JP3173806B2 - Driving method of charge detection circuit - Google Patents

Driving method of charge detection circuit

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JP3173806B2 JP00385491A JP385491A JP3173806B2 JP 3173806 B2 JP3173806 B2 JP 3173806B2 JP 00385491 A JP00385491 A JP 00385491A JP 385491 A JP385491 A JP 385491A JP 3173806 B2 JP3173806 B2 JP 3173806B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は半導体集積回路、特に
電荷結合素子(CCD)の出力回路として用いられる電
荷検出回路の駆動方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for driving a charge detecting circuit used as an output circuit of a semiconductor integrated circuit, particularly a charge coupled device (CCD).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来よりCCDの出力回路には、フロー
ティング・ディフュージョン増幅器と呼ばれる図3に示
すような電荷検出回路が用いられている。同図(a)に
おいて、1は第1導電形の半導体基板である。2はCC
Dの最終ゲート電極、3は電位障壁形成ゲート電極を示
し、ゲート電極2には電荷転送用の駆動クロックの1つ
φHが、またゲート電極3には直流電圧VG0 が印加さ
れる。そしてゲート電極3に隣接する領域に、ゲート電
極4と第2導電形の高濃度不純物領域5,6とからなる
MOSトランジスタが形成されている(図上省略してあ
るが半導体基板1と各ゲート電極との間は絶縁膜で絶縁
されている)。また不純物領域6にはリセット電源電圧
VRが印加されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a charge detection circuit called a floating diffusion amplifier as shown in FIG. 3 has been used as an output circuit of a CCD. In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate of the first conductivity type. 2 is CC
The last gate electrode 3 of D is a gate electrode for forming a potential barrier. The gate electrode 2 is applied with one of the drive clocks φH for charge transfer, and the gate electrode 3 is applied with the DC voltage VG 0 . In a region adjacent to the gate electrode 3, a MOS transistor including a gate electrode 4 and high-concentration impurity regions 5 and 6 of the second conductivity type is formed. It is insulated from the electrode by an insulating film). Reset power supply voltage VR is applied to impurity region 6.

【0003】不純物領域5はフローティング・ディフュ
ージョンと呼ばれ、同じ半導体基板1の上に形成された
出力用のソースフォロワトランジスタ7のゲートに接続
されている。トランジスタ7のドレインにはソースフォ
ロワ用電源V0 が印加されている。またそのソースは負
荷抵抗8を介して接地されており、ソースと抵抗8との
接続点から出力D0が導出される。
The impurity region 5 is called a floating diffusion and is connected to the gate of an output source follower transistor 7 formed on the same semiconductor substrate 1. A source follower power supply V 0 is applied to the drain of the transistor 7. The source is grounded via the load resistor 8, and an output D 0 is derived from a connection point between the source and the resistor 8.

【0004】次に動作について説明する。図3(b)〜
(d)はそれぞれ図4のタイミングチャートのt1〜t3
時刻における図3(a)各部のポテンシャルを示してい
る。まず、t1 においては駆動クロックφHはハイレベ
ル(H)であり、ゲート電極2の下には図3(b)に示
すようにポテンシャル井戸が形成され信号電荷Qが蓄積
されている。同時にゲート電極4に印加されるリセット
クロックφRがハイレベルとなっており、ゲート電極と
不純物領域5,6で構成されるMOSトランジスタはオ
ンとなって不純物領域5およびそれにつながるトランジ
スタ7のゲートの各電圧はリセット電源電圧VRのレベ
ルにリセットされている。
Next, the operation will be described. FIG.
(D) respectively show t 1 to t 3 in the timing chart of FIG.
FIG. 3A shows the potential of each part at the time. First, the driving clock φH is at t 1 is at a high level (H), the signal charge Q potential well is formed to under the gate electrode 2 shown in FIG. 3 (b) is accumulated. At the same time, the reset clock φR applied to the gate electrode 4 is at a high level, and the MOS transistor composed of the gate electrode and the impurity regions 5 and 6 is turned on to turn on each of the impurity region 5 and the gate of the transistor 7 connected thereto. The voltage has been reset to the level of the reset power supply voltage VR.

【0005】t2 においては、リセットクロックφRが
ローレベレ(L)となり、ゲート電極と不純物領域5,
6で構成されるMOSトランジスタはオフとなる。リセ
ットクロックφRがハイからローレベルに変わるとき、
ゲート電極4と不純物領域5との容量結合により不純物
領域5の電位は低下する。リセットクロックφRがロー
レベルの期間中は不純物領域5につながるノードはフロ
ーティングとなる。
At t 2 , the reset clock φR becomes low level (L), and the gate electrode and the impurity region 5
The MOS transistor 6 is turned off. When the reset clock φR changes from high to low level,
The potential of the impurity region 5 decreases due to the capacitive coupling between the gate electrode 4 and the impurity region 5. While the reset clock φR is at the low level, the node connected to the impurity region 5 is floating.

【0006】t3 において駆動クロックφHがローレベ
ルとなると、ゲート電極2の下のポテンシャル井戸に蓄
えられていた信号電荷Qが不純物領域5に読出され、こ
の電位の変化がソース・フォロワ回路を通して出力され
る。その大きさΔVは、フローティング・ディフュージ
ョン・ノードの容量をCFD、ソース・フォロワ回路の利
得をGとすると、 ΔV=(G・Q)/(CFD ) となる。利得Gは通常0.7〜0.9程度でほとんど変
化しないため、同じ信号電荷に対してΔVを大きくする
ためにはCFDを小さくする必要がある。おなじQに対し
てΔVが大きいほど電荷―電圧変換利得が大きいわけ
で、S/Nの観点等より有利となる。
When drive clock φH attains a low level at t 3 , signal charge Q stored in a potential well below gate electrode 2 is read out to impurity region 5, and a change in this potential is output through a source follower circuit. Is done. When the capacitance of the floating diffusion node is C FD and the gain of the source follower circuit is G, the magnitude ΔV is ΔV = (G · Q) / (C FD ). Since the gain G is usually about 0.7 to 0.9 and hardly changes, it is necessary to reduce C FD in order to increase ΔV for the same signal charge. The larger the ΔV with respect to the same Q, the larger the charge-to-voltage conversion gain, which is advantageous from the viewpoint of S / N.

【0007】一方、電荷検出回路で検出できる最大電荷
量は、その電荷が不純物領域5に蓄積されたときに当該
領域5の電位がゲート電極3の下のチャネルポテンシャ
ルを超えない範囲での最大の電荷量である。その値は容
量CFDが大きいほど大きい。
On the other hand, the maximum amount of charge that can be detected by the charge detection circuit is the maximum when the charge is accumulated in the impurity region 5 and the potential of the region 5 does not exceed the channel potential below the gate electrode 3. The amount of charge. The value increases as the capacitance CFD increases.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように従来の電荷
検出回路においてはそのダイナミックレンジはフローテ
ィング・ディフュージョン部のリセット電圧とゲート電
極3の下のチャネル・ポテンシャルとの差によって決ま
り、検出できる最大電荷量を大きくとるためにCFDを大
きくすると検出感度が低下し、逆に微小な電荷を検出す
るためにCFDを小さくすると検出できる最大電荷量が小
さくなってダイナミックレンジが狭くなるという問題が
あった。この発明の目的は、小信号時に高い検出感度を
得、かつ広いダイナミックレンジを実現することが可能
なフローティング・ディフュージョン電荷検出回路を得
ることにある。
As described above, in the conventional charge detection circuit, the dynamic range is determined by the difference between the reset voltage of the floating diffusion portion and the channel potential under the gate electrode 3, and the maximum charge that can be detected. the amount decreases the detection sensitivity by increasing C FD to a large, there is a problem that the dynamic range is narrowed by the maximum charge amount is decreased to be detected and to reduce the C FD to detect minute charge reversed Was. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a floating diffusion charge detection circuit capable of obtaining high detection sensitivity at the time of a small signal and realizing a wide dynamic range.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明は、CCDの出
力回路に用いたフローティング・ディフュージョン電荷
検出回路を駆動するに当たり、信号電荷検出時に、CC
Dの最終蓄積ゲートの下のポテンシャルが最終蓄積ゲー
トの直前のゲートの下のポテンシャルより深く、かつ隣
接する電位障壁形成ゲートの下のポテンシャルより深く
ならないように、上記最終蓄積ゲートに印加するゲート
電位のローレベルを設定し、信号電荷が所定量以下の
時には電荷検出用容量部分の容量のみで信号検出を行
い、信号電荷量が所定量以上の時には電荷検出用容量部
分と、電位障壁形成ゲート部分及び最終蓄積ゲート部分
とで信号検出を行うようにしたものである。
The present invention drives a floating diffusion charge detection circuit used in an output circuit of a CCD.
The potential under the final storage gate of D is the final storage gate.
Deeper than and adjacent to the potential below the gate immediately before
Deeper than the potential under the adjacent potential barrier forming gate
Gate to be applied to the final storage gate
When the signal charge amount is equal to or less than a predetermined amount, signal detection is performed using only the capacitance of the charge detection capacitance portion. When the signal charge amount is equal to or more than the predetermined amount, the charge detection capacitance portion and the potential barrier are formed. in the gate portion and the final accumulation gate portion is obtained to perform the signal detection.

【0010】[0010]

【作用】信号電荷が少ない場合はフローティング・ディ
フュージョン部の容量のみで検出が行われるが、信号電
荷量が一定値を超えて大きくなると、上記容量と隣接し
たCCDのチャネルの一部、つまり最終蓄積ゲート部分
とで検出が行われる。その結果電荷検出回路にニー(kn
ee)特性をもたせることができ、小信号時に高感度であ
りながら、広いダイナミックレンジを得ることが可能と
なる。
When the signal charge is small, the detection is performed only by the capacitance of the floating diffusion portion. However, when the signal charge amount exceeds a certain value and becomes large, a part of the CCD channel adjacent to the capacitance, that is, the final accumulation. Detection is performed at the gate portion. As a result, the charge detection circuit has a knee (kn
ee) Characteristics can be provided, and a wide dynamic range can be obtained with high sensitivity at the time of a small signal.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図1および図2を用いてこの発明の一
実施例を説明する。図1(a)はCCDの出力回路に用
いたフローティング・ディフュージョン電荷検出回路の
構成を示す断面図で、この構成自体は従来のものと全く
同様である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of a floating diffusion charge detection circuit used in an output circuit of a CCD, and the configuration itself is exactly the same as that of a conventional one.

【0012】図1(b),(c)はそれぞれ信号電荷Q
が少ない場合と多い場合とについて信号読出し時のポテ
ンシャル状態を示したものである。この場合、信号読出
し時にCCDの最終ゲート電極2の下のポテンシャルが
電位障壁形成ゲート電極3の下のポテンシャルと同じに
なるように、ゲート電極に加えるクロックのレベルが調
整されている。この時のゲート電極2,3の下のポテン
シャルは、ゲート電極2の1つ前のゲート電極11の下
のポテンシャルより深く設定してある。
FIGS. 1B and 1C show signal charges Q, respectively.
FIG. 6 shows potential states at the time of signal readout when the number is small and when the number is large. In this case, the level of the clock applied to the gate electrode is adjusted so that the potential under the final gate electrode 2 of the CCD at the time of signal reading is the same as the potential under the potential barrier forming gate electrode 3. At this time, the potential under the gate electrodes 2 and 3 is set deeper than the potential under the gate electrode 11 immediately before the gate electrode 2.

【0013】信号電荷Qが少ないときは、図1(b)に
示すように信号電の検出はフローティング・ディフュ
ージョンと呼ばれる不純物領域5のノードで行われる。
したがってその容量CFDを小さくしておけば高感度の電
荷検出回路として動作する。信号電荷が増大しフローテ
ィング・ディフュージョン・ノードの電位がゲート電極
2,3の下のポテンシャルより浅くなると、信号電荷は
ゲート電極2,3の下にも広がるようになり、容量C FD
が大きくなり、検出感度は低下する。その結果、回路は
図2に示すようなニー特性をもつようになり、広いダイ
ナミックレンジが得られる。特性が変化する点はゲート
電極2,3に加える電圧を変えることにより調整でき
る。また高出力側の感度はゲート電極2,3の大きさで
調整することができる。
[0013] When the signal charge Q is small, the detection of the signal electric load as shown in FIG. 1 (b) is carried out in the node impurity region 5 called floating diffusion.
Therefore, if the capacitance CFD is reduced, the circuit operates as a highly sensitive charge detection circuit. When the signal charge increases and the potential of the floating diffusion node becomes shallower than the potential under the gate electrodes 2 and 3, the signal charge also spreads under the gate electrodes 2 and 3 and the capacitance C FD
And the detection sensitivity decreases. As a result, the circuit has a knee characteristic as shown in FIG. 2, and a wide dynamic range can be obtained. The point at which the characteristics change can be adjusted by changing the voltage applied to the gate electrodes 2 and 3. The sensitivity on the high output side can be adjusted by the size of the gate electrodes 2 and 3.

【0014】本実施例ではゲート電極2と3の下のポテ
ンシャルが同じになるように駆動したが、必ずしもそう
しなければならないものではなく、ゲート電極2の下の
ポテンシャルがその直前の部分のポテンシャルより深く
なるようであればよい。また、ゲート電極3をゲート電
極2とは別に設けたが、これらを同一のゲート電極で兼
用するようにしてもよく、その場合もこの発明の有効性
は変わらない。
In this embodiment, the driving is performed so that the potentials under the gate electrodes 2 and 3 are the same. However, this is not always necessary, and the potential under the gate electrode 2 is changed to the potential of the immediately preceding portion. It just needs to be deeper. In addition, although the gate electrode 3 is provided separately from the gate electrode 2, they may be shared by the same gate electrode, and the effectiveness of the present invention does not change in such a case.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、信号電
荷検出時に、CCDの最終蓄積ゲート下のポテンシャル
がその直前のゲートの下のポテンシャルより深く、かつ
隣接する電位障壁形成ゲートの下のポテンシャルより深
くならないように、上記最終蓄積ゲートに印加するゲー
ト電位のローレベルを設定し、信号電荷が所定量以下
の時には電荷検出用容量部分の容量のみで信号検出を行
い、信号電荷量が所定量以上の時には電荷検出用容量部
分と、電位障壁形成ゲート部分及び最終蓄積ゲート部分
とで信号検出を行うようにすることにより、従来と同一
の構成のフローティング・ディフュージョン電荷検出回
路において、小信号時には高い電荷検出感度を得る一
方、高信号時には電荷検出感度を抑えることで広いダイ
ナミックレンジを実現することができる効果がある。ま
た、感度を変える信号電荷量をコントロールできる効果
がある。
As described above, according to the present invention, at the time of signal charge detection, the potential under the final storage gate of the CCD is deeper than the potential under the immediately preceding gate , and
Deeper than the potential below the adjacent potential barrier forming gate
The gate applied to the final storage gate should be
When the signal charge amount is equal to or less than a predetermined amount, signal detection is performed only with the capacitance of the charge detection capacitance portion, and when the signal charge amount is equal to or more than the predetermined amount, the charge detection capacitance portion and the potential barrier are set. by to perform signal detection in the form gate portion and the final accumulation gate portion, the floating diffusion charge detection circuit of the conventional and the same configuration, while obtaining a high charge detection sensitivity at the time of a small signal, charge detection at the time of high signal There is an effect that a wide dynamic range can be realized by suppressing the sensitivity. Further, there is an effect that the signal charge amount for changing the sensitivity can be controlled.

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

【図1】電荷検出回路の構成を示す断面図およびその動
作を示すポテンシャル図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a charge detection circuit and a potential diagram illustrating an operation thereof.

【図2】電荷検出回路の入出力特性を示す特性図であ
る。
FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating input / output characteristics of a charge detection circuit.

【図3】この発明を使用しない従来の電荷検出回路の構
成を示す断面図およびその動作を示すポテンシャル図で
ある。
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a conventional charge detection circuit not using the present invention, and a potential diagram showing its operation.

【図4】図3のポテンシャル図に対応したクロック・タ
イミング図である。
FIG. 4 is a clock timing diagram corresponding to the potential diagram of FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 CCDの最終ゲート電極 3 電位障壁形成ゲート電極 4 リセットゲート電極 5,6 不純物領域 11 CCDのゲート電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 CCD last gate electrode 3 Potential barrier forming gate electrode 4 Reset gate electrode 5, 6 Impurity region 11 CCD gate electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−33588(JP,A) 特開 昭59−217367(JP,A) 特開 昭61−201577(JP,A) 特開 昭61−292363(JP,A) 特開 平2−5475(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 5/335 H01L 29/76 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-53-33588 (JP, A) JP-A-59-217367 (JP, A) JP-A-61-201577 (JP, A) JP-A-61-201577 292363 (JP, A) JP-A-2-5475 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H04N 5/335 H01L 29/76

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電荷結合素子の最終蓄積ゲートに電位障
壁形成ゲートを介して隣接して設けた電荷検出用容量
と、この容量部分の電荷をリセットするリセット回路と
を備えたフローティング・ディフュージョン電荷検出回
を駆動する駆動方法において、信号電荷検出時に、上
記電荷結合素子の最終蓄積ゲートの下のポテンシャルが
当該最終蓄積ゲートの直前のゲートの下のポテンシャル
より深く、かつ上記電位障壁形成ゲートの下のポテンシ
ャルより深くならないように、上記最終蓄積ゲートに印
加するゲート電位のローレベルを設定し、信号電荷
所定量以下の時には上記電荷検出用容量部分の容量のみ
で信号検出を行い、信号電荷量が所定量以上の時には上
記電荷検出用容量部分と、上記電位障壁形成ゲート部分
及び上記最終蓄積ゲート部分とで信号検出を行うように
したことを特徴とする電荷検出回路の駆動方法。
1. A potential barrier in a final storage gate of a charge-coupled device.
In a driving method for driving a floating diffusion charge detection circuit including a charge detection capacitor provided adjacently via a wall forming gate and a reset circuit for resetting a charge of the capacitor portion , the signal charge detection means may detect The potential under the last storage gate of the charge-coupled device is deeper than the potential under the gate immediately before the last storage gate , and the potential under the potential barrier forming gate is higher.
Mark the final storage gate above so that it is not deeper than
The low level of the gate potential to be applied is set, and when the signal charge amount is equal to or less than a predetermined amount, signal detection is performed only with the capacitance of the charge detection capacitance portion. When the signal charge amount is equal to or more than the predetermined amount, the charge detection capacitance portion is set. And the potential barrier forming gate portion
And to perform the signal detection in the above final accumulation gate portion
A method for driving a charge detection circuit, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102030625B1 (en) * 2012-04-20 2019-10-10 가부시키가이샤 세베루피코 Connector

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