred to as “a-Si”) TFT (Thin Film Transistor) having a high cost effect, the switching performance is simple. Since it is not sufficient as compared with a switching element made of crystalline silicon, it has a problem that can be improved in terms of further high-speed reading of the photoelectric conversion device.

負荷コンデンサは図1中に読出容量C1〜C3と容量素子として表記されているが、実際上は、別途素子を設けなくともよく、スイッチング素子T1-1〜T3-3のゲート電極と信号配線M1〜M3側の電極とで形成される電極間容量(Cgs)で構成される。例えば、負荷コンデンサ(読出容量)C1の容量は、第1行のS1-1の信号電荷を転送する場合、信号配線M1に寄生するスイッチング素子T1-1、T2-1とT3-1のCgsの和になる。同様に、例えば第2行のS2-2の信号電荷を転送する場合、C2の容量値は信号配線M1に寄生するスイッチング素子T1-2、T2-2とT3-2のCgsの和になる。言うなれば、どの光電変換素子の信号電荷を転送するにしても、負荷容量値(C1〜C3)はスイッチング素子のCgsの3個分の容量が付加されることになる。   Although the load capacitors are shown as read capacitors C1 to C3 and capacitive elements in FIG. 1, in practice, no separate elements are required, and the gate electrodes of the switching elements T1-1 to T3-3 and the signal wiring M1 are not required. It is comprised by the capacity | capacitance (Cgs) between electrodes formed with the electrode of -M3 side. For example, the load capacitor (reading capacity) C1 has a capacitance of Cgs of the switching elements T1-1, T2-1 and T3-1 parasitic on the signal wiring M1 when the signal charge of S1-1 in the first row is transferred. Become sum. Similarly, for example, when the signal charge of S2-2 in the second row is transferred, the capacitance value of C2 is the sum of Cgs of the switching elements T1-2, T2-2 and T3-2 parasitic on the signal wiring M1. In other words, even if the signal charge of any photoelectric conversion element is transferred, the load capacity value (C1 to C3) is added with the capacity of three Cgs of the switching element.

同様にして、4000×4000画素の2次元光電変換装置を構成する場合、マトリクス内の各信号線の負荷容量は、Cgs×4000の容量を有することになる。一方、読み出し用回路部におけるスイッチング素子RES1〜RES3により、負荷容量の信号電荷を直列変換する際にアナログ演算増幅器(オペアンプ)OPの入力に寄生される入力容量(図1内のCa)に事実上転送されることになる。転送用スイッチング素子をa−Siで形成する場合、Cgs×4000の負荷容量>>Caであるために負荷容量の信号電位はほとんど低減することなくインピーダンス変換される。   Similarly, when a two-dimensional photoelectric conversion device having 4000 × 4000 pixels is configured, the load capacity of each signal line in the matrix has a capacity of Cgs × 4000. On the other hand, the switching elements RES1 to RES3 in the readout circuit section effectively add to the input capacitance (Ca in FIG. 1) parasitic to the input of the analog operational amplifier (op-amp) OP when the signal charge of the load capacitance is converted into series. Will be transferred. When the transfer switching element is formed of a-Si, since the load capacity of Cgs × 4000 >> Ca, the signal potential of the load capacity is impedance-converted with almost no reduction.

また、シフトレジスタSR2により制御されるスイッチング素子(U1〜U3)を介して負荷容量(C1〜C3)からオペアンプOP側へ転送動作を行う際に、スイッチング素子内のキャリアの熱的擾乱により発生する熱雑音によって光電変換装置としてのS/Nを低下させる場合があるという問題点が生ずることがある。この熱雑音電圧の実効値Vjは、一般に、Vj=(4KTRB)1/2 (Vrms)で与えられる。ここで、Kはボルツマン定数1.38×10-23(J/K)で、Tは絶対温度(K)、Bは系の周波数帯域幅(Hz)である。また、Rは抵抗で発生する熱雑音であればその抵抗値(Ω)である。この系の場合は、スイッチング素子のオン抵抗値(Ω)と考えてよい。 Further, when a transfer operation is performed from the load capacitors (C1 to C3) to the operational amplifier OP via the switching elements (U1 to U3) controlled by the shift register SR2, it is generated due to thermal disturbance of carriers in the switching elements. There may be a problem that the S / N of the photoelectric conversion device may be lowered due to thermal noise. The effective value Vj of this thermal noise voltage is generally given by Vj = (4KTRB) 1/2 (Vrms). Here, K is a Boltzmann constant 1.38 × 10 −23 (J / K), T is an absolute temperature (K), and B is a frequency bandwidth (Hz) of the system. R is the resistance value (Ω) of thermal noise generated by the resistor. In the case of this system, it may be considered as the on-resistance value (Ω) of the switching element.

また、マトリクス側の容量(Cgs×4000)をCL、オペアンプOP側の入力容量をCaとすれば、熱雑音電圧Vj=(4KTRB)1/2(Vrms)において、周波数帯域幅B=1/(4R(CL‖Ca))で近似され、Vj=(4KTR/(4R(CL‖Ca)))1/2=(KT/(CL‖Ca))1/2となる。ここで、CL‖CaはCLとCaの直列合成容量である。 Further, if the capacitance on the matrix side (Cgs × 4000) is CL and the input capacitance on the operational amplifier OP side is Ca, the frequency bandwidth B = 1 / (at thermal noise voltage Vj = (4KTRB) 1/2 (Vrms). 4R (CL‖Ca)), and Vj = (4KTR / (4R (CL‖Ca))) 1/2 = (KT / (CL‖Ca)) 1/2 . Here, CL‖Ca is a series combined capacity of CL and Ca.

因みに、電荷量で表せば、Qj=CV=(KT/(CL‖Ca))1/2(Vrms)となる。すなわち、こういった系において発生する熱雑音電圧Vjは、ボルツマン定数K、温度T、容量C(=CL‖Ca)でのみにより決定され、一般的にKTCノイズと呼ばれている。以後、断りのないかぎり熱雑音電圧を「KTCノイズ」と称することにする。このKTCノイズは、単純化すれば(KT/(CL‖Ca))1/2(Vrms)で与えられる。CL>>Caであるため、KTCノイズは、ほぼ(kT/Ca)1/2で決定される。この種のノイズを低減させるためには、Caを大きくすればよいが、集積回路(IC)内で形成される容量を大きくするにも限界がある。 Incidentally, Qj = CV = (KT / (CL‖Ca)) 1/2 (Vrms) in terms of the amount of charge. That is, the thermal noise voltage Vj generated in such a system is determined only by the Boltzmann constant K, the temperature T, and the capacitance C (= CL‖Ca), and is generally called KTC noise. Hereinafter, unless otherwise noted, the thermal noise voltage is referred to as “KTC noise”. This KTC noise is given by (KT / (CL‖Ca)) 1/2 (Vrms) if simplified. Since CL >> Ca, the KTC noise is determined by approximately (kT / Ca) 1/2 . In order to reduce this kind of noise, Ca may be increased, but there is a limit to increasing the capacitance formed in the integrated circuit (IC).

同様に、負荷容量をリセット用スイッチRES1〜RES3によりリセット電位にリセットする際においてもKTCノイズが発生し、光電変換装置としてのS/Nを低下させる問題点を有する。このリセット時におけるKTCノイズは(KT/CL)1/2(V)で与えられる。転送時に発生するKTCノイズ及びリセット時に発生するKTCノイズは、光電変換装置のランダムノイズとして現れる。特に、医療用のX線撮像装置のように、高精細、高階調情報を得ようとした場合は、複写機や電子黒板等の事務機にくらべS/N比の高い光電変換装置が必要であり、KTCノイズが大きな問題となる場合がある。 Similarly, when the load capacitance is reset to the reset potential by the reset switches RES <b> 1 to RES <b> 3, KTC noise is generated, and there is a problem that the S / N of the photoelectric conversion device is lowered. The KTC noise at the time of reset is given by (KT / CL) 1/2 (V). KTC noise generated at the time of transfer and KTC noise generated at the time of reset appear as random noise of the photoelectric conversion device. In particular, a high-definition, high-gradation information such as a medical X-ray imaging apparatus requires a photoelectric conversion device having a higher S / N ratio than office machines such as copying machines and electronic blackboards. Yes, KTC noise can be a big problem.

光電変換回路部において、光電変換素子1個の電極間容量値をCS、マトリクス信号配線での負荷容量値をCL、光電変換素子で光電変換された蓄積信号電荷総量をQとすると、転送用スイッチング素子で転送された後のマトリクス信号配線上の負荷容量CLの信号電位VはV=Q/(CS+CL)で与えられる。1個の電極間容量CSは4000個の電極間容量Cgsで形成される負荷容量CLに比べて非常に小さいため、実際はV=Q/CLで近似される。電極間容量Cgsを持つスイッチング素子をa−Si半導体薄膜で構成する場合、薄膜の製造上における膜厚がばらつくことにより、装置ごとに負荷容量CLの容量値に個体差が生じて、出力の大きい装置や出力の小さい装置が生産されるといった問題点が生じることがある。これに対処するために、システムを構成する際、汎用のオペアンプを付加しゲインを調整するといった処置が行われるが、上述の例では、汎用アンプがN個必要となり、調整行程をあわせて考慮すると装置のコストアップにもなる。   In the photoelectric conversion circuit section, when the capacitance value between the electrodes of one photoelectric conversion element is Cs, the load capacitance value in the matrix signal wiring is CL, and the accumulated signal charge total photoelectrically converted by the photoelectric conversion element is Q, switching for transfer The signal potential V of the load capacitance CL on the matrix signal wiring after being transferred by the element is given by V = Q / (CS + CL). Since one interelectrode capacitance CS is much smaller than the load capacitance CL formed by 4000 interelectrode capacitances Cgs, it is actually approximated by V = Q / CL. When the switching element having the interelectrode capacitance Cgs is formed of an a-Si semiconductor thin film, the film thickness in the manufacture of the thin film varies, resulting in an individual difference in the capacitance value of the load capacitance CL for each device, and a large output. There may be a problem that a device or a device with a small output is produced. In order to cope with this, when a system is configured, a measure such as adding a general-purpose operational amplifier and adjusting the gain is performed. However, in the above example, N general-purpose amplifiers are required, and the adjustment process is considered together. It also increases the cost of the device.

また、N個の読み取り用回路部(IC)は、医療機器などのように、特に高S/N比が要求される医療機器においては、耐ノイズ性の観点からも信号配線を長く引き延ばすのは好ましくなく、光電変換回路部の近傍に必要な回路が実装されるのが望ましい。しかし、多数(N個)のICを設けた場合、その発熱が光電変換回路部の温度を上昇させる場合がある。特にスイッチング素子がアモルファスシリコンTFTである場合、OFF時の暗電流が大きくなると言われており、ICの発熱が光電変換装置としての固定パターンノイズを増加させるといった問題点が発生する場合もある。   In addition, N reading circuit units (ICs), such as medical devices, particularly in medical devices that require a high S / N ratio, do not extend the signal wiring from the viewpoint of noise resistance. It is not preferable, and it is desirable that a necessary circuit is mounted in the vicinity of the photoelectric conversion circuit unit. However, when a large number (N) of ICs are provided, the generated heat may increase the temperature of the photoelectric conversion circuit unit. In particular, when the switching element is an amorphous silicon TFT, it is said that the dark current at the time of OFF becomes large, and there is a case where the heat generated by the IC increases the fixed pattern noise as the photoelectric conversion device.

例えば医療用X線撮像装置の光電変換装置部を固体撮像装置で構成する場合、光電変換素子を含む装置全体に求められるノイズ量は、仮にフィルム方式以上の画質を得ようとするならば、信号のダイナミックレンジに対して1/10000以下と言われている。すなわち”X線画像情報のディジタル化”を達成しうるために必要なA/D変換器の性能も14ビット以上の分解能が要求される。最近では16ビットのA/D変換器も市販されているが、ビット数増大に伴い変換スピードも低下しているのが現状で、上述したような4000×4000画素の光電変換装置を持つX線撮像装置に実用的に、現実的に用いられる高速のA/D変換器は14ビット以上のものは現在のところ存在していない。   For example, when the photoelectric conversion device part of a medical X-ray image pickup device is configured by a solid-state image pickup device, the amount of noise required for the entire device including the photoelectric conversion element is a signal if an image quality higher than the film method is to be obtained. It is said that it is 1 / 10,000 or less with respect to the dynamic range. That is, the performance of the A / D converter necessary to achieve “digitization of X-ray image information” is also required to have a resolution of 14 bits or more. Recently, a 16-bit A / D converter is also commercially available, but the conversion speed has been reduced with the increase in the number of bits, and an X-ray having a 4000 × 4000 pixel photoelectric conversion device as described above. There are currently no high-speed A / D converters of 14 bits or more that are practically and practically used for imaging devices.

本発明は読み出し走査時間を短縮可能にし、高速読取り可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a photoelectric conversion device capable of shortening a reading scanning time and capable of reading at high speed, and a photoelectric conversion system having the device.

また本発明は熱的なノイズ(KTCノイズ)の発生の少ない、高S/Nの信号読出しを行なうことのできる光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide a photoelectric conversion device that can read a high S / N signal with little thermal noise (KTC noise) and a photoelectric conversion system having the device.

加えて本発明は固定パターンノイズが低減された、濃淡ムラや不要なスジのない良好な画像情報を得ることが可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することを目的とする。   In addition, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device capable of obtaining good image information with reduced fixed pattern noise and free of uneven density and unnecessary stripes, and a photoelectric conversion system having the device. .

更に本発明は、階調性に優れた画像情報を得ることが可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することを目的とする。   A further object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device capable of obtaining image information with excellent gradation and a photoelectric conversion system having the device.

加えて本発明は光電変換素子などの作製上のバラつきに起因するような特性の不均一を容易に補うことができ、より低コスト化を促進することが可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することを目的とする。   In addition, the present invention has a photoelectric conversion device that can easily compensate for non-uniform characteristics due to variations in the fabrication of photoelectric conversion elements and the like and can promote further cost reduction, and the device. An object is to provide a photoelectric conversion system.

上記各種の問題点を解決するため、たとえば、本発明の光電変換装置は、光を電荷に変換するための光電変換素子と前記電荷に応じた電気信号を出力するためのスイッチ素子とを含む画素が2次元に複数配され、行単位で複数の前記画素から前記電気信号を並列信号として出力するための光電変換回路部と、行単位で前記スイッチ素子の導通を制御するための駆動用回路部と、前記並列信号をサンプルホールドするためのサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部からの前記並列信号を直列信号として順次読み出しを行うための読み出し用スイッチと、を有する読み出し用回路部と、を有する光電変換装置において、前記読み出し用回路部が所定行の前記読み出しを行う時間内に、前記駆動用回路部は前記所定行と異なる行の前記スイッチ素子を導通させることを特徴とする。   In order to solve the above various problems, for example, a photoelectric conversion device according to the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion element for converting light into an electric charge and a switch element for outputting an electric signal corresponding to the electric charge. Are arranged two-dimensionally, a photoelectric conversion circuit unit for outputting the electric signal from the plurality of pixels in a row unit as a parallel signal, and a drive circuit unit for controlling the conduction of the switch element in a row unit And a read circuit unit including a sample hold unit for sample-holding the parallel signal, and a read switch for sequentially reading the parallel signal from the sample hold unit as a serial signal. In the photoelectric conversion device, the driving circuit unit includes the switch in a row different from the predetermined row within a time when the readout circuit unit performs the reading of the predetermined row. Characterized in that for turning the switch element.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に接続された初段のアナログ演算増幅器は、この入力端子部で換算される雑音電圧密度がVn(V/(Hz)1/2)であり、また前記光電変換回路部からの信号を十分に増幅できる周波数帯域B(Hz)を有しており、前記光電変換回路部内のスイッチング素子がオンすることにより発生する前記アナログ演算増幅器入力端子部における前記スイッチング素子の熱雑音実効電圧Tn(Vrms)に対して、Vn×B1/2≦Tnの関係を満足させることは好ましい。 In the readout circuit section, the first stage analog operational amplifier connected to each wiring of the matrix signal wiring has a noise voltage density converted to Vn (V / (Hz) 1/2 ) at this input terminal section. And an analog operational amplifier input terminal unit that has a frequency band B (Hz) that can sufficiently amplify a signal from the photoelectric conversion circuit unit, and that is generated when a switching element in the photoelectric conversion circuit unit is turned on. It is preferable to satisfy the relationship of Vn × B 1/2 ≦ Tn with respect to the thermal noise effective voltage Tn (Vrms) of the switching element in FIG.

さらに、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置することは好ましい。   Further, in the readout circuit unit, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. It is preferable to arrange a reset switch for reproduction.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続された少なくとも一つのアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりその増幅率を可変させる機能を備えることは好ましい。   In the readout circuit unit, it is preferable that at least one analog operational amplifier connected to each of the matrix signal wirings has a function of varying the amplification factor by an external signal.

加えて、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりその消費電流を低減させる機能を備えることは好ましい。   In addition, in the readout circuit section, it is preferable that the analog operational amplifiers connected to the respective matrix signal wirings have a function of reducing current consumption by an external signal.

また、前記読み出し用回路部二アナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換回路部を接続し、このA/D変換回路部は、前記読み出し回路部からの信号を増幅するための演算増幅器がN個(N:2以上)配置され、MビットのA/D変換器がN個配置され、前記N個の演算増幅器の増幅率G1、G2、...、GNの比はG1:G2:...:GN=20:21:...:2N-1 に設定され、前記N個の演算増幅器の出力は前記N個のA/D変換器にそれぞれ入力され、前記読み出し用回路部からのアナログ信号の出力レベルに応じて前記N個のA/D変換器の中から一つのA/D変換器の出力を選択し、N+M−1ビットのディジタル値として出力することは好適である。 In addition, an A / D conversion circuit unit for converting the readout circuit unit 2 analog signal into a digital signal is connected, and this A / D conversion circuit unit includes an operational amplifier for amplifying the signal from the readout circuit unit. N (N: 2 or more) are arranged, N M-bit A / D converters are arranged, and the ratio of the amplification factors G1, G2,... GN of the N operational amplifiers is G1: G2: ...: GN = 2 0 : 2 1 : ...: 2 N-1 is set, and the outputs of the N operational amplifiers are respectively input to the N A / D converters for reading. It is preferable that the output of one A / D converter is selected from the N A / D converters according to the output level of the analog signal from the circuit unit, and is output as an N + M−1 bit digital value. It is.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に接続された初段のアナログ演算増幅器(アンプ1)の近傍に、別個のアナログ演算増幅器(アンプ2)を配置させ、前記アンプ1を増幅率1倍以上の非反転増幅器として構成させ、また前記アンプ2は増幅率1倍のバッファ−アンプとして構成させ、前記アンプ1の動作の基準となる基準電位を、前記アンプ2の出力端子から供給するようにすることは好ましい。   In the readout circuit section, a separate analog operational amplifier (amplifier 2) is arranged in the vicinity of the first stage analog operational amplifier (amplifier 1) connected to each of the matrix signal wirings, and the amplifier 1 is amplified. The amplifier 2 is configured as a non-inverting amplifier with a gain of 1 or more, and the amplifier 2 is configured as a buffer amplifier with a gain of 1 and a reference potential serving as a reference for the operation of the amplifier 1 is supplied from the output terminal of the amplifier 2. It is preferable to do so.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、容量素子とリセットスイッチとの間に抵抗素子を介在させることは好ましい。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. It is preferable to dispose a reset switch for reproduction and interpose a resistance element between the capacitive element and the reset switch.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、容量素子とリセットスイッチとの間には抵抗素子を介在させ、外部からの信号により、そのリセットスイッチの開閉時間を可変させる機能を備えることは好ましい。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. It is preferable that a reset switch for reproduction is disposed, a resistance element is interposed between the capacitor element and the reset switch, and a function of varying the open / close time of the reset switch by an external signal is provided.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、前記容量素子の端子のうち、前記アナログ演算増幅器の出力に接続された端子と反対側の端子にローパスフィルタ回路を従属接続することは好ましい。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. It is preferable that a reset switch for reproduction is arranged and a low-pass filter circuit is subordinately connected to a terminal opposite to the terminal connected to the output of the analog operational amplifier among the terminals of the capacitive element.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続された少なくとも一つのアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりそのスルーレートを可変させる機能を備えることは好適である。   In the readout circuit unit, it is preferable that at least one analog operational amplifier connected to each of the matrix signal wirings has a function of varying a slew rate by an external signal.

さらに、前記光電変換回路部における光電変換素子およびスイッチング素子が、アモルファスシリコン半導体を半導体材料として用いることは好適である。   Furthermore, it is preferable that the photoelectric conversion element and the switching element in the photoelectric conversion circuit unit use an amorphous silicon semiconductor as a semiconductor material.

また、前記光電変換素子は、前記絶縁基板側から下部電極として第1の金属薄膜層(第1の導電層)、エレクトロンキャリアおよびホールキャリアの通過を阻止するアモルファス窒化シリコン絶縁層(a−SiNx)、半導体層としての水素化アモルファスシリコン光電変換層(a−Si:H)、ホールキャリアの注入を阻止するN型の注入阻止層、上部電極(第2の絶縁層)として透明導電層または前記注入阻止層上の一部に配置した第2の金属薄膜層で構成され、前記スイッチング素子(薄膜トランジスタ)は、前記絶縁基板側から下部ゲート電極として第1の金属薄膜層、アモルファス窒化シリコンのゲート絶縁層(a−SiNx)、水素化アモルファスシリコンの半導体層(a−Si:H)、N型のオーミックコンタクト層、ソース、ドレインの電極として透明導電層または第2の金属薄膜層で構成され、前記光電変換素子と前記スイッチング素子は同一の絶縁基板上に形成され、リフレッシュモードでは、ホールキャリアを前記光電変換層から第2の金属薄膜層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与え、光電変換モードでは光電変換層に入射した光により発生したキャリアを前記光電変換層に留まらせエレクトロンキャリアを前記第2の金属薄膜層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与え、前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積されるホールキャリアもしくは前記第2の金属薄膜層に導かれたエレクトロンキャリアを光信号として検出するようにしてもよい。   The photoelectric conversion element has an amorphous silicon nitride insulating layer (a-SiNx) that blocks passage of the first metal thin film layer (first conductive layer), electron carriers, and hole carriers from the insulating substrate side as a lower electrode. A hydrogenated amorphous silicon photoelectric conversion layer (a-Si: H) as a semiconductor layer, an N-type injection blocking layer for blocking hole carrier injection, a transparent conductive layer as the upper electrode (second insulating layer) or the injection The switching element (thin film transistor) is composed of a first metal thin film layer as a lower gate electrode from the insulating substrate side, and a gate insulating layer of amorphous silicon nitride. (A-SiNx), hydrogenated amorphous silicon semiconductor layer (a-Si: H), N-type ohmic contact layer, source The drain electrode is composed of a transparent conductive layer or a second metal thin film layer, the photoelectric conversion element and the switching element are formed on the same insulating substrate, and in the refresh mode, hole carriers are second from the photoelectric conversion layer. An electric field is applied to the photoelectric conversion element in a direction leading to the metal thin film layer, and in the photoelectric conversion mode, carriers generated by light incident on the photoelectric conversion layer remain in the photoelectric conversion layer, and electron carriers are allowed to remain in the second metal thin film layer. An electric field is applied to the photoelectric conversion element in the direction leading to the light source, and hole carriers accumulated in the photoelectric conversion layer or electron carriers guided to the second metal thin film layer in the photoelectric conversion mode are detected as an optical signal. May be.

また、前記光電変換素子を複数系統に分けて、各系統の光電変換素子をそれぞれ独立に前記リフレッシュモードに設定し、また各系統の光電変換素子をそれぞれ独立に前記光電変換モードに設定可能としてもよい。さらに加えて、蛍光体のような波長変換体を有していてもよい。加えて更に、光源と光電変換装置との間にグリッドを有することは好ましい。   Alternatively, the photoelectric conversion elements can be divided into a plurality of systems, the photoelectric conversion elements of each system can be independently set to the refresh mode, and the photoelectric conversion elements of each system can be independently set to the photoelectric conversion mode. Good. In addition, a wavelength converter such as a phosphor may be included. In addition, it is preferable to have a grid between the light source and the photoelectric conversion device.

本発明によれば、各行の読み出し走査において、転送〜読み出し〜リセットを一つの組とする場合の動作時間に比べ、ほぼ読み出し時間のみで行走査が可能となり、光電変換装置の読み取りにおいて大幅な高速化を可能にする。   According to the present invention, in the readout scanning of each row, the row scanning can be performed with almost only the readout time compared to the operation time in a case where transfer, readout, and reset are combined into one set, and the readout of the photoelectric conversion device is significantly faster. Make it possible.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に接続された初段のアナログ演算増幅器は、この入力端子部で換算される雑音電圧密度がVn(V/(Hz)1/2)であり、また前記光電変換回路部からの信号を十分に増幅できる周波数帯域B(Hz)を有しており、前記光電変換回路部内のスイッチング素子がオンすることにより発生する前記アナログ演算増幅器入力端子部における前記スイッチング素子の熱雑音実効電圧Tn(Vrms)に対して、Vn×B1/2≦Tnの関係を満足させることにより、転送時のおけるKTCノイズによるS/Nの低下を軽減することができる。 In the readout circuit section, the first stage analog operational amplifier connected to each wiring of the matrix signal wiring has a noise voltage density converted to Vn (V / (Hz) 1/2 ) at this input terminal section. And an analog operational amplifier input terminal unit that has a frequency band B (Hz) that can sufficiently amplify a signal from the photoelectric conversion circuit unit, and that is generated when a switching element in the photoelectric conversion circuit unit is turned on. By satisfying the relationship of Vn × B 1/2 ≦ Tn with respect to the thermal noise effective voltage Tn (Vrms) of the switching element in FIG. 5, it is possible to reduce the decrease in S / N due to KTC noise during transfer. it can.

また前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置させることにより、従来問題であったリセット時におけるKTCノイズによるS/Nの低減を軽減することができる。そして、それらのKTCノイズによるS/Nの低下を軽減させることによりランダムノイズが少ない高品位の画像情報が得られる。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to an output wiring from an output terminal of an analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring, and the capacitive element is DC-regenerated. By disposing a reset switch for this purpose, it is possible to reduce the S / N reduction due to KTC noise at the time of reset, which was a problem in the past. Then, by reducing the decrease in S / N due to the KTC noise, high-quality image information with less random noise can be obtained.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりその消費電流を低減させる機能を備えることにより、ICの発熱による転送用のスイッチング素子のOFF時の暗電流を低減することができ、固定パターンノイズが低減され、画像面内の濃淡や、すじのない画像を得ることができる。   Further, in the readout circuit section, the analog operational amplifiers connected to each of the matrix signal wirings have a function of reducing the current consumption by an external signal, so that switching for transfer due to heat generation of the IC is performed. The dark current when the element is OFF can be reduced, the fixed pattern noise is reduced, and an image having no shading or streaks in the image plane can be obtained.

加えて、本発明によれば、前記読み出し用回路部からのアナログ信号の出力レベルに応じてN個のA/D変換器の中から一つのA/D変換器の出力を選択し、[N+M−1]ビットのディジタル値として出力することにより、光電変換信号を高分解能で高速A/D変換が可能であり、階調性の高い光電変換装置が得られ、それを用いることにより高性能なX線撮像装置を提供することもできる。   In addition, according to the present invention, the output of one A / D converter is selected from the N A / D converters according to the output level of the analog signal from the readout circuit unit, and [N + M -1] By outputting as a digital value of bits, photoelectric conversion signals can be converted into high-speed and high-speed A / D conversion, and a photoelectric conversion device with high gradation can be obtained. An X-ray imaging apparatus can also be provided.

さらに、前記光電変換回路部における光電変換素子およびスイッチング素子が、アモルファスシリコン半導体を材料に形成することにより、大面積な光電変換装置を安価に提供することができる。しかも前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に縦続接続された少なくとも一つのアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりその増幅率が制御できる機能を備えることによりアモルファスシリコン半導体薄膜の製造上における膜厚ばらつきに起因するゲインばらつきを容易にかつ安価に補うことができる。   Furthermore, the photoelectric conversion element and the switching element in the photoelectric conversion circuit portion can be provided with a large-area photoelectric conversion device at low cost by forming an amorphous silicon semiconductor as a material. In addition, in the readout circuit section, at least one analog operational amplifier connected in cascade with each of the matrix signal wirings has a function of controlling the amplification factor by an external signal, so that the amorphous silicon semiconductor thin film can be manufactured. Gain variations caused by film thickness variations can be easily and inexpensively compensated.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に接続された初段のアナログ演算増幅器(アンプ1)の近傍に、別個の第2のアナログ演算増幅器(アンプ2)を配置させ、前記アンプ1を増幅率1倍以上の非反転増幅器として構成させ、また前記アンプ2は増幅率1倍のバッファ−アンプとして構成させ、前記アンプ1の動作の基準となる基準電位を、前記アンプ2の出力端子から供給することにより、アンプ1の基準電位が安定し、正確な光電変換信号が得られ、S/Nも大きくすることができる。   In the readout circuit section, a separate second analog operational amplifier (amplifier 2) is arranged in the vicinity of the first stage analog operational amplifier (amplifier 1) connected to each of the matrix signal wirings, and the amplifier 1 is configured as a non-inverting amplifier having an amplification factor of 1 or more, and the amplifier 2 is configured as a buffer amplifier having an amplification factor of 1. The reference potential serving as a reference for the operation of the amplifier 1 is output from the amplifier 2. By supplying from the terminal, the reference potential of the amplifier 1 is stabilized, an accurate photoelectric conversion signal can be obtained, and the S / N can be increased.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、容量素子とリセットスイッチとの間には抵抗素子を介在させることにより、直流再生時にローパスフィルタが構成され、前記アナログ演算増幅器のランダムノイズを低減でき、S/Nを大きくすることができる。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. By arranging a reset switch for reproduction and interposing a resistance element between the capacitive element and the reset switch, a low-pass filter is formed at the time of DC reproduction, and the random noise of the analog operational amplifier can be reduced. N can be increased.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、容量素子とリセットスイッチとの間には抵抗素子を介在させ、外部からの信号により、そのリセットスイッチの開閉時間を可変させる機能を備えたことにより、静止画モードでのS/Nを大きくしたり、動画モードでフレームレートを増やすことができ、より一層使い勝手が向上する。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. A reset switch for playback is arranged, a resistance element is interposed between the capacitive element and the reset switch, and a function for varying the open / close time of the reset switch by an external signal is provided. The S / N in the mode can be increased, and the frame rate can be increased in the moving image mode, thereby further improving the usability.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続されたアナログ演算増幅器の出力端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置し、前記容量素子の端子のうち、前記アナログ演算増幅器の出力に接続された端子と反対側の端子にローパスフィルタ回路を従属接続することにより、前記アナログ演算増幅器のランダムノイズを低減でき、S/Nを大きくすることができる。   In the readout circuit section, a capacitive element that allows only an AC component to pass is connected to the output wiring from the output terminal of the analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring. A reset switch for reproduction is arranged, and a low-pass filter circuit is subordinately connected to a terminal on the opposite side of the terminal connected to the output of the analog operational amplifier among the terminals of the capacitive element. Random noise can be reduced and S / N can be increased.

また、前記読み出し用回路部において、マトリクス信号配線の各配線に従属接続された少なくとも一つのアナログ演算増幅器は、外部からの信号によりそのスルーレートを可変させる機能を備えたことにより、ノイズ低減が必要とされる微弱な光電変換信号を読み取る場合に有利である。   Further, in the readout circuit section, at least one analog operational amplifier that is subordinately connected to each wiring of the matrix signal wiring has a function of changing the slew rate by an external signal, so that noise reduction is necessary. This is advantageous when reading a weak photoelectric conversion signal.

また、前記光電変換素子は、前記絶縁基板側から下部電極として第1の金属薄膜層、エレクトロンキャリアおよびホールキャリアの通過を阻止するアモルファス窒化シリコン絶縁層(a−SiNx)、水素化アモルファスシリコン光電変換層(a−Si:H)、ホールキャリアの注入を阻止するN型の注入阻止層、上部電極として透明導電層または前記注入阻止層上の一部に配置した第2の金属薄膜層で構成される。また、前記スイッチング素子は、前記絶縁基板側から下部ゲート電極として第1の金属薄膜層、アモルファス窒化シリコンのゲート絶縁層(a−SiNx)、水素化アモルファスシリコンの半導体層(a−Si:H)、N型のオーミックコンタクト層、ソース、ドレインの電極として透明導電層または第2の金属薄膜層で構成される。また、前記光電変換素子と前記スイッチング素子は同一の絶縁基板上に形成され、リフレッシュモードでは、ホールキャリアを前記光電変換層から第2の金属薄膜層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与え、光電変換モードでは光電変換層に入射した光により発生したキャリアを前記光電変換層に留まらせエレクトロンキャリアを前記第2の金属薄膜層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与え、前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積されるホールキャリアもしくは前記第2の金属薄膜層に導かれたエレクトロンキャリアを光信号として検出することにより、動画モードの対応も容易になる。   The photoelectric conversion element includes a first metal thin film layer, an amorphous silicon nitride insulating layer (a-SiNx) that blocks passage of electron carriers and hole carriers, and a hydrogenated amorphous silicon photoelectric conversion as a lower electrode from the insulating substrate side. A layer (a-Si: H), an N-type injection blocking layer for blocking hole carrier injection, a transparent conductive layer as an upper electrode, or a second metal thin film layer disposed on a part of the injection blocking layer. The Further, the switching element includes a first metal thin film layer, an amorphous silicon nitride gate insulating layer (a-SiNx), and a hydrogenated amorphous silicon semiconductor layer (a-Si: H) as a lower gate electrode from the insulating substrate side. , An N-type ohmic contact layer, and a transparent conductive layer or a second metal thin film layer as source and drain electrodes. The photoelectric conversion element and the switching element are formed on the same insulating substrate, and in the refresh mode, an electric field is applied to the photoelectric conversion element in a direction in which hole carriers are guided from the photoelectric conversion layer to the second metal thin film layer. In the photoelectric conversion mode, carriers generated by light incident on the photoelectric conversion layer remain in the photoelectric conversion layer, and an electric field is applied to the photoelectric conversion element in a direction in which electron carriers are guided to the second metal thin film layer. By detecting hole carriers accumulated in the photoelectric conversion layer according to the mode or electron carriers introduced to the second metal thin film layer as an optical signal, it is possible to easily cope with the moving image mode.

また、前記光電変換素子を複数系統に分けて、各系統の光電変換素子をそれぞれ独立に前記リフレッシュモードに設定し、また各系統の光電変換素子をそれぞれ独立に前記光電変換モードに設定することにより、動画モードの際、実質上フレームを大きくでき連続した画像が多数得ることができる。   Further, the photoelectric conversion elements are divided into a plurality of systems, the photoelectric conversion elements of each system are independently set to the refresh mode, and the photoelectric conversion elements of each system are independently set to the photoelectric conversion mode. In the moving image mode, the frame can be substantially enlarged and a large number of continuous images can be obtained.

本発明によれば、より詳細には、読み出し用回路部において、各光電変換回路部のマトリクス信号線から増幅された出力信号を、転送スイッチで一旦読み出しコンデンサに転送し、その後読み出しスイッチで順次切り替えることにより、1行分の読み出し走査時間が、従来のものに比べ大幅に短縮されることになる。すなわち本発明によれば、高速読み取り可能な光電変換装置及び該装置を用いた光電変換システムを達成することができる。   More specifically, according to the present invention, in the readout circuit unit, the output signal amplified from the matrix signal line of each photoelectric conversion circuit unit is temporarily transferred to the readout capacitor by the transfer switch, and then sequentially switched by the readout switch. As a result, the readout scanning time for one row is significantly shortened compared to the conventional one. That is, according to the present invention, it is possible to achieve a photoelectric conversion device capable of high-speed reading and a photoelectric conversion system using the device.

また、本発明によれば、読み出し用回路部の初段のアナログ演算増幅器に低ノイズ性能を備えることにより、得られる出力が光電変換回路部内で発生するKTCノイズの影響を受けにくくなる。すなわち本発明によれば、S/Nの高い光電変換装置及び該装置を用いた光電変換システムを提供することができる。   Further, according to the present invention, the low-noise performance is provided in the first-stage analog operational amplifier of the reading circuit unit, so that the output obtained is less affected by the KTC noise generated in the photoelectric conversion circuit unit. That is, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device having a high S / N and a photoelectric conversion system using the device.

また前記アナログ演算増幅器の出力端子に交流成分のみを通過させる容量素子を直列接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチを配置させることにより、光電変換回路部のリセット時に発生するKTCノイズによるS/Nの低下を抑止でき、S/Nの高い光電変換装置及びそのシステムを提供でき、ざらつきのない高品位の画像を得ることができる。   In addition, a capacitor element that allows only an AC component to pass through is connected in series to the output terminal of the analog operational amplifier, and a reset switch for reproducing the capacitor element by direct current is disposed, thereby generating KTC noise generated when the photoelectric conversion circuit unit is reset. S / N can be prevented from lowering due to a high-S / N photoelectric conversion device and a system thereof, and a high-quality image without roughness can be obtained.

また、本発明によれば、読み取り動作をしない状態いわゆるスタンバイ状態において、読み出し用回路部で用いられるオペアンプの消費電流を低減させる機能を有することにより、ICの発熱が抑えられ、動作時における光電変換回路部のスイッチング素子の暗電流を低減することができる。すなわち本発明によれば、光電変換装置の固定パターンノイズが低減され、面内の濃淡やすじのない良好な画像が得られる。   In addition, according to the present invention, in a state where a reading operation is not performed, that is, in a so-called standby state, the function of reducing the consumption current of the operational amplifier used in the reading circuit unit can suppress the heat generation of the IC, and the photoelectric conversion during the operation The dark current of the switching element in the circuit portion can be reduced. That is, according to the present invention, the fixed pattern noise of the photoelectric conversion device is reduced, and a good image without in-plane light and shade can be obtained.

また、本発明によれば、A/D変換回路部において、前記読み出し回路部からの信号を増幅するための演算増幅器がN個(N:2以上)配置され、MビットのA/D変換器がN個配置され、前記N個の演算増幅器の増幅率G1、G2、...、GNの比はG1:G2:...:GN=20:21:...:2N-1に設定され、前記N個の演算増幅器の出力は前記N個のA/D変換器にそれぞれ入力され、前記読み出し用回路部からのアナログ信号の出力レベルに応じて前記N個のA/D変換器の中から一つのA/D変換器の出力を選択し、N+M−1ビットのディジタル値として出力することにより、光電変換信号を高分解能かつ高速にA/D変換することができる。すなわち本発明によれば、階調性の高い画像データを得ることができる。また本発明の光電変換装置は高性能医療用X線撮像装置などの光電変換システムに用いても好適である。 According to the present invention, in the A / D conversion circuit unit, N operational amplifiers (N: 2 or more) for amplifying the signal from the readout circuit unit are arranged, and an M-bit A / D converter , And the ratio of the amplification factors G1, G2,..., GN of the N operational amplifiers is G1: G2: ...: GN = 2 0 : 2 1 : ...: 2 N- 1 and the outputs of the N operational amplifiers are respectively input to the N A / D converters, and the N A / Ds are output in accordance with the output level of the analog signal from the readout circuit unit. By selecting the output of one A / D converter from the converters and outputting it as a digital value of N + M−1 bits, the photoelectric conversion signal can be A / D converted with high resolution and high speed. That is, according to the present invention, image data with high gradation can be obtained. The photoelectric conversion apparatus of the present invention is also suitable for use in a photoelectric conversion system such as a high-performance medical X-ray imaging apparatus.

さらに、前記光電変換回路部における光電変換素子およびスイッチング素子をアモルファスシリコン半導体を材料に用いることにより、容易なプロセスで大面積の光電変換装置が安価に提供することができる。しかも前記読み出し用回路部内のマトリクス信号配線のアナログ演算増幅器の増幅率を、外部からの信号により制御できる機能を備えることにより、アモルファスシリコン半導体薄膜の製造上における膜厚ばらつきに起因するゲインばらつきを容易に補うことができ、装置の低コスト化を促進することができる。   Furthermore, by using an amorphous silicon semiconductor for the photoelectric conversion element and the switching element in the photoelectric conversion circuit section, a large-area photoelectric conversion device can be provided at a low cost with an easy process. In addition, by providing a function that can control the amplification factor of the analog operational amplifier of the matrix signal wiring in the readout circuit section by an external signal, it is easy to gain variations due to film thickness variations in the production of amorphous silicon semiconductor thin films. Therefore, cost reduction of the apparatus can be promoted.

以上述べてきたように、本発明の光電変換装置はスピード、S/N、階調性、コストの点において極めて優れており、近年の医療業界や産業界において強く望まれている”X線画像情報のディジタル化”の要求に答え、高齢化社会をむかえつつある日本はもちろんのこと、全世界中の病院内での診断効率を向上し、また建築物やその他各種部材の非破壊検査等の検査効率とその後の対処効率を向上させることを可能にする。   As described above, the photoelectric conversion device of the present invention is extremely excellent in terms of speed, S / N, gradation, and cost, and is strongly desired in the medical industry and industry in recent years. In response to the demands of “digitalization of information”, we are improving the diagnosis efficiency in hospitals all over the world, not only in Japan, which is facing an aging society, but also in nondestructive inspection of buildings and other various parts It is possible to improve inspection efficiency and subsequent handling efficiency.

以下、図面を参照しつつ本発明の内容を各実施形態として詳細に説明する。   Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail as embodiments with reference to the drawings.

(実施形態1)
図3は本発明の第1の実施形態を示す光電変換装置の回路図である。説明を簡単化するために、図においては3×3の合計9画素で構成している。また、図1と同じ部材については同様の記号を用いている。S1-1〜S3-3は可視光を受光し電気信号に変換するための光電変換素子であり、T1-1〜T3-3は光電変換素子S1-1〜S3-3で光電変換された信号電荷を、マトリクス信号配線M1〜M3側へ転送するためのスイッチ素子である。G1〜G3はシフトレジスタ(SR1)に接続され且つスイッチ素子T1-1〜T3-3に接続されたスイッチのゲート駆動用配線である。マトリクス信号配線M1には、前述したように、スイッチ素子の電極間容量(Cgs)の3個分の容量が転送時において付加されており、図1内では容量素子としての表記をしていない。他のマトリクス信号配線M2、M3についても同様である。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a circuit diagram of the photoelectric conversion device showing the first embodiment of the present invention. In order to simplify the explanation, the figure is composed of a total of 9 pixels of 3 × 3. Moreover, the same symbols are used for the same members as in FIG. S1-1 to S3-3 are photoelectric conversion elements for receiving visible light and converting them into electrical signals, and T1-1 to T3-3 are signals photoelectrically converted by the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3. This is a switch element for transferring charges to the matrix signal wirings M1 to M3. G1 to G3 are gate drive wirings of switches connected to the shift register (SR1) and connected to the switch elements T1-1 to T3-3. As described above, the matrix signal wiring M1 is added with three capacitances of the interelectrode capacitance (Cgs) of the switching element at the time of transfer, and is not represented as a capacitive element in FIG. The same applies to the other matrix signal wirings M2 and M3.

光電変換素子S1-1〜S3-3とスイッチング素子T1-1〜T3-3とゲート駆動配線G1〜G3とマトリクス信号配線M1〜M3が図中光電変換回路部101内に表示されており、図示されていないが、それぞれ1つの絶縁基板上に配置されている。102はスイッチ素子T1-1〜T3-3を開閉するためのシフトレジスタ(SR1)で構成される駆動用回路部である。A1〜A3は、マトリクス信号配線M1〜M3の信号電荷を増幅し、インピーダンス変換するためのオペアンプであり、図中においては電圧ホロワ回路を構成したバッファアンプとしてのみ記載してある。Sn1からSn3はオペアンプA1〜A3の出力すなわち各マトリクス信号配線M1〜M3の出力を読み出し、読み出しコンデンサCL1〜CL3へ転送する転送スイッチである。   Photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, switching elements T1-1 to T3-3, gate drive wirings G1 to G3, and matrix signal wirings M1 to M3 are displayed in the photoelectric conversion circuit unit 101 in the figure. Although not provided, each is disposed on one insulating substrate. Reference numeral 102 denotes a drive circuit unit including a shift register (SR1) for opening and closing the switch elements T1-1 to T3-3. A1 to A3 are operational amplifiers for amplifying the signal charges of the matrix signal wirings M1 to M3 and converting the impedance, and are illustrated only as buffer amplifiers constituting a voltage follower circuit in the drawing. Sn1 to Sn3 are transfer switches that read out the outputs of the operational amplifiers A1 to A3, that is, the outputs of the matrix signal wirings M1 to M3, and transfer them to the read capacitors CL1 to CL3.

読み出しコンデンサCL1〜CL3は、電圧ホロワ回路を構成したバッファアンプB1〜B3を介して読み出し用スイッチSr1〜Sr3により読み出される。103は読み出し用スイッチSr1〜Sr3を切り替えるためのシフトレジスタ(SR2)である。CL1〜 CL3の並列信号は、Sr1〜Sr3とシフトレジスタ(SR2)103により直列変換され、最終段の電圧ホロワ回路を構成したオペアンプ104に入力され、さらにA/D変換回路部105でディジタル化される。RES1〜RES3はマトリクス信号配線M1〜M3に付加された容量(3個分のCgs)に蓄えられた信号成分をリセットするためのリセット用スイッチであり、CRES端子からのパルスによりあるリセット電位にリセット(図中ではGND電位にリセット)される。   The read capacitors CL1 to CL3 are read by the read switches Sr1 to Sr3 via the buffer amplifiers B1 to B3 constituting the voltage follower circuit. Reference numeral 103 denotes a shift register (SR2) for switching the read switches Sr1 to Sr3. The parallel signals of CL1 to CL3 are serially converted by Sr1 to Sr3 and the shift register (SR2) 103, input to the operational amplifier 104 constituting the final voltage follower circuit, and further digitized by the A / D conversion circuit unit 105. The RES1 to RES3 are reset switches for resetting signal components stored in capacitors (three Cgs) added to the matrix signal wirings M1 to M3, and are reset to a certain reset potential by a pulse from the CRES terminal. (Reset to GND potential in the figure).

また、106は光電変換素子S1-1〜S3-3にバイアスを与えるための電源である。読み出し用回路部107は、バッファアンプA1〜A3、転送スイッチSn1〜Sn3、読み出しコンデンサCL1〜 CL3、バッファアンプB1〜B3、読み出し用スイッチSr1〜Sr3、シフトレジスタSR2、最終段のオペアンプ104、リセット用スイッチRES1〜RES3で構成されている。   Reference numeral 106 denotes a power source for applying a bias to the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3. The read circuit unit 107 includes buffer amplifiers A1 to A3, transfer switches Sn1 to Sn3, read capacitors CL1 to CL3, buffer amplifiers B1 to B3, read switches Sr1 to Sr3, a shift register SR2, a final stage operational amplifier 104, and a reset circuit. The switches RES1 to RES3 are configured.

図4は、図3に示される光電変換装置の動作を示すタイミングチャートである。図4を用いて、動作の詳細を説明する。光電変換素子S1-1〜S3-3で光電変換された信号電荷は、光電変換素子内で形成されている容量成分に一定の期間だけ蓄積される。第1行の光電変換素子S1-1〜S1-3に蓄積されていた信号電荷は、シフトレジスタ(SR1)102のゲートパルス信号G1によりスイッチング素子T1-1〜T1-3がt1時間だけ”ON”し、マトリクス信号配線M1〜M3の各配線に形成される容量成分(スイッチング素子T1-1〜T3-3のCgs3個分の容量)に転送される。図4中、M1〜M3はその転送の様子を示しており、各光電変換素子内に蓄えられた信号量が異なった場合を示している。すなわち、第1行の光電変換素子(S1-1からS1-3)においては、その出力レベルがS1-2>S1-1>S1-3である。マトリクス信号配線M1〜M3の信号出力は、それぞれオペアンプA1〜A3によりインピーダンス変換される。   FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the photoelectric conversion apparatus shown in FIG. Details of the operation will be described with reference to FIG. The signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are accumulated for a certain period in the capacitance component formed in the photoelectric conversion element. The signal charges stored in the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row are turned on only by the switching elements T1-1 to T1-3 by the gate pulse signal G1 of the shift register (SR1) 102 for t1 time. Then, it is transferred to a capacitance component (capacity corresponding to 3 Cgs of the switching elements T1-1 to T3-3) formed in each of the matrix signal wirings M1 to M3. In FIG. 4, M1 to M3 indicate the state of the transfer, and indicate the case where the signal amounts stored in the photoelectric conversion elements are different. That is, in the first row of photoelectric conversion elements (S1-1 to S1-3), the output level is S1-2> S1-1> S1-3. The signal outputs of the matrix signal wires M1 to M3 are impedance-converted by operational amplifiers A1 to A3, respectively.

その後、読み出し用回路部内のスッチイング素子Sn1〜Sn3が、図4中に示されるSMPLパルスによりt2時間だけ”ON”し、読み出しコンデンサCL1〜CL3にそれぞれ転送される。読み出しコンデンサCL1〜CL3の信号は、それぞれバッファアンプB1〜B3によりインピーダンス変換される。その後読み出し用スイッチSr1〜Sr3がシフトレジスタ(SR2)103からのシフトパルスSp1〜Sp3により順次”ON”することにより、、読み出し用コンデンサCL1〜CL3に転送されていた並列の信号電荷が、直列変換され読み出される。Sp1、Sp2、Sp3のシフトパルスのパルス幅をSp1=Sp2=Sp3=t3とすると、この直列変換読み出しに必要な時間はt3×3となる。直列変換された信号は最終段のオペアンプ104から出力され、さらにA/D変換回路部105によりディジタル化される。   Thereafter, the switching elements Sn1 to Sn3 in the readout circuit section are turned “ON” for t2 time by the SMPL pulse shown in FIG. 4 and transferred to the readout capacitors CL1 to CL3, respectively. The signals of the read capacitors CL1 to CL3 are impedance-converted by buffer amplifiers B1 to B3, respectively. Thereafter, the read switches Sr1 to Sr3 are sequentially turned on by the shift pulses Sp1 to Sp3 from the shift register (SR2) 103, so that the parallel signal charges transferred to the read capacitors CL1 to CL3 are converted into a serial signal. And read. Assuming that the pulse widths of the shift pulses Sp1, Sp2, and Sp3 are Sp1 = Sp2 = Sp3 = t3, the time required for this serial conversion readout is t3 × 3. The serially converted signal is output from the operational amplifier 104 at the final stage and further digitized by the A / D conversion circuit unit 105.

図4中に示されたVoutはA/D変換回路部に入力される前のアナログ信号を示している。図4に示しているように、第1行のS1-1〜S1-3の並列信号すなわちマトリクス信号配線M1〜M3の信号電位の並列信号が、それらの信号の第小に比例してVout信号上で、直列変換されている。最後に、マトリクス信号配線M1〜M3の信号電位はCRESパルスがt4時間だけ”ON”することによりリセット用スイッチ素RES1〜RES3を介して一定のリセット電位(GND電位)にリセットされ、次の光電変換素子S2-1〜S2-3の第2行の信号電荷の転送に備える。以下同様に第2行、第3行の光電変換された信号が繰り返し読み出される。   Vout shown in FIG. 4 indicates an analog signal before being input to the A / D conversion circuit unit. As shown in FIG. 4, the parallel signals of S1-1 to S1-3 in the first row, that is, the parallel signals of the signal potentials of the matrix signal wirings M1 to M3 are proportional to the Vth signal. Above, it is serially converted. Finally, the signal potentials of the matrix signal wirings M1 to M3 are reset to a constant reset potential (GND potential) via the reset switch elements RES1 to RES3 when the CRES pulse is “ON” for t4 time, and the next photoelectrical In preparation for the transfer of signal charges in the second row of the conversion elements S2-1 to S2-3. Similarly, the photoelectrically converted signals in the second and third rows are repeatedly read out.

ここで、図4から判るように、本発明では、第1行のCL1〜CL3の信号電荷の読み出し動作に必要なt3×3の時間範囲内に、第1行のマトリクス信号配線M1〜M3の容量のリセット動作と、第2行の光電変換素子S2-1〜S2-3のゲートパルスG2による転送動作との、二つの動作を行うことができる。すなわち1行の読み出しに必要とされる時間はt4+t1+t2であり、この時間はほぼ(t3×3)+t2に等しくすることができる。マトリクス信号配線M1〜M3の1本に形成されている容量は、図あにおいては、光電変換素子S2-1〜S2-3に接続されたスイッチング素子の電極間容量Cgsのたかだか3個分である。   Here, as can be seen from FIG. 4, in the present invention, the matrix signal wirings M1 to M3 in the first row are within a time range of t3 × 3 necessary for the signal charge read operation of CL1 to CL3 in the first row. Two operations can be performed: a capacitance reset operation and a transfer operation by the gate pulse G2 of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row. That is, the time required for reading one row is t4 + t1 + t2, and this time can be made substantially equal to (t3 × 3) + t2. In the figure, the capacitance formed in one of the matrix signal wirings M1 to M3 is at most three of the interelectrode capacitance Cgs of the switching elements connected to the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3. .

しかしながら、前述したように、実際の光電変換素子を構成する場合、1列で数百から数千のビットとなるため、読み出し用コンデンサCLに比べれば、容量値として非常に大きくなる。そうなるとSMPLパルスによる転送に必要な時間t2は、ほぼ読み出し用コンデンサCLの容量値とスイッチ素子Snx(x:1〜3)のオン抵抗値の積で決定される時定数の数倍の時間で十分となる。読み出し用回路部107を通常の結晶シリコンを基板材料にした集積回路(IC)で構成すれば、t2の時間はt1、t3、あるいはt3×3の各時間に比べ十分短い時間で動作させることができる。   However, as described above, when an actual photoelectric conversion element is configured, the number of bits is several hundred to several thousand in one column, so that the capacitance value is very large as compared with the reading capacitor CL. As a result, the time t2 required for the transfer by the SMPL pulse is sufficient to be several times the time constant determined by the product of the capacitance value of the readout capacitor CL and the on-resistance value of the switch element Snx (x: 1 to 3). It becomes. If the reading circuit unit 107 is formed of an integrated circuit (IC) using normal crystalline silicon as a substrate material, the time t2 can be operated in a time sufficiently shorter than each time t1, t3, or t3 × 3. it can.

すなわち、1行の光電変換素子の信号電荷を読みとるのに必要な時間は、ほぼt4+t1=t3×3に設定することができる。このことは、前述した例の場合は、1行の読み出しには、(光電変換素子からマトリクス信号配線への転送に必要な時間t1)+(マトリクス信号配線の信号を読み出すのに必要な時間t3×3)+(マトリクス信号配線の容量成分をリセットするのに必要な時間t4)の時間が必要であったのに対し、本実施形態においては、(マトリクス信号配線の信号を読み出すのに必要な時間t3×3)の時間で1行を読み出すことが可能であり、光電変換装置としての読み取りスピードが大幅に短縮されることになる。   That is, the time required for reading the signal charges of one row of photoelectric conversion elements can be set to approximately t4 + t1 = t3 × 3. In the case of the above-described example, this means that for reading one row, (time t1 required for transfer from the photoelectric conversion element to the matrix signal wiring) + (time t3 necessary for reading the signal of the matrix signal wiring) (* 3) + (time t4 required for resetting the capacitance component of the matrix signal wiring) is required, but in the present embodiment, (time required for reading the signal of the matrix signal wiring) One row can be read out at time t3 × 3), and the reading speed as a photoelectric conversion device is greatly reduced.

図5(a)は、光電変換素子及びスイッチング素子をアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した時の光電変換回路部の概略的上面図である、図5(b)は、図5(a)中A−Bにおける概略的断面構成図である。光電変換素子301及びスイッチング素子302(アモルファスシリコンTFT、以下単にTFTと記す)は、同一基板303上に形成されており、光電変換素子301の下部電極は、TFT302の下部電極(ゲート電極)と同一の第1の金属薄膜層304で共有されており、光電変換素子301の上部電極は、TFT302の上部電極(ソース電極、ドレイン電極)と同一の第2の金属薄膜層305で共有されている。また、第1、第2の金属薄膜層は、光電変換回路部内の、ゲート駆動用配線306、マトリクス信号配線307も共有している。図5(a)においては、画素数として2×2の計4画素分が記載されている。図5(a)中、ハッチング部は、光電変換素子の受光面である。309は光電変換素子にバイアスを与える電源ラインである。また、310は光電変換素子301とTFT302を接続するためのコンタクトホールである。   FIG. 5A is a schematic top view of the photoelectric conversion circuit unit when the photoelectric conversion element and the switching element are configured using an amorphous silicon semiconductor thin film. FIG. 5B is a diagram in FIG. It is a schematic sectional block diagram in AB. The photoelectric conversion element 301 and the switching element 302 (amorphous silicon TFT, hereinafter simply referred to as TFT) are formed on the same substrate 303, and the lower electrode of the photoelectric conversion element 301 is the same as the lower electrode (gate electrode) of the TFT 302. The upper electrode of the photoelectric conversion element 301 is shared by the same second metal thin film layer 305 as the upper electrode (source electrode, drain electrode) of the TFT 302. The first and second metal thin film layers also share the gate driving wiring 306 and the matrix signal wiring 307 in the photoelectric conversion circuit portion. In FIG. 5A, a total of 4 pixels of 2 × 2 is described as the number of pixels. In FIG. 5A, the hatched portion is the light receiving surface of the photoelectric conversion element. Reference numeral 309 denotes a power supply line for applying a bias to the photoelectric conversion element. Reference numeral 310 denotes a contact hole for connecting the photoelectric conversion element 301 and the TFT 302.

ここで、本実施形態における光電変換回路部の形成方法を説明する。まず、絶縁基板303上にスパッタ法や抵抗加熱法によりクロム(Cr)を第1の金属薄膜層304を約500オングストローム蒸着し、フォトリソグラフィーによりパターニングし、不必要なエリアをエッチングする。この第1の金属薄膜層304は光電変換素子301の下部電極及びスイッチング素子302のゲート電極となる。次に、CVD法により、同一真空内でaーSiNx(311)、a−Si:H(312)、N+層(313)をそれぞれ、3000、5000、1000オングストロームづつ順次積層させる。これらの各層は、光電変換素子301の絶縁層/光電変換半導体層/ホール注入阻止層であり、そしてスイッチング素子302(TFT)のゲート絶縁膜/半導体層/オーミックコンタクト層となる。 Here, a method for forming the photoelectric conversion circuit portion in this embodiment will be described. First, a first metal thin film layer 304 of about 500 Å is deposited on the insulating substrate 303 by sputtering or resistance heating, and patterned by photolithography, and unnecessary areas are etched. The first metal thin film layer 304 serves as a lower electrode of the photoelectric conversion element 301 and a gate electrode of the switching element 302. Next, a-SiNx (311), a-Si: H (312), and an N + layer (313) are sequentially stacked by 3000, 5000, and 1000 angstroms, respectively, in the same vacuum by the CVD method. Each of these layers is an insulating layer / photoelectric conversion semiconductor layer / hole injection blocking layer of the photoelectric conversion element 301 and a gate insulating film / semiconductor layer / ohmic contact layer of the switching element 302 (TFT).

また、第1の金属薄膜層304と第2の金属薄膜層305とのクロス部(図5(a)314)の絶縁層としても利用される。各層の膜厚は上記厚さに限らず光電変換装置として使用する電圧、電荷、光電変換素子受光面の入射光量等により最適に設計される。少なくとも、a−SiNxは、エレクトロンとホールが通過できず、また、TFT302のゲート絶縁膜として十分機能できる500オングストローム以上が望ましい。各層を堆積した後、コンタクトホール(図5(a)310参照)となるエリアをRIEまたはCDE等でドライエッチングし、その後、第2の金属薄膜層305としてアルミニウム(Al)をスパッタ法や抵抗加熱法で約10000オングストローム堆積させる。さらにフォトリソグラフィーによりパターニングし、不必要なエリアをエッチングする。   Moreover, it is utilized also as an insulating layer of the cross | intersection (FIG. 5 (a) 314) of the 1st metal thin film layer 304 and the 2nd metal thin film layer 305. FIG. The film thickness of each layer is not limited to the above thickness, but is optimally designed according to the voltage used for the photoelectric conversion device, charge, the amount of incident light on the light receiving surface of the photoelectric conversion element, and the like. At least a-SiNx is preferably 500 angstroms or more, which cannot pass electrons and holes, and can sufficiently function as a gate insulating film of the TFT 302. After depositing each layer, an area to be a contact hole (see FIG. 5A 310) is dry-etched by RIE or CDE, and then aluminum (Al) is sputtered or resistance-heated as the second metal thin film layer 305. About 10,000 angstroms. Further, patterning is performed by photolithography, and unnecessary areas are etched.

第2の金属薄膜層は光電変換素子301の上部電極、スイッチングTFT302のソース、ドレイン電極、その他の配線等となる。また第2の金属薄膜層305の成膜と同時にコンタクトホール部310で上下の金属薄膜層が接続される。更に、TFT302のチャネル部を形成するために、ソース電極、ドレイン電極間の一部をRIE法でエッチングし、その後、不必要なaーSiNx層、a−Si:H層、N+層をRIE法でエッチングし各素子が分離される。これで、光電変換素子301、スイッチングTFT302、他の配線類(306、307、309)、コンタクトホール部310が形成される。図5(b)の概略的断面図においては2画素分のみしか図示されていないが、多数の画素が同時に絶縁基板303上に形成されることは言うまでもない。 The second metal thin film layer becomes the upper electrode of the photoelectric conversion element 301, the source and drain electrodes of the switching TFT 302, and other wirings. Simultaneously with the formation of the second metal thin film layer 305, the upper and lower metal thin film layers are connected through the contact hole portion 310. Further, in order to form a channel portion of the TFT 302, a part between the source electrode and the drain electrode is etched by the RIE method, and then unnecessary a-SiNx layer, a-Si: H layer, and N + layer are formed by RIE. Each element is separated by etching. Thus, the photoelectric conversion element 301, the switching TFT 302, other wirings (306, 307, 309), and the contact hole portion 310 are formed. In the schematic cross-sectional view of FIG. 5B, only two pixels are shown, but it goes without saying that a large number of pixels are simultaneously formed on the insulating substrate 303.

最後に、耐湿性向上の目的として、各素子、配線類をSiNxのパッシベーション膜(保護膜)315で被覆する。以上の説明の通り、光電変換素子、スイッチングTFT、配線類が同時に堆積された共通の第1の金属薄膜層、aーSiNx、a−Si:H、N+層、および第2の金属薄膜層と各層のエッチングのみで形成される。 Finally, for the purpose of improving moisture resistance, each element and wiring are covered with a SiNx passivation film (protective film) 315. As described above, the common first metal thin film layer, a-SiNx, a-Si: H, N + layer, and second metal thin film layer in which the photoelectric conversion element, the switching TFT, and the wirings are simultaneously deposited. And only by etching each layer.

以上述べたようなアモルファスシリコン半導体を主たる材料にしたプロセスを用いれば、光電変換素子、スイッチング素子、ゲート駆動用配線、マトリクス信号配線を、同一基板上に同時に作製することができ、大面積の光電変換回路部が容易に、しかも安価に提供することができる。   By using the process mainly made of amorphous silicon semiconductor as described above, photoelectric conversion elements, switching elements, gate driving wirings, and matrix signal wirings can be fabricated on the same substrate at the same time. The conversion circuit unit can be provided easily and inexpensively.

一般にアモルファスシリコンTFTは、結晶シリコンのスイッチ素子にくらべ、その材料としての電子の移動度が低いために、ON抵抗が著しく大きくなる。例えば、上記プロセスにより作製したチャネルサイズ(W/L):50μm/10μmのTFTのON抵抗は、12Vのバイアス(Vgs)の印加により8メガオームと非常に大きい値になる。このTFTを用い図5(a)、図5(b)に示されるような光電変換回路部を画素ピッチ100μmで構成すると、光電変換素子内で形成される容量成分は2〜3(pF)となり、光電変換素子からマトリクス信号配線への転送に必要な時間は、時定数τとしておおよそ20(μsec)必要となる。転送を十分に行うためには、その時定数の数倍の時間が必要となる。仮に4τの時間を設けるとすると、TFTの駆動用ゲートパルスのパルス幅は80(μsec)となる。   In general, an amorphous silicon TFT has a significantly high ON resistance because it has a lower electron mobility than a crystalline silicon switch element. For example, the ON resistance of a TFT having a channel size (W / L): 50 μm / 10 μm manufactured by the above process becomes a very large value of 8 megaohms when a 12 V bias (Vgs) is applied. When this photoelectric conversion circuit unit as shown in FIGS. 5A and 5B is configured with a pixel pitch of 100 μm using this TFT, the capacitance component formed in the photoelectric conversion element is 2 to 3 (pF). The time required for transfer from the photoelectric conversion element to the matrix signal wiring is approximately 20 (μsec) as the time constant τ. In order to perform the transfer sufficiently, a time several times the time constant is required. If a time of 4τ is provided, the pulse width of the TFT driving gate pulse is 80 (μsec).

上記TFTの1個のCgsは0.05(pF)程度であり、1行の画素数を4000個に設定した場合、マトリクス信号配線1本に形成される容量成分は、4000×Cgs=200 (pF)である。図3で示される読み出し用回路部内のリセット用スイッチ素子(RES1〜RES3)のON抵抗は、読み出し用回路部がIC(結晶シリコン)であれば数百オームから数キロオーム程度には容易に作製でき、そのリセットに必要な時定数τRは、 配線の抵抗成分を無視できれば、1(μSEC)にも満たない。しかしながら、そのリセット動作におけるリセット電流の通過経路はTFTのCgsを介しゲート駆動配線(第3図でいえばG1、G2、G3)を流れることになる。ゲート駆動配線の材料としてクロムを用い、図5(a)、図5(b)に示されるような構成で光電変換回路部を構成すれば、その配線による抵抗値は高くなることが予想される。 One Cgs of the TFT is about 0.05 (pF), and when the number of pixels in one row is set to 4000, the capacitance component formed in one matrix signal wiring is 4000 × Cgs = 200 ( pF). The ON resistances of the reset switch elements (RES1 to RES3) in the readout circuit section shown in FIG. 3 can be easily manufactured from several hundred ohms to several kiloohms if the readout circuit section is an IC (crystalline silicon). The time constant τ R necessary for the reset is less than 1 (μSEC) if the resistance component of the wiring can be ignored. However, the reset current passing path in the reset operation flows through the gate drive wiring (G1, G2, G3 in FIG. 3) via the Cgs of the TFT. If chromium is used as the material of the gate drive wiring and the photoelectric conversion circuit portion is configured as shown in FIGS. 5A and 5B, the resistance value due to the wiring is expected to increase. .

抵抗値を低減するために配線幅を太くすれば、100(μm)×100(μm)の画素領域に対する光電変換素子の受光面の占有面積が低下し信号量が確保できなり、また配線膜厚を厚くすれば保護膜315のカバレッジ性が低下し信頼性が懸念される。従って、おおよそ配線幅10(μm)、配線膜厚1000(A)程度が設計上妥当なところである。   If the wiring width is increased in order to reduce the resistance value, the occupation area of the light receiving surface of the photoelectric conversion element with respect to the pixel area of 100 (μm) × 100 (μm) is reduced, and the signal amount can be secured, and the wiring thickness is increased. If the thickness of the protective film 315 is increased, the coverage of the protective film 315 is lowered and there is a concern about reliability. Therefore, a wiring width of about 10 (μm) and a wiring film thickness of about 1000 (A) are reasonable in design.

ゲート駆動配線にクロムを用いた場合そのシート抵抗はおよそ2オーム/□であり、そして配線長は、上述の例では4000(画素)×100(μm)でおおよそ40(cm)以上になり、配線の抵抗としては80(キロオーム)にもなる。そうなるとマトリクス信号配線に形成された約200(pF)の容量をリセットするのに必要な時間は、τR=1(μsec)では足りなくなる。実際のリセット動作では、2次元的な分布定数回路になり、単純にCR時定数では表すことはできないが、十分にリセットするためには200(pF)×80(kΩ)=16(μsec)の数倍の時間が必要とされ、駆動用ゲートパルス幅80(μsec)とほぼ同等の時間が必要となる。 When chromium is used for the gate drive wiring, the sheet resistance is about 2 ohm / □, and the wiring length is about 40 (cm) at 4000 (pixels) × 100 (μm) in the above example. The resistance is 80 (kiloohms). As a result, τ R = 1 (μsec) is insufficient for resetting the capacitance of about 200 (pF) formed in the matrix signal wiring. In an actual reset operation, it becomes a two-dimensional distributed constant circuit and cannot be simply expressed by the CR time constant, but in order to sufficiently reset, 200 (pF) × 80 (kΩ) = 16 (μsec) Several times are required, and a time substantially equal to the driving gate pulse width of 80 (μsec) is required.

また、4000画素分のマトリクス信号配線が接続される読み取り用回路部(IC)は1個のICで構成した場合、ICのサイズが非常に大きくなりIC自身の歩留まりが低下する。また、1個のICでは1行=4000画素分のデータを直列読み出しするために非常に時間がかかりすぎる。従って、読み出し用回路部は、適当な数:N個に分割され、N個同時に動作される。例えば、Nは光電変換素子からマトリクス信号配線への転送時間(t1)とマトリクス信号配線のリセット時間(t4)の和の時間(t1+t4)で直列変換され得るように設定される。上述の例でいえば、転送時間t1:80(μsec)+リセット時間t4:80(μsec)=160(μsec)、直列変換する変換レート(シフトレジスタ2のSpのパルス幅:t3)を1.6(μsec)にすれば、100画素分を入力できる読み出し用回路部をN=20個用意することになる。   Further, when the reading circuit unit (IC) to which the matrix signal wiring for 4000 pixels is connected is constituted by one IC, the size of the IC becomes very large and the yield of the IC itself is lowered. In addition, it takes too much time for one IC to read out data for one row = 4000 pixels in series. Therefore, the read circuit section is divided into an appropriate number: N, and N are operated simultaneously. For example, N is set so that it can be serially converted by the time (t1 + t4) of the sum of the transfer time (t1) from the photoelectric conversion element to the matrix signal wiring and the reset time (t4) of the matrix signal wiring. In the above example, transfer time t1: 80 (μsec) + reset time t4: 80 (μsec) = 160 (μsec), conversion rate for serial conversion (Sp pulse width of shift register 2: t3) is 1. If it is 6 (μsec), N = 20 readout circuit portions capable of inputting 100 pixels are prepared.

この例でいえば、1行の読み取りに必要な時間がt1+t4+(t3×100)=320(μsec)であったのに対し、本発明においては、1行の読み取りに必要な時間は、t3×100=160(μsec)と実質上2倍の高速化が図れることになる。   In this example, the time required for reading one row is t1 + t4 + (t3 × 100) = 320 (μsec), whereas in the present invention, the time required for reading one row is t3 × 100 = 160 (μsec), which is substantially twice as fast.

また、光電変換装置の使用上、高速化を必要としない場合、従来と同じ読み取り速度でも、転送時間t1やリセット時間t4を長く設定できるため、より十分な転送、リセットが可能になる。   In addition, when the photoelectric conversion device does not require high speed, the transfer time t1 and the reset time t4 can be set longer even at the same reading speed as in the past, so that more sufficient transfer and reset are possible.

また、読み出し用回路部におけるt3は、結晶シリコンの通常のICであれば、上述の例であるt3=1.6(μsec)よりも更に短くすることは容易である。この場合、1行の読み出しに必要な時間はts+t4で決定されるため読み出しスピードの点では変化ないが、読み出し用回路部のICの数(N)は少なくできるため、より安価に光電変換装置を提供できる。   In addition, t3 in the reading circuit portion can be easily made shorter than t3 = 1.6 (μsec) in the above example in the case of a normal IC of crystalline silicon. In this case, since the time required for reading one row is determined by ts + t4, there is no change in the reading speed, but the number (N) of ICs in the reading circuit portion can be reduced, so that the photoelectric conversion device can be manufactured at a lower cost. Can be provided.

以上述べてきたように、本発明によれば、各行の読み出し走査において、従来の技術で必要不可欠な転送+読み出し+リセットの動作時間に比べ、実質上読み出しのみの時間で各行の読み出し走査が可能となり、光電変換装置の読み取りにおいて大幅な高速化が図れる。   As described above, according to the present invention, in the readout scanning of each row, it is possible to perform the readout scanning of each row in a time required for only reading compared to the operation time of transfer + reading + reset which is indispensable in the prior art. Thus, the reading speed of the photoelectric conversion device can be greatly increased.

(実施形態2)
図6は本発明の第2の実施形態を示す光電変換装置の回路図であり、光電変換回路部が3×3=9画素で構成されている例である。実施形態1で示された図3と同一の構成部材については同じ符号が記載されており、説明は省略する。図6が、図3と異なるところは、読み取り回路部において各マトリクス信号配線に接続されたバッファアンプL1〜L3が、抵抗R1、R2で決定される増幅率Gを持った非反転増幅器に変更されている点にある。そして、図6中では表していないがバッファアンプL1〜L3のオペアンプは、他のアンプに比べて非常に低ノイズ性能に関して優れている。増幅率は1+(R2/R1)になる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device showing a second embodiment of the present invention, and is an example in which the photoelectric conversion circuit unit is configured by 3 × 3 = 9 pixels. The same components as those in FIG. 3 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. 6 differs from FIG. 3 in that the buffer amplifiers L1 to L3 connected to the matrix signal wirings in the reading circuit unit are changed to non-inverting amplifiers having an amplification factor G determined by the resistors R1 and R2. There is in point. Although not shown in FIG. 6, the operational amplifiers of the buffer amplifiers L1 to L3 are excellent in terms of very low noise performance as compared with other amplifiers. The amplification factor is 1+ (R2 / R1).

一般に、オペアンプはランダムな電圧性のノイズを発生させ、それは内部で構成されるトランジスタ、特に初段のトランジスタで発生するノイズが支配的となる。例えば初段部がバイポーラトランジスタで構成した場合、そのベース抵抗に発生する熱雑音がオペアンプのノイズ量を決定すると言われている。そのノイズ量は、一般に単位帯域幅に対して表され、その単位は(Volt/(Hz)1/2)となる。図6で示されるようにオペアンプを非反転増幅器として用いる場合、動作させる周波数帯域に応じてノイズ量も、1+(R2/R1)倍される。以下、オペアンプで発生するノイズを、増幅率倍する前のノイズ値すなわち入力換算雑音電圧として考え、Vn(V/(Hz)1/2)で表すことにする。 In general, an operational amplifier generates random voltage noise, which is dominated by noise generated in an internal transistor, particularly the first-stage transistor. For example, when the first stage portion is composed of a bipolar transistor, it is said that the thermal noise generated in the base resistance determines the noise amount of the operational amplifier. The amount of noise is generally expressed with respect to the unit bandwidth, and the unit is (Volt / (Hz) 1/2 ). When the operational amplifier is used as a non-inverting amplifier as shown in FIG. 6, the amount of noise is also multiplied by 1+ (R2 / R1) according to the frequency band to be operated. Hereinafter, the noise generated in the operational amplifier is considered as a noise value before multiplying the amplification factor, that is, an input conversion noise voltage, and expressed as Vn (V / (Hz) 1/2 ).

本実施形態においては、図6で示されるオペアンプ(L1〜L3)のVnをある一定値以下に設定する。ある一定値とは、光電変換回路部101内でスイッチング素子T1ー1〜T3ー3を介した転送動作時に発生するいわゆるKTCノイズによるノイズ値である。すなわち、読み取り用回路部の初段のオペアンプ部(L1〜L3)で発生するノイズ量は、光電変換回路部101内で発生するKTCノイズ量以下に設定してある。どちらのノイズも、原理上発生し得る真性ノイズであり、設計上”零”にすることはできない。   In the present embodiment, Vn of the operational amplifiers (L1 to L3) shown in FIG. 6 is set to a certain fixed value or less. The certain value is a noise value due to so-called KTC noise generated during the transfer operation via the switching elements T1-1 to T3-3 in the photoelectric conversion circuit unit 101. That is, the amount of noise generated in the first operational amplifier unit (L1 to L3) of the reading circuit unit is set to be equal to or less than the amount of KTC noise generated in the photoelectric conversion circuit unit 101. Both noises are intrinsic noises that can occur in principle, and cannot be set to “zero” in design.

次に、第1の実施形態でも説明した4000×4000=1600万画素数を有する光電変換装置を例にとり、それぞれのノイズを概算する。a−SiNx、a−Si、N+の各層をそれぞれ3000、5000、1000オングストローム積層し、画素ピッチを100μmで構成した場合、光電変換素子S1ー1〜S3ー3内の容量(C1)は約3pF、マトリクス信号配線M1〜M3の1本の読み出し容量(C2)はCgs×4000で200pFである。スイッチング素子(TFT)T1ー1〜T3ー3で転送動作を行った際に発生するKTCノイズ(Tn)は、マトリクス信号配線M1〜M3の容量C2上の電圧ノイズとして求めると、Tn=(K×T×(C1‖C2))1/2/(C1+C2)である。但し、K:ボルツマン定数(1.38×10-23(J/K))、Tは絶対温度、C1‖C2はC1とC2の直列合成容量である。 Next, taking the photoelectric conversion device having 4000 × 4000 = 16 million pixels described in the first embodiment as an example, each noise is estimated. When each layer of a-SiNx, a-Si, and N + is stacked at 3000, 5000, and 1000 angstroms and the pixel pitch is 100 μm, the capacitance (C1) in the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 is about The readout capacitance (C2) of 3 pF and one of the matrix signal wirings M1 to M3 is 200 pF with Cgs × 4000. The KTC noise (Tn) generated when the transfer operation is performed by the switching elements (TFT) T1-1 to T3-3 is obtained as voltage noise on the capacitor C2 of the matrix signal wirings M1 to M3. × T × (C1‖C2)) 1/2 / (C1 + C2). However, K: Boltzmann constant (1.38 × 10 −23 (J / K)), T is an absolute temperature, and C1‖C2 is a series combined capacity of C1 and C2.

このノイズTnは統計確率学的にガウス分布を示し、実効ノイズ電圧値(Vrms)で表される。室温(300K)におけるTnを計算するとTn=0.55(μVrms)である。一方、オペアンプL1〜L3で発生するノイズは、扱う周波数帯域Bにより異なる。第1の実施形態で説明したように、転送時間を80(μs)+リセット時間を80(μs)とすれば、オペアンプには、(1/160(μs))=6.25(kHz)の信号が入力されたことになる。仮に、その4倍の25(kHz)の周波数帯域Bでオペアンプを動作させることにより、転送された光電変換信号およびを光電変換回路部内で発生したKTCノイズが十分に(G倍)に増幅される。   This noise Tn has a Gaussian distribution statistically and is represented by an effective noise voltage value (Vrms). When Tn at room temperature (300 K) is calculated, Tn = 0.55 (μVrms). On the other hand, noise generated in the operational amplifiers L1 to L3 differs depending on the frequency band B to be handled. As described in the first embodiment, if the transfer time is 80 (μs) + the reset time is 80 (μs), the operational amplifier has (1/160 (μs)) = 6.25 (kHz). A signal is input. Assuming that the operational amplifier is operated in the frequency band B of 25 (kHz), which is four times that, the transferred photoelectric conversion signal and the KTC noise generated in the photoelectric conversion circuit section are sufficiently amplified (G times). .

加えて、動作周波数帯域で発生するオペアンプ入力部の実効ノイズAn(=Vn×B1/2)もG倍に増幅されることになる。オペアンプで発生するノイズAnと光電変換回路部101内におけるKTCノイズTnは互いに独立したノイズであり、双方のノイズをあわせたアンプ入力部における実効ノイズJnはJn=(An2+Tn21/2で表され、アンプ出力端子における実効全ノイズは、Jn×Gとなる。 In addition, the effective noise An (= Vn × B 1/2 ) of the operational amplifier input section generated in the operating frequency band is also amplified G times. The noise An generated in the operational amplifier and the KTC noise Tn in the photoelectric conversion circuit unit 101 are independent from each other, and the effective noise Jn in the amplifier input unit obtained by combining both noises is Jn = (An 2 + Tn 2 ) 1/2. The effective total noise at the amplifier output terminal is Jn × G.

ここで、An>>Tnになると、JnはAnで決定されることになり光電変換装置としてのS/Nが不利になる。従ってAn=TnまたはAn<Tnが望ましい。前述の例で周波数帯域B=25(kHz)とした場合、オペアンプの入力換算雑音電圧Vnは、Tn≧(Vn×B1/2)(=An)から、3.5(nV/(Hz)1/2)以下が望ましい。Vn=3.5(nV/√Hz)とした場合、アンプの実効ノイズがKTCノイズTnと等しくなり、アンプ入力部における両者あわせた実効ノイズJnは、Jn=(Vn2+Tn21/2より、Tnの√2倍になる。すなわち、上述の例においては、Jn=0.55×21/2=0.78(μVrms)となる。 Here, when An >> Tn, Jn is determined by An, and the S / N as a photoelectric conversion device is disadvantageous. Therefore, An = Tn or An <Tn is desirable. When the frequency band B is 25 (kHz) in the above example, the input equivalent noise voltage Vn of the operational amplifier is 3.5 (nV / (Hz) from Tn ≧ (Vn × B 1/2 ) (= An). 1/2 ) or less is desirable. When Vn = 3.5 (nV / √Hz), the effective noise of the amplifier is equal to the KTC noise Tn, and the combined effective noise Jn at the amplifier input section is Jn = (Vn 2 + Tn 2 ) 1/2 Therefore, it becomes √2 times Tn. That is, in the above example, Jn = 0.55 × 2 1/2 = 0.78 (μVrms).

本実施形態における光電変換装置をX線撮像装置に用いて、従来のフィルム方式に匹敵する画像を得る場合、装置として求められるS/N比は非常に高く、一般にS/N=10000倍以上が必要であるといわれている。ここで、2次元状に光電変換素子が配列された光電変換装置をX線撮像装置に用いる一例について、まず説明する。   When the photoelectric conversion device in the present embodiment is used for an X-ray imaging device and an image comparable to the conventional film system is obtained, the S / N ratio required as the device is very high, and generally S / N = 10000 times or more. It is said that it is necessary. Here, an example in which a photoelectric conversion device in which photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged is used in an X-ray imaging device will be described first.

図7は、2次元の光電変換装置を用いて構成された医療用のX線検出装置の概略断面図である。X線源1501を出射したX線は人体などの検体1502(患者の患部や物体の検査箇所)に照射され、肺部、骨部、病巣といった体内情報、あるいは構造体、内容空間といった内部情報に対応したX線が、グリッド板1503に向かう。グリッド板1503は検体内での散乱X線を蛍光体1504や光電変換装置1506に照射されるのを防ぐ目的で配置されており、鉛のようなX線を吸収する吸収物質1507とアルミニウムのようなX線を透過する透過物質1508とで構成されている。グリッドを通過したX線は、波長変換体であるX線可視変換蛍光体1504に照射され、そこで可視光など光電変換素子の感度を有する範囲の波長に変換される。X線可視変換蛍光体1504からの蛍光は、光電変換装置1506で光電変換される。なお、図7中、1509は光電変換素子、1510はスイッチング素子であり、1511は光電変換素子1509、スイッチング素子1510を保護する保護膜である。1512は光電変換素子1509、スイッチング素子1510を配置する絶縁基板である。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a medical X-ray detection apparatus configured using a two-dimensional photoelectric conversion apparatus. The X-rays emitted from the X-ray source 1501 are irradiated on a specimen 1502 such as a human body (examined part of a patient's affected area or object), and are used for in-vivo information such as lung, bone, or lesion, or internal information such as structure or content space. Corresponding X-rays go to the grid plate 1503. The grid plate 1503 is arranged for the purpose of preventing the fluorescent material 1504 and the photoelectric conversion device 1506 from being irradiated with scattered X-rays in the specimen, such as an absorbing material 1507 that absorbs X-rays such as lead and aluminum. And a transparent material 1508 that transmits X-rays. The X-rays that have passed through the grid are irradiated to an X-ray visible conversion phosphor 1504 that is a wavelength converter, and are converted into a wavelength within a range having sensitivity of a photoelectric conversion element such as visible light. The fluorescence from the X-ray visible conversion phosphor 1504 is photoelectrically converted by the photoelectric conversion device 1506. In FIG. 7, reference numeral 1509 denotes a photoelectric conversion element, 1510 denotes a switching element, and 1511 denotes a protective film that protects the photoelectric conversion element 1509 and the switching element 1510. Reference numeral 1512 denotes an insulating substrate on which the photoelectric conversion element 1509 and the switching element 1510 are arranged.

ところで、図7で示されるように、X線可視変換蛍光体1504を光電変換装置1506に密着させた場合、光電変換素子1509の受光面で得られる照度は最大となり、その時の照度は、用いる蛍光体やX線源の線量にも依存するが、数(Lx)程度の照度を確保できる。1(Lx)の光で光電変換素子1509に流れる光電流は、前述した4000×4000の光電変換装置の例であれば1個の光電変換素子で約5(pA)であり、その光電流を500(msec)の期間、光電変換素子内の3(pF)の容量C1に蓄積すれば、スイッチングTFTを介した転送後のマトリクス信号配線の200(pF)の容量C2における信号出力Sは、5pF×500msec/(3pA+200pA)=12.3(mV)となる。マトリクス信号配線の200(pF)の容量C2におけるノイズ値JnはJn=0.78(μVrms)であり、実効ノイズJnをNとし、S/N比は12.3(mV)/0.78(μV)=15800となる。すなわち、X線撮像装置の光電変換部として十分に機能させることが可能となる。   By the way, as shown in FIG. 7, when the X-ray visible conversion phosphor 1504 is brought into close contact with the photoelectric conversion device 1506, the illuminance obtained on the light receiving surface of the photoelectric conversion element 1509 is maximized, and the illuminance at that time is the fluorescence used. Although it depends on the dose of the body and the X-ray source, it is possible to secure an illuminance of about several (Lx). In the example of the above-described 4000 × 4000 photoelectric conversion device, the photoelectric current flowing to the photoelectric conversion element 1509 with 1 (Lx) light is about 5 (pA) with one photoelectric conversion element. If accumulated in the capacitor C1 of 3 (pF) in the photoelectric conversion element for a period of 500 (msec), the signal output S in the capacitor C2 of 200 (pF) of the matrix signal wiring after transfer through the switching TFT is 5 pF. × 500 msec / (3 pA + 200 pA) = 12.3 (mV). The noise value Jn in the matrix signal wiring 200 (pF) capacitor C2 is Jn = 0.78 (μVrms), the effective noise Jn is N, and the S / N ratio is 12.3 (mV) /0.78 ( μV) = 15800. That is, it becomes possible to sufficiently function as a photoelectric conversion unit of the X-ray imaging apparatus.

オペアンプ部のノイズはVnのみではなく、例えばR1、R2の抵抗で発生する熱雑音もある。それは、その抵抗値を小さくすることによりVnによるノイズに比べ十分に小さくすることが容易である。また、オペアンプには入力部における電流性のノイズ成分(In)が存在する。これはオペアンプの初段のトランジスタを電界効果トランジスタにすることにより、Vnに起因するノイズに対し十分に小さくすることが可能である。つまり、オペアンプの持つ入力換算雑音電圧Vnが、光電変換装置としてのS/Nを大きく左右するために、本発明ではオペアンプのVnを規定している。   The noise in the operational amplifier is not limited to Vn, and there is also thermal noise generated by resistors R1, R2, for example. It is easy to make it sufficiently smaller than the noise caused by Vn by reducing its resistance value. Further, the operational amplifier has a current noise component (In) in the input section. This can be sufficiently reduced against noise caused by Vn by using a field effect transistor as the first stage transistor of the operational amplifier. That is, the input equivalent noise voltage Vn of the operational amplifier greatly affects the S / N of the photoelectric conversion device, so that the Vn of the operational amplifier is defined in the present invention.

(実施形態3)
図8は本発明の第3の実施形態を示した光電変換装置の回路図であり、光電変換回路部が3×3=9画素で構成されている例である。第2の実施形態で示された図6と同一の構成部材については同じ符号が記載されており、説明は省略する。図8が、図6と異なるところは、読み取り回路部においてオペアンプL1〜L3の出力部端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子CC1〜CC3を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチD1〜D3を配置した点である。また容量素子CC1〜CC3にはインピーダンス変換用のバッファアンプA1〜A3が接続されている。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device showing a third embodiment of the present invention, which is an example in which the photoelectric conversion circuit unit is configured by 3 × 3 = 9 pixels. The same components as those in FIG. 6 shown in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. FIG. 8 differs from FIG. 6 in that in the reading circuit unit, capacitive elements CC1 to CC3 that allow only an AC component to pass are connected in the middle of the output wiring from the output unit terminals of the operational amplifiers L1 to L3. This is the point where reset switches D1 to D3 for reproduction are arranged. Also, impedance conversion buffer amplifiers A1 to A3 are connected to the capacitive elements CC1 to CC3.

また、図9は図8における動作を示したタイミングチャートであり、容量素子CC1〜CC3、リセットスイッチD1〜D3に関係する動作について特に記載し、他の動作は図4と同様である。図8及び図9を用いて本実施形態の動作について以下に説明する。   FIG. 9 is a timing chart showing the operation in FIG. 8. The operation relating to the capacitors CC1 to CC3 and the reset switches D1 to D3 is particularly described, and the other operations are the same as those in FIG. The operation of this embodiment will be described below with reference to FIGS.

CRESは、マトリクス信号配線M1〜M3に形成される容量CL(図8中で図示していないがTFTT1ー1〜T3-3のCgs3個分)をリセット電位(GND)にリセットするためのスイッチRES1〜RES3のコントロール信号である。P1はマトリクス信号配線のノード(例えば、図8上P1と付記)の電位の変化の様子を示している。本来ノードP1は、CRES信号”Hi”により、リセット電位であるGNDにリセットされなければならない。しかしながら、マトリクス信号配線の容量C2をリセットする場合、スイッチRES2のオン抵抗による熱雑音がいわゆるKTCノイズとして確率的に発生する。そのノイズ量Rn=(KT/C2)1/2(Vrms)である。C2=200pFの前述の例では、Rn=4.55(μVrms)にもなり、前述のJn=0.78(μVrms)を上回り光電変換装置のノイズの主因となる。 CRES is a switch RES1 for resetting the capacitance CL (three Cgs of TFTT1-1 to T3-3, not shown in FIG. 8) formed in the matrix signal wirings M1 to M3 to the reset potential (GND). RES3 control signal. P1 shows how the potential of the node (for example, P1 in FIG. 8) of the matrix signal wiring changes. Originally, the node P1 must be reset to the reset potential GND by the CRES signal “Hi”. However, when the capacitor C2 of the matrix signal wiring is reset, thermal noise due to the on-resistance of the switch RES2 is stochastically generated as so-called KTC noise. The amount of noise Rn = (KT / C2) 1/2 (Vrms). In the above-described example of C2 = 200 pF, Rn = 4.55 (μVrms), which exceeds the above-mentioned Jn = 0.78 (μVrms) and becomes the main cause of noise in the photoelectric conversion device.

このノイズ量Rnが、マトリクス信号配線の容量C2に重畳された状態で読み出しを行えば、当然のことながら光電変換装置としてのS/Nが低下する。図9の波形P1において、CRES”OFF”後のリセット電位GNDからのずれ量(図9で”エラー”と付記)はこのリセット時に発生したKTCノイズによるものである。このノイズもまた、オペアンプL1〜L3により増幅率G=1+(R2/R1)倍される。図8中図示していないが、オペアンプL1〜L3の出力には波形P1のG倍の出力が常に現れている。図9におけるP2は、アンプL2の出力に直列接続された容量素子の対向電極の波形である。すなわち図8に示したノードP2の波形を表している。   If reading is performed in a state where the noise amount Rn is superimposed on the capacitor C2 of the matrix signal wiring, the S / N as a photoelectric conversion device is naturally reduced. In the waveform P1 of FIG. 9, the amount of deviation from the reset potential GND after CRES “OFF” (indicated as “error” in FIG. 9) is due to the KTC noise generated at the time of reset. This noise is also multiplied by an amplification factor G = 1 + (R2 / R1) by the operational amplifiers L1 to L3. Although not shown in FIG. 8, the output of the operational amplifiers L1 to L3 always shows an output G times the waveform P1. P2 in FIG. 9 is a waveform of the counter electrode of the capacitive element connected in series to the output of the amplifier L2. That is, the waveform of the node P2 shown in FIG. 8 is represented.

ここで、ノードP2にはリセットスイッチD2が接続されており、コントロール信号DRESにより制御される。DRESはCRESとほぼ同時に”ON”し、CRESの”OFF”後わずかに遅れてDRESが”OFF”する。DRESが”ON”している期間は、ノードP2にはリセット電位GNDが与えられる。DRESが”OFF”し、スイッチ素子D2がハイインピーダンスの状態においてもノードP2はGND電位にホールドされる。その状態で、例えば転送用TFTのゲート(G2)が”ON”すると光電変換素子S2-2の容量に蓄えられていた信号電荷がマトリクス信号配線の容量C2に転送される。   Here, a reset switch D2 is connected to the node P2, and is controlled by a control signal DRES. DRES turns “ON” almost simultaneously with CRES, and DRES turns “OFF” slightly after CRES “OFF”. During the period when DRES is “ON”, the reset potential GND is applied to the node P2. Even when DRES is “OFF” and the switch element D2 is in a high impedance state, the node P2 is held at the GND potential. In this state, for example, when the gate (G2) of the transfer TFT is “ON”, the signal charge stored in the capacitor of the photoelectric conversion element S2-2 is transferred to the capacitor C2 of the matrix signal wiring.

図9の波形P1にその様子が示されているが、予めCRES終了後にホールドされたリセット時のKTCノイズRnが転送動作時においても重畳されている。しかしながら、この転送動作過程でのノードP2の波形は、オペアンプL1〜L3でG倍されたRnの直流成分が容量素子CC2によって遮断されるため、光電変換素子の信号によるC2の電位の変化分だけがG倍されて現れる。すなわち、リセット時のKTCノイズがキャンセルされる結果となる。その後、P2の出力はSMPLパルスにより容量素子CL2に転送し、SR2により直列変換されオペアンプ104から出力される。この部分の動作は実施形態1で説明した動作と同じである。   The state is shown in the waveform P1 of FIG. 9, and the KTC noise Rn at the time of reset previously held after the completion of CRES is also superimposed during the transfer operation. However, the waveform of the node P2 during this transfer operation process is such that the DC component of Rn multiplied by G by the operational amplifiers L1 to L3 is blocked by the capacitive element CC2, so that the change in the potential of C2 due to the signal of the photoelectric conversion element. Appears G times. That is, the KTC noise at the time of reset is canceled. Thereafter, the output of P2 is transferred to the capacitive element CL2 by the SMPL pulse, and is serially converted by SR2 and output from the operational amplifier 104. The operation of this part is the same as that described in the first embodiment.

以上説明したように、本発明では、読み出し回路部107において、オペアンプL1〜L3の出力部端子からの出力配線の途中に交流成分のみを通過させる容量素子CC1か〜CC3を接続し、その容量素子を直流再生するためのリセットスイッチ1〜D3を配置させることにより、各マトリクス信号配線に形成される容量のリセット時に発生するKTCノイズを除去することができるため光電変換装置の高S/N化が図れ、画質のよい画像が得られる。   As described above, in the present invention, in the readout circuit unit 107, the capacitive elements CC1 to CC3 that allow only an AC component to pass are connected to the output wiring from the output unit terminals of the operational amplifiers L1 to L3. By arranging reset switches 1 to D3 for direct current reproduction, KTC noise generated at the time of resetting the capacitance formed in each matrix signal wiring can be removed, so that the S / N ratio of the photoelectric conversion device is increased. A high-quality image can be obtained.

(実施形態4)
図10は本発明の第4の実施形態を示した光電変換装置の回路図であり、光電変換回路部が3×3=9画素で構成されている例である。第3の実施形態で示された図8と同一の構成部材については同じ符号が記載されており、説明は省略する。図10が、図8と異なるところは、読み出し用回路部107において、外部からの信号によりその増幅率が可変制御できる機能を有するオペアンプK1〜K3が付加されている点である。図10では外部から増幅率を制御する信号線が4本A1〜A4設けてあり、4通りの増幅率が選択される。図11は、図10における増幅率可変のオペアンプK1〜K3の内部の概略的回路図を示している。以下簡単にその機能を説明する。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a circuit diagram of the photoelectric conversion device showing the fourth embodiment of the present invention, and is an example in which the photoelectric conversion circuit unit is configured by 3 × 3 = 9 pixels. The same components as those in FIG. 8 shown in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. FIG. 10 differs from FIG. 8 in that operational amplifiers K1 to K3 having a function of variably controlling the amplification factor by an external signal are added to the reading circuit unit 107. In FIG. 10, four signal lines A1 to A4 for controlling the amplification factor from the outside are provided, and four amplification factors are selected. FIG. 11 shows a schematic circuit diagram of the inside of the operational amplifiers K1 to K3 having variable gain in FIG. The function will be briefly described below.

端子A1,A2,A3,A4は外部から増幅率を選択するための信号を入力するため端子であり、4端子中1端子のみが”Hi”になることとする。端子A1,A2,A3,A4のいずれかに”Hi”の信号が入力されることにより、それぞれの端子A1,A2,A3,A4に結線されたスイッチ素子S1、S2、S3、S4はオンする。どれか一つのスイッチがオンすることにより、オペアンプK1〜K3は非反転増幅器として動作される。例えば、抵抗R3〜R7の抵抗値を各スイッチ素子のオン抵抗よりも十分に大きくとり、すべて同じ値R(Ω)にした場合、S1がオンすることにより増幅率は1+1/4=1.25倍となり、S2がオンすることにより増幅率は1+2/3=1.66倍となり、S3がオンすることにより増幅率は1+3/2=2.5倍となり、S4がオンすることにより増幅率は1+4/1=5倍となる。抵抗R3〜R7の抵抗値を適当に選択すれば、他の4通りの所望の増幅率を得ることができる。   Terminals A1, A2, A3, and A4 are terminals for inputting a signal for selecting an amplification factor from the outside, and only one of the four terminals is set to “Hi”. When a “Hi” signal is input to any one of the terminals A1, A2, A3, and A4, the switch elements S1, S2, S3, and S4 connected to the terminals A1, A2, A3, and A4 are turned on. . When any one of the switches is turned on, the operational amplifiers K1 to K3 are operated as non-inverting amplifiers. For example, when the resistance values of the resistors R3 to R7 are sufficiently larger than the on-resistance of each switch element and are all set to the same value R (Ω), the amplification factor becomes 1 + 1/4 = 1.25 by turning on S1. When S2 is turned on, the amplification factor is 1 + 2/3 = 1.66 times. When S3 is turned on, the amplification factor is 1 + 3/2 = 2.5 times, and when S4 is turned on, the amplification factor is 1 + 4/1 = 5 times. If the resistance values of the resistors R3 to R7 are appropriately selected, the other four desired amplification factors can be obtained.

本実施形態では、4本の制御信号により4通りの増幅率を切り替える例を示したが、何も4本に限定するものではなく、所望の本数の制御信号により増幅率を切り替えてもよい。また、制御端子にマルチプレクサ回路を接続すれば、N本の外部制御信号により、2N 通りの切り替えも可能となる。 In the present embodiment, an example in which the four amplification factors are switched by four control signals has been shown, but nothing is limited to four, and the amplification factors may be switched by a desired number of control signals. Further, if a multiplexer circuit is connected to the control terminal, 2 N types of switching can be performed by N external control signals.

前述したようなa−Si半導体薄膜の製造上のばらつきによる光電変換出力の個体差が生ずるといった問題点に対して、本発明の光電変換装置は、読み出し用回路部内に外部からの信号によりその増幅率が制御できるるため、容易に出力ばらつきを補うことができ、装置としてのコストが結果として安くなる長所を有する。   In response to the problem that individual differences in photoelectric conversion output occur due to manufacturing variations of the a-Si semiconductor thin film as described above, the photoelectric conversion device of the present invention amplifies the read circuit portion by an external signal. Since the rate can be controlled, output variations can be easily compensated, and the cost of the apparatus is reduced as a result.

(実施形態5)
図12は本発明の第5の実施形態による光電変換装置の読み取り回路部内で構成されているオペアンプ1個の回路図の例である。この図において本発明の特徴としているところは、端子PSからの信号により制御されるスイッチ素子SWpが設けられている点である。このスイッチ素子SWpの機能に関する動作の説明を以下に記載する。
(Embodiment 5)
FIG. 12 is an example of a circuit diagram of one operational amplifier configured in the reading circuit unit of the photoelectric conversion device according to the fifth embodiment of the present invention. In this figure, the feature of the present invention is that a switch element SWp controlled by a signal from the terminal PS is provided. An explanation of the operation related to the function of the switch element SWp will be described below.

端子Vdd、Vssはオペアンプの電源端子であり、Vdd>Vssの電源が投入されている。通常、光電変換装置の系のGNDをゼロ電位とすれば、それぞれVddに+電圧、Vssに−電圧が印加されている。PS端子からの制御信号がスイッチ素子SWpに入力されていない場合すなわちSWpが”OFF”の場合、抵抗R9、ダイオードD1、ダイオードD2に電流が流れ、トランジスタQ7のベース電位が、D1、D2の順方向閾値電圧で与えられる電位にバイアスされる。すると、トランジスタQ7は、”オン”状態になり、トランジスタQ6、Q7のコレクタ電流IがVdd端子から抵抗R8へと流れることになる。   Terminals Vdd and Vss are power supply terminals of the operational amplifier, and a power supply of Vdd> Vss is turned on. Usually, if the GND of the system of the photoelectric conversion device is set to zero potential, + voltage is applied to Vdd and −voltage is applied to Vss, respectively. When the control signal from the PS terminal is not input to the switch element SWp, that is, when SWp is “OFF”, a current flows through the resistor R9, the diode D1, and the diode D2, and the base potential of the transistor Q7 is in the order of D1 and D2. Biased to a potential given by the direction threshold voltage. Then, the transistor Q7 is turned on, and the collector current I of the transistors Q6 and Q7 flows from the Vdd terminal to the resistor R8.

また、Q6とQ5、およびQ6とQ8はカレントミラー構成の関係にあるため、Q5、Q6、Q8のトランジスタの性能を同一にすることにより、Q5、Q8のコレクタには、Q6のコレクタ電流Iに等しい電流が流れる。Q5は、オペアンプとして機能させるための定電流源となる。バイポーラトランジスタQ1、Q2は入力段のトランジスタであり、入力端子VIN(+)、VIN(−)の入力差電圧に応じた電流がトランジスタQ9のベースに流入(または流出)し、トランジスタQ8、Q9、Q10により構成された出力段で増幅され、端子Voutから出力される。トランジスタQ3、Q4はカレントミラーを構成し、入力段トランジスタQ1、Q2の能動負荷として機能する。実際の使用にあたっては、入力端子VIN(−)端子には、出力端子Voutから負帰還がかけられる負帰還回路、非反転増幅回路、またはインピーダンス変換回路、電圧ホロワ回路等として使用されている。また、反転増幅回路として使用される場合も多い。   Since Q6 and Q5, and Q6 and Q8 are in a current mirror configuration relationship, the collector currents of Q6 and Q6 are set to the collector current I of Q6 by making Q5, Q6, and Q8 transistors have the same performance. An equal current flows. Q5 is a constant current source for functioning as an operational amplifier. The bipolar transistors Q1 and Q2 are transistors in the input stage, and a current corresponding to the input differential voltage of the input terminals VIN (+) and VIN (−) flows into (or flows out from) the base of the transistor Q9, and the transistors Q8, Q9, Amplified at the output stage constituted by Q10 and output from the terminal Vout. The transistors Q3 and Q4 form a current mirror and function as an active load for the input stage transistors Q1 and Q2. In actual use, the input terminal VIN (−) terminal is used as a negative feedback circuit to which negative feedback is applied from the output terminal Vout, a non-inverting amplifier circuit, an impedance conversion circuit, a voltage follower circuit, or the like. Also, it is often used as an inverting amplifier circuit.

さて、一般的には、オペアンプを図12で示されているように、バイポーラトランジスタを用いて構成した場合、電源電流としては使用される抵抗値にも依存するが、常識的にも100μAを越える場合が多い。図3、図6、図8、図10で示されるように、マトリクス信号配線1本に数個のオペアンプが接続された場合、1画素を読み出すのに1mAの消費電流を必要とすると、4000×4000画素の光電変換装置を読み取る場合、1mA×4000(列)=4(A)の電源電流が流れることになる。Vdd、Vssの電源電圧をそれぞれ+5(V)、−5(V)とすると、読み出し用回路部において、40(W)の消費電力を要することになる。この電力は、図3、図6、図8、図10においてSR1、SR2、あるいは他のスイッチ等が動作していない状態すなわち読み取りを行わない状態においても、各オペアンプに電源が投入されていれば、常時、消費されることになる。これは、読み出し用回路部(IC)で熱に変換され、その熱が周囲に放射される。   Now, in general, when the operational amplifier is configured using a bipolar transistor as shown in FIG. 12, it depends on the resistance value used as the power supply current, but it also exceeds 100 μA in common sense. There are many cases. 3, 6, 8, and 10, when several operational amplifiers are connected to one matrix signal wiring, if a current consumption of 1 mA is required to read one pixel, 4000 × When a photoelectric conversion device having 4000 pixels is read, a power supply current of 1 mA × 4000 (column) = 4 (A) flows. If the power supply voltages of Vdd and Vss are +5 (V) and −5 (V), respectively, the power consumption of 40 (W) is required in the reading circuit unit. 3, 6, 8, and 10, the power is supplied to each operational amplifier even when SR1, SR2, or other switches are not operating, that is, when reading is not performed. , Will always be consumed. This is converted into heat by the reading circuit unit (IC), and the heat is radiated to the surroundings.

図12に示されるスイッチ素子SWpは、読み取り時以外において、上記消費電力を低減させることを目的としている。その動作について以下に示す。読み取り時以外において、端子PSからの制御信号により、スイッチ素子SWpを”オン”状態にさせ、D1、D2のダイオードに電流を流ない状態にする。そうするとトランジスタQ6、Q7が”オフ”することにより、電流は流れない。同時にトランジスタQ5、Q8のコレクタ電流も遮断されることになる。すなわち、端子PSからの制御信号により、オペアンプ内の定電流源が遮断され、消費電流を大幅に軽減させることが可能になる。スイッチング素子SWpとしては、例えば、0(V)/5(V)の電圧信号で開閉させるならば、MOSトランジスタで構成させればよい。   The switch element SWp shown in FIG. 12 is intended to reduce the power consumption except during reading. The operation will be described below. At times other than reading, the switch element SWp is turned on by a control signal from the terminal PS so that no current flows through the diodes D1 and D2. Then, the transistors Q6 and Q7 are turned off, so that no current flows. At the same time, the collector currents of the transistors Q5 and Q8 are cut off. That is, the constant current source in the operational amplifier is cut off by the control signal from the terminal PS, and the current consumption can be greatly reduced. For example, if the switching element SWp is opened and closed by a voltage signal of 0 (V) / 5 (V), it may be configured by a MOS transistor.

このように読み出し用回路部内のオペアンプに図12に示されるような消費電流を低減させるためのスイッチを設けることにより、読み出し用回路部(IC)の発熱が、その周囲に配置された光電変換回路部の温度を上昇させることなく、スイッチング素子であるTFTの”OFF時”の暗電流の上昇を低減させ、光電変換装置としての固定パターンノイズを小さくすることができる。また、読み取り時以外において、読み取り回路部(IC)の消費電力を低減させれば、言うまでもなく、経済的である。   Thus, by providing the operational amplifier in the readout circuit section with a switch for reducing the current consumption as shown in FIG. 12, the photoelectric conversion circuit in which the heat generated in the readout circuit section (IC) is arranged around the switch is provided. Without increasing the temperature of the part, it is possible to reduce an increase in dark current when the TFT which is a switching element is “OFF”, and to reduce fixed pattern noise as a photoelectric conversion device. Needless to say, it is economical to reduce the power consumption of the reading circuit unit (IC) at times other than reading.

(実施形態6)
図13は、本発明の第6の実施形態を説明するための、光電変換装置のA/D変換回路部の概略的回路図である。本実施形態のA/D変換回路部は、オペアンプ3個、A/D変換器3個、セレクタ回路2個、及びビット変換回路1個で主に構成されている。以下、その動作について説明する。
(Embodiment 6)
FIG. 13 is a schematic circuit diagram of an A / D conversion circuit unit of a photoelectric conversion device for explaining a sixth embodiment of the present invention. The A / D conversion circuit unit of this embodiment is mainly composed of three operational amplifiers, three A / D converters, two selector circuits, and one bit conversion circuit. The operation will be described below.

読み出し用回路部で直列変換されたアナログの信号Vaは、A/D変換回路部内の3個のオペアンプに入力される。その3個のオペアンプをアンプ1、アンプ2、アンプ3とし,それらの増幅率G1、G2、G3は1:2:4の比に設定される。それぞれの増幅率はオペアンプに接続される抵抗値により決定される。本実施形態では、説明上、アンプ1、アンプ2、アンプ3の増幅率G1、G2、G3はそれぞれ1倍、2倍、4倍とする。また、読み出し用回路部からの信号Vaは、0(V)から1(V)の範囲で出力されることとする。すなわち、1(V)を越える信号またはマイナス電圧の信号が、A/D変換回路部に入力されることはない。   The analog signal Va that has been serially converted by the readout circuit unit is input to three operational amplifiers in the A / D conversion circuit unit. The three operational amplifiers are referred to as amplifier 1, amplifier 2, and amplifier 3, and their amplification factors G1, G2, and G3 are set to a ratio of 1: 2: 4. Each amplification factor is determined by a resistance value connected to the operational amplifier. In the present embodiment, for the sake of explanation, the amplification factors G1, G2, and G3 of the amplifier 1, the amplifier 2, and the amplifier 3 are set to 1, 2, and 4 times, respectively. In addition, the signal Va from the reading circuit unit is output in the range of 0 (V) to 1 (V). That is, a signal exceeding 1 (V) or a negative voltage signal is not input to the A / D conversion circuit unit.

読み出し用回路部からの信号Vaは、アンプ1、アンプ2、アンプ3により増幅され、各アンプの出力はA/D変換器AD1、AD2,AD3に入力される。A/D変換器AD1、AD2,AD3には2つのリファレンス電圧を端子REF+、端子REFーに入力し、そのリファレンス端子の差電圧に対してアナログ入力信号をディジタル化する。本実施形態では12ビットのA/D変換器を用いている。すなわち212=4096段階にディジタル化される。A/D変換器の2つのリファレンス電圧は0(V)と4(V)に設定されている。 The signal Va from the reading circuit unit is amplified by the amplifier 1, the amplifier 2, and the amplifier 3, and the output of each amplifier is input to the A / D converters AD1, AD2, and AD3. Two reference voltages are input to the terminals REF + and REF− to the A / D converters AD1, AD2, and AD3, and an analog input signal is digitized with respect to a difference voltage between the reference terminals. In this embodiment, a 12-bit A / D converter is used. That is, it is digitized in 2 12 = 4096 steps. Two reference voltages of the A / D converter are set to 0 (V) and 4 (V).

また、AD3は、4倍のゲインをもつオペアンプに接続しているためVaが0(V)以上、0.25(V)以下の場合にA/D変換される。信号Vaが0.25(V)を越えた場合オーバーフロー端子OFから、”Hi”のロジック信号が出力される。AD2は、2倍のゲインをもつオペアンプに接続しているためVaが0(V)以上、0.5(V)以下の場合にA/D変換される。Vaが0.5(V)を越えた場合オーバーフロー端子OFから、”Hi”のロジック信号が出力される。AD1は、1倍のゲインをもつオペアンプに接続しているためVaが0(V)以上、1(V)以下の場合にA/D変換される。信号Vaが1(V)を越えた場合オーバーフロー端子OF端子から、”Hi”のロジック信号が出力される。   Further, since AD3 is connected to an operational amplifier having a gain of 4 times, A / D conversion is performed when Va is 0 (V) or more and 0.25 (V) or less. When the signal Va exceeds 0.25 (V), a logic signal “Hi” is output from the overflow terminal OF. Since AD2 is connected to an operational amplifier having a double gain, A / D conversion is performed when Va is 0 (V) or more and 0.5 (V) or less. When Va exceeds 0.5 (V), a logic signal “Hi” is output from the overflow terminal OF. Since AD1 is connected to an operational amplifier having a gain of 1 time, A / D conversion is performed when Va is 0 (V) or more and 1 (V) or less. When the signal Va exceeds 1 (V), a logic signal “Hi” is output from the overflow terminal OF terminal.

また、セレクタ1は、AD3及びAD2からのディジタル信号が入力され、AD3のOF端子が”Lo”であるならば、AD3からのディジタル信号をそのまま出力し、AD3のOF端子が”Hi”であるならば、AD2からのディジタル信号をそのまま出力する機能を有する。また、セレクタ2は、セレクタ1及びAD1からのディジタル信号が入力され、AD2のOF端子が”Lo”であるならば、セレクタ1からのディジタル信号をそのまま出力し、AD2のOF端子が”Hi”であるならば、AD3からのディジタル信号をそのまま出力する機能を有する。つまり、セレクタ2の出力端子からは、Va:0(V)〜0.25(V)の時AD3が出力され、Va:0.25(V)〜0.5(V)の時AD2が出力され、Va:0.5(V)〜1(V)の時AD1が出力される。セレクタ1、セレクタ2は回路的には同一であり、図14に図13におけるセレクタ1の概略的回路の一例を示す。   Further, if the digital signal from AD3 and AD2 is input to the selector 1 and the OF terminal of AD3 is “Lo”, the digital signal from AD3 is output as it is, and the OF terminal of AD3 is “Hi”. Then, the digital signal from AD2 is output as it is. If the digital signal from selector 1 and AD1 is input to the selector 2 and the OF terminal of AD2 is “Lo”, the digital signal from selector 1 is output as it is, and the OF terminal of AD2 is “Hi”. If so, the digital signal from AD3 is directly output. That is, AD3 is output from the output terminal of selector 2 when Va is 0 (V) to 0.25 (V), and AD2 is output when Va is 0.25 (V) to 0.5 (V). When Va is 0.5 (V) to 1 (V), AD1 is output. The selector 1 and the selector 2 are identical in circuit, and FIG. 14 shows an example of a schematic circuit of the selector 1 in FIG.

各A/D変換器のOFが”Lo”の場合すなわち信号Vaが0.25(V)よりも小さい場合、AD1、AD2,AD3のディジタル出力は、アンプのゲイン比G1:G2:G3=1:2:4の比率になる。つまり、AD2のディジタル出力はAD1のディジタル出力のビットの位をMSB側へ1ビット分だけシフトしており、またAD3のディジタル出力はAD2のディジタル出力のビットの位をMSB側へ1ビット分だけシフトしている。   When the OF of each A / D converter is “Lo”, that is, when the signal Va is smaller than 0.25 (V), the digital output of AD1, AD2, and AD3 has an amplifier gain ratio G1: G2: G3 = 1. : 2: 4 ratio. That is, the AD2 digital output shifts the bit position of the AD1 digital output by 1 bit to the MSB side, and the AD3 digital output shifts the bit position of the AD2 digital output by 1 bit to the MSB side. There is a shift.

例えば、AD1の出力がMSB側から、{000100101101}であれば、AD2の出力は、{001001011010}であり、AD3の出力は、{010010110100}である。   For example, if the output of AD1 is {000100101101} from the MSB side, the output of AD2 is {001001011010} and the output of AD3 is {010010110100}.

図15は、図13におけるビット変換回路の概略的回路の一例である。ビット変換回路においては、入力されたセレクタ2の12ビットのディジタル信号すなわち選択されたA/D変換器のディジタル信号を、14ビットに変換する。その際、選択されたA/D変換器に対応したビットのシフト操作を行う。   FIG. 15 is an example of a schematic circuit of the bit conversion circuit in FIG. In the bit conversion circuit, the input 12-bit digital signal of the selector 2, that is, the digital signal of the selected A / D converter is converted into 14 bits. At that time, a bit shift operation corresponding to the selected A / D converter is performed.

例えば、A/D変換器AD1が選択されてその出力がMSB側から{10100100101101}であればビット変換回路の14ビットの出力は、{1010010010110100}であり、またAD2が選択されてその出力がMSB側から{100101001001}であればビット変換回路の14ビットの出力は、{01001010010010}であり、またAD3が選択されてその出力がMSB側から{101010111010}であればビット変換回路の14ビットの出力は、{00101010111010}である。ビット変換回路部の端子SEL1、端子SEL2、端子SEL3の入力信号により、選択されたA/D変換器のディジタル信号に応じて所望のビットシフト操作を行う。その信号は、各A/D変換器のOF端子からの信号を用いれば、簡単な論理回路で作成できる。図15では、端子SEL1が”Hi”であればAD1のディジタル出力に対してビット変換がなされ、端子SEL2が”Hi”であればAD2のディジタル出力に対してビット変換がなされ、端子SEL3が”Hi”であればAD3のディジタル出力に対してビット変換がなされる。   For example, if the A / D converter AD1 is selected and its output is {10100100101101} from the MSB side, the 14-bit output of the bit conversion circuit is {1010010010110100}, and AD2 is selected and its output is MSB. If {100101001001} from the side, the 14-bit output of the bit conversion circuit is {01001010010010}, and if AD3 is selected and its output is {101010111010} from the MSB side, the 14-bit output of the bit conversion circuit Is {00101010111010}. A desired bit shift operation is performed according to the digital signal of the selected A / D converter by the input signals of the terminals SEL1, SEL2, and SEL3 of the bit conversion circuit unit. The signal can be created with a simple logic circuit by using a signal from the OF terminal of each A / D converter. In FIG. 15, if the terminal SEL1 is “Hi”, bit conversion is performed on the digital output of AD1, and if the terminal SEL2 is “Hi”, bit conversion is performed on the digital output of AD2, and the terminal SEL3 is “ If "Hi", bit conversion is performed on the digital output of AD3.

結果として、本実施形態のA/D変換回路部は、Va:0(V)〜0.25(V)の時AD3により212=4096段階にディジタル化され、Va:0.25(V)〜0.5(V)の時AD2により211=2048段階にディジタル化され、Va:0.5(V)〜1(V)の時AD1により211=2048段階にディジタル化される。すなわち、Va:0(V)から1(V)の読み出し用回路部からのアナログ信号を4096+2048+2048=8192段階に刻み、14ビットのディジタル値として出力することができる。この14ビットのディジタル出力は、例えばメモリに記憶され、コンピュータを用いてディジタル処理が行われる。 As a result, the A / D conversion circuit unit of the present embodiment is digitized in 2 12 = 4096 steps by AD3 when Va: 0 (V) to 0.25 (V), and Va: 0.25 (V). When .about.0.5 (V), it is digitized to 2 11 = 2048 steps by AD2, and when Va: 0.5 (V) to 1 (V), it is digitized to 2 11 = 2048 steps by AD1. That is, an analog signal from the reading circuit unit of Va: 0 (V) to 1 (V) can be divided into 4096 + 2048 + 2048 = 8192 stages and output as a 14-bit digital value. The 14-bit digital output is stored in, for example, a memory, and digital processing is performed using a computer.

本実施形態では、Vaが0.25(V)以下の信号は、ダイナミックレンジ:1(V)に対しては1/214で量子化が行われることになる。すなわち、1/4以下の低レベルの信号が高い分解能で表現され、特に医療用X線撮像装置のような用途に適する。また、光電変換回路部内に起因する暗状態の時の固定パターンノイズ(FPN)や読み出し用回路内に起因するFPNのようなオフセット成分が高い分解能でディジタル化されるため、オフセット補正を行う場合に補正の精度が向上する。 In the present embodiment, Va is 0.25 (V) The following signals, the dynamic range: so that the quantization is performed in 1/2 14 for 1 (V). That is, a low level signal of 1/4 or less is expressed with high resolution, and is particularly suitable for applications such as a medical X-ray imaging apparatus. Further, since offset components such as fixed pattern noise (FPN) in the dark state caused by the photoelectric conversion circuit section and FPN caused by the readout circuit are digitized with high resolution, when offset correction is performed. The accuracy of correction is improved.

本実施形態においては、A/D変換回路部内がオペアンプが3個、A/D変換器が3個の場合で説明したが、それぞれ複数個(N個)であってもよい。また、オペアンプの増幅率が1倍、2倍、4倍で説明したが、G1:G2:G3=1:2:4でなくてもよく、他の増幅度比、例えば2倍、4倍、8倍でもよい。その場合、増幅率に応じてA/D変換器のリファレンス電圧を8(V)にすればよい。オペアンプがN個であれば、各オペアンプのゲインの比率は、20:21:22:・・・・:2N-1にし、A/D変換器もN個用いればよい。また本実施形態では、12ビットのA/D変換器を用いたが、何ビットのA/D変換器を用いてもよい。 In the present embodiment, the description has been given of the case where the number of operational amplifiers and the number of A / D converters are three in the A / D conversion circuit unit, but a plurality (N) of each may be provided. In addition, although the operational amplifier has been described with an amplification factor of 1, 2 and 4 times, it may not be G1: G2: G3 = 1: 2: 4, and other amplification ratios, for example, 2 times, 4 times, It may be 8 times. In that case, the reference voltage of the A / D converter may be set to 8 (V) according to the amplification factor. If there are N operational amplifiers, the gain ratio of each operational amplifier is 2 0 : 2 1 : 2 2 :...: 2 N−1 , and N A / D converters may be used. In this embodiment, a 12-bit A / D converter is used, but any number of A / D converters may be used.

以上の説明からわかるように、A/D変換回路部においてN個のオペアンプとMビットのA/D変換器をN個用いれば、M+N−1ビットのディジタル出力が得られ、後続のコンピュータやメモリ回路を用いたデータ処理装置においてM+N−1ビットのディジタル値としてデータを処理することができる。   As can be seen from the above description, if N operational amplifiers and N M-bit A / D converters are used in the A / D conversion circuit unit, a digital output of M + N−1 bits can be obtained, and a subsequent computer or memory can be obtained. Data can be processed as a digital value of M + N−1 bits in a data processing device using a circuit.

また、ダイナミックレンジに対して1/2N-1以下のアナログ信号は、実質上、M+N−1ビットのA/D変換器を用いた場合と同等の精度でディジタル変換を行うことができる。このことは、M+N−1ビットのA/D変換器が現存しない場合、または現存しても変換速度の都合上使用できない場合に、MビットのA/D変換器をN個用いることによりM+N−1ビット相当のディジタル変換が達成し得ることを意味している。 In addition, an analog signal of 1/2 N−1 or less with respect to the dynamic range can be digitally converted with substantially the same accuracy as when an M + N−1 bit A / D converter is used. This means that if M + N-1 bit A / D converters do not exist or if they cannot be used due to the conversion speed, N + M-bit A / D converters are used. It means that digital conversion equivalent to 1 bit can be achieved.

(実施形態7)
図16は本発明の第7の実施形態を示す光電変換装置の回路図である。図16においては、光電変換回路部101の画素数は3×3画素ではなく、更に多数の画素構成の場合を想定して記載している。また、図6の読み出し用回路部内で記載されている容量素子CL1〜CL3、スイッチSn1〜Sn3、アンプB1〜B3、スイッチSr1〜Sr3は図16において省略しているが、実際には、それらが128個存在している。また、図6内のシフトレジスタ103、アンプ104、A/D変換回路部も図16では省略している。
(Embodiment 7)
FIG. 16 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device showing a seventh embodiment of the present invention. In FIG. 16, the number of pixels of the photoelectric conversion circuit unit 101 is not 3 × 3 pixels, but is described assuming a larger number of pixel configurations. Also, the capacitive elements CL1 to CL3, the switches Sn1 to Sn3, the amplifiers B1 to B3, and the switches Sr1 to Sr3 described in the readout circuit section of FIG. 6 are omitted in FIG. There are 128. Further, the shift register 103, the amplifier 104, and the A / D conversion circuit portion in FIG. 6 are also omitted in FIG.

図16においては、読み出し用回路部107の入力数を128として記載している。2次元の光電変換素子回路部101の列数が、例えば2560列であれば、読み出し用回路部107(IC)を20個用いることになる。BND1〜BND128は、光電変換用回路部内のマトリクス信号配線(M1〜M128)と読み出し用回路部との接続部分を示しており、ワイヤーボンディング法や異方性接続法で結線される。   In FIG. 16, the number of inputs to the reading circuit unit 107 is described as 128. If the number of columns of the two-dimensional photoelectric conversion element circuit unit 101 is, for example, 2560 columns, 20 readout circuit units 107 (IC) are used. BND1 to BND128 indicate connection portions between the matrix signal wirings (M1 to M128) in the photoelectric conversion circuit portion and the readout circuit portion, and are connected by a wire bonding method or an anisotropic connection method.

図16において、図6と異なるところは、マトリクス信号配線からの信号を増幅するための初段のオペアンプL1〜L128の基準となる電位(GND)を、それぞれ、バッファアンプE1〜E128から供給されている点である。実施形態2でも説明したように、オペアンプL1〜L128は、光電変換回路部からの信号を増幅することを目的とし、ノイズ性能の点で優れた特性を有するオペアンプを用いている。同時に、そのオペアンプで増幅する際に、L1〜L128のオペアンプで発生するランダムノイズ以外に、非反転増幅器として構成される抵抗において発生する熱雑音も存在する。特に、オペアンプの反転端子とGND間に挿入されている入力抵抗RA1〜RA128で発生する熱雑音(4KTRB)はL1〜L128のオペアンプにより、非反転増幅器の増幅率倍だけ増幅される結果となる。従って、抵抗で発生する熱雑音をより小さく抑えるためにはL1〜L128の入力抵抗を小さくすることが求められる。   16 differs from FIG. 6 in that potentials (GND) serving as references for the first-stage operational amplifiers L1 to L128 for amplifying signals from the matrix signal wiring are supplied from the buffer amplifiers E1 to E128, respectively. Is a point. As described in the second embodiment, the operational amplifiers L1 to L128 are operational amplifiers that are intended to amplify signals from the photoelectric conversion circuit unit and have excellent characteristics in terms of noise performance. At the same time, when amplifying with the operational amplifier, in addition to the random noise generated with the operational amplifiers L1 to L128, there is also thermal noise generated with a resistor configured as a non-inverting amplifier. In particular, thermal noise (4KTRB) generated in the input resistors RA1 to RA128 inserted between the inverting terminal of the operational amplifier and GND results in amplification by the amplification factor of the non-inverting amplifier by the operational amplifiers L1 to L128. Therefore, it is required to reduce the input resistances of L1 to L128 in order to further reduce the thermal noise generated by the resistance.

一方、光電変換回路部からの信号がオペアンプL1〜L128に入力された場合、入力抵抗RA1〜RA128には、入力電圧に応じた電流が流れる。例えば、マトリクス信号配線M1の出力電圧すなわちオペアンプL1の入力電圧がV1であれば、入力抵抗RA1に流れる電流I1は、I1=V1/RA1である。すなわち入力抵抗を小さくすれば、熱雑音は小さくなり、入力抵抗に流れる電流は大きくなる。その電流はGNDに流れることになる。もしGNDのインピーダンスが大きい場合、入力抵抗に流れる電流により電圧降下をひきおこす。例えば、読み出し用回路部107に外部から供給するGNDが1点であった場合、その点からGND配線を引き回すことにより、L1〜L128のオペアンプにGNDが供給される。   On the other hand, when signals from the photoelectric conversion circuit unit are input to the operational amplifiers L1 to L128, a current corresponding to the input voltage flows through the input resistors RA1 to RA128. For example, if the output voltage of the matrix signal wiring M1, that is, the input voltage of the operational amplifier L1, is V1, the current I1 flowing through the input resistor RA1 is I1 = V1 / RA1. That is, if the input resistance is reduced, the thermal noise is reduced and the current flowing through the input resistance is increased. The current flows through GND. If the impedance of GND is large, a voltage drop is caused by the current flowing through the input resistance. For example, if the number of GND supplied from the outside to the reading circuit unit 107 is one point, the GND is supplied from the point to the operational amplifiers L1 to L128.

そのGND配線には、図16のような入力数が128の読み出し用回路部であった場合、128個の入力抵抗に流れる電流すべて流れ込むことになり、GNDの供給点から遠方に存在するオペアンプの基準電位(GND)が、変動することになる。しかも、変動する量は他の信号配線の入力信号に依存することになり、正しい光電変換信号が得られなくなる可能性がある。引き回すGND配線の線幅を太くすることにより基準電位の電圧降下量を軽減されるが、チップ面積を増やすことにもつながり望ましい解決策ではない。   In the GND wiring, when the number of inputs is 128 as shown in FIG. 16, all the currents flowing through the 128 input resistors flow, and the operational amplifier existing far away from the GND supply point. The reference potential (GND) will fluctuate. In addition, the amount of fluctuation depends on the input signal of another signal wiring, and there is a possibility that a correct photoelectric conversion signal cannot be obtained. Although the amount of voltage drop of the reference potential can be reduced by increasing the line width of the GND wiring to be routed, this leads to an increase in the chip area and is not a desirable solution.

また、L1からL128の各オペアンプに外部からのGNDを供給することによりインピーダンスを低下させることはできるが、入力数と同数の引き出しパッドを設けることは現実的でない。   Although the impedance can be lowered by supplying external GND to each of the operational amplifiers L1 to L128, it is not practical to provide the same number of lead-out pads as the number of inputs.

本実施形態では、L1からL128のオペアンプそれぞれに別個のバッファアンプE1〜E128を設け、L1〜L128の低ノイズアンプの基準電位(GND)をそれぞれE1〜E128のバッファアンプの出力から供給している。そうすることにより、L1〜L128のオペアンプの入力抵抗RA1〜RA128を小さく設定し、その結果入力抵抗に流れる電流が増大したとしてもL1〜L128の低ノイズオペアンプの基準は、常に良質のGND電位を供給することができるため、正確な光電変換信号が得られる。もちろん入力抵抗RA1〜RA128が小さいために、入力抵抗で発生する熱雑音は小さくS/Nを大きくできる。入力抵抗の抵抗値としてはいたずらに小さくする必要はなく、抵抗で発生する熱雑音とバッファアンプE1〜E128で発生する雑音を考慮した上で設定すればよい。   In the present embodiment, separate buffer amplifiers E1 to E128 are provided for the operational amplifiers L1 to L128, respectively, and the reference potentials (GND) of the low noise amplifiers L1 to L128 are supplied from the outputs of the buffer amplifiers E1 to E128, respectively. . By doing so, even if the input resistances RA1 to RA128 of the operational amplifiers L1 to L128 are set small and as a result, the current flowing through the input resistance increases, the reference of the low noise operational amplifiers L1 to L128 always has a good GND potential. Since it can be supplied, an accurate photoelectric conversion signal can be obtained. Of course, since the input resistors RA1 to RA128 are small, the thermal noise generated by the input resistors is small and the S / N can be increased. The resistance value of the input resistor does not need to be unnecessarily small, and may be set in consideration of thermal noise generated by the resistor and noise generated by the buffer amplifiers E1 to E128.

本実施形態では、読み取り用回路部の入力数を128として説明しているが、更に多数の場合であってもいっこうにかまわない。   In this embodiment, the number of inputs to the reading circuit unit is described as 128. However, the number of inputs may be further increased.

(実施形態8)
図17は本発明の第8の実施形態を説明するための光電変換装置の回路図である。図8と同一の部材については同一符号を用いており、説明は省略する。
(Embodiment 8)
FIG. 17 is a circuit diagram of a photoelectric conversion device for explaining an eighth embodiment of the present invention. The same members as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図17において、図8と異なる点は、大きく以下の4点である。第1に、容量素子CC1〜CC3はそれぞれ、抵抗素子RB1〜RB3を介して、スイッチ素子D1〜D3に接続されている点である。第2に、スイッチ素子D1〜D3を開閉する信号、すなわちDRES信号がCRES信号と遅延回路DL1(またはDL2)により作成され、しかもそれは、外部からの制御信号DSELにより選択可能にした点である。第3に容量素子CC1〜CC3とバッファアンプA1〜A3の間にバッファアンプF1〜F3、抵抗素子RF1〜RF3、容量素子CF1〜CF3で構成されるローパスフィルタを設けた点、第4にサンプルホールド用の容量素子CL1〜CL3に信号をサンプリングする際に機能するバッファアンプA1〜A3のスルーレートを外部からの制御信号SRにより可変可能にした点である。   17 differs from FIG. 8 in the following four points. First, the capacitive elements CC1 to CC3 are connected to the switch elements D1 to D3 via the resistance elements RB1 to RB3, respectively. Secondly, a signal for opening and closing the switching elements D1 to D3, that is, a DRES signal is created by the CRES signal and the delay circuit DL1 (or DL2), and is made selectable by an external control signal DSEL. Thirdly, a low-pass filter including buffer amplifiers F1 to F3, resistance elements RF1 to RF3, and capacitive elements CF1 to CF3 is provided between the capacitive elements CC1 to CC3 and the buffer amplifiers A1 to A3. The slew rate of the buffer amplifiers A1 to A3 that function when sampling the signals to the capacitive elements CL1 to CL3 is made variable by the control signal SR from the outside.

本実施形態の光電変換装置は3×3=9画素分で記載しているが、更に多数の画素であっても主旨に違いはない。また、マトリクス信号配線1本の系列についてのみ説明してもなんら問題はないため、以下、M1のマトリクス信号配線の系列についてのみ、本実施形態を図面を用いて説明する。   Although the photoelectric conversion device of the present embodiment is described with 3 × 3 = 9 pixels, there is no difference in the main point even with a larger number of pixels. In addition, since there is no problem even if only one matrix signal wiring is described, this embodiment will be described with reference to the drawings only for the M1 matrix signal wiring.

光電変換回路部101からの信号を増幅するための、読み出し用回路部107の初段のオペアンプL1は、実施形態2でも説明したように、低ノイズ性能に優れている。その周波数帯域は、光電変換回路部内のTFTでの転送動作によって伝達される光電変換信号を十分に増幅できる帯域であればよい。しかしながら、オペアンプL1が必要以上に広い周波数帯域を有すると、光電変換信号は増幅できるものの、L1で発生するランダムノイズの高周波成分をも増幅されることになる。その高周波成分のノイズは光電変換回路部をリセットする際に、その出力に現れ、結果として容量素子CC1に終端される。このことは、S/Nを損なう原因となる。   The operational amplifier L1 in the first stage of the reading circuit unit 107 for amplifying the signal from the photoelectric conversion circuit unit 101 is excellent in low noise performance as described in the second embodiment. The frequency band may be a band that can sufficiently amplify the photoelectric conversion signal transmitted by the transfer operation in the TFT in the photoelectric conversion circuit unit. However, when the operational amplifier L1 has a frequency band wider than necessary, the photoelectric conversion signal can be amplified, but the high-frequency component of random noise generated in L1 is also amplified. The noise of the high-frequency component appears at the output when the photoelectric conversion circuit unit is reset, and as a result, is terminated in the capacitive element CC1. This causes a loss of S / N.

また、TFTでの光電変換信号の転送においてもL1のノイズの高周波成分は増幅され、やはりS/Nを低下させる。つまり、L1のオペアンプに求められる性能としては、光電変換回路部内のTFTでの転送動作によって伝達される光電変換信号を十分に増幅できる周波数帯域でもち、しかも、必要以上に広い周波数帯域であってはならない。しかし、実際オペアンプを設計、製造する場合において、所望の帯域を有するオペアンプを得ることはシンプルな回路構成では容易ではない。特に、1チップ上に複数のオペアンプを作り込む必要のある本発明の読み出し用回路においては、1桁まではばらつかないものの、数倍はばらつく可能性がある。従って、光電変換回路部内のTFTでの転送動作によって伝達される光電変換信号を増幅できる周波数帯域よりも、ばらつきを考慮した上で、広めの周波数帯域でオペアンプL1は設計される。   In addition, in the transfer of the photoelectric conversion signal by the TFT, the high frequency component of the noise of L1 is amplified and the S / N is also lowered. In other words, the performance required for the operational amplifier of L1 is a frequency band that can sufficiently amplify the photoelectric conversion signal transmitted by the transfer operation in the TFT in the photoelectric conversion circuit section, and a frequency band wider than necessary. Must not. However, when actually designing and manufacturing an operational amplifier, it is not easy to obtain an operational amplifier having a desired band with a simple circuit configuration. In particular, in the readout circuit of the present invention in which a plurality of operational amplifiers need to be formed on one chip, there is a possibility that it may vary several times although it does not vary up to one digit. Therefore, the operational amplifier L1 is designed in a wider frequency band in consideration of variation than the frequency band in which the photoelectric conversion signal transmitted by the transfer operation in the TFT in the photoelectric conversion circuit unit can be amplified.

CRES信号と遅延回路DL1出力及びDL2出力のタイミングチャートを図18に示す。遅延回路DL1,DL2はCRES信号の立ち下がりにおいてのみ遅延を生じさせる回路であり、DL2の方がDL1よりも遅延量が大きい。外部からの制御信号により遅延量の異なるDRES信号を選択できる。CRES信号がON状態すなわち、光電変換回路部内のマトリクス信号配線の読み出し容量のリセットの時には、同時にDRES信号がON状態である。その時点において、オペアンプL1で発生するノイズは、容量素子CC1と抵抗RB1で決定されるカットオフ周波数fc=1/(2・π・CC1・RB1)を有する1次系ローパスフィルタ(LPF)で制限されることになる。従って、オペアンプL1の周波数帯域が幾分広めの設定であっても、抵抗RB1の挿入により事実上、周波数帯域が制限されていることになり、L1の高周波側のノイズを遮断することができる。   FIG. 18 shows a timing chart of the CRES signal and delay circuit DL1 output and DL2 output. The delay circuits DL1 and DL2 are circuits that cause a delay only at the falling edge of the CRES signal. The delay amount of DL2 is larger than that of DL1. A DRES signal having a different delay amount can be selected by an external control signal. When the CRES signal is ON, that is, when the readout capacitance of the matrix signal wiring in the photoelectric conversion circuit section is reset, the DRES signal is simultaneously ON. At that time, the noise generated in the operational amplifier L1 is limited by a primary low-pass filter (LPF) having a cutoff frequency fc = 1 / (2 · π · CC1 · RB1) determined by the capacitive element CC1 and the resistor RB1. Will be. Therefore, even if the frequency band of the operational amplifier L1 is set somewhat wider, the frequency band is effectively limited by the insertion of the resistor RB1, and noise on the high frequency side of L1 can be cut off.

また、バッファアンプF1、容量素子CF1、抵抗素子RF1は、リセット終了後にTFTを介して光電変換信号が転送される際に、1次系のLPFとして機能する。すなわちL1の高周波側のノイズを遮断することができる。バッファアンプF1の帯域を若干高帯域に設定し、CF1,RF1の定数を、光電変換回路部内のTFTでの転送動作によって伝達される光電変換信号を十分に増幅できる周波数帯域で、かつ必要以上に広い周波数帯域にならないような定数を選べばよい。   The buffer amplifier F1, the capacitive element CF1, and the resistive element RF1 function as a primary LPF when a photoelectric conversion signal is transferred via the TFT after the reset is completed. That is, the noise on the high frequency side of L1 can be blocked. The band of the buffer amplifier F1 is set to a slightly high band, and the constants of CF1 and RF1 are in a frequency band that can sufficiently amplify the photoelectric conversion signal transmitted by the transfer operation in the TFT in the photoelectric conversion circuit section, and more than necessary. A constant that does not result in a wide frequency band should be selected.

遅延回路DL1,DL2によるDRES信号の立ち下がりの遅延時間はDSEL信号によって制御される。DRES信号の立ち下がりの遅延時間をTdとする。実施形態3で説明したように、容量素子CC1をAC的に結合し図6に示されるタイミング動作をさせることにより、マトリクス信号配線の読み出し容量(C2)をCRESによってリセットする際に発生するKTCノイズをキャンセルさせることができる。抵抗素子RB1を挿入させること、CC1にクランプするKTCノイズの量VKTCは、KTCノイズの総量をVTとするとVKTC=VT(1−EXP(−Td/CC1・RB1)で与えられる。すなわち、時定数CC1・RB1に比し、Tdを十分長く設定させることによりKTCノイズを十分CC1に蓄めこむことができ、TFTの転送時にKTCノイズをキャンセルすることができる。しかし、Tdを長く設定することは1行を読み取るのに必要な時間も大きくなり、しいては1フレーム分の光電変換信号を読み取る時間が長くなることをも意味する。例えば本発明の光電変換装置をX線撮像装置として用いることを仮定した場合、1ショット分の良質の静止画像を得る場合はTdを長く設定してもよいが、連続した複数枚の動画を得る場合は読み取り時間の増大が動画の取得レート(フレームレート:枚数/秒)を低減させることにもつながる。   The delay time of the fall of the DRES signal by the delay circuits DL1 and DL2 is controlled by the DSEL signal. Let Td be the delay time of the fall of the DRES signal. As described in the third embodiment, the capacitive element CC1 is AC-coupled and the timing operation shown in FIG. 6 is performed, so that the KTC noise generated when the readout capacitance (C2) of the matrix signal wiring is reset by CRES. Can be canceled. The amount of KTC noise VKTC to be clamped to CC1 by inserting the resistance element RB1 is given by VKTC = VT (1−EXP (−Td / CC1 · RB1), where the total amount of KTC noise is VT. By setting Td sufficiently long compared to CC1 and RB1, KTC noise can be stored sufficiently in CC1, and KTC noise can be canceled at the time of TFT transfer. This also means that the time required to read one row also increases, which means that the time to read photoelectric conversion signals for one frame becomes longer, for example, using the photoelectric conversion device of the present invention as an X-ray imaging device. Assuming that a high quality still image for one shot is obtained, Td may be set longer. Time increase video acquisition rate reading when that: leading to (frame rate number / sec) be reduced.

本実施形態においては、TdをDSEL信号によって切り替えることを可能にしている。そのことにより、S/Nの高い高画質を必要とされる静止画モードの時は、Tdを長く設定されたDRES信号を用い、フレームレートの高い動画モードの時は、Tdを短く設定されたDRES信号を用いるといった目的別に動作状態をDRES信号により容易に切り替えることができる。   In this embodiment, Td can be switched by the DSEL signal. As a result, the DRES signal with a long Td is used in the still image mode that requires a high image quality with a high S / N, and the Td is set short in the video mode with a high frame rate. The operation state can be easily switched by the DRES signal for each purpose such as using the DRES signal.

読み出し用回路内のシフトレジスタ103が図17中では図示していないが、基本クロックに同期させて出力させる回路方式とした場合、103によりシリアル変換された光電変換信号(アナログ信号)は、基本クロックに同期して出力される。例えば基本クロックを10MHzとした場合、アナログ信号の出力カレートも10MHzに設計できる。しかし、例えばA/D変換回路部105や、その後段に接続されるメモリ、CPU他のディジタル回路等を含むシステム回路等のハードウェアの制限や、ソフトウェア的な事情により、10MHzのアナログ出力カレートが受け付けられない場合もある。そういった場合、例えば基本クロックを5MHzとして動作させればよい。   Although the shift register 103 in the reading circuit is not shown in FIG. 17, when the circuit system is configured to output in synchronization with the basic clock, the photoelectric conversion signal (analog signal) serially converted by the 103 is the basic clock. Output in sync with. For example, when the basic clock is set to 10 MHz, the analog signal output current can be designed to 10 MHz. However, for example, due to restrictions on hardware such as the A / D conversion circuit unit 105, a memory connected in the subsequent stage, a system circuit including a CPU and other digital circuits, and the like in terms of software, an analog output current rate of 10 MHz is It may not be accepted. In such a case, for example, the basic clock may be operated at 5 MHz.

本実施形態においては上記KTCノイズをキャンセルさせる動作タイミングにおいて、遅延量Tdを一定にさせることも可能である。それは、遅延回路DL1,DL2を基本クロックを用いて作成させればよく、簡単なディジタル回路でできる。   In the present embodiment, the delay amount Td can be made constant at the operation timing for canceling the KTC noise. That is, the delay circuits DL1 and DL2 need only be created using a basic clock, and can be realized with a simple digital circuit.

例えばDL1では16クロック分だけ遅延させ、DL2では32クロック分だけ遅延させればよい。10MHzの時はDSELを“Hi”にしDL2を用いればTd=3.2(μsec)となり、5MHzの時はDSELを“Lo”にしDL1を用いればTd=3.2(μsec)となる。すなわちDSELの切り替えによりTdを一定にすることもできる。CC1の容量値、RB1の抵抗値は、KTCノイズ、オペアンプL1の帯域、読み取りスピードを勘案し適宜設定させればよく、目的に応じてDSEL信号によりDRES信号を切り替えることができる。   For example, DL1 may be delayed by 16 clocks, and DL2 may be delayed by 32 clocks. When DMH is set to “Hi” and DL2 is used at 10 MHz, Td = 3.2 (μsec) when DL2 is used. When DSEL is set to “Lo” and DL1 is used at 5 MHz, Td = 3.2 (μsec). That is, Td can be made constant by switching DSEL. The capacitance value of CC1 and the resistance value of RB1 may be appropriately set in consideration of the KTC noise, the band of the operational amplifier L1, and the reading speed, and the DRES signal can be switched according to the purpose.

図19では、図17におけるサンプルホールド部を形成している部分、すなわちバッファアンプA1、スイッチ素子Sn1、容量素子CL1、バッファアンプB1の領域の具体的な回路構成例の一例を示している。外部からの制御信号SRがオン状態の時とオフ状態の時とで、トランジスタQ16,Q15に流れる電流値を変化させることができる。このことは、SMPL信号がオンの時すなわち光電変換回路部からの光電変換信号を容量素子CLにサンプリングする際に、単位時間にCLにチャージできる電荷量を変化させている。すなわち、SRはバッファアンプA1のスルーレート(V/μsec)を変化させている。   FIG. 19 shows an example of a specific circuit configuration example of the part forming the sample hold unit in FIG. 17, that is, the region of the buffer amplifier A1, the switch element Sn1, the capacitive element CL1, and the buffer amplifier B1. The value of the current flowing through the transistors Q16 and Q15 can be changed depending on whether the external control signal SR is on or off. This changes the amount of charge that can be charged to CL per unit time when the SMPL signal is on, that is, when the photoelectric conversion signal from the photoelectric conversion circuit section is sampled in the capacitor element CL. That is, SR changes the slew rate (V / μsec) of the buffer amplifier A1.

バッファアンプA1で発生するノイズは、読み出し用回路部の入力部で換算すれば、アンプL1のゲインの逆数1/G(G:1+R2/R1)となる。L1や他のアンプと同様、バッファアンプA1の雑音密度(V/(Hz)1/2)と周波数帯域に依存する。バッファアンプA1のアンプSR信号を“Lo”にすればスルーレートが低下する。換言すれば、バッファアンプA1の周波数帯域を小さくすることをも意味している。このことは、SMPL信号“Hi”にして光電変換信号をサンプリングする場合、容量素子CLに蓄積されるバッファアンプA1のノイズを小さくすることができ、S/N的に有利に働く。例えば光電変換回路部からの信号が微弱である場合、制御信号SRを“Lo”にしてA1のスルーレートを小さくし、ノイズを低減させることが可能となる。例えば、前述したように、光電変換装置をX線撮像装置として用いた場合、動画のモードでは一般的にX線量は制限されるため得られる信号量は微弱となり、制御信号SRによる切り替え機能が有効となる。 The noise generated in the buffer amplifier A1 is the inverse 1 / G (G: 1 + R2 / R1) of the gain of the amplifier L1 when converted at the input section of the reading circuit section. Like L1 and other amplifiers, it depends on the noise density (V / (Hz) 1/2 ) and frequency band of the buffer amplifier A1. If the amplifier SR signal of the buffer amplifier A1 is set to “Lo”, the slew rate is lowered. In other words, it also means reducing the frequency band of the buffer amplifier A1. This means that, when the photoelectric conversion signal is sampled with the SMPL signal “Hi”, the noise of the buffer amplifier A1 accumulated in the capacitor element CL can be reduced, which is advantageous in terms of S / N. For example, when the signal from the photoelectric conversion circuit section is weak, the control signal SR is set to “Lo” to reduce the slew rate of A1, thereby reducing noise. For example, as described above, when the photoelectric conversion device is used as an X-ray imaging device, the amount of signal obtained is generally weak in the moving image mode because the X-ray dose is limited, and the switching function based on the control signal SR is effective. It becomes.

本実施形態においては、DSELやSRの制御信号による切り替えは、“Hi”、“Lo”2通りの切り替え機能でしか説明していないが、4通り、8通り、16通り、…と必要に応じて増やすことは、いうまでもなく、容易に行うことができる。   In the present embodiment, the switching by the DSEL and SR control signals has been described only with “Hi” and “Lo” switching functions, but four, eight, sixteen,... Needless to say, it can easily be increased.

(実施形態9)
図20は本発明の第9の実施形態を示す光電変換装置の概略的回路図である。説明を簡単化するために、3×3=9画素分のみを記載してある。図3とは光電変換素子S1−1〜S3−3の表記の仕方が異なっている。また、光電変換素子にバイアスを与えるための電源回路部が異なっている。読み出し用回路部については図3と同じであり、同一構成部材については同一の符号を用いている。光電変換回路部の作成方法については、実施形態1に記載してある。従って、光電変換素子、スイッチング素子(TFT)等の模式的上面図及び模式的断面図は夫々図5(a)及び図5(b)と同一である。
(Embodiment 9)
FIG. 20 is a schematic circuit diagram of a photoelectric conversion device showing a ninth embodiment of the present invention. In order to simplify the explanation, only 3 × 3 = 9 pixels are shown. The notation of photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 is different from FIG. Further, the power supply circuit unit for applying a bias to the photoelectric conversion element is different. The readout circuit portion is the same as that in FIG. 3, and the same reference numerals are used for the same constituent members. The method for creating the photoelectric conversion circuit portion is described in Embodiment 1. Therefore, a schematic top view and a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion element, a switching element (TFT), and the like are the same as FIGS. 5A and 5B, respectively.

図5(a)及び図5(b)から判るように、光電変換素子は、スイッチング素子と同一の層構成であり、MIS型のコンデンサとして構成されている。但し、光を入射させる都合上、通常のMISコンデンサと異にするのは、N+ 層を光電変換素子の上部電極として利用している。光電変換素子は容量素子でもあり、光電変換された信号電荷はみづからの容量に蓄積されることになる。本実施形態では、コンデンサでもある光電変換素子を外部に設けたバイアス回路を用いてリセットを行った上で、光電変換電荷の蓄積、TFTによる転送、信号の読み出し、といった動作の方法について説明する。なお、前述の光電変換素子のリセット動作を今後“リフレッシュ”と称する。また、図3とは光電変換素子S1−1〜S3−3の表記を変えているが、図5(a)及び図5(b)で言うところの第1の金属薄膜層を光電変換素子の“G”電極、第2の金属薄膜層を“D”電極と称する。但しD電極は、光電変換素子S1−1〜S3−3にとっては、前述したようN+ 層も含めて電極として機能する。 As can be seen from FIGS. 5A and 5B, the photoelectric conversion element has the same layer configuration as the switching element, and is configured as a MIS type capacitor. However, the N + layer is used as the upper electrode of the photoelectric conversion element, which is different from a normal MIS capacitor for the purpose of entering light. The photoelectric conversion element is also a capacitive element, and the signal charge that has been subjected to photoelectric conversion is stored in an apparent capacity. In the present embodiment, an operation method such as accumulation of photoelectric conversion charge, transfer by TFT, and signal readout after resetting using a bias circuit provided with a photoelectric conversion element that is also a capacitor outside will be described. The reset operation of the above-described photoelectric conversion element is hereinafter referred to as “refresh”. Moreover, although the description of photoelectric conversion element S1-1-S3-3 is changed with FIG. 3, the 1st metal thin film layer said in FIG. 5 (a) and FIG.5 (b) is used for a photoelectric conversion element. The “G” electrode and the second metal thin film layer are referred to as “D” electrodes. However, the D electrode functions as an electrode including the N + layer as described above for the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3.

まず、光電変換素子単体のデバイス動作について説明する。図22(a)〜図22(c)はそのデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。   First, device operation of a single photoelectric conversion element will be described. 22A to 22C are energy band diagrams for explaining the device operation.

図22(a)及び図22(b)は、それぞれ本実施形態のリフレッシュモードおよび光電変換モードの動作を示しており、図5(a)又は図5(b)の光電変換素子の各層の膜厚方向の状態を表している。M1は第1の金属薄膜層(Cr)で形成された下部電極(G電極)である。a−SiNx層は、電子、ホール共にその通過を阻止する絶縁層であり、トンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、500オングストローム以上に設定される。a−Siは真性半導体i層で形成された光電変換半導体層である。N+ 層は、a−Si層へのホールの注入を阻止するために形成されたN型a−Si層の注入阻止層である。またM2は第2金属薄膜層(A1)で形成される上部電極(D電極)である。 FIG. 22A and FIG. 22B show the operation of the refresh mode and the photoelectric conversion mode of this embodiment, respectively, and the film of each layer of the photoelectric conversion element of FIG. 5A or FIG. The state in the thickness direction is shown. M1 is a lower electrode (G electrode) formed of the first metal thin film layer (Cr). The a-SiNx layer is an insulating layer that blocks the passage of both electrons and holes. The a-SiNx layer needs to have a thickness that does not cause a tunnel effect, and is set to 500 angstroms or more. a-Si is a photoelectric conversion semiconductor layer formed of an intrinsic semiconductor i layer. The N + layer is an N-type a-Si layer injection blocking layer formed to prevent hole injection into the a-Si layer. M2 is an upper electrode (D electrode) formed of the second metal thin film layer (A1).

本実施形態では、D電極はN+ 層を完全には覆っていないが、D電極とN+ 層との間は電子の移動が自由に行われるためD電極とN+ 層は常に同電位であり、以下の説明では、そのことを前提としている。 In the present embodiment, D electrode is not completely cover the N + layer, the D electrode and the N + layer for between the the electron transfer is freely performed between the D electrode and the N + layer is always the same potential Yes, the following explanation assumes that.

本光電変換素子にはD電極、G電極の電圧の印可の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという2種類の動作モードがある。   This photoelectric conversion element has two types of operation modes, a refresh mode and a photoelectric conversion mode, depending on how the voltages of the D electrode and G electrode are applied.

リフレッシュモードの図22(a)において、D電極はG電極に対して負の電位が与えられており、i層中の黒丸で示されたホールは電界によりD電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層に注入される。この時、一部のホールと電子はN+ 層、i層において再結合して消滅する。十分に長い時間この状態が続けばi層内のホールはi層から掃き出される。 In FIG. 22A in the refresh mode, the D electrode is given a negative potential with respect to the G electrode, and the holes indicated by black circles in the i layer are guided to the D electrode by an electric field. At the same time, electrons indicated by white circles are injected into the i layer. At this time, some holes and electrons recombine and disappear in the N + layer and the i layer. If this state continues for a sufficiently long time, the holes in the i layer are swept out of the i layer.

この状態から光電変換モードの図22(b)にするためには、D電極にG電極に対し正の電位を与える。するとi層中の電子は瞬時にD電極に導かれる。しかしホールはN+ 層が注入阻止層として働くため、i層に導かれることはない。この状態でi層に光が入射すると、光は吸収され電子ホール対が発生する。この電子は電界によりD電極に導かれ、ホールはi層内を移動しi層とa−SiNx絶縁層との界面に達する。しかし、絶縁層内には移動できないため、i層内に留まることになる。この時、電子はD電極に移動し、ホールはi層内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子内の電気的中性を保つため電流がG電極から流れる。この電流は光により発生した電子・ホール対に対応するため入射した光に比例する。 In order to change from this state to FIG. 22B of the photoelectric conversion mode, a positive potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode. Then, the electrons in the i layer are instantaneously guided to the D electrode. However, since the N + layer functions as an injection blocking layer, holes are not led to the i layer. When light is incident on the i layer in this state, the light is absorbed and an electron hole pair is generated. The electrons are guided to the D electrode by an electric field, and the holes move in the i layer and reach the interface between the i layer and the a-SiNx insulating layer. However, since it cannot move into the insulating layer, it remains in the i layer. At this time, electrons move to the D electrode and holes move to the interface of the insulating layer in the i layer, so that a current flows from the G electrode in order to maintain electrical neutrality in the photoelectric conversion element. This current is proportional to the incident light because it corresponds to the electron-hole pair generated by the light.

ある期間、光電変換モードの図22(b)を保った後、再びリフレッシュモードの図22(a)の状態になると、i層に留まっていたホールは前述のようにD電極に導かれ、同時にこのホールに対応した電流が流れる。このホールの量は光電変換モード期間に入射した光の層量に対応する。この時、i層内に注入される電子の量に対応した電流も流れるが、この量はおよそ一定なため差し引いて検出すればよい。つまり、本実施形態においてこの光電変換素子はリアルタイムに入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入射した光の総量も検出することができる。   After maintaining the photoelectric conversion mode in FIG. 22B for a certain period and then entering the refresh mode in FIG. 22A again, the holes remaining in the i layer are led to the D electrode as described above, and at the same time A current corresponding to this hole flows. The amount of holes corresponds to the layer amount of light incident during the photoelectric conversion mode period. At this time, a current corresponding to the amount of electrons injected into the i layer also flows, but since this amount is approximately constant, it may be detected by subtracting. That is, in this embodiment, the photoelectric conversion element outputs the amount of light incident in real time, and at the same time, can detect the total amount of light incident in a certain period.

しかしながら、何らかの理由により光電変換モードの期間が長くなったり、入射する光の照度が強い場合、光の入射があるにもかかわらず電流が流れないことがある。これは図22(c)のようにi層内にホールが多数留まり、このホールのためi層内の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなりi層内でホールと再結合してしまうからである。この状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモードにすればi層内のホールは掃き出され次の光電変換モードでは再び光に比例した電流が流れる。   However, when the period of the photoelectric conversion mode becomes long for some reason or when the illuminance of incident light is strong, current may not flow even though light is incident. This is because a large number of holes remain in the i layer as shown in FIG. 22C, and the electric field in the i layer is reduced due to these holes, and the generated electrons are not guided and recombined with holes in the i layer. Because. If the light incident state changes in this state, the current may flow in an unstable manner. However, if the refresh mode is set again, the holes in the i layer are swept away and the current proportional to the light is again used in the next photoelectric conversion mode. Flows.

また、前述の説明において、リフレッシュモードでi層内のホールを掃き出す場合、すべてのホールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き出すだけで効果はあり、前述と等しい電流が得られ、問題はない。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において図22(c)の状態になっていなければよく、リフレッシュモードでのD電極のG電極に対する電位、リフレッシュモードの期間およびN+ 層の注入阻止層の特性を決めればよい。また、更にリフレッシュモードにおいてi層への電子の注入は必要条件でなく、D電極のG電極に対する電位は負に限定されるものでもない。ホールが多数i層に留まっている場合にはたとえD電極のG電極に対する電位が正の電位であってもi層内の電界はホールをD電極に導く方向に加わるからである。また、N+ 層の注入阻止層の特性も同様に電子をi層に注入できることが必要条件ではない。 In the above description, when sweeping out the holes in the i layer in the refresh mode, it is ideal to sweep out all the holes, but it is effective only by sweeping out some holes, and the same current as above can be obtained. ,No problem. In other words, it is sufficient that the detection opportunity in the next photoelectric conversion mode is not in the state shown in FIG. 22C, the potential of the D electrode with respect to the G electrode in the refresh mode, the period of the refresh mode, and the N + layer injection blocking layer. What is necessary is just to decide the characteristic. Further, in the refresh mode, injection of electrons into the i layer is not a necessary condition, and the potential of the D electrode with respect to the G electrode is not limited to negative. This is because when many holes remain in the i layer, the electric field in the i layer is applied in the direction leading the holes to the D electrode even if the potential of the D electrode with respect to the G electrode is a positive potential. Similarly, the characteristics of the N + layer injection blocking layer are not necessarily required to be able to inject electrons into the i layer.

次に、図20の光電変換装置の動作の一例について図21のタイミングチャートを用いて説明する。制御信号VSCは、光電変換素子のバイアスラインREFすなわち光電変換素子のD電極に、2種類のバイアスを与えるためのものである。D電極は、VSCが“Hi”の時にVREF(V)になり、“Lo”の時にVS(V)になる。106A,106Bは直流電源であり、それぞれ、読み取り用電源VS(V)、リフレッシュ用電源VREF(V)である。   Next, an example of operation of the photoelectric conversion device in FIG. 20 will be described with reference to a timing chart in FIG. The control signal VSC is for giving two types of bias to the bias line REF of the photoelectric conversion element, that is, the D electrode of the photoelectric conversion element. The D electrode becomes VREF (V) when VSC is “Hi”, and becomes VS (V) when “Lo”. Reference numerals 106A and 106B denote DC power supplies, which are a read power supply VS (V) and a refresh power supply VREF (V), respectively.

まず、リフレッシュ期間の動作について説明する。シフトレジスタ102の信号すべて“Hi”で、かつ読み出し用回路部のCRES信号を“Hi”の状態にする。するとスイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)が導通し、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子RES1〜RES3も導通し、全光電変換素子のG電極がGND電位になる。そしてVSC信号が“Hi”になると全光電変換素子のD電極がリフレッシュ用電源VREFにバイアスされた状態(負電位)になる。すると、全光電変換素子S1−1〜S3−3はリフレッシュモードになり、リフレッシュが行われる。   First, the operation during the refresh period will be described. All the signals of the shift register 102 are set to “Hi”, and the CRES signal of the reading circuit portion is set to the “Hi” state. Then, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned on, and the switch elements RES1 to RES3 in the reading circuit are also turned on, so that the G electrodes of all the photoelectric conversion elements become the GND potential. When the VSC signal becomes “Hi”, the D electrodes of all the photoelectric conversion elements are biased to the refresh power source VREF (negative potential). Then, all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are in the refresh mode, and refresh is performed.

次に、光電変換期間について説明する。VSCが“Lo”の状態に切り替わり、全光電変換素子のD電極は読み取り用電源VSにバイアスされた状態(正電位)になる。すると光電変換素子は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタ102の信号をすべて“Lo”で、かつ読み出し用回路部のCRES信号を“Lo”の状態にする。するとスイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)がオフし、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子RES1〜RES3もオフし、全光電変換素子のG電極は、DC的にはオープン状態になるが光電変換素子はコンデンサでもあるため電位は保持される。しかし、この時点では、光電変換素子に光は入射されていないため、電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。   Next, the photoelectric conversion period will be described. The VSC is switched to the “Lo” state, and the D electrodes of all the photoelectric conversion elements are biased to the reading power source VS (positive potential). Then, the photoelectric conversion element enters a photoelectric conversion mode. In this state, all the signals of the shift register 102 are set to “Lo”, and the CRES signal of the reading circuit portion is set to “Lo”. Then, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned off, and the switch elements RES1 to RES3 in the readout circuit are also turned off, and the G electrodes of all the photoelectric conversion elements are in an open state in terms of DC. However, since the photoelectric conversion element is also a capacitor, the potential is maintained. However, at this time, since no light is incident on the photoelectric conversion element, no charge is generated. That is, no current flows.

この状態で光源がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子のD電極(N+ 電極)に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光源については、図20中特に記載はしていないが、例えば、複写機であれば蛍光灯、LED、ハロゲン灯等である。X線撮像装置であれば文字通りX線源であり、この場合X線可視変換用のシンチレータを用いればよい。これらの光によって流れた光電流は電荷としてそれぞれの光電変換素子内に蓄積され、光源がオフ後も保持される。 When the light source is turned on in a pulse state in this state, light is irradiated to the D electrode (N + electrode) of each photoelectric conversion element, and so-called photocurrent flows. The light source is not particularly described in FIG. 20, but for example, in the case of a copying machine, it is a fluorescent lamp, an LED, a halogen lamp, or the like. An X-ray imaging apparatus is literally an X-ray source. In this case, a scintillator for X-ray visible conversion may be used. The photocurrents flown by these lights are accumulated in the respective photoelectric conversion elements as electric charges, and are retained even after the light source is turned off.

次に読み出し期間に移行するが、その動作については、実施形態1で説明した内容と全く同じであるため、説明はここでは省略する。   Next, the reading period starts. The operation is exactly the same as that described in the first embodiment, and the description is omitted here.

リフレッシュ期間、光電変換期間、読み出し期間を経て1枚の画像が得られるが、動画のような複数枚の画像を得る場合は上述の動作を繰り返せば良い。本実施形態では、光電変換素子のD電極が共通に接続され、この共通の配線をVSC信号で、リフレッシュ用電源VREFと読み取り用電源VSの電位に制御しているため、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電変換モードとに切り替えることができる。このため、複雑な制御をすることなしに1画素あたり1個のTFTで光出力を得ることができる。   One image is obtained through the refresh period, the photoelectric conversion period, and the readout period. However, when a plurality of images such as a moving image are obtained, the above operation may be repeated. In this embodiment, the D electrodes of the photoelectric conversion elements are connected in common, and this common wiring is controlled to the potentials of the refresh power supply VREF and the read power supply VS by the VSC signal. The mode can be switched between the refresh mode and the photoelectric conversion mode. For this reason, a light output can be obtained with one TFT per pixel without complicated control.

(実施形態10)
図23は本発明の第10の実施形態を説明するための光電変換装置の概略的回路図である。図23において、光電変換素子及びスイッチングTFTの組は、図の簡単化のため単に四角形で表している。本実施形態の特徴は、リフレッシュ用電源と読み出し用電源を切り替える電源回路が4系統設けており、加えてマトリクス信号配線をリセットするリセット回路も4系統設けてある点である。電源の切り替えはVSC1〜VSC4で行い、またリセットの切り替えはCRES1〜CRES4で行う。図20における読み出し用回路107内のオペアンプA1〜A3に対応する部分は、図23内では同じくA1〜A3のオペアンプである。図の簡単化のためオペアンプA1以降の回路部分については省略したが、図20と全く同じと考えてよい。また、図23では総画素数が3×3=9画素ではなく、更に多数の画素数である場合を想定している。更に図23の列数は、4×N倍(N:自然数)を想定している。
(Embodiment 10)
FIG. 23 is a schematic circuit diagram of a photoelectric conversion device for explaining a tenth embodiment of the present invention. In FIG. 23, a set of photoelectric conversion elements and switching TFTs is simply represented by a rectangle for the sake of simplicity. The feature of this embodiment is that four power supply circuits for switching between the refresh power supply and the read power supply are provided, and in addition, four reset circuits for resetting the matrix signal wiring are provided. The power supply is switched by VSC1 to VSC4, and the reset switching is performed by CRES1 to CRES4. The portions corresponding to the operational amplifiers A1 to A3 in the readout circuit 107 in FIG. 20 are the operational amplifiers A1 to A3 in FIG. For simplification of the drawing, the circuit portion after the operational amplifier A1 is omitted, but may be considered to be exactly the same as FIG. Further, in FIG. 23, it is assumed that the total number of pixels is not 3 × 3 = 9 pixels but a larger number of pixels. Further, the number of columns in FIG. 23 is assumed to be 4 × N times (N: natural number).

次に、本実施形態の動作の一例を図24のタイミングチャートを用いて説明する。   Next, an example of the operation of the present embodiment will be described with reference to the timing chart of FIG.

電源の切り替えVSC1信号が“Hi”状態で、かつリセットの切り替えCRES1信号も“Hi”状態の時に、シフトレジスタ(SR1)のG1信号が“Hi”になると、光電変換素子S1−1,S1−5,S1−9…すなわち第1行目の第(4×1+1)列(1:0以上の整数)に対応する光電変換素子がリフレッシュされる。同様に、G2,G3…GNが順次“Hi”になり、やがてシフトレジスタ動作が完了した時点においては、1列、5列、9列…すなわち第(4×1+1)列(1:0以上の整数)に対応する光電変換素子すべてがリフレッシュを完了する。この期間中において、その他の列の光電変換素子すなわち2列、6列、10列…および3列、7列、11列…および4列、8列、12列…の光電変換素子は、それぞれの列に対応する、VSC2,VSC3,VSC4が“Lo”状態(D電極がVSにバイアス)であり、かつCRES2,CRES3,CRES4の信号は通常のリセット動作を繰り返している(図4のCRES信号と同様)ために、読み取り用回路部による読み取り動作を行っている状態である。   When the G1 signal of the shift register (SR1) becomes “Hi” when the power supply switching VSC1 signal is in the “Hi” state and the reset switching CRES1 signal is also in the “Hi” state, the photoelectric conversion elements S1-1 and S1- 5, S1-9..., That is, the photoelectric conversion elements corresponding to the (4 × 1 + 1) th column (an integer of 1: 0 or more) in the first row are refreshed. Similarly, when G2, G3,... GN sequentially become “Hi” and the shift register operation is completed, the first column, the fifth column, the ninth column, that is, the (4 × 1 + 1) th column (1: 0 or more) All the photoelectric conversion elements corresponding to (integer) complete the refresh. During this period, the other rows of photoelectric conversion elements, ie, 2, 6, 10,..., 3, 7, 7, 11,..., 4, 8, 12,. VSC2, VSC3, and VSC4 corresponding to the column are in the “Lo” state (D electrode is biased to VS), and the signals of CRES2, CRES3, and CRES4 repeat the normal reset operation (the CRES signal in FIG. 4). Therefore, the reading operation by the reading circuit unit is being performed.

次に、VSC1が“Hi”状態から“Lo”状態に遷移し、かつCRES1信号はそのまま“Hi”状態を維持させた状態で、シフトレジスタSR1を通常のG1からGNまでの動作をさせる。シフトレジスタ動作が完了した時点においては、1列、5列、9列…すなわち第(4×1+1)列(1:0以上の整数)に対応する光電変換素子すべてのD電極が読み取り用電源VSにバイアスされたことになり、G電極はGND電位を保持した状態になる。すなわち、光電変換モードに推移したことになる。一方、その他の列の光電変換素子すなわち2列、6列、10列…および3列、7列、11列…および4列、8列12列…の光電変換素子は、それぞれの列に対応する、VSC2,VSC3,VSC4が“Lo”状態(D電極がVSにバイアス)であり、かつCRES2,CRES3,CRES4の信号は通常のリセット動作を繰り返している(図4のCRES信号と同様)ために、読み取り用回路部による読み取り動作を行っている状態である。   Next, with the VSC1 transitioning from the “Hi” state to the “Lo” state and the CRES1 signal maintained in the “Hi” state, the shift register SR1 is operated from normal G1 to GN. When the shift register operation is completed, all the D electrodes of the photoelectric conversion elements corresponding to the first column, the fifth column, the ninth column, that is, the (4 × 1 + 1) th column (an integer of 1: 0 or more) are read power supply VS. Thus, the G electrode is in a state of holding the GND potential. That is, it has shifted to the photoelectric conversion mode. On the other hand, the photoelectric conversion elements in the other columns, that is, the photoelectric conversion elements of 2, 6, 10,..., 3, 7, 7, 11,. , VSC2, VSC3, and VSC4 are in the “Lo” state (D electrode is biased to VS), and the signals of CRES2, CRES3, and CRES4 repeat the normal reset operation (similar to the CRES signal of FIG. 4). In this state, the reading circuit unit is performing a reading operation.

つまり、第(4×1+1)列(1:0以上の整数)に対応する光電変換素子をある期間でリフレッシュを行い、次の期間で光電変換モードに推移させる動作を行うといった過程において、他の列の光電変換素子は2回連続して読み取り動作を行っていることになる。これらの一連の動作を、図24に示されるように、第(4×1+1)列、(4×1+2)列、(4×1+3)列、(4×1+4)列(1:0以上の整数)の4系統の動作を位相をずらしながら繰り返す。   That is, in the process of refreshing the photoelectric conversion elements corresponding to the (4 × 1 + 1) -th column (an integer of 1: 0 or more) in a certain period and performing the operation of shifting to the photoelectric conversion mode in the next period, That is, the photoelectric conversion elements in the column are continuously performing the reading operation twice. As shown in FIG. 24, a series of these operations is performed by the (4 × 1 + 1) th column, (4 × 1 + 2) column, (4 × 1 + 3) column, (4 × 1 + 4) column (an integer greater than or equal to 1: 0) 4) is repeated while shifting the phase.

光源を、図24に示したようなタイミングでオン/オフさせれば、2回連続して読み取り動作を行っている3系統の光電変換素子は、最初のフレームでダーク状態の情報が出力され、次のフレームで光が照射された状態の情報が出力される。図23では図示していないが、後段のA/D変換回路部以降のディジタル処理回路において、それらを引き算すればダーク状態の情報(固定パターンノイズ:FPN)を補正することができる。またリフレッシュを行っている最中の列の光電変換素子のデータを、隣接列の読み取り動作を行っている光電変換素子のデータで補間することにより、動画モードにおいて、時系列的に連続した画像データを得ることが可能となる。   If the light source is turned on / off at the timing as shown in FIG. 24, the three-line photoelectric conversion elements that perform the reading operation twice in succession will output dark state information in the first frame, Information on the state of light irradiation in the next frame is output. Although not shown in FIG. 23, dark state information (fixed pattern noise: FPN) can be corrected by subtracting them in the digital processing circuits after the A / D conversion circuit section in the subsequent stage. In addition, by interpolating the data of the photoelectric conversion elements in the column being refreshed with the data of the photoelectric conversion elements performing the reading operation on the adjacent columns, image data that is continuous in time series in the moving image mode Can be obtained.

本実施形態で説明してきたような、リフレッシュ動作を4系統別個に行うことは、特に連続した動画画像を得る場合に有効であり、実質上、動画のフレームレートを上げることができる。   Performing the refresh operation separately for the four systems as described in the present embodiment is particularly effective when obtaining continuous moving image images, and can substantially increase the frame rate of moving images.

シフトレジスタSR1をG1〜G4を同時にオンさせ、次にG5〜G8を同時にオンさせ、次にG9〜G12を同時にオンさせる…といったように、4段分を同時にオンさせていくようにシフト動作をさせれば、行方向の4つの隣接した光電変換素子の平均情報が得られ、走査スピードは1/4に短くなる。更に列方向において、後段のディジタル処理回路において、リフレッシュをしていない3系統(3列分)の画素データの平均化処理を行うことにより、例えば本光電変換装置を2000行×2000列で構成した場合でも500行×500列のデータに圧縮でき、市販の安価なブラウン管に映し出すこともできる。この場合、リフレッシュを行う都合上あるフレームにおいて、4×4=16画素が1つの画素となり画素重心のずれを生ずるが、4フレーム単位で結果として平均化されるために、特に支障とならない。   The shift operation is performed so that the four stages are simultaneously turned on, such as turning on G1 to G4 simultaneously, then turning on G5 to G8, and then turning on G9 to G12 simultaneously. By doing so, average information of four adjacent photoelectric conversion elements in the row direction is obtained, and the scanning speed is reduced to ¼. Further, in the column direction, by performing averaging processing of pixel data of three systems (for three columns) that are not refreshed in the subsequent digital processing circuit, for example, this photoelectric conversion device is configured in 2000 rows × 2000 columns. Even in this case, the data can be compressed to 500 rows × 500 columns, and can be displayed on a commercially available inexpensive CRT. In this case, 4 × 4 = 16 pixels become one pixel in a frame that is convenient for refreshing, and the center of gravity of the pixel is shifted. However, since this is averaged in units of 4 frames, there is no particular problem.

本実施形態においては、リフレッシュを4つの系統で説明してきたが、特に4系統である必要はなく、目的に応じて、複数系統に設定すればよい。   In this embodiment, the refresh has been described with four systems, but there is no particular need for four systems, and a plurality of systems may be set according to the purpose.

以上、詳述したとおり、本発明によれば読み出し走査時間を短縮可能にし、高速読み取り可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することができる。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to shorten the readout scanning time, and provide a photoelectric conversion device capable of high-speed reading and a photoelectric conversion system having the device.

また本発明によれば、熱的なノイズ(KTCノイズ)の発生の少ない、高S/Nの信号読み出しを行なうことのできる光電変換装置及び該装置を有するシステムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion apparatus that can read a high S / N signal with less generation of thermal noise (KTC noise) and a system including the apparatus.

加えて本発明によれば、固定パターンノイズが低減された、濃淡ムラや不要なスジのない良好な画像情報を得ることが可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device capable of obtaining good image information with reduced fixed pattern noise and free of uneven density and unnecessary stripes, and a photoelectric conversion system having the device. it can.

更に本発明によれば、階調性に優れた画像情報を得ることが可能な光電変換装置及び該装置を有する光電変換システムを提供することができる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device capable of obtaining image information with excellent gradation and a photoelectric conversion system having the device.

加えて本発明によれば、光電変換素子などの作製上のバラつきに起因するような特性の不均一を容易に補うことができ、より低コスト化を促進することが可能な光電変換装置及び該装置を有するシステムを提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to easily compensate for non-uniform characteristics due to variations in manufacturing of photoelectric conversion elements and the like, and to promote cost reduction and the photoelectric conversion device A system having the apparatus can be provided.

なお、本発明は、上記実施形態で説明した各種の例示に限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲において、適宜変形及び/又は組み合わせられることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the various examples described in the above embodiment, and it goes without saying that the present invention can be appropriately modified and / or combined within the scope of the gist of the present invention.

光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an example of a driving method of the photoelectric conversion device. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an example of a driving method of the photoelectric conversion device. 光電変換素子の一例を説明するための模式的上面図である。It is a typical top view for explaining an example of a photoelectric conversion element. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置を有する機器の一例を説明するための概略的構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating an example of the apparatus which has a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an example of a driving method of the photoelectric conversion device. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. オペアンプの一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of an operational amplifier. オペアンプの一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of an operational amplifier. A/D変換回路の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for explaining an example of an A / D conversion circuit. セレクタ回路部の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a selector circuit part. ビット変換回路部の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a bit conversion circuit part. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 図17に示される遅延回路への入出力の一例を説明するためのタイミングチャートである。18 is a timing chart for explaining an example of input and output to the delay circuit shown in FIG. サンプルホールド回路の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a sample hold circuit. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an example of a driving method of the photoelectric conversion device. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するための概略的エネルギーバンド図である。It is a schematic energy band diagram for demonstrating an example of the drive method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。It is a schematic circuit diagram for demonstrating an example of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の駆動方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。6 is a timing chart for explaining an example of a driving method of the photoelectric conversion device.

符号の説明Explanation of symbols

S1-1〜S3-3 光電変換素子
T1-1〜T3-3 スイッチング素子
SR1 シフトレジスタ(スイッチング素子用)
SR2 シフトレジスタ(読み出しスイッチ用)
G1〜G3 ゲート駆動配線
M1〜M3 マトリクス信号配線
101 光電変換回路部
104 バッファアンプ
105 A/D変換回路部
106 光電変換素子のバイアス電源
107 読み出し用回路部R
ES1〜RES3 M1〜M3に形成される負荷容量をリセットするスイッチ
A1〜A3 バッファアンプ
B1〜B3 バッファアンプ
R1〜R10 抵抗
CL1〜CL3 読み出し容量
Sn1〜Sn3 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Sr1〜Sr3 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
301 光電変換素子
302 スイッチング素子(TFT)
306 ゲート駆動用配線
307 マトリクス信号配線
310 コンタクトホール部
314 配線クロス部
304 第1の金属薄膜層
305 第2の金属薄膜層
311 a−SiN絶縁薄膜層
312 a−Si半導体薄膜層
313 N+層
303 絶縁基板
315 保護膜
L1〜L3 低ノイズアンプ
CC1〜CC3 AC結合容量
D1〜D3 直流再生用のスイッチ
K1〜K3 可変ゲインのオペアンプ
S1〜S3 K1〜K3のゲインを切り替えるスイッチ
Q1〜Q10 バイポーラトランジスタ
D1、D2 ダイオード
SWp オペアンプの消費電流をコントロールするスイッチ
1501 X線源
1502 人体
1503 グリッド
1507 X線を吸収する物質
1508 X線を透過する物質
1504 X線を可視光に変換する蛍光体
1511 保護膜
1509 光電変換素子
1510 スイッチング素子
1512 絶縁基板
S1-1 to S3-3 Photoelectric conversion elements T1-1 to T3-3 Switching element SR1 Shift register (for switching elements)
SR2 Shift register (for readout switch)
G1 to G3 Gate drive wiring M1 to M3 Matrix signal wiring 101 Photoelectric conversion circuit unit 104 Buffer amplifier 105 A / D conversion circuit unit 106 Photoelectric conversion element bias power supply 107 Read circuit unit R
ES1 to RES3 Switches A1 to A3 for resetting load capacitors formed in M1 to M3 Buffer amplifiers B1 to B3 Buffer amplifiers R1 to R10 Resistors CL1 to CL3 Read capacitors Sn1 to Sn3 Transfer switch Sr1 for transferring signals to the read capacitors ˜Sr3 Read switch 301 for sequentially reading the read capacitance signal Photoelectric conversion element 302 Switching element (TFT)
306 Gate drive wiring 307 Matrix signal wiring 310 Contact hole portion 314 Wiring cross portion 304 First metal thin film layer 305 Second metal thin film layer 311 a-SiN insulating thin film layer 312 a-Si semiconductor thin film layer 313 N + layer 303 Insulation Substrate 315 Protective films L1 to L3 Low noise amplifiers CC1 to CC3 AC coupling capacitors D1 to D3 DC regeneration switches K1 to K3 Variable gain operational amplifiers S1 to S3 Switches Q1 to Q10 for switching gains of K1 to K3 Bipolar transistors D1 and D2 Diode SWp Switch for controlling current consumption of operational amplifier 1501 X-ray source 1502 Human body 1503 Grid 1507 Material for absorbing X-ray 1508 Material for transmitting X-ray 1504 Phosphor 1511 for converting X-ray to visible light Protective film 1509 Photoelectric conversion element 15 0 switching element 1512 insulating substrate

Claims (11)

光を電荷に変換するための光電変換素子と前記電荷に応じた電気信号を出力するためのスイッチ素子とを含む画素が2次元に複数配され、行単位で複数の前記画素から前記電気信号を並列信号として出力するための光電変換回路部と、
行単位で前記スイッチ素子の導通を制御するための駆動用回路部と、
前記並列信号をサンプルホールドするためのサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部からの前記並列信号を直列信号として順次読み出しを行うための読み出し用スイッチと、を有する読み出し用回路部と、
を有する光電変換装置において、
前記読み出し用回路部が所定行の前記読み出しを行う時間内に、前記駆動用回路部は前記所定行と異なる行の前記スイッチ素子を導通させることを特徴とする光電変換装置。
A plurality of pixels including a photoelectric conversion element for converting light into an electric charge and a switch element for outputting an electric signal corresponding to the electric charge are arranged two-dimensionally, and the electric signal is output from the plural pixels in a row unit. A photoelectric conversion circuit unit for outputting as a parallel signal;
A driving circuit unit for controlling conduction of the switch elements in units of rows;
A read circuit unit comprising: a sample hold unit for sample-holding the parallel signal; and a read switch for sequentially reading the parallel signal from the sample hold unit as a serial signal;
In a photoelectric conversion device having
The photoelectric conversion device, wherein the driving circuit unit conducts the switch elements in a row different from the predetermined row within a time when the reading circuit unit performs the reading of the predetermined row.
前記光電変換回路部は、前記並列信号を複数の信号配線を通って行単位で出力し、
前記サンプルホールド部は、前記信号配線毎に設けられた容量と、前記並列信号を前記容量に転送するための転送スイッチと、を有し、
前記時間は、前記サンプルホールド回路が所定行の並列信号をサンプルホールドしてから所定行と異なる行の並列信号をサンプルホールドするまでの間の時間に含まれることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion circuit unit outputs the parallel signal through a plurality of signal wirings in units of rows,
The sample and hold unit includes a capacitor provided for each signal wiring, and a transfer switch for transferring the parallel signal to the capacitor.
The time is included in a period of time from when the sample-and-hold circuit samples and holds a parallel signal in a predetermined row to when it samples and holds a parallel signal in a row different from the predetermined row. Photoelectric conversion device.
前記信号配線を一定の電位にするリセットを行うためのリセット用スイッチを更に有し、前記サンプルホールド回路が所定行の並列信号をサンプルホールドしてから前記所定行と異なる行の前記スイッチング素子が導通される間に前記リセットが行われることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。   The switch further includes a reset switch for resetting the signal wiring to a constant potential, and the switching element in a row different from the predetermined row is turned on after the sample and hold circuit samples and holds the parallel signal in the predetermined row. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the reset is performed during the operation. 前記読み出し用回路部は、前記信号配線と転送スイッチとの間に少なくとも1個以上のアナログ演算増幅器を更に有する請求項2又は3に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the readout circuit unit further includes at least one analog operational amplifier between the signal wiring and the transfer switch. 前記読み出し用回路部は、前記アナログ演算増幅器と前記転送スイッチとの間で、且つ、前記アナログ演算増幅器の出力端に直列に接続された容量素子と、前記容量素子をリセットするためのリセットスイッチと、前記容量素子と前記リセットスイッチとの間に設けられた抵抗素子と、を更に有する請求項4に記載の光電変換装置。   The readout circuit unit includes a capacitive element connected in series between the analog operational amplifier and the transfer switch and to an output terminal of the analog operational amplifier, and a reset switch for resetting the capacitive element; The photoelectric conversion device according to claim 4, further comprising: a resistance element provided between the capacitance element and the reset switch. 前記読み出し用回路部は、前記容量素子の端子のうち前記アナログ演算増幅器の出力に接続された端子と反対側の端子に接続されたローパスフィルタ回路を更に有する請求項5に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 5, wherein the readout circuit unit further includes a low-pass filter circuit connected to a terminal opposite to a terminal connected to an output of the analog operational amplifier among terminals of the capacitive element. 前記アナログ演算増幅器は、外部からの信号によりそのスルーレートを可変させる機能を備える請求項4から6のうちのいずれか1項に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion apparatus according to claim 4, wherein the analog operational amplifier has a function of changing a slew rate according to an external signal. 前記スイッチング素子は、アモルファスシリコンの半導体層を有する薄膜トランジスタである請求項1から7のいずれか1項に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the switching element is a thin film transistor having an amorphous silicon semiconductor layer. 請求項1から8のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置の光入射側に配された波長変換体と、を有するX線撮像装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 8,
An X-ray imaging device comprising: a wavelength converter disposed on a light incident side of the photoelectric conversion device.
請求項9に記載のX線撮像装置と、前記X線撮像装置にX線を照射するためのX線源と、を有するシステム。   A system comprising: the X-ray imaging apparatus according to claim 9; and an X-ray source for irradiating the X-ray imaging apparatus with X-rays. 光を電荷に変換するための光電変換素子と前記電荷に応じた電気信号を出力するためのスイッチ素子とを含む画素が2次元に複数配され、行単位で複数の前記画素から前記電気信号を並列信号として出力するための光電変換回路部と、
行単位で前記スイッチ素子の導通を制御するための駆動用回路部と、
前記並列信号をサンプルホールドするためのサンプルホールド部と、前記サンプルホールド部からの前記並列信号を直列信号として順次読み出しを行うための読み出し用スイッチと、を有する読み出し用回路部と、
を有する光電変換装置において、
前記読み出し用回路部による所定行の前記読み出しと、前記所定行と異なる行の前記スイッチ素子の導通と、が時間的に重ねて行われることを特徴とする光電変換装置。
A plurality of pixels including a photoelectric conversion element for converting light into an electric charge and a switch element for outputting an electric signal corresponding to the electric charge are arranged two-dimensionally, and the electric signal is output from the plural pixels in a row unit. A photoelectric conversion circuit unit for outputting as a parallel signal;
A driving circuit unit for controlling conduction of the switch elements in units of rows;
A read circuit unit comprising: a sample hold unit for sample-holding the parallel signal; and a read switch for sequentially reading the parallel signal from the sample hold unit as a serial signal;
In a photoelectric conversion device having
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the readout of the predetermined row by the readout circuit unit and the conduction of the switch element in a row different from the predetermined row are performed in a time-overlapping manner.
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