JP3089298B2 - Photoelectric conversion device and solid-state imaging device - Google Patents

Photoelectric conversion device and solid-state imaging device

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JP3089298B2
JP3089298B2 JP10315145A JP31514598A JP3089298B2 JP 3089298 B2 JP3089298 B2 JP 3089298B2 JP 10315145 A JP10315145 A JP 10315145A JP 31514598 A JP31514598 A JP 31514598A JP 3089298 B2 JP3089298 B2 JP 3089298B2
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charges
gain
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隆博 山田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置を用
いた固体撮像素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device using a photoelectric conversion device.

【0002】[0002]

【従来の技術】CCD型撮像装置に代表される固体撮像
装置は、ビデオカメラ、電子スチルカメラなどの携帯電
子機器に搭載するために、小型化され且つ高解像度化さ
れる傾向にある。そして、小型化されても感度が低下し
ないようにするためには、実効的開口面積を100%に
近づける必要があり、そのため、光電変換素子の上方に
入射光を集めるオンチップ−マイクロレンズを採用し、
光電変換素子の見掛け上の受光面積の増加を図ってい
る。
2. Description of the Related Art Solid-state image pickup devices represented by CCD type image pickup devices tend to be miniaturized and have high resolution in order to be mounted on portable electronic devices such as video cameras and electronic still cameras. In order to prevent the sensitivity from being reduced even when the size is reduced, the effective aperture area needs to be close to 100%. Therefore, an on-chip microlens that collects incident light above the photoelectric conversion element is employed. And
The apparent light receiving area of the photoelectric conversion element is increased.

【0003】ところで、そのように工夫しても、画像の
品質を決定する最も重要な要件の一つであるS/Nは、
最終的には、物理限界である、入射光自身が有するショ
ットノイズによって一意に決定される。この場合のS/
N値は、1画素で検出される全入射光子数をpとすると
き、pの平方根に比例する。そして、pは蓄積時間と単
位時間あたりの入射光子数の積に比例するから、長時間
露光してpを十分増やせば必然的にS/Nが向上する。
つまり、受光面積が同じ場合、入射光子数の少ない、言
い換えれば暗い被写体の撮像は、理論的に長時間露光に
よってのみ実現されるものである。
By the way, even with such a contrivance, S / N, which is one of the most important requirements for determining image quality, is as follows:
Ultimately, it is uniquely determined by the shot noise of the incident light itself, which is a physical limit. S / in this case
The N value is proportional to the square root of p, where p is the total number of incident photons detected in one pixel. Since p is proportional to the product of the accumulation time and the number of incident photons per unit time, the S / N is necessarily improved if p is sufficiently increased by long-time exposure.
In other words, when the light receiving area is the same, the imaging of a dark subject with a small number of incident photons, in other words, a dark subject is theoretically realized only by long-time exposure.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現行T
V方式の一つであるNTSC標準方式においてもそうで
あるように、通常、1フレーム/フィールドあたりの蓄
積時間は決まっている。また、動解像度を確保するため
にも、被写体輝度に応じてむやみに露光時間を増減する
ことは現実的ではない。
However, the current T
As in the NTSC standard system, which is one of the V systems, the storage time per frame / field is usually determined. In addition, in order to secure the dynamic resolution, it is not realistic to increase or decrease the exposure time unnecessarily in accordance with the luminance of the subject.

【0005】本発明は、光自身がポアソン分布による光
子数揺らぎを有していることに起因するS/Nの限界を
考慮し、光子によるショットノイズS/Nの向上を実現
できる固体撮像装置及びそれに用いる光電変換装置を提
供することを目的とするものである。
The present invention provides a solid-state imaging device capable of realizing an improvement in shot noise S / N due to photons in consideration of a limit of S / N caused by light itself having photon number fluctuation due to Poisson distribution. It is an object of the present invention to provide a photoelectric conversion device used therefor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、第1の本発明(請求項1対応)は、 入射光に応じ
信号電荷を発生する光電変換部と、前記光電変換部に
より光電変換されて発生した信号電荷を所定の利得で増
幅する増幅部と、前記増幅部により増幅された信号電荷
を、1フィールド毎にリセットしながら、蓄積するメモ
リと、所定の時刻(t)における前記増幅部の前記所定
の利得を、前記所定の時刻(t)までに前記メモリに蓄
積された信号電荷量に応じて、制御する逐次利得制御部
とを備えたことを特徴とする光電変換装置である。
In order to achieve the object, a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) includes a photoelectric conversion unit for generating a signal charge in accordance with incident light;
The signal charge generated by the photoelectric conversion is increased by a predetermined gain.
Amplifying section to be amplified and signal charges amplified by said amplifying section
To be stored while resetting
And the predetermined time of the amplification unit at a predetermined time (t).
Is stored in the memory by the predetermined time (t).
A photoelectric conversion device comprising: a sequential gain control unit that controls according to the accumulated signal charge amount .

【0007】また、第2の本発明(請求項2対応)は、
入射光に応じて電荷を発生する第1の光電変換部と、前
記第1の光電変換部で発生した電荷を蓄積する蓄積部
と、前記蓄積部から出力された電荷を所定の利得で増幅
する演算増幅部と、その演算増幅部で増幅された信号電
荷をメモリする格納部とを備え、前記演算増幅部の前記
所定の利得は、1フィールド期間中における、その利得
が適用される時点(t)より前の所定期間に、前記格納
部で蓄積されている蓄積電荷に基づいて、制御される
ことを特徴とする光電変換装置である。
[0007] The second invention (corresponding to claim 2) provides:
A first photoelectric conversion unit that generates an electric charge according to incident light, a storage unit that stores the electric charge generated by the first photoelectric conversion unit, and amplifies the electric charge output from the accumulation unit with a predetermined gain. includes an operational amplifier section, and a storage unit for memory the amplified signal charges by the operational amplifying unit, and the predetermined gain of the operational amplifier section, when the definitive during one field period, the gain is applied ( The photoelectric conversion device is controlled based on the amount of charge stored in the storage unit during a predetermined period before t) .

【0008】第3の本発明(請求項6対応)は、受光部
内に配置され、入射光に応じて電荷を発生する第1の光
電変換部と、前記第1の光電変換部からの信号電荷を蓄
積する蓄積部と、負帰還増幅部とを備え、前記負帰還増
幅部は、前記第1の光電変換部とは逆導電型で、前記受
光部内で前記第1の光電変換部に隣接して設けられ、入
射光に応じて電荷を発生する第2の光電変換部と、前記
第1の光電変換部と同じ導電型で、前記蓄積部へ電荷を
供給する電荷ソースとを有し、1フィールド期間中にお
いて、前記第2の光電変換部において発生したあるいは
蓄積した信号電荷により、前記電荷ソースから流れ出す
信号電荷が変調されることを特徴とする光電変換装置で
ある。
A third of the present invention (Claim 6 corresponds) is arranged on the light receiving portion, a first photoelectric conversion unit that generates charges in response to incident light, the signal charges from the first photoelectric conversion unit And a negative feedback amplifier, wherein the negative feedback amplifier is of a conductivity type opposite to that of the first photoelectric converter, and is adjacent to the first photoelectric converter in the light receiving unit. provided Te, and a second photoelectric conversion unit that generates charges in response to incident light, the first of the same conductivity type as the photoelectric conversion unit, and a charge source for supplying a charge to the storage section, 1 In the photoelectric conversion device, during a field period, a signal charge flowing out of the charge source is modulated by a signal charge generated or accumulated in the second photoelectric conversion unit.

【0009】第4の本発明(請求項8対応)は、入射光
に応じて電荷を発生する光電変換部と、前記光電変換部
で蓄積された信号電荷を蓄積する蓄積部とを備え、前記
光電変換部の光電変換を行う部分がアバランシェフォト
ダイオードであり、このアバランシェフォトダイオード
が、固定抵抗で互いに接続された複数の導電性薄膜を介
して、前記蓄積部上に積層された複数のバンドオフセッ
ト型アバランシェ増倍(multiplication layer)膜であ
り、これらアバランシェ増倍膜は積層方向を基準として
それぞれの組成が変化しており、1フィールド期間中に
おいて、前記蓄積部で蓄積された蓄積電荷数に応じて、
積層している各アバランシェ増倍膜の増倍度合いが変化
することを特徴とする光電変換装置である。
A fourth aspect of the present invention ( corresponding to claim 8 ) includes a photoelectric conversion unit that generates charges in accordance with incident light, and a storage unit that stores signal charges stored in the photoelectric conversion unit. The avalanche photodiode is a part of the photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, and the avalanche photodiode includes a plurality of band offsets stacked on the storage unit via a plurality of conductive thin films connected to each other with fixed resistors. Avalanche multiplication layer (multiplication layer) films, the compositions of these avalanche multiplication films vary with respect to the laminating direction, and according to the number of accumulated charges accumulated in the accumulation section during one field period. hand,
This is a photoelectric conversion device characterized in that the degree of multiplication of each stacked avalanche multiplication film changes.

【0010】第5の本発明(請求項15対応)は入射光
に応じて電荷を発生する光電変換部と、前記光電変換部
で発生した電荷を蓄積する蓄積部と、前記蓄積部で蓄積
された信号電荷を、破壊あるいは非破壊読み出し毎にデ
ィジタル化するA/D変換器と、そのA/D変換器から
順次出力される各信号電荷について、予め決められた個
数の連続する各信号電荷の中で、それらの値が最大の信
号電荷と最小の信号電荷とを放棄することを特徴とする
光電変換装置である。
A fifth aspect of the present invention (corresponding to claim 15 ) is a photoelectric conversion unit that generates electric charges in accordance with incident light, a storage unit that stores electric charges generated by the photoelectric conversion units, and a storage unit that stores electric charges. A / D converter that digitizes the accumulated signal charges for each destructive or non-destructive readout, and a predetermined number of successive signal charges for each signal charge sequentially output from the A / D converter. Among them, the photoelectric conversion device is characterized by discarding the largest signal charge and the smallest signal charge.

【0011】一般的には、一定の量子効率で光電変換さ
れ、得られた信号電荷を一定の利得を持った増倍手段に
より一定の出力増幅を行っても、その光ショットノイズ
に起因するS/Nは決して変化しない。これに対して、
本発明においては、その増倍利得を蓄積電荷数の履歴
(それまでの蓄積電荷数)に応じて制御する。すなわち
それまでの蓄積電荷数が多ければ利得が小さくなるよう
にし、逆に蓄積電荷数が少なければ利得が大きな状態を
保持する。図23はその光のショットノイズを模式的に
示す図である。光子の数が揺らいでいることがわかる。
そこで、Mt〜Mt +1、Mt+1〜Mt+2、....のそれぞ
れのタイミング期間中において、初期の光子の数の多さ
に対応してその期間内での、中後期の利得を変更するこ
とによって、S/N比の向上を図る。図24はゆらぎの
分布を表すものであり、本発明は、ハッチング部分をカ
ットすることによりS/N比を向上させることを意味す
る。
In general, even if the obtained signal charges are photoelectrically converted at a constant quantum efficiency and a constant output amplification is performed by a multiplication means having a constant gain, the signal charge caused by the light shot noise is increased. / N never changes. On the contrary,
In the present invention, the multiplication gain is controlled in accordance with the history of the number of accumulated charges (the number of accumulated charges up to that time). That is, if the number of accumulated charges up to that point is large, the gain is made small, and if the number of accumulated charges is small, the gain is kept large. FIG. 23 is a diagram schematically showing the shot noise of the light. It can be seen that the number of photons fluctuates.
Then, M t to M t + 1 , M t + 1 to M t + 2 ,. . . . In each of the timing periods, the S / N ratio is improved by changing the gain in the middle and late stages in the period corresponding to the large number of initial photons. FIG. 24 shows the fluctuation distribution, and the present invention means that the S / N ratio is improved by cutting off the hatched portion.

【0012】その結果、例えば平均入射光子数P(個/
s)において、1フィールド期間内の蓄積期間T
F(s)の時の入射した光子数自体が有するショットS
/ Nは(PTF1/2であるが、本発明の場合は、この
値を越えるS/Nを得ることが可能となる。図8は、本
発明の一実施の形態における入射光子数に対するS/N
(点線)と、従来の通常のS/N(実線)とを比較した
シミュレーション図である。後に詳述する。
As a result, for example, the average number of incident photons P (pieces /
s), the accumulation period T within one field period
The shot S of the number of incident photons at the time of F (s)
Although / N is (PT F ) 1/2 , in the case of the present invention, it is possible to obtain an S / N exceeding this value. FIG. 8 shows the S / N with respect to the number of incident photons in one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a simulation diagram comparing a dotted line and a conventional normal S / N (solid line). Details will be described later.

【0013】以上の論理は、可視光のみならず、赤外
線、紫外線、X線などすべての電磁波を撮像する装置に
成り立つから、本発明はこれらの撮像装置全般に適用可
能である。
The above logic is applied to an apparatus for imaging not only visible light but also all electromagnetic waves such as infrared rays, ultraviolet rays, and X-rays. Therefore, the present invention can be applied to all these imaging apparatuses.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】図1は、本発明の一実施の形態を示す模式
図である。本実施の形態は、入射光に応じて電荷を発生
する光電変換手段1と、光電変換されて発生した信号電
荷を増幅する増幅手段2と、所定の利得で増幅された信
号電荷を蓄積するメモリと、その蓄積電荷数に応じて前
記増幅手段2の利得を制御する逐次利得制御手段4とを
備え得たことを特徴とする光電変換装置である。その動
作は、光電変換機能を持つ手段1に光が入射すると、光
電変換されて入射光量に応じて信号電荷が発生する。そ
の信号電荷は増幅機能を有する増幅手段2で所定の利得
で増幅されてメモリ3に蓄積される。この蓄積電荷数が
逐次利得制御手段4にフィードバックされ、それに基づ
いて利得制御手段4が後続の信号電荷の利得を制御す
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention. In the present embodiment, photoelectric conversion means 1 for generating electric charges in accordance with incident light, amplifying means 2 for amplifying signal charges generated by photoelectric conversion, and memory for storing signal charges amplified with a predetermined gain And a sequential gain control means 4 for controlling the gain of the amplifying means 2 in accordance with the number of accumulated charges. In the operation, when light enters the unit 1 having a photoelectric conversion function, the light is photoelectrically converted and signal charges are generated according to the amount of incident light. The signal charge is amplified by the amplification means 2 having an amplification function with a predetermined gain and stored in the memory 3. The number of accumulated charges is sequentially fed back to the gain control means 4, and the gain control means 4 controls the gain of the subsequent signal charges based on the feedback.

【0016】尚、図1では等価回路表示を用いているた
めアナログ表記であるが、ADCとDACを用いてデジ
タル表記にても実現は可能である。
Although FIG. 1 uses an equivalent circuit notation and thus uses analog notation, digital notation using an ADC and DAC can also be used.

【0017】前記フィードバックされる蓄積電荷数は、
増倍利得Mと単位時間当たりの蓄積電荷数nとの積を蓄
積時間で積分した値の関数とするのが好ましい。従っ
て、この場合の増倍利得は次の数式1で定まる。
The number of accumulated charges fed back is:
It is preferable that the product of the multiplication gain M and the number of accumulated charges per unit time n be a function of a value integrated by the accumulation time. Therefore, the multiplication gain in this case is determined by the following equation (1).

【0018】[0018]

【数1】 (Equation 1)

【0019】前記増幅手段としては、デジタルシグナル
プロセッサ(DSP)に代表されるデジタル信号処理、
負帰還増幅回路、アバランシェフォトダイオード等種々
の形態が可能である。
The amplifying means includes digital signal processing represented by a digital signal processor (DSP);
Various forms such as a negative feedback amplifier circuit and an avalanche photodiode are possible.

【0020】ラインセンサあるいはエリアセンサの出力
部の後段にDSPを設けた場合、蓄積電荷数の履歴を算
出する前記積分式を逐次近似にて近似するための演算式
をDSPに実施させる。利得を正確にデジタル制御でき
る点で好ましい。ただし、デジタルフィードバック系の
内部遅延に起因する逐次型計算固有の追従誤差を軽減す
るためには、採用する固体撮像素子にはできるだけ読み
出し速度の速いものを採用する必要がある。
When a DSP is provided after the output section of the line sensor or the area sensor, the DSP is made to execute an arithmetic expression for approximating the integral expression for calculating the history of the number of accumulated charges by successive approximation. This is preferable in that the gain can be accurately digitally controlled. However, in order to reduce the tracking error inherent in the sequential calculation due to the internal delay of the digital feedback system, it is necessary to adopt a solid-state image sensor having a reading speed as high as possible.

【0021】画素部すなわち光電変換部においてフォト
ダイオードとともに負帰還増幅回路も採用した場合、前
記光電変換部とは逆導電型で前記光電変換部内に設けら
れた第二光電変換部と、前記光電変換部と同じ導電型の
電荷ソースとを備え、第二光電変換部において発生した
あるいは蓄積した信号電荷により電荷ソースから流れ出
す信号電荷が変調されるようにする。前記DSPの場
合、各画素の信号電荷に対する利得は読み出しから読み
出しの期間一定の値を採らざるを得なかったが、負帰還
増幅回路を画素部に導入した場合、利得は蓄積電荷量に
応じて随時変化するため、前述の逐次型計算固有の追従
誤差を軽減することができる。
In the case where a negative feedback amplifier circuit is employed together with the photodiode in the pixel portion, that is, the photoelectric conversion portion, a second photoelectric conversion portion provided in the photoelectric conversion portion with a conductivity type opposite to that of the photoelectric conversion portion; And a charge source of the same conductivity type as that of the second photoelectric conversion unit, wherein the signal charge generated or accumulated in the second photoelectric conversion unit modulates the signal charge flowing out of the charge source. In the case of the DSP, the gain with respect to the signal charge of each pixel had to take a constant value during the period from reading to reading, but when a negative feedback amplifier circuit was introduced into the pixel portion, the gain was determined according to the amount of accumulated charge. Since it changes at any time, it is possible to reduce the following error inherent in the sequential calculation.

【0022】画素部にアバランシェフォトダイオード
(APD)を採用した場合、これを光電変換部において
電荷蓄積モードで用いる事により、アバランシェ増倍に
よって信号電荷が増倍されると同時に蓄積電荷数に応じ
てpn接合間の電位差が減少し、後続の信号電荷の増倍
利得が自律的に抑制される。しかしながら、従来のSi
−APDの場合、空乏層内のどこでアバランシェ増倍現
象が生じるか不定であることに起因して増倍利得が揺ら
ぐ。これは一般に過剰雑音と呼ばれるもので、新たな雑
音を呼ぶ。高い増倍利得設定をするほどこの過剰雑音は
顕著に現れる。これに対して、傾斜超格子型を用いれば
アバランシェ増倍を生じさせる位置を特定させることが
できるので過剰雑音を抑えられる点で有利である。さら
に、本実施の形態で提案しているように増倍利得をデジ
タル的に計算することも可能である為、利得制御を正確
に行うことができる。しかし、反面、利得をおおきくす
ると、利得の大きな領域において抑制のされかたが2の
ベキ乗で大きく急激に変動する。例えば、初期状態にお
いて利得が2の10乗(1024)から9乗(512)
にいきなり減少する。これを防ぐため、大きな初期利得
(例えば8倍以上)を実現する場合は、積層化されたヘ
テロ接合部の少なくとも一つのバンドオフセット部を3/
2・Eg(Eg:ギャップエネルギー)以下の適当な値に抑え
ておいて、バンドオフセットを1つ越す毎にこのべき数
で利得が増加しないようにする必要がある。
In the case where an avalanche photodiode (APD) is employed in the pixel portion, the signal charge is multiplied by the avalanche multiplication by using the avalanche photodiode (APD) in the charge storage mode in the photoelectric conversion portion, and at the same time, according to the number of stored charges. The potential difference between the pn junctions is reduced, and the multiplication gain of the subsequent signal charge is suppressed autonomously. However, conventional Si
In the case of -APD, the multiplication gain fluctuates due to the indeterminate where in the depletion layer the avalanche multiplication phenomenon occurs. This is commonly referred to as excess noise and refers to new noise. The higher the gain setting, the more pronounced this excess noise becomes. On the other hand, the use of the gradient superlattice type is advantageous in that excess noise can be suppressed since the position where avalanche multiplication occurs can be specified. Furthermore, since the multiplication gain can be calculated digitally as proposed in the present embodiment, the gain control can be performed accurately. However, on the other hand, when the gain is increased, the way of suppression in a large gain region greatly fluctuates by a power of two. For example, in the initial state, the gain is 2 10 (1024) to 9 (512).
Suddenly decrease. In order to prevent this, when realizing a large initial gain (for example, 8 times or more), at least one band offset portion of the stacked heterojunction is reduced by 3 /
It is necessary to keep the gain at an appropriate value of 2 · Eg (Eg: gap energy) or less so that the gain does not increase by this power number every time one band offset is exceeded.

【0023】次に、上記本発明の一実施の形態で簡単に
触れた具体例のそれぞれを説明する。
Next, specific examples briefly mentioned in the embodiment of the present invention will be described.

【0024】−実施例1− これは増倍手段としてDSPを用いた実施例である。図
2はこの実施例のラインセンサあるいはエリアセンサに
応用展開する場合の構成を示すブロック図である。固体
撮像装置11は、ラインセンサあるいはエリアセンサに
おける高速読み出しCCD12と、A/D変換器121
と、ラインメモリ13及び演算部14を備えたDSP1
5と、フレームメモリ16とを備える。
Embodiment 1 This is an embodiment using a DSP as a multiplying means. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration in a case where the present invention is applied to a line sensor or an area sensor according to this embodiment. The solid-state imaging device 11 includes a high-speed reading CCD 12 in a line sensor or an area sensor, and an A / D converter 121.
And a DSP 1 including a line memory 13 and an operation unit 14
5 and a frame memory 16.

【0025】演算部14は、下記の利得制御の数式2を
記憶し、信号を出力する。ここで、Mt;時間tにおけ
る増倍利得、n;単位時間当たりの蓄積電荷数、
t+1;時間t+1における増倍利得である。
The operation unit 14 stores the following equation 2 for gain control and outputs a signal. Here, M t : multiplication gain at time t, n: number of accumulated charges per unit time,
M t + 1 ; multiplication gain at time t + 1.

【0026】[0026]

【数2】 (Equation 2)

【0027】この装置11に依れば、CCD12で読み
出されたm番目のラインの信号電荷がラインメモリ13
に格納され、m番目以前のラインの信号電荷はフレーム
メモリ16に記憶される。フレームメモリ16から、
CCD12からDSP15に読み出されるラインに相当
する画素位置の ラインが演算部14に入力され、演算
部14で上記数式2に従う演算がn−1番目のラインま
で行われ、算出された利得でラインメモリ13に記憶さ
れたn番目のラインの信号電荷を増倍し、出力する。
According to the device 11, the signal charge of the m-th line read by the CCD 12 is stored in the line memory 13
, And the signal charges of the m-th and earlier lines are stored in the frame memory 16. From the frame memory 16,
The line at the pixel position corresponding to the line read from the CCD 12 to the DSP 15 is input to the arithmetic unit 14, and the arithmetic unit 14 performs the calculation according to the above equation 2 up to the (n−1) th line, and calculates the line memory 13 with the calculated gain. Is multiplied by the signal charge of the n-th line and output.

【0028】つまり、あるタイミングで、1ライン毎に
信号電荷がラインメモリ13へ格納され、演算部14が
それまでの信号蓄積状態をフレームメモリ16から読み
取り、利得決定テーブルあるいは決定関数によって、利
得を決定し、ラインメモリ13における信号電荷にその
利得をかけて、フレームメモリ16へ格納する。
That is, at a certain timing, the signal charges are stored in the line memory 13 for each line, and the arithmetic unit 14 reads the signal accumulation state up to that time from the frame memory 16 and calculates the gain by the gain determination table or the determination function. Then, the signal charge in the line memory 13 is multiplied by the gain and stored in the frame memory 16.

【0029】次のタイミングで、同じことを繰り返す。
それらのタイミングの周期は例えば、1/1000秒で
ある。
The same operation is repeated at the next timing.
The cycle of those timings is, for example, 1/1000 second.

【0030】これを1フィールド/フレーム期間(1/
30秒又は1/60秒)続け、その1フィールド/フレ
ーム期間終了後、フレームメモリ6から信号電荷を外へ
出力する。
This is defined as one field / frame period (1 /
(30 seconds or 1/60 second), and after the end of one field / frame period, the signal charge is output from the frame memory 6 to the outside.

【0031】言い換えれば、フィールド/1フレーム期
間中において、その利得が適用される時点より前の所定
期間に前記格納部16で蓄積されている蓄積電荷数に基
づいて、利得が変更されていくことになる。
In other words, during the field / 1 frame period, the gain is changed based on the number of charges stored in the storage unit 16 during a predetermined period before the gain is applied. become.

【0032】−実施例2− これは増倍手段として負帰還型増幅器を用いた本発明の
CCD固体撮像装置の実施例である。図3ないし図5は
この実施例の装置の構造を示す。図3はその平面図、図
4は図3のA1−A2断面図、図5は図3のB1−B2
断面図である。
Embodiment 2 This is an embodiment of the CCD solid-state imaging device of the present invention using a negative feedback type amplifier as a multiplication means. 3 to 5 show the structure of the device of this embodiment. 3 is a plan view thereof, FIG. 4 is a sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 3, and FIG. 5 is a sectional view taken along line B1-B2 of FIG.
It is sectional drawing.

【0033】CCD固体撮像装置21は、N型半導体か
らなる帯状の垂直転送領域22と、同方向に配列したN
型半導体からなる光電変換部23と、P型半導体からな
り各光電変換部23を分離する分離部24と、転送電極
φV1〜V5とを備える。本実施例において光電変換部
23は、負帰還型増幅器を備えない従来構造のものと、
負帰還型増幅器を備えた本実施例の構造のものとが交互
に配列しているが、負帰還部のみで構成しても良い。以
下、本実施例の構造の部分のみ説明する。
The CCD solid-state imaging device 21 includes a band-shaped vertical transfer region 22 made of an N-type semiconductor and N-type vertical transfer regions 22 arranged in the same direction.
A photoelectric conversion unit 23 made of a type semiconductor, a separation unit 24 made of a P-type semiconductor and separating each photoelectric conversion unit 23, and transfer electrodes φV1 to V5 are provided. In the present embodiment, the photoelectric conversion unit 23 has a conventional structure without a negative feedback amplifier,
Although those having the structure of the present embodiment having the negative feedback amplifier are alternately arranged, they may be constituted only by the negative feedback section. Hereinafter, only the structure of the present embodiment will be described.

【0034】光電変換部23には、分離部24に近い辺
から内部に先端が尖るように食い込んだP型半導体から
なる第二光電変換部25と、垂直転送領域22から遠い
辺に沿って第二光電変換部25と対向するようにN+
半導体からなる電子ソース26とが設けられている。こ
れら第二光電変換部25及び電子ソース26が対になっ
てナロウチャンネル効果を生じ、電子ソース26から光
電変換部23への信号電荷の電子流れ制御を行い負帰還
型増幅器として機能する。
The photoelectric conversion unit 23 includes a second photoelectric conversion unit 25 made of a P-type semiconductor whose tip is bitten into the inside from the side near the separation unit 24 and the second photoelectric conversion unit 25 along the side far from the vertical transfer region 22. An electron source 26 made of an N + type semiconductor is provided so as to face the two photoelectric conversion units 25. The second photoelectric conversion unit 25 and the electron source 26 are paired to produce a narrow channel effect, control the electron flow of signal charges from the electron source 26 to the photoelectric conversion unit 23, and function as a negative feedback amplifier.

【0035】垂直転送領域22及び光電変換部23の表
面には、酸化膜からなる絶縁層27を介して種々の電極
が設けられている。光電変換部23を挟んで垂直転送領
域22と対向する位置には、たとえばアルミニウムから
なる電極φVSが垂直転送領域22と平行に設けられ、
×印で示すコンタクトホールによって電子ソース26と
接続している。隣り合う光電変換部23の間の表面上に
は、φV3と、φV3に部分的に重なるように対向した
φV2及びφV4と、φV4の上のφV1とがいずれも
ポリシリコンで図略の酸化膜を介して設けられ、垂直転
送領域22上まで延びている。図中、φV1は太い破
線、φV2及びφV4は細い実線、φV3は細い二点鎖
線で形状が示されている。φV1は、第二光電変換部2
5上にも延びている。また、垂直転送領域22と光電変
換部23とは、垂直転送領域22の両側に帯状に設けら
れたP+層で分離されているが、φV1は、他のどの電
極にも覆われていない垂直転送領域22上まで延び、更
にP+層を跨いで光電変換部23の端縁上に重なってい
る。φV1と垂直転送領域22との重なり部分が転送電
極として、φV1と光電変換部23との重なり部分が読
み出しゲートとして機能する。φV5は、第二光電変換
部25上に延びていない以外はφV1と同じ形状をして
いる。
Various electrodes are provided on the surfaces of the vertical transfer region 22 and the photoelectric conversion section 23 via an insulating layer 27 made of an oxide film. At a position facing the vertical transfer region 22 with the photoelectric conversion unit 23 interposed therebetween, an electrode φVS made of, for example, aluminum is provided in parallel with the vertical transfer region 22.
It is connected to the electron source 26 by a contact hole indicated by a cross. On the surface between the adjacent photoelectric conversion units 23, φV3, φV2 and φV4 opposing so as to partially overlap φV3, and φV1 above φV4 are all formed of an oxide film (not shown) made of polysilicon. And extends over the vertical transfer area 22. In the figure, φV1 is indicated by a thick broken line, φV2 and φV4 are indicated by thin solid lines, and φV3 is indicated by a thin two-dot chain line. φV1 is the second photoelectric conversion unit 2
5 extends above. Further, the vertical transfer region 22 and the photoelectric conversion unit 23 are separated from each other by P + layers provided in a band shape on both sides of the vertical transfer region 22, but φV1 is a vertical direction not covered by any other electrode. It extends over the transfer region 22 and further overlaps on the edge of the photoelectric conversion unit 23 over the P + layer. The overlapping portion between φV1 and the vertical transfer region 22 functions as a transfer electrode, and the overlapping portion between φV1 and the photoelectric conversion unit 23 functions as a read gate. φV5 has the same shape as φV1 except that it does not extend above the second photoelectric conversion unit 25.

【0036】次に本実施例の動作を図6及び図7ととも
に説明する。図6は各時間毎の電極のポテンシャル図、
図7は各電極毎の印加電圧のタイムチャートである。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a potential diagram of the electrode at each time,
FIG. 7 is a time chart of the applied voltage for each electrode.

【0037】蓄積時間t1では、φV1及びφV5が0
Vで、φVSを除く他の電極に負の電圧(たとえば−8
V)が印加された状態にあり、受光量に応じて光電変換
部23に信号電荷(この場合は電子)が蓄積される。こ
のとき発生した同じ電荷数の正孔は第二光電変換部25
に蓄積される。φVSには常時は光電変換部23の空乏
化電圧よりも大きな電圧(たとえば8V)が印加されて
いるが、t1においては前記光電変換部の空乏化電圧以
下の電圧(例えば4V)に下げられて、電子ソース26
から光電変換部23に電子を第二の信号電荷として流
す。ただし、その量は、第二光電変換部25に蓄積され
た正孔数によりナロウチャンネル効果が生じて変調され
る。
At the accumulation time t1, φV1 and φV5 become 0
V, a negative voltage (for example, −8) is applied to the other electrodes except φVS.
V) is applied, and signal charges (in this case, electrons) are accumulated in the photoelectric conversion unit 23 according to the amount of received light. The holes having the same charge number generated at this time are
Is accumulated in A voltage (for example, 8 V) larger than the depletion voltage of the photoelectric conversion unit 23 is always applied to φVS, but at t1, the voltage is reduced to a voltage (for example, 4 V) that is lower than the depletion voltage of the photoelectric conversion unit. , Electron source 26
Then, electrons flow into the photoelectric conversion unit 23 as second signal charges. However, the amount is modulated by the narrow channel effect caused by the number of holes accumulated in the second photoelectric conversion unit 25.

【0038】読み出し時間t2でφV1及びφV5に1
5Vが印加されると、φV1、φV5の一部である読み
出しゲートのポテンシャルが下がり、受光量に応じた信
号電荷に第二の信号電荷が加算されて垂直転送領域22
に読み出される。読み出しが完了して時間t3になる
と、φV1及びφV5の電圧が0Vにされて読み出しゲ
ートが閉じられる。時間t4でφV2も0Vにされて障
壁が除かれ信号電荷の半数がφV2に転送される。時間
t5でφV1の電圧が−8Vにされて障壁が作られると
ともに、残り半数の信号電荷もφV2に転送される。続
いて同様に時間t6で信号電荷の半数がφV3に転送さ
れ、時間t7で残りも転送され、時間t8で再び半数が
φV4に転送される。以後、このぜん動運動(charge t
ransfer)を繰り返しながら図略の水平転送領域まで垂
直転送される。
In the reading time t2, 1 is applied to φV1 and φV5.
When 5 V is applied, the potential of the readout gate, which is a part of φV1 and φV5, decreases, and the second signal charge is added to the signal charge corresponding to the amount of received light, so that the vertical transfer region 22
Is read out. At the time t3 after the reading is completed, the voltages of φV1 and φV5 are set to 0 V, and the reading gate is closed. At time t4, φV2 is also set to 0V, the barrier is removed, and half of the signal charges are transferred to φV2. At time t5, the voltage of φV1 is set to −8 V to form a barrier, and the remaining half of the signal charge is also transferred to φV2. Subsequently, similarly, at time t6, half of the signal charges are transferred to φV3, at time t7, the rest are also transferred, and at time t8, half of the signal charges are transferred again to φV4. Thereafter, this peristalsis (charge t
The data is vertically transferred to a horizontal transfer area (not shown) while repeating the above-mentioned process.

【0039】尚、第二光電変換部25に蓄積された正孔
のリセットは、1フィールド時間内の適当な時期にφV
1に例えば20V程度の大きな正電圧をかけて、その正
電圧とのクーロン反発力によりGND電位に保たれてい
る周辺のP+層を通じてGNDに流し出すことで実施さ
れる。
Incidentally, the reset of the holes accumulated in the second photoelectric conversion section 25 is carried out at an appropriate time within one field time.
For example, a large positive voltage of, for example, about 20 V is applied to 1 and the Coulomb repulsion with the positive voltage causes the positive voltage to flow out to GND through a peripheral P + layer maintained at GND potential.

【0040】上記光電変換部23、第二光電変換部25
及び、電子ソース26の、面積及び形状は、前記数式1
において、蓄積電荷量とともにMt+1<Mtが瞬時に繰
り返されるように設計されている。つまり、dtが限り
なく小さくなるようフィードバックを早くするように設
計されている。
The above-mentioned photoelectric conversion unit 23, second photoelectric conversion unit 25
The area and the shape of the electron source 26 are calculated according to the above equation (1).
Is designed so that Mt + 1 <Mt is instantaneously repeated together with the accumulated charge amount. In other words, it is designed so that the feedback is made faster so that dt becomes as small as possible.

【0041】従って、本例のCCD固体撮像装置1によ
れば、従来捨てられていた正孔を信号電荷の利得制御に
利用することで、光ショットノイズが低減される。
Therefore, according to the CCD solid-state imaging device 1 of the present embodiment, the light shot noise is reduced by using the conventionally discarded holes for the gain control of the signal charges.

【0042】−実施例3− これは、光電変換部に増倍手段としても機能するアバラ
ンシェフォトダイオード(APD)を用いた例である。
Embodiment 3 This is an example in which an avalanche photodiode (APD) that also functions as a multiplying means is used in the photoelectric conversion unit.

【0043】光電変換素子として、前記数式1が成り立
つように設計されたSi−アバランシェフォトダイオー
ドをCCD固体撮像装置に組み込んだと仮定し、さらに
アバランシェ増倍時において増倍利得の揺らぎに起因す
る過剰雑音が小さいものとして、入射光子数に対するS
/N値をシミュレーションした結果を図8に示す。初期
利得は10とした。
Assuming that a Si-avalanche photodiode designed to satisfy the above equation 1 is incorporated in a CCD solid-state image pickup device as a photoelectric conversion element, an excess due to fluctuation of multiplication gain at the time of avalanche multiplication. Assuming that the noise is small, S
FIG. 8 shows the result of simulating the / N value. The initial gain was 10.

【0044】尚、実際の増倍利得は印加電圧で制御され
るので、上記数式1に次の数式3を代入して算出した。
Since the actual multiplication gain is controlled by the applied voltage, it was calculated by substituting the following equation 3 into the above equation 1.

【0045】[0045]

【数3】 (Equation 3)

【0046】Moff:オフセット利得 V:印加電圧 VB:ブレークダウン電圧 図中、点線が本例の結果であり、実線が通常のフォトダ
イオードによるシミュレーション結果である。図8か
ら、光ショットノイズが低減されていることは明らかで
ある。ただし、数式1に代入される増倍利得Mと印加電
圧Vとの関係式は数式3に限らず、M=f(V)におい
て(dM/dV)>0が成立するものであれば良い。
Moff: Offset gain V: Applied voltage VB: Breakdown voltage In the figure, the dotted line is the result of this example, and the solid line is the simulation result using a normal photodiode. It is clear from FIG. 8 that the light shot noise has been reduced. However, the relational expression between the multiplication gain M and the applied voltage V substituted in Expression 1 is not limited to Expression 3, but may be any expression that satisfies (dM / dV)> 0 at M = f (V).

【0047】−実施例3の2− 実施例3のシミュレーションは、アバランシェ増倍時に
おいて増倍利得の揺らぎに起因する過剰雑音が小さいと
仮定して得られた結果である。そこで、以下にこの過剰
雑音について説明し、これを小さくする構造例を示す。
-Simulation of Embodiment 3 The simulation of Embodiment 3 is a result obtained on the assumption that excess noise caused by fluctuation of the multiplication gain during avalanche multiplication is small. Therefore, this excess noise will be described below, and a structural example for reducing this will be shown.

【0048】従来のSi−APDではアバランシェ増倍
が発生する箇所が不特定となるため、増倍利得に統計的
ばらつきが生じる。この理由は、アバランシェ増倍に必
要なインパクトイオン化エネルギーが(3/2Eg +
α)であり、このαが統計的確率に準じ不定となること
である。そこで、これに起因する新たな雑音を過剰雑音
(信号電荷が電子の場合は過剰電子雑音)と呼び、S/
N劣化の一因とされている。
In the conventional Si-APD, a place where avalanche multiplication occurs is unspecified, so that a statistical variation occurs in the multiplication gain. The reason is that the impact ionization energy required for avalanche multiplication is (3 / 2Eg +
α), where α is indefinite according to the statistical probability. Therefore, new noise caused by this is called excess noise (excess electronic noise when the signal charge is electrons), and S /
It is considered to be a cause of N deterioration.

【0049】しかし、1つのバンドオフセット構造をも
つアバランシェ増倍膜は、電子の質量をm、電子の速度
をvとするとき、バンドオフセット△Eの値を大きくす
ることで、 (3/2Eg+α)<(1/2mv2+△E) の条件を常に満たすことができる。つまり、αの値に影
響されないレベルまでバンドオフセットを大きく採るこ
とで、バンドオフセットの部分においてのみインパクト
イオン化を生じさせることができ、上述の過剰雑音を限
りなく小さくできる。
However, in the avalanche multiplication film having one band offset structure, when the mass of the electrons is m and the velocity of the electrons is v, the value of the band offset ΔE is increased, whereby (3 / 2Eg + α) <(1 / 2mv 2 + ΔE) can always be satisfied. That is, by adopting a large band offset to a level not affected by the value of α, impact ionization can be caused only in the band offset portion, and the above-described excessive noise can be reduced as much as possible.

【0050】バンドオフセット型アバランシェ増倍膜を
積層させた構造の場合は、印加電圧がゼロにおいて、図
9の状態をとる。ここで、バンドオフセット△Eは材料
の組成比で決定される。全層を完全に空乏化することで
初めて図10に示すような傾きをもつバンド状態とな
り、バンドオフセットの位置でインパクトイオン化を生
じうる。このようなバンドオフセット型アバランシェ増
倍膜と通常のシリコンアバランシェ増倍膜(Si−AP
D)との利得特性の違いを図11に示す。図11に見ら
れるように、通常のSi−APDの場合は降伏電圧VB
付近で利得が急上昇するが、バンドオフセット型の場合
は印加電圧がVth_H以上のとき利得が2となり、Vth_L
以下のとき利得が1となる。図10において、アバラン
シェ増倍膜の積層数は3であるから、23倍の利得を得
る。ただし、このような単純積層構造では、利得は印加
電圧に応じて1から8に急激に変化する。従って、電荷
蓄積モードで使用した場合、信号電荷の蓄積と共に、利
得が8→4→2→1と徐々に低下せず、本実施例が目的
とする光ショットノイズの抑制効果を期待できない。
In the case of a structure in which a band offset type avalanche multiplication film is laminated, the state shown in FIG. 9 is taken when the applied voltage is zero. Here, the band offset ΔE is determined by the composition ratio of the material. Only when all layers are completely depleted, a band state having a slope shown in FIG. 10 is obtained for the first time, and impact ionization may occur at the position of the band offset. Such a band offset type avalanche multiplication film and a normal silicon avalanche multiplication film (Si-AP
FIG. 11 shows the difference between the gain characteristics and D). As shown in FIG. 11, the breakdown voltage V B in the case of a normal Si-APD
Although the gain rises sharply in the vicinity, in the case of the band offset type, the gain becomes 2 when the applied voltage is Vth_H or more, and Vth_L
The gain becomes 1 in the following cases. 10, since the number of stacked avalanche multiplication layer is 3 to give the 2 three times gain. However, in such a simple laminated structure, the gain changes rapidly from 1 to 8 depending on the applied voltage. Therefore, when used in the charge accumulation mode, the gain does not gradually decrease from 8 → 4 → 2 → 1 along with the accumulation of the signal charge, and the effect of suppressing the optical shot noise aimed at by the present embodiment cannot be expected.

【0051】そこで、本実施例では、バンドオフセット
型アバランシェ増倍膜を採用しつつ、蓄積電荷量ととも
に利得を抑制する構造を採用し、過剰雑音及び光ショッ
トノイズ両方の低減を図った。
Therefore, in this embodiment, a structure in which the gain is suppressed together with the accumulated charge amount while adopting the band offset type avalanche multiplication film is adopted, thereby reducing both excess noise and optical shot noise.

【0052】図12は、本例の光電変換装置を示す膜厚
方向断面図である。光電変換装置31は、電荷蓄積部3
2の上に3つのバンドオフセット型アバランシェ増倍膜
33,34,35を積層し、各層間に導電性の薄膜3
6,37,38,39を設けるとともに、各薄膜間を固
定抵抗R1,R2,R3で接続した構造を有する。電荷蓄
積部32は通常のシリコンフォトダイオード(Si−P
D)32からなる。薄膜36−39は例えばインジウム
In、ポリシリコン等からなる。固定抵抗R1−R3は例
えばポリシリコンなどからなる。ただし、一連の抵抗
は、シート抵抗値が同じ材料からなり、接合面積を変化
させることで互いの抵抗比がR1<R2<R 3の条件を充
足する所定の値となるように精度良く制御されている。
FIG. 12 shows a film thickness of the photoelectric conversion device of this embodiment.
It is a direction sectional view. The photoelectric conversion device 31 includes the charge storage unit 3
3 band offset type avalanche multipliers on 2
33, 34, and 35 are laminated, and a conductive thin film 3 is interposed between the layers.
6, 37, 38, and 39, and fix the space between the thin films.
Constant resistance R1, RTwo, RThreeIt has the structure connected by. Charge storage
The stacking unit 32 is a normal silicon photodiode (Si-P
D) 32. The thin film 36-39 is made of, for example, indium.
In, polysilicon, etc. Fixed resistance R1-RThreeIs an example
For example, it is made of polysilicon or the like. However, a series of resistors
Is made of the same material with the same sheet resistance and changes the bonding area
The resistance ratio of each other is R1<RTwo<R ThreeSatisfy the conditions
It is controlled with high accuracy so as to be a predetermined value to be added.

【0053】この構造において、初期印加電圧をV0
全印加電圧をVin、蓄積信号電荷量をQ、蓄積容量をC
とすると、 Vin=V0=(−Q/C) V1={R1/(R1+R2+R3)}・Vin2={R2/(R1+R2+R3)}・Vin3={R3/(R1+R2+R3)}・Vin という電圧が各層に印加される。全印加電圧Vinと各
層に印加される電圧の関係は図13の通りである。各直
線の傾きは、各R1,R2,R3の比に対応する。図13
において、VinはVin=(−Q/C)の関係からQの増
加と共に小さくなる。それに応じて各層に印加される電
圧V1-3も少なくなる。従って、V1-3とQとの関係は図
14に示す通りとなる。各層は既述のように印加電圧が
th_H以上のとき利得が2となり、Vth_L以下のとき利
得が1となる。そこで、この積層膜構造を電荷蓄積モー
ドで用いれば、図15に示すように蓄積電荷量の増加と
共に段階的に利得が抑制される利得特性が得られる。従
って、一次光電変換効率を一定とした場合、入射光量に
対して図16のような入出力特性が得られる。
In this structure, the initial applied voltage is V 0 ,
The total applied voltage is V in , the accumulated signal charge is Q, and the accumulated capacitance is C
When, = V in = V 0 ( - Q / C) V 1 = {R 1 / (R 1 + R 2 + R 3)} · V in V 2 = {R 2 / (R 1 + R 2 + R 3)} · V in V 3 = {R 3 / (R 1 + R 2 + R 3)} · V in voltage that is applied to each layer. FIG. 13 shows the relationship between the total applied voltage Vin and the voltage applied to each layer. The slope of each straight line corresponds to the ratio of each of R 1 , R 2 , and R 3 . FIG.
In, V in the V in = - smaller with increasing Q from (Q / C) relationship. Accordingly, the voltage V 1-3 applied to each layer also decreases. Therefore, the relationship between V 1-3 and Q is as shown in FIG. Each layer gain when the applied voltage gain is less than 2 becomes, V th - L When the above V th - H as described above is 1. Therefore, if this laminated film structure is used in the charge accumulation mode, gain characteristics in which the gain is suppressed in a stepwise manner with an increase in the accumulated charge amount can be obtained as shown in FIG. Therefore, when the primary photoelectric conversion efficiency is constant, the input / output characteristics as shown in FIG.

【0054】図17は、本例の光電変換装置31を2次
元CCD撮像装置の各画素に配した構成を示す図であ
る。図中、Vrefは一定の電圧を印加するための共通電
極、VCCDは垂直転送領域、HCCDは水平転送領域
である。図18は、通常のフォトダイオードを備えた画
素と本例の光電変換装置を備えた画素を垂直転送方向に
交互に配した構成を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a configuration in which the photoelectric conversion device 31 of the present example is provided for each pixel of a two-dimensional CCD image pickup device. In the figure, Vref is a common electrode for applying a constant voltage, VCCD is a vertical transfer area, and HCCD is a horizontal transfer area. FIG. 18 is a diagram showing a configuration in which pixels having a normal photodiode and pixels having the photoelectric conversion device of this example are alternately arranged in the vertical transfer direction.

【0055】−実施例3の3− 実施例3の2においては、図15に示したように、初期
利得がいきなり8となる。そこで、図19に示すように
電荷蓄積部42に最も近い位置に第4層として通常のS
i−APD膜40を設けるとよい。こうすることによ
り、過剰雑音に起因するS/N劣化があるものの、図2
0に示すように連続的な初期利得を得ることができる。
マッキンタイヤー(McIntyre)の過剰電子雑音
の式によれば、Si−APDの場合、Mを利得、α及び
βをそれぞれ電子及び正孔の単位距離当たりのインパク
トイオン化率、α/β=kとするとき、 S/N=M2{kM+(1−k)(2−1/M)} となり、利得を大きくするほどS/Nが悪くなる。従っ
て、本実施例のようにバンドオフセット型と併用するこ
とで、Si−APDのみの場合よりも過剰電子雑音を少
なくして同等の利得を得ることができる。この場合、入
射光量に対する入出力特性は図21に通りとなる。
-Third Embodiment 3-In the third embodiment 2 as shown in FIG. 15, the initial gain becomes 8 immediately. Therefore, as shown in FIG. 19, the normal S
An i-APD film 40 is preferably provided. By doing so, although there is S / N degradation due to excessive noise, FIG.
As shown by 0, a continuous initial gain can be obtained.
According to the equation of excess electronic noise of McIntyre, in the case of Si-APD, M is gain, α and β are impact ionization rates per unit distance of electrons and holes, and α / β = k. Then, S / N = M2 {kM + (1-k) (2-1 / M)}, and the S / N becomes worse as the gain is increased. Therefore, when used in combination with the band offset type as in the present embodiment, the same gain can be obtained by reducing excess electronic noise as compared with the case of using only the Si-APD. In this case, the input / output characteristics with respect to the incident light amount are as shown in FIG.

【0056】−実施例3の4− 前記2つの実施例では、2のべき乗で増倍利得を変化さ
せることが可能である。しかしながら、電荷蓄積モード
にて使用した際、積層数を増やすことで初期利得を大き
く取った場合には、入射光量に応じた利得の変化が急激
かつ不連続となり、細かな利得制御は不可能となる。例
えば積層数を10とすると、 増倍利得が210(=10
24)から、いきなり29(=512)へと急激に不連
続的に下が る。
Fourth Embodiment Fourth Embodiment In the above two embodiments, it is possible to change the multiplication gain by a power of two. However, when using in the charge accumulation mode, if the initial gain is increased by increasing the number of layers, the change in the gain according to the incident light amount becomes abrupt and discontinuous, so that fine gain control is impossible. Become. For example, if the number of layers is 10, the multiplication gain is 2 10 (= 10
From 24), it suddenly drops discontinuously to 2 9 (= 512).

【0057】そこで、図22に示すように、実施例1で
示したDSPをさらに接続し、併用することにより利得
を1024から1023、1022へと滑らかに制御す
ることが可能となる。
Therefore, as shown in FIG. 22, by further connecting and using the DSP shown in the first embodiment, the gain can be smoothly controlled from 1024 to 1023 and 1022.

【0058】なお、以上の実施例はすべてCCD型イメ
ージセンサで説明したが、撮像管でもMOS型イメージ
センサでも、あるいは今後出現するいかなる撮像装置、
また前述のように全ての電磁波を撮像する装置において
も本発明は有効である事はもちろんである。
The above embodiments have been described with reference to the CCD type image sensor. However, the present invention is not limited to the image pickup tube, the MOS type image sensor, or any image pickup device which will appear in the future.
Further, as described above, the present invention is, of course, also effective in an apparatus for imaging all electromagnetic waves.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上のように、本発明に依れば光ショッ
トノイズが低減されるので、露光時間が短くても質の良
い画像が得られる。
As described above, according to the present invention, light shot noise is reduced, so that a high quality image can be obtained even if the exposure time is short.

【0060】具体的には、新月の夜のような非常に暗い
ところにおいても鮮明な画像が高解像度で撮像すること
ができる。
Specifically, a clear image can be captured at a high resolution even in a very dark place such as a new moon night.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態の固体撮像装置の基本的
な回路構成を示す図
FIG. 1 is a diagram showing a basic circuit configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention;

【図2】本発明の実施例1の撮像装置の構成を示すブロ
ック図
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging device according to a first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例2の撮像装置を示す平面図FIG. 3 is a plan view illustrating an imaging device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】図3のA1−A2断面図FIG. 4 is a sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 3;

【図5】図3のB1−B2断面図FIG. 5 is a sectional view taken along line B1-B2 of FIG. 3;

【図6】本発明の実施例2の撮像装置の各時間毎の電極
のポテンシャルを示す図
FIG. 6 is a diagram showing potentials of electrodes for each time of the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例2の撮像装置の各電極毎の印加
電圧のタイムチャート
FIG. 7 is a time chart of an applied voltage for each electrode of the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例3の撮像装置のシミュレーショ
ンによる入射光子数対S/N値を示すグラフ
FIG. 8 is a graph showing the number of incident photons versus the S / N value by simulation of the imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention.

【図9】バンドオフセット型アバランシェ増倍膜のゼロ
バイアス時におけるバンド状態を示す図
FIG. 9 is a diagram showing a band state of the band offset type avalanche multiplication film at the time of zero bias.

【図10】バンドオフセット型アバランシェ増倍膜の逆
バイアス時におけるバンド状態を示す図
FIG. 10 is a diagram showing a band state of the band offset type avalanche multiplication film at the time of reverse bias;

【図11】バンドオフセット型アバランシェ増倍膜と通
常のSi−アバランシェ増倍膜との印加電圧に対する利
得特性を示すグラフ
FIG. 11 is a graph showing gain characteristics of a band offset type avalanche multiplication film and a normal Si-avalanche multiplication film with respect to an applied voltage.

【図12】本発明の実施例3の2の光電変換装置を示す
断面図
FIG. 12 is a sectional view showing a second photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention.

【図13】本発明の実施例3の2の光電変換装置に印加
される電圧と各層の印加電圧との関係を示すグラフ
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the voltage applied to the photoelectric conversion device according to Example 2 of the present invention and the voltage applied to each layer.

【図14】本発明の実施例3の2の光電変換装置の各層
に印加される電圧と蓄積電荷量との関係を示すグラフ
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the voltage applied to each layer of the photoelectric conversion device according to Example 2 of the present invention and the amount of accumulated charges.

【図15】本発明の実施例3の2の光電変換装置におけ
る蓄積電荷数と利得との関係を示すグラフ
FIG. 15 is a graph illustrating the relationship between the number of accumulated charges and the gain in the photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention.

【図16】本発明の実施例3の2の光電変換装置におけ
る入射光子数と蓄積電荷数との関係を示すグラフ
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the number of incident photons and the number of accumulated charges in the second photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention.

【図17】本発明の実施例3の2の光電変換装置を2次
元CCD撮像装置に適用した構成を示す図
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration in which the second photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention is applied to a two-dimensional CCD imaging device.

【図18】本発明の実施例3の2の光電変換装置と従来
の光電変換装置とを2次元CCD撮像装置に併用した構
成を示す図
FIG. 18 is a diagram showing a configuration in which the two photoelectric conversion devices according to the third embodiment of the present invention and a conventional photoelectric conversion device are used in combination with a two-dimensional CCD imaging device.

【図19】本発明の実施例3の3の光電変換装置を示す
断面図
FIG. 19 is a sectional view showing a third photoelectric conversion device according to a third embodiment of the present invention.

【図20】本発明の実施例3の3の光電変換装置におけ
る蓄積電荷数と利得との関係を示すグラフ図
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the number of accumulated charges and the gain in the third photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention.

【図21】本発明の実施例3の3の光電変換装置におけ
る入射光子数と蓄積電荷数との関係を示すグラフ
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the number of incident photons and the number of accumulated charges in the third photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention.

【図22】本発明の実施例3の2の光電変換装置を組み
込んだ2次元CCD撮像装置を実施例1のDSPと組み
合わせた構成を示す図
FIG. 22 is a diagram showing a configuration in which a two-dimensional CCD imaging device incorporating the photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention is combined with the DSP according to the first embodiment.

【図23】本発明の原理を説明するための図FIG. 23 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【図24】本発明の原理を説明するための図FIG. 24 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,23 光電変換部 2 増倍(増幅)手段 3 メモリ 4 利得制御部 11,21 固体撮像装置 12 CCD 13 ラインメモリ 14 演算部 15 DSP 22 垂直転送領域 24 分離部 26 電荷(電子)ソース 27 絶縁層 31,41 光電変換装置 32,42 電荷蓄積部 33,34,35 バンドオフセット型アバランシェ増
倍膜 36,37,38,39 導電性薄膜 40 Si−アバランシェ増倍膜 φV1〜φV5,φVS 電極
1, 23 photoelectric conversion unit 2 multiplication (amplification) means 3 memory 4 gain control unit 11, 21 solid-state imaging device 12 CCD 13 line memory 14 operation unit 15 DSP 22 vertical transfer area 24 separation unit 26 charge (electron) source 27 insulation Layers 31, 41 Photoelectric conversion devices 32, 42 Charge storage units 33, 34, 35 Band offset type avalanche multiplication films 36, 37, 38, 39 Conductive thin films 40 Si-avalanche multiplication films φV1 to φV5, φVS electrodes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 5/30 - 5/335 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H04N 5/30-5/335

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 入射光に応じて信号電荷を発生する光電
変換部と、前記光電変換部により光電変換されて発生し
た信号電荷を所定の利得で増幅する増幅部と、前記増幅
部により増幅された信号電荷を、1フィールド毎にリセ
ットしながら、蓄積するメモリと、所定の時刻(t)に
おける前記増幅部の前記所定の利得を、前記所定の時刻
(t)までに前記メモリに蓄積された信号電荷量に応じ
て、制御する逐次利得制御部とを備えたことを特徴とす
る光電変換装置。
1. A photoelectric device that generates a signal charge according to incident light.
A conversion unit, and the photoelectric conversion unit
Amplifying section for amplifying the signal charge with a predetermined gain;
Resets the signal charge amplified by the
At a predetermined time (t)
The predetermined gain of the amplifying unit at the predetermined time
Depending on the signal charge amount stored in the memory by (t)
And a sequential gain control section for controlling the photoelectric conversion.
【請求項2】 入射光に応じて電荷を発生する第1の光
電変換部と、前記第1の光電変換部で発生した電荷を蓄
積する蓄積部と、前記蓄積部から出力された電荷を所定
の利得で増幅する演算増幅部と、その演算増幅部で増幅
された信号電荷をメモリする格納部とを備え、 前記演算増幅部の前記所定の利得は、1フィールド期間
中における、その利得が適用される時点(t)より前の
所定期間に、前記格納部で蓄積されている蓄積電荷
基づいて、制御されることを特徴とする光電変換装置。
2. A first photoelectric conversion unit for generating electric charges in accordance with incident light, a storage unit for storing electric charges generated in the first photoelectric conversion unit, and a charge output from the storage unit for a predetermined period. an operational amplifier for amplifying at a gain, and a storage unit for memory the amplified signal charges by the operational amplifying unit, and the predetermined gain of the operational amplifying unit is definitive in one field period, its gain A photoelectric conversion device characterized in that the photoelectric conversion device is controlled on the basis of the amount of charge stored in the storage unit during a predetermined period before the time point (t) to be applied.
【請求項3】 入射光に応じて電荷を発生する光電変換
部と、前記光電変換部で発生した電荷をA/D変換する
A/D変換部と、前記A/D変換部からの信号電荷を蓄
積するラインメモリと、前記ラインメモリから出力され
た電荷を所定の利得で増幅する演算部と、その演算部で
増幅された信号電荷をメモリするフレームメモリとを備
え前記演算部の前記所定の利得は、1フィールド期間中
における、その利得が適用される時点(t)より前の所
定期間に、前記フレームメモリで蓄積されている蓄積電
荷量に基づいて、制御されることを特徴とする光電変換
装置。
3. Photoelectric conversion for generating electric charge according to incident light
And A / D conversion of charges generated in the photoelectric conversion unit
An A / D converter, and storing signal charges from the A / D converter.
A line memory to be stacked and output from the line memory.
Calculation unit that amplifies the accumulated charge with a predetermined gain, and the calculation unit
And a frame memory for storing the amplified signal charges.
The predetermined gain of the arithmetic unit is during one field period.
Before the time (t) at which the gain is applied
During the period, the stored power stored in the frame memory
Photoelectric conversion characterized by being controlled based on the load
apparatus.
【請求項4】 前記蓄積部から出力されてアナログ信号
をディジタル信号に変換するA/D変換器を備え、前記
増幅部と、前記格納部はディジタル処理を行うことを特
徴とする請求項2記載の光電変換装置。
4. An A / D converter for converting an analog signal output from the storage unit into a digital signal, wherein the amplification unit and the storage unit perform digital processing. Photoelectric conversion device.
【請求項5】 前記先に蓄積された蓄積電荷数は、前記
変更していく利得Mと、単位時間当たりの蓄積電荷数n
との積を、それまでの蓄積時間で積分した値の関数であ
ることを特徴とする請求項2又は記載の光電変換装
置。
5. The number of stored charges previously stored is determined by the gain M changing and the number of stored charges n per unit time.
Product The photoelectric conversion apparatus according to claim 2 or 4, wherein it is a function of the integrated value in the storage time until it with.
【請求項6】 受光部内に配置され、入射光に応じて電
荷を発生する第1の光 電変換部と、前記第1の光電変換
部からの信号電荷を蓄積する蓄積部と、負帰還増幅部と
を備え、前記負帰還増幅部は、前記第1の光電変換部と
は逆導電型で、前記受光部内で前記第1の光電変換部に
隣接して設けられ、入射光に応じて電荷を発生する第2
の光電変換部と、前記第1の光電変換部と同じ導電型
で、前記蓄積部へ電荷を供給する電荷ソースとを有し、
1フィールド期間中において、前記第2の光電変換部に
おいて発生したあるいは蓄積した信号電荷により、前記
電荷ソースから流れ出す信号電荷が変調されることを特
徴とする光電変換装置。
6. An electric power supply according to claim 1 , wherein said electric power supply is arranged in a light receiving section.
A first photoelectric conversion unit that generates a load, and the first photoelectric conversion unit
A storage section for storing signal charges from the section, a negative feedback amplification section,
Wherein the negative feedback amplification unit includes the first photoelectric conversion unit and
Is a reverse conductivity type, and is connected to the first photoelectric conversion unit in the light receiving unit.
The second, which is provided adjacently and generates charges in accordance with incident light
And the same conductivity type as the first photoelectric conversion unit.
And a charge source for supplying a charge to the storage unit.
During one field period, the second photoelectric conversion unit
The signal charge generated or accumulated in
Note that the signal charge flowing out of the charge source is modulated.
Photoelectric conversion device.
【請求項7】 前記変調とは、前記蓄積部において蓄積
した信号電荷が多い場合は、前記電荷ソースから前記蓄
積部への電荷の供給が少なくなり、前記蓄積部において
蓄積した信号電荷が少ない場合は、前記電荷ソースから
前記蓄積部への電荷の供給が多くなることであることを
特徴とする請求項記載の光電変換装置。
7. The modulation means that the supply of charges from the charge source to the storage unit decreases when the signal charges stored in the storage unit are large, and the signal charges stored in the storage unit are small. 7. The photoelectric conversion device according to claim 6 , wherein the supply of the charge from the charge source to the storage unit increases.
【請求項8】 入射光に応じて電荷を発生する光電変換
部と、前記光電変換部で蓄積された信号電荷を蓄積する
蓄積部とを備え、前記光電変換部の光電変換を行う部分
がアバランシェフォトダイオードであり、このアバラン
シェフォトダイオードが、固定抵抗で互いに接続された
複数の導電性薄膜を介して、前記蓄積部上に積層された
複数のバンドオフセット型アバランシェ増倍(multipli
cation layer)膜であり、これらアバランシェ増倍膜は
積層方向を基準としてそれぞれの組成が変化しており、
1フィールド期間中において、前記蓄積部で蓄積された
蓄積電荷数に応じて、積層している各アバランシェ増倍
膜の増倍度合いが変化することを特徴とする光電変換装
置。
8. Photoelectric conversion for generating electric charge according to incident light
Unit and accumulates the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit
A portion that includes a storage unit and performs photoelectric conversion of the photoelectric conversion unit.
Is an avalanche photodiode.
Shed photodiodes are connected to each other with fixed resistors
Via a plurality of conductive thin films, laminated on the storage unit
Multiple band offset avalanche multiplication (multipli
cation layer), and these avalanche multiplication films
Each composition changes based on the lamination direction,
During one field period, the data stored in the storage unit
Each avalanche multiplication according to the number of accumulated charges
A photoelectric conversion device characterized in that the degree of multiplication of a film changes.
Place.
【請求項9】 前記組成とは、(アモルファスシリコン
a−Si)/(アモルファスシリコンカーボンa−Si
C)あるいは(アモルファスシリコンa−Si)/(ア
モルファスシリコンゲルマニウムa−SiGe)であ
り、そのカーボンCとシリコンSiの割合が、順次漸減
または漸増していることを特徴とする請求項記載の光
電変換装置。
9. The composition refers to (amorphous silicon a-Si) / (amorphous silicon carbon a-Si)
C) a or (amorphous silicon a-Si) / (amorphous silicon germanium a-SiGe), photoelectric of the ratio of the carbon C and silicon Si is claimed claim 8, characterized in that sequentially decreasing or increasing Conversion device.
【請求項10】 前記固定抵抗は、入射光側から遠ざか
るに連れて順次抵抗値が高くなっていることを特徴とす
る請求項に記載の光電変換装置。
10. The photoelectric conversion device according to claim 8 , wherein the resistance value of the fixed resistor increases as it goes away from the incident light side.
【請求項11】 前記固定抵抗は、ポリシリコンからな
る請求項8〜10のいずれかに記載の光電変換装置。
11. The photoelectric conversion device according to claim 8 , wherein said fixed resistor is made of polysilicon.
【請求項12】 前記複数のバンドオフセット型アバラ
ンシェ増倍膜と、前記蓄積部との間に、シリコン−アバ
ランシェ増倍膜が介在していることを特徴とする請求項
8〜11のいずれかに記載の光電変換装置。
12. A silicon-avalanche multiplication film is interposed between the plurality of band-offset avalanche multiplication films and the storage section.
12. The photoelectric conversion device according to any one of 8 to 11 .
【請求項13】 前記第1の光電変換部と前記蓄積部
は、前記請求項6〜12のいずれかに記載の光電変換装
置であることを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記
載の光電変換装置。
13. The photoelectric conversion device according to claim 6 , wherein the first photoelectric conversion unit and the storage unit are the photoelectric conversion device according to any one of claims 6 to 12. Photoelectric conversion device.
【請求項14】 請求項6〜13のいずれかに記載の光
電変換装置と、前記光電蓄積された信号電荷を転送する
転送領域を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
14. A photoelectric conversion device according to any one of claims 6 to 13, the solid-state imaging device characterized by comprising a transfer region for transferring the photoelectric signal charges accumulated.
【請求項15】 入射光に応じて電荷を発生する光電変
換部と、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積する蓄積
部と、前記蓄積部で蓄積された信号電荷を、破壊あるい
は非破壊読み出し毎にディジタル化するA/D変換器
と、そのA/D変換器から順次出力される各信号電荷に
ついて、予め決められた個数の連続する各信号電荷の中
で、それらの値が最大の信号電荷と最小の信号電荷とを
放棄することを特徴とする光電変換装置
15. A photoelectric conversion device that generates an electric charge according to incident light.
Conversion unit and an accumulation unit that accumulates charges generated in the photoelectric conversion unit.
Unit and the signal charge accumulated in the accumulation unit
Is an A / D converter that digitizes every non-destructive readout
And each signal charge sequentially output from the A / D converter
About a predetermined number of successive signal charges.
And their values are the maximum signal charge and the minimum signal charge.
A photoelectric conversion device characterized by being abandoned .
【請求項16】 前記予め決められた個数の連続する各
信号電荷は、それ以前の連続する各信号電荷と全く重複
しないで順次選ばれることを特徴とする請求項15記載
の光電変換装置。
16. The photoelectric conversion device according to claim 15, wherein said predetermined number of successive signal charges are sequentially selected without overlapping at all with previous successive signal charges.
【請求項17】 前記予め決められた個数の連続する各
信号電荷は、それ以前の連続する各信号電荷と、一部重
複して順次選ばれることを特徴とする請求項15記載の
光電変換装置。
17. The photoelectric conversion device according to claim 15, wherein said predetermined number of continuous signal charges are sequentially selected so as to partially overlap each of the preceding continuous signal charges. .
【請求項18】 請求項15〜17のいずれかに記載の光
電変換装置と、 前記蓄積部から出力された電荷を所定の利得で増幅する
増幅部と、その増幅部で増幅された信号電荷をメモリす
る格納部とを備え、 前記増幅部の前記所定の利得は、1フィールド期間中に
おいて、その利得が適用される時点より前の所定期間に
前記格納部で蓄積されている蓄積電荷数に基づいて、変
更されることを特徴とする光電変換装置。
18. The light according to any one of claims 15 to 17,
A power conversion device, and amplifies the electric charge output from the storage unit with a predetermined gain.
Amplifying section and memory for signal charges amplified by the amplifying section.
Storage unit , wherein the predetermined gain of the amplification unit is within one field period.
At a specified time period before the gain is applied.
Change based on the number of stored charges stored in the storage unit
A photoelectric conversion device characterized by being modified.
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