JP3253179B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
Photoelectric conversion deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、デジタル(カラー)複
写機の画像入力装置,デスクトップパブリッシング(D
TP)等のイメージデータ入力装置,ファクシミリ等の
原稿読み取り装置,VDT等の撮像装置などに利用され
る光電変換装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image input device for a digital (color) copying machine, and a desktop publishing (D).
The present invention relates to a photoelectric conversion device used for an image data input device such as TP), a document reading device such as a facsimile, and an imaging device such as a VDT.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、例えばデプレッション型Nチャネ
ルMOS電界効果トランジスタ(MOS・FET)を増
幅素子として用いた光電変換装置が知られている。この
種の光電変換装置は、一般に、複数の光電変換素子がア
レイ状またはマトリックス状に配置され、入射光量に応
じた電気信号を時系列で出力するよう構成されている。
図31はこのような従来の光電変換装置の構成図であ
る。なお、この光電変換装置は、上述のように複数の光
電変換素子(例えばn個の光電変換素子)がアレイ状ま
たはマトリックス状に配置されており、光電変換素子の
個数nに応じた光電変換セル(n個)が設けられている
が、n個の光電変換セルは互いに同じ構成のものとなっ
ているので、図31では簡単のため、1つの光電変換セ
ル(すなわち1ビット分)だけが示されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a photoelectric conversion device using, for example, a depletion type N-channel MOS field effect transistor (MOS • FET) as an amplifying element is known. This type of photoelectric conversion device is generally configured such that a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in an array or a matrix, and output electric signals in accordance with the amount of incident light in time series.
FIG. 31 is a configuration diagram of such a conventional photoelectric conversion device. In this photoelectric conversion device, a plurality of photoelectric conversion elements (for example, n photoelectric conversion elements) are arranged in an array or a matrix as described above, and a photoelectric conversion cell corresponding to the number n of photoelectric conversion elements is provided. (N) are provided, but since the n photoelectric conversion cells have the same configuration, only one photoelectric conversion cell (that is, one bit) is shown in FIG. 31 for simplicity. Have been.
【0003】図31を参照すると、この光電変換装置の
1つの光電変換セルは、フォトダイオードの光電変換素
子PDと、デプレッション型NチャネルMOS・FET
の増幅素子Qと、増幅素子Qのゲート電位を電位VR1
に初期化するための第1の初期化手段(具体的にはスイ
ッチ素子)S1と、増幅素子Qのソース電位を電位VR
2に初期化するための第2の初期化手段(具体的にはス
イッチ素子)S2と、増幅素子Qのソース電位を光電変
換セルからの出力信号として共通信号線CMに出力する
ための読出手段(具体的にはスイッチ素子)S3とを備
えている。ここで、光電変換素子PDの一方の端子は、
第1の初期化手段S1および増幅素子Qのゲートに接続
され、光電変換素子PDの他方の端子は、増幅素子Qの
ドレインに加わる電圧Vccに保持されている。また、
図31において、共通信号線CMに出力された出力信号
は、信号の最終段の増幅器AMPにより増幅されて最終
的に出力されるようになっている。Referring to FIG. 31, one photoelectric conversion cell of this photoelectric conversion device includes a photoelectric conversion element PD of a photodiode and a depletion-type N-channel MOSFET.
Of the amplifying element Q and the gate potential of the amplifying element Q
A first initializing means (specifically, a switching element) S1 for initializing the source element and a source potential of the amplifying element Q are set to a potential VR.
Second initializing means (specifically, a switch element) S2 for initializing to 2, and reading means for outputting the source potential of the amplifying element Q to the common signal line CM as an output signal from the photoelectric conversion cell. (Specifically, a switch element) S3. Here, one terminal of the photoelectric conversion element PD is
The other terminal of the photoelectric conversion element PD is connected to the first initialization means S1 and the gate of the amplification element Q, and is maintained at the voltage Vcc applied to the drain of the amplification element Q. Also,
In FIG. 31, the output signal output to the common signal line CM is amplified by a final-stage amplifier AMP of the signal and finally output.
【0004】このような構成の光電変換装置では、先
ず、第1の初期化手段S1,第2の初期化手段S2を閉
とすることにより、増幅素子Qのゲート電位を電位VR
1に初期化し、増幅素子Qのソース電位を電位VR2に
初期化する。第1の初期化手段S1,第2の初期化手段
S2が開となり初期化が終了すると、増幅素子Qのソ−
ス電位は信号線の浮遊容量を充電しながらゲート電位に
対し増幅素子Qのゲート・ソース間電圧Vthだけ高い
電位に落ちつく。この状態で、光電変換素子PDに入射
光量に応じた光電流が流れると、この光電流は、第1の
初期化手段S1の寄生容量,増幅素子Qの寄生容量,お
よび光電変換素子PDの寄生容量を充電する。すなわ
ち、増幅素子Qのゲートにつながる容量(蓄積容量)を
充電する。このようにして、増幅素子Qのゲ−トにつな
がる容量(蓄積容量)が光電流により充電されると、増
幅素子Qのゲ−ト電位が上昇する。増幅素子Qには、こ
のゲ−ト電位の上昇分に応じたソ−ス電流(ドレイン電
流)が流れ、これが増幅素子Qのソースの浮遊容量と第
2の初期化手段S2の寄生容量を充電するので、ソース
電位もゲ−ト電位の上昇分だけ上昇する。すなわち、増
幅素子Qはソースフォロアとして働き、増幅素子Qのソ
ース電位はゲ−ト電位に追従して変化する。ゲ−ト電位
は、光電流の大きさにより変化するので、ソース電位
は、光電流の大きさを反映しており、従って、このソー
ス電位を1つの光電変換セルの光電変換結果として,す
なわち、出力信号として読み出すことができる。In the photoelectric conversion device having such a configuration, first, the first initializing means S1 and the second initializing means S2 are closed so that the gate potential of the amplifying element Q is reduced to the potential VR.
1 and the source potential of the amplification element Q is initialized to the potential VR2. When the first initialization means S1 and the second initialization means S2 are opened and the initialization is completed, the source of the amplifying element Q is turned off.
The potential drops to a potential higher than the gate potential by the gate-source voltage Vth of the amplifier element Q while charging the floating capacitance of the signal line. In this state, when a photocurrent according to the amount of incident light flows through the photoelectric conversion element PD, this photocurrent is generated by the parasitic capacitance of the first initialization means S1, the parasitic capacitance of the amplifier Q, and the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD. Charge capacity. That is, the capacitor (storage capacitor) connected to the gate of the amplification element Q is charged. In this way, when the capacitance (storage capacitance) connected to the gate of the amplifier element Q is charged by the photocurrent, the gate potential of the amplifier element Q rises. A source current (drain current) corresponding to the rise of the gate potential flows through the amplifying element Q, which charges the stray capacitance of the source of the amplifying element Q and the parasitic capacitance of the second initialization means S2. Therefore, the source potential also rises by the rise of the gate potential. That is, the amplifying element Q functions as a source follower, and the source potential of the amplifying element Q changes following the gate potential. Since the gate potential changes depending on the magnitude of the photocurrent, the source potential reflects the magnitude of the photocurrent. Therefore, this source potential is used as a result of photoelectric conversion of one photoelectric conversion cell, that is, It can be read as an output signal.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の光
電変換装置において、感度を決める要因は、光電変換素
子PDの感度(入射光量に対する光電流比)と増幅素子
Qのゲートにつながる容量(蓄積容量)の大きさであ
る。全体の感度を高めるためには、光電変換素子PDの
感度を高めるか、蓄積容量を減らすことが必要である。
すなわち、通常、光電変換素子PDの量子効率は90数
%以上と高く、光電流はほぼ光電変換素子PDのサイズ
によって決まるため、感度を高くするには光電変換素子
PDが同一サイズであれば、蓄積容量を小さくする必要
がある。しかしながら、図31の構成の光電変換装置で
は、蓄積容量の大部分は、光電変換素子PDの寄生容量
であり、光電変換素子PDの感度を高めるようにする
と、光電変換素子PDの寄生容量が大きくなって、蓄積
容量が大きくなってしまう。このように、従来の光電変
換装置では、光電変換素子PDの感度を高めることと蓄
積容量を減らすこととが相反するため、全体の感度を高
めることは難しい。具体的には、CCDを除いて、他の
従来技術では、光電変換素子PDの寄生容量が大きく、
これが蓄積容量として働くため蓄積容量を小さくするこ
とは難しい。また、CCDは、電荷を電圧に変換する部
分の容量が大きいため、差程高い感度は得られない。従
って、図31の構成では、信号の最終段に増幅器AMP
を設けているが、増幅素子Qからの信号は、小信号で数
10mmの距離を伝送するために、外来ノイズや伝送ノ
イズの影響を受け易く、また、増幅器AMPのノイズを
無視することができないために、増幅器AMPにより感
度を向上させるようにすると、高いSN比を得ることが
難しいという問題があった。In this type of photoelectric conversion device, the factors that determine the sensitivity are the sensitivity of the photoelectric conversion element PD (the ratio of the photocurrent to the amount of incident light) and the capacitance (storage) connected to the gate of the amplification element Q. Capacity). In order to increase the overall sensitivity, it is necessary to increase the sensitivity of the photoelectric conversion element PD or reduce the storage capacity.
That is, usually, the quantum efficiency of the photoelectric conversion element PD is as high as 90% or more, and the photocurrent is substantially determined by the size of the photoelectric conversion element PD. It is necessary to reduce the storage capacity. However, in the photoelectric conversion device having the configuration of FIG. 31, most of the storage capacitance is the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD, and if the sensitivity of the photoelectric conversion element PD is increased, the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD increases. As a result, the storage capacity increases. As described above, in the conventional photoelectric conversion device, increasing the sensitivity of the photoelectric conversion element PD and reducing the storage capacitance are contradictory, and thus it is difficult to increase the overall sensitivity. Specifically, except for the CCD, in other conventional technologies, the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD is large,
Since this works as a storage capacity, it is difficult to reduce the storage capacity. In addition, since the CCD has a large capacity for converting a charge into a voltage, a higher sensitivity cannot be obtained. Therefore, in the configuration of FIG. 31, the amplifier AMP is provided at the last stage of the signal.
However, since the signal from the amplifying element Q is transmitted by a small signal over a distance of several tens of millimeters, it is easily affected by external noise and transmission noise, and the noise of the amplifier AMP cannot be ignored. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a high SN ratio when the sensitivity is improved by the amplifier AMP.
【0006】また、増幅型の光電変換装置は、1つの光
電変換セル内の素子数が多いので、半導体基板に集積化
する場合、単純に素子を配置するだけでは高集積化を図
るには限度があり、例えば、縮小光学系を用いたセンサ
への応用は困難であった。[0006] Further, since the amplification type photoelectric conversion device has a large number of elements in one photoelectric conversion cell, there is a limit to high integration by simply arranging the elements when integrating the elements on a semiconductor substrate. For example, application to a sensor using a reduction optical system has been difficult.
【0007】本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、
高感度でかつSN比の良い増幅型の光電変換装置を提供
することを目的としている。The present invention overcomes the above disadvantages of the prior art,
It is an object of the present invention to provide an amplifying photoelectric conversion device having high sensitivity and good SN ratio.
【0008】本発明は、さらに、高速で高感度な特性を
活かしつつ、高集積化の可能な増幅型の光電変換装置を
提供することを目的としている。Another object of the present invention is to provide an amplifying photoelectric conversion device which can be highly integrated while utilizing the characteristics of high speed and high sensitivity.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するため、本発明は、光電変換素子が増幅素子のゲ−
トとソ−スの間に接続され、光電変換素子には増幅素子
のゲ−ト・ソ−ス間電圧が加わるようになっている。こ
れにより、光電変換素子の寄生容量が増幅素子のゲ−ト
につながる容量(蓄積容量)に与える影響を非常に小さ
くし、蓄積容量を見かけ上小さくすることができて、高
感度でかつ高いSN比の出力信号を得ることができる。In order to achieve the above object, the present invention provides a photoelectric conversion device in which a photoelectric conversion device is a gate of an amplification device.
And a gate-source voltage of the amplifying element is applied to the photoelectric conversion element. As a result, the effect of the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element on the capacitance (storage capacitance) connected to the gate of the amplification element can be extremely reduced, and the storage capacitance can be apparently reduced, resulting in high sensitivity and high SN. A ratio output signal can be obtained.
【0010】請求項2記載の発明は、読出手段が増幅素
子のソ−ス電位を出力信号として読み出す機能ととも
に、ソ−ス電位を出力信号として読み出した直後にソ−
ス電位を初期化する機能をも有している。これにより、
増幅素子のソ−ス電位を初期化するための手段を別途に
設ける必要がなくなり、光電変換装置の小型化を図るこ
とができる。According to a second aspect of the present invention, the reading means has a function of reading out the source potential of the amplifying element as an output signal, and the reading means immediately after reading out the source potential as an output signal.
It also has a function of initializing a potential. This allows
It is not necessary to separately provide a means for initializing the source potential of the amplification element, and the size of the photoelectric conversion device can be reduced.
【0011】また、請求項5、13記載の発明は、増幅
素子のバックゲ−トが増幅素子のソ−スと電気的に接続
されている。これにより、増幅素子の基板バイアス効果
をなくすことができて、光電変換装置の入出力特性を向
上させることができる。In the invention according to claims 5 and 13, the back gate of the amplifying element is electrically connected to the source of the amplifying element. Thereby, the substrate bias effect of the amplifying element can be eliminated, and the input / output characteristics of the photoelectric conversion device can be improved.
【0012】また、請求項9記載の発明は、MOS・F
ETとして形成された第1の初期化手段のバックゲ−ト
が、増幅素子のソ−スと電気的に接続されている。これ
により、第1の初期化手段のソ−ス・基板間、またはド
レイン・基板間の容量を見かけ上小さくすることがで
き、増幅素子のゲ−トにつながる容量をより一層小さく
することができて、光電変換装置をより一層高感度化す
ることができる。The invention according to claim 9 is a MOS-F
The back gate of the first initialization means formed as ET is electrically connected to the source of the amplification element. As a result, the capacitance between the source and the substrate or between the drain and the substrate of the first initialization means can be reduced apparently, and the capacitance connected to the gate of the amplifier can be further reduced. Thus, the photoelectric conversion device can have higher sensitivity.
【0013】また、請求項3,請求項4,請求項6,請
求項7,請求項8,請求項10,請求項11,請求項1
2,請求項14,請求項15記載の発明では、光電変換
装置の構造を工夫することにより、光電変換装置の特性
を向上させるとともに、高集積化を図ることができる。[0013] Further, claim 3, claim 4, claim 6, claim 7, claim 8, claim 10, claim 11, and claim 1 are provided.
According to the inventions of claims 14 and 15, by devising the structure of the photoelectric conversion device, the characteristics of the photoelectric conversion device can be improved and high integration can be achieved.
【0014】また、請求項16記載の発明は、共通信号
線からの出力信号を増幅して最終的な出力信号とする増
幅手段が、光電変換セルからの出力信号に対し、インピ
−ダンス変換とともにサンプルホ−ルドを行なうように
なっている。これにより、出力信号の安定している時間
が増え、高速化を容易に実現できる。According to a sixteenth aspect of the present invention, the amplifying means for amplifying an output signal from the common signal line to obtain a final output signal is provided for the output signal from the photoelectric conversion cell together with the impedance conversion. A sample hold is performed. As a result, the time during which the output signal is stable increases, and high-speed operation can be easily realized.
【0015】また、請求項17記載の発明では、請求項
16記載の光電変換装置を1つのブロックとみなし、該
ブロックが複数個(m個)並列に接続されて構成された
光電変換装置において、各ブロックが所定周期のクロッ
クで動作するようになっており、各ブロックが、前記所
定周期に対して1/mの周期づつ位相がずれて選択され
るようになっている。これにより、複数のブロックから
の読み出しを高速に行なうことができる。According to a seventeenth aspect of the present invention, the photoelectric conversion device according to the sixteenth aspect is regarded as one block, and a plurality of (m) blocks are connected in parallel. Each block operates with a clock having a predetermined period, and each block is selected with a phase shift of 1 / m from the predetermined period. Thereby, reading from a plurality of blocks can be performed at high speed.
【0016】[0016]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明に係る光電変換装置の第1の実施例
の構成図である。図1を参照すると、この光電変換装置
は、図31に示した光電変換装置と同様に、複数の光電
変換素子がアレイ状またはマトリックス状に配置されて
おり、光電変換素子の個数nに応じたn個の光電変換セ
ルC1乃至Cnが設けられている。n個の光電変換セル
は、それぞれ同じ構成のものとなっており、例えば、n
番目の光電変換セルCnは、フォトダイオードの光電変
換素子PDnと、デプレッション型NチャネルMOS・
FETの増幅素子Qnと、増幅素子Qnのゲート電位を
電位VR1に初期化するための第1の初期化手段(具体
的にはスイッチ素子)Sn1と、増幅素子Qnのソース
電位を電位VR2に初期化するための第2の初期化手段
(具体的にはスイッチ素子)Sn2と、増幅素子Qnの
ソース電位を光電変換セルからの出力信号として共通信
号線CMに出力するための読出手段(具体的にはスイッ
チ素子)Sn3とを備えているが、光電変換素子PDn
が、増幅素子Qnのゲートとソースとの間に接続されて
いる点が図31と異なる。すなわち、光電変換素子PD
nの一方の端子は、第1の初期化手段Sn1および増幅
素子Qnのゲートに接続され、光電変換素子PDnの他
方の端子は、第2の初期化手段Sn2と読出手段Sn3
と増幅素子Qnのソースとに接続されている点が図31
と異なる。また、増幅素子Qnのドレインの電位は、電
圧Vccに保持されている。また、共通信号線CMに
は、共通信号線CMの電位を電位VR3に初期化するた
めの第3の初期化手段(具体的にはスイッチ素子)S4
と、共通信号線CMの電位をインピーダンス変換しA倍
に増幅して最終的な出力信号Voutとして出力するた
めの増幅器AMPとが接続されている。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention. Referring to FIG. 1, this photoelectric conversion device has a plurality of photoelectric conversion elements arranged in an array or a matrix, similar to the photoelectric conversion device shown in FIG. 31, and corresponds to the number n of photoelectric conversion elements. The n photoelectric conversion cells C1 to Cn are provided. The n photoelectric conversion cells have the same configuration, for example, n
The second photoelectric conversion cell Cn includes a photoelectric conversion element PDn of a photodiode and a depletion type N-channel MOS.
FET amplifying element Qn, first initializing means (specifically, switch element) Sn1 for initializing the gate potential of amplifying element Qn to potential VR1, and the source potential of amplifying element Qn to potential VR2. Initialization means (specifically, a switch element) Sn2 for performing the conversion, and reading means (specifically, for outputting the source potential of the amplification element Qn to the common signal line CM as an output signal from the photoelectric conversion cell. Is provided with a switch element) Sn3, but the photoelectric conversion element PDn
Is connected between the gate and source of the amplification element Qn. That is, the photoelectric conversion element PD
n is connected to the first initialization means Sn1 and the gate of the amplification element Qn, and the other terminal of the photoelectric conversion element PDn is connected to the second initialization means Sn2 and the reading means Sn3.
31 is connected to the source of the amplifying element Qn.
And different. The potential of the drain of the amplification element Qn is maintained at the voltage Vcc. The common signal line CM has a third initialization means (specifically, a switch element) S4 for initializing the potential of the common signal line CM to the potential VR3.
And an amplifier AMP for converting the potential of the common signal line CM into impedance, amplifying the potential by A times and outputting the amplified output signal as a final output signal Vout.
【0017】次に、図1の光電変換装置の動作を図2の
タイムチャ−トを用いて説明する。なお、図1の光電変
換装置は、所定周期のクロックCLK(図1には図示せ
ず)に同期して動作するものとし、第1番目の光電変換
セルC1の初期化を行なった後、次のクロック周期で第
2番目の光電変換セルC2を同様に初期化するというよ
うに、1クロック周期毎に第n番目の光電変換セルCn
までを順次に初期化し、ある光電変換セルについて初期
化がなされると、その光電変換セルについての光電変換
処理を開始する。Next, the operation of the photoelectric conversion device shown in FIG. 1 will be described with reference to a time chart shown in FIG. It is assumed that the photoelectric conversion device of FIG. 1 operates in synchronization with a clock CLK (not shown in FIG. 1) having a predetermined period, and after the first photoelectric conversion cell C1 is initialized, In the same manner, the second photoelectric conversion cell C2 is initialized in the same clock cycle, so that the n-th photoelectric conversion cell Cn
Are sequentially initialized, and when initialization is performed for a certain photoelectric conversion cell, the photoelectric conversion processing for that photoelectric conversion cell is started.
【0018】例えば、第1番目の光電変換セルC1に着
目すると、先づ、S11とS12をオンにして、増幅素
子Q1のゲート電位を電位VR1に、ソース電位を電位
VR2にすることで、この光電変換セルC1を初期化す
る。次に、S12をオフにすると、増幅素子Q1のソー
ス電位は、S12の寄生容量とソースの浮遊容量とを充
電し、(VR1+Vth)となる。すなわち、ゲ−ト電
位に対し、ゲート・ソース間電圧Vthだけ高い電位に
落ちつく。しかる後、S11がオフになり、光電変換素
子PD1に入射光量に応じた光電流が流れると、この光
電流は増幅素子Q1のゲートにつながる容量(蓄積容
量)に蓄積され始める。For example, focusing on the first photoelectric conversion cell C1, first, S11 and S12 are turned on to set the gate potential of the amplifier element Q1 to the potential VR1 and the source potential to the potential VR2. The photoelectric conversion cell C1 is initialized. Next, when S12 is turned off, the source potential of the amplification element Q1 charges the parasitic capacitance of S12 and the floating capacitance of the source, and becomes (VR1 + Vth). That is, the potential drops to a potential higher by the gate-source voltage Vth than the gate potential. Thereafter, when S11 is turned off and a photocurrent corresponding to the amount of incident light flows through the photoelectric conversion element PD1, this photocurrent starts to be stored in a capacitor (storage capacitor) connected to the gate of the amplifier Q1.
【0019】このようにして、増幅素子Q1のゲ−トに
つながる容量(蓄積容量)に光電流に基づく電荷が蓄積
されることにより、増幅素子Q1のゲート電位が上昇
し、ゲート電位が上がると同時に、ソース電位もS12
の寄生容量とソースの浮遊容量を充電しながらゲート電
位の上昇分だけ上がる。このように、増幅素子Q1は、
ゲート電圧に追従してソース電圧が変化するソースフォ
ロワとして働き、増幅素子Q1のゲート・ソース間電圧
は、一定の電圧Vthを保持する。As described above, the charge based on the photocurrent is accumulated in the capacitor (storage capacitor) connected to the gate of the amplifier element Q1, so that the gate potential of the amplifier element Q1 rises and the gate potential rises. At the same time, the source potential is also S12
While charging the parasitic capacitance of the source and the floating capacitance of the source, the gate potential rises by the rise amount. Thus, the amplification element Q1 is
It functions as a source follower in which the source voltage changes following the gate voltage, and the gate-source voltage of the amplifier element Q1 maintains a constant voltage Vth.
【0020】ここで、図1の構成では、光電変換素子P
D1が増幅素子Q1のゲ−トとソ−スとの間に接続され
ていることにより、光電変換素子PD1には、ソースフ
ォロワとして働く増幅素子Q1のゲート・ソース間電
圧,すなわち、一定の電圧Vthが加わるため、光電変
換素子PD1の寄生容量の電荷は、常にほぼ一定であ
り、ほとんど変動がない。従って、光電変換素子PD1
の寄生容量が蓄積容量に与える影響を非常に小さくする
ことができ、蓄積容量から光電変換素子PD1の寄生容
量分を実質上差し引くことができて、蓄積容量を見かけ
上小さくすることができる。また、同様の理由で、増幅
素子Q1のゲート・ソース間容量も蓄積容量には影響し
なくなる。これにより、光電変換素子PD1の感度を高
めるためサイズを大きくして、光電変換素子PD1の寄
生容量が大きくなる場合でも、蓄積容量を見かけ上小さ
なものに維持でき、従って、光電変換セル全体の感度を
著しく高めることができる。Here, in the configuration of FIG. 1, the photoelectric conversion element P
Since D1 is connected between the gate and the source of the amplifying element Q1, the voltage between the gate and the source of the amplifying element Q1 acting as a source follower, that is, a constant voltage is applied to the photoelectric conversion element PD1. Since Vth is added, the electric charge of the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 is almost always constant and hardly fluctuates. Therefore, the photoelectric conversion element PD1
Of the photoelectric conversion element PD1 can be substantially subtracted from the storage capacitance, and the storage capacitance can be apparently reduced. For the same reason, the capacitance between the gate and the source of the amplifier element Q1 does not affect the storage capacitance. Accordingly, even when the size of the photoelectric conversion element PD1 is increased in order to increase the sensitivity and the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 is increased, the storage capacitance can be apparently kept small, and therefore the sensitivity of the entire photoelectric conversion cell can be maintained. Can be significantly increased.
【0021】この光電変換セルC1は、一定の読み取り
時間(蓄積時間)を経過すると再度初期化されるが、こ
の初期化の直前のクロックCLKの半周期でS13がオ
ンとなり、初期化直前のソース電位が出力信号として共
通信号線CMに出力され、増幅器AMPで増幅されて、
この光電変換セルC1の光電変換結果が最終的な出力信
号Voutとして出力される。しかる後、次のクロック
CLKの半周期でS13がオフになり、S4がオンにな
って、共通信号線CMの電位は、VR3に初期化され、
また、これと同時にS11,S12がオンとなって増幅
素子Q1の初期化がなされる。第2番目乃至第n番目の
光電変換セルC2乃至Cnについても、クロックCLK
に同期した所定周期づつずれて、同様の処理が順次にな
される。The photoelectric conversion cell C1 is initialized again after a lapse of a predetermined reading time (accumulation time). However, S13 is turned on in a half cycle of the clock CLK immediately before the initialization, and the source immediately before the initialization is turned on. The potential is output to the common signal line CM as an output signal, and is amplified by the amplifier AMP.
The photoelectric conversion result of the photoelectric conversion cell C1 is output as a final output signal Vout. Thereafter, S13 is turned off and S4 is turned on in a half cycle of the next clock CLK, and the potential of the common signal line CM is initialized to VR3.
At the same time, S11 and S12 are turned on to initialize the amplifying element Q1. The clock CLK is also applied to the second to n-th photoelectric conversion cells C2 to Cn.
The same processing is sequentially performed with a shift of a predetermined period in synchronization with.
【0022】このように、図1のような光電変換装置で
は、光電変換セルC1乃至Cnにおいて、光電変換素子
PD1乃至PDnに加わる電圧がほぼ一定になるよう構
成されているので、光電変換素子の寄生容量が蓄積容量
に与える影響は非常に小さなものとなり(具体的には、
1/数10〜1/100数10程度)、この結果、蓄積
容量を見かけ上小さな値(具体的には、10数fF程
度)とすることができ、高い感度(20〜30V/lx/
sec程度:現状の約10倍)を得ることができる。ま
た、高い感度が得られることにより、大きな電圧で信号
伝送ができるため、外来ノイズや最終段(または出力
段)に設けられる増幅器AMPのノイズの影響を受けに
くく、SN比の良い出力信号(6〜10数dB程度の向
上)が得られる。As described above, in the photoelectric conversion device as shown in FIG. 1, the voltage applied to the photoelectric conversion elements PD1 to PDn is configured to be substantially constant in the photoelectric conversion cells C1 to Cn. The effect of parasitic capacitance on storage capacitance is very small (specifically,
As a result, the storage capacity can be set to an apparently small value (specifically, about several tens of fF) and high sensitivity (20 to 30 V / lx /
(approximately sec: about 10 times the current value). In addition, since high sensitivity enables signal transmission with a large voltage, the signal is hardly affected by external noise and noise of the amplifier AMP provided in the final stage (or output stage), and the output signal (6 -10 dB).
【0023】図3は本発明に係る光電変換装置の第2の
実施例の構成図である。図3を参照すると、この第2の
実施例の光電変換装置では、第1の実施例と比べ、各光
電変換セルにおいて、第2の初期化手段Sn2が省かれ
ており、第2の初期化手段Sn2の機能を、第1の初期
化手段Sn1と読出手段Sn3と第3の初期化手段S4
との動作タイミング制御により実現している。FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device according to the present invention. Referring to FIG. 3, in the photoelectric conversion device of the second embodiment, the second initialization means Sn2 is omitted in each photoelectric conversion cell as compared with the first embodiment, and the second initialization is performed. The function of the means Sn2 is changed to the first initializing means Sn1, the reading means Sn3, and the third initializing means S4.
This is realized by controlling the operation timing.
【0024】図4は図3の光電変換装置の動作を示すタ
イムチャートである。図4において、例えば、第1番目
の光電変換セルC1に着目すると、S13をS11と同
様に、クロック(CLK)1周期の期間だけオンにす
る。但し、S13をS11よりも半周期だけ早くオンに
する。従って、S13だけがオンとなっているクロック
半周期の期間に、光電変換セルC1の出力信号の読み出
しを行ない、また、S11とS13とが同時にオンとな
るクロック半周期の期間に、さらにS4をオンにするこ
とで、共通信号線CMの電位の初期化と増幅素子Q1の
ソース電位の初期化とを同時に行なうことができる。FIG. 4 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. In FIG. 4, for example, focusing on the first photoelectric conversion cell C1, S13 is turned on only for one period of the clock (CLK), as in S11. However, S13 is turned on by a half cycle earlier than S11. Therefore, the output signal of the photoelectric conversion cell C1 is read during the clock half cycle in which only S13 is on, and S4 is further added during the clock half cycle in which S11 and S13 are simultaneously turned on. By turning on, initialization of the potential of the common signal line CM and initialization of the source potential of the amplification element Q1 can be performed simultaneously.
【0025】このように、第2の初期化手段Sn2を設
けずとも、第1の初期化手段Sn1と読出手段Sn3と
第3の初期化手段S4との動作タイミング制御によっ
て、第1の光電変換装置と同様の光電変換処理を行なう
ことができ、光電変換装置をより小型化することができ
る。As described above, even if the second initialization means Sn2 is not provided, the first photoelectric conversion can be performed by controlling the operation timing of the first initialization means Sn1, the reading means Sn3, and the third initialization means S4. The same photoelectric conversion processing as that of the device can be performed, and the size of the photoelectric conversion device can be further reduced.
【0026】ところで、図1,図3に示したような光電
変換装置は、シリコン等に代表されるような半導体基板
に集積化が可能である。この場合、増幅素子Qnとして
デプレッション型NチャネルMOS・FETを用いるこ
とができ、また、第1の初期化手段S11と読出手段S
13にもNチャネルMOS・FETを用いることができ
る。The photoelectric conversion device shown in FIGS. 1 and 3 can be integrated on a semiconductor substrate such as silicon. In this case, a depletion-type N-channel MOSFET can be used as the amplification element Qn, and the first initialization means S11 and the readout means S11
The N-channel MOS-FET 13 can also be used as 13.
【0027】図5は、図3に示した光電変換装置の1つ
の光電変換セルC1において、第1の初期化手段S11
と読出手段S13にNチャネルMOS・FETを用いた
場合の構成例を示す図である。FIG. 5 shows the first initialization means S11 in one photoelectric conversion cell C1 of the photoelectric conversion device shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example in the case of using an N-channel MOS • FET for the read means S13.
【0028】図5に示すような光電変換セルC1は、実
際には、図6に示すように、シリコン基板に形成するこ
とができる。図6を参照すると、P型シリコン基板10
1には、N型ウェル111が形成され、このN型ウェル
111に高濃度P型領域(P+型領域)112が形成さ
れており、N型ウェル111と高濃度P型領域112と
によって、光電変換素子PD1がP+N型フォトダイオ
ードとして構成されている。また、P型シリコン基板1
01には、増幅素子Q1として機能するデプレッション
型NチャネルMOS・FETのソース123およびドレ
イン124と、第1の初期化手段S11として機能する
NチャネルMOS・FETのソース133およびドレイ
ン134が形成されている。さらに、P型シリコン基板
101上には、ゲート絶縁膜122,132を介して増
幅素子Q1のゲート電極121,第1の初期化手段S1
1のゲート電極131がそれぞれ形成されている。ま
た、N型ウェル111には、光電変換素子PD1のN側
の電極(N型ウェルの電極)をとるための高濃度N型領
域(N+型領域)113が設けられている。また、各素
子,すなわち光電変換素子PD1と増幅素子Q1と第1
の初期化手段S11とは、フィールド酸化膜105によ
って互いに分離されている。ここで、光電変換素子PD
1のN型ウェル111は、増幅素子Q1のソース123
に電極配線L1によって接続され、また、光電変換素子
PD1の高濃度P型領域112は、増幅素子Q1のゲー
ト電極121および初期化手段S11のドレイン134
に電極配線L2によって接続されている。なお、図6に
おいて、読出手段S13に対応する構造については、図
示を省略した。The photoelectric conversion cell C1 as shown in FIG. 5 can be actually formed on a silicon substrate as shown in FIG. Referring to FIG. 6, a P-type silicon substrate 10
In FIG. 1, an N-type well 111 is formed, and a high-concentration P-type region (P + -type region) 112 is formed in the N-type well 111. The photoelectric conversion element PD1 is configured as a P + N type photodiode. Also, a P-type silicon substrate 1
01, a source 123 and a drain 124 of a depletion type N-channel MOSFET serving as an amplifying element Q1, and a source 133 and a drain 134 of an N-channel MOSFET serving as a first initialization means S11 are formed. I have. Further, on the P-type silicon substrate 101, the gate electrode 121 of the amplifying element Q1 and the first initializing unit S1 are interposed via the gate insulating films 122 and 132.
One gate electrode 131 is formed. The N-type well 111 is provided with a high-concentration N-type region (N + -type region) 113 for taking an N-side electrode (electrode of the N-type well) of the photoelectric conversion element PD1. Each element, that is, the photoelectric conversion element PD1, the amplification element Q1, and the first
Are separated from each other by the field oxide film 105. Here, the photoelectric conversion element PD
1 is connected to the source 123 of the amplifying element Q1.
The high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1 is connected to the gate electrode 121 of the amplification element Q1 and the drain 134 of the initialization means S11.
Are connected to each other by an electrode wiring L2. In FIG. 6, the illustration of the structure corresponding to the reading means S13 is omitted.
【0029】本願の発明者は、実際に、図6に示すよう
な層構成を以下のようなプロセスで作製した。先ず、抵
抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面にN型
ウェル111を作製する。すなわち、レジストパターン
をマスクとして、P型シリコン基板101の表面にリン
イオンを150keVで2.0E12個/cm2注入
し、レジストを除去した後、1100℃の窒素雰囲気の
電気炉の中で10時間アニールし、注入イオンを活性化
させてN型ウェル111とする。The inventor of the present application actually produced a layer configuration as shown in FIG. 6 by the following process. First, an N-type well 111 is formed on the surface of a P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm. That is, using the resist pattern as a mask, phosphorus ions are implanted into the surface of the P-type silicon substrate 101 at 2.0E12 / cm 2 at 150 keV, the resist is removed, and then annealed in an electric furnace at 1100 ° C. in a nitrogen atmosphere for 10 hours. Then, the implanted ions are activated to form the N-type well 111.
【0030】次いで、増幅素子Q1,光電変換素子PD
1,第1の初期化手段S11,読出手段S13等が形成
されるフィ−ルド領域を作製する。すなわち、先ず、P
型シリコン基板101の表面全域にシリコン窒化膜を5
00Å成膜し、フィールド領域にレジストパターンを形
成した後、ドライエッチング法を用いてシリコン窒化膜
をパターニングする。次に、寄生フィールドトランジス
タが形成されないよう、ボロンイオンを40keVで
8.0E12個/cm2で注入し、レジストを除去す
る。その後、通常のパイロジェニック法を用いて900
℃で5時間熱酸化することにより、5000Åのフィー
ルド酸化膜105を成長させて素子分離を行う。シリコ
ン窒化膜の表面に成長した酸化膜をフッ酸で除去した
後、シリコン窒化膜を200℃のリン酸で除去し、フィ
ールド領域を形成する。Next, amplifying element Q1, photoelectric conversion element PD
1. A field region in which the first initializing means S11, reading means S13, etc. are formed is prepared. That is, first, P
Silicon nitride film over the entire surface of the silicon substrate 101
After a film is formed, a resist pattern is formed in the field region, and then the silicon nitride film is patterned using a dry etching method. Next, boron ions are implanted at 40 keV at 8.0E12 / cm 2 so that a parasitic field transistor is not formed, and the resist is removed. Then, 900 times using the usual pyrogenic method
By performing thermal oxidation at 5 ° C. for 5 hours, a 5000 ° field oxide film 105 is grown to perform element isolation. After removing the oxide film grown on the surface of the silicon nitride film with hydrofluoric acid, the silicon nitride film is removed with phosphoric acid at 200 ° C. to form a field region.
【0031】次に、増幅素子Q1を作製する領域に閾値
電圧制御用のチャネルドープを行なうためにレジストパ
ターンを形成し、リンイオンを90keVで4.0E1
2個/cm2注入し、レジストを除去する。しかる後、
第1の初期化手段S11を作製する領域に閾値電圧制御
用のチャネルドープを行なうためにレジストパターンを
形成し、ボロンイオンを25keVで1.5E12個/
cm2で注入し、レジストを除去する。続いて、ゲート
絶縁膜122,132を作製するために、910℃のド
ライ酸素雰囲気中にて200Åの熱酸化膜を成長させ
る。Next, a resist pattern is formed in the region where the amplifying element Q1 is to be formed in order to perform channel doping for threshold voltage control, and phosphorus ions are added at 90 keV to 4.0E1.
Implant 2 / cm 2 and remove the resist. After a while
A resist pattern is formed in a region where the first initializing means S11 is to be formed, in order to perform channel doping for controlling a threshold voltage.
Implant in cm 2 and remove the resist. Subsequently, to form the gate insulating films 122 and 132, a thermal oxide film is grown at 200 ° C. in a dry oxygen atmosphere at 910 ° C.
【0032】次いで、増幅素子Q1のゲート電極121
および第1の初期化手段S11のゲート電極131を作
製するために、LPCVD法によりポリシリコンを35
00Å成膜する。ポリシリコンを低抵抗化するために、
全面にリンイオンを40keVで5.0E15個/cm
2注入し、その後、ポリシリコンをゲートの形状にパタ
ーニングするために、レジストパターンを形成し、ドラ
イエッチング法によりエッチングする。しかる後、増幅
素子Q1のソース123とドレイン124、第1の初期
化手段S11のソース133とドレイン134にレジス
トパターンを形成し、ヒ素イオンを40keVで5.0
E15個/cm2注入し、レジストを除去する。Next, the gate electrode 121 of the amplification element Q1
In order to form the gate electrode 131 of the first initializing means S11, polysilicon is deposited by LPCVD method.
Deposit 00Å. To lower the resistance of polysilicon,
Phosphorous ions at 40 keV over the entire surface 5.0E15 / cm
2 is implanted, and then a resist pattern is formed and patterned by dry etching in order to pattern the polysilicon into a gate shape. Thereafter, a resist pattern is formed on the source 123 and the drain 124 of the amplifying element Q1 and the source 133 and the drain 134 of the first initialization means S11, and arsenic ions are added at 40 keV and 5.0.
E15 / cm 2 is implanted to remove the resist.
【0033】さらに、光電変換素子PD1の高濃度P型
領域112にレジストパターンを形成し、BF2イオン
を40keVで4.0E15個/cm2注入し、レジス
トを除去する。注入イオンを活性化させるために、95
0℃の窒素雰囲気の電気炉の中で30分間アニールす
る。この後、通常のLSIプロセスを用いてコンタクト
ホールの形成及びメタル配線などを行ない、図6の層構
成の光電変換装置を作製した。この素子を測定したとこ
ろ、従来の素子に比べて、約10倍の感度が得られた。Further, a resist pattern is formed in the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1, and BF 2 ions are implanted at 40 keV at 4.0E15 / cm 2 to remove the resist. 95 to activate the implanted ions
Anneal for 30 minutes in an electric furnace at 0 ° C. in a nitrogen atmosphere. Thereafter, a contact hole was formed and metal wiring was performed using a normal LSI process, thereby producing a photoelectric conversion device having a layer configuration shown in FIG. When this device was measured, a sensitivity approximately 10 times as high as that of a conventional device was obtained.
【0034】このように、増幅型の光電変換装置の各光
電変換セルC1乃至Cnを図6に示すような構造のもの
として実現することができ、高感度化を達成できるが、
図6の構造では、1画素内の素子数が多いので、単純に
素子を配置するだけでは高集積化を図るには限度があ
る。As described above, the photoelectric conversion cells C1 to Cn of the amplification type photoelectric conversion device can be realized as those having the structure as shown in FIG. 6, and high sensitivity can be achieved.
In the structure of FIG. 6, since the number of elements in one pixel is large, there is a limit to achieving high integration by simply arranging the elements.
【0035】そこで、本願の発明者は、さらに、素子構
造を工夫することにより、高集積化の可能な構造の光電
変換装置を案出した。Therefore, the inventor of the present application has devised a photoelectric conversion device having a structure capable of high integration by further devising the element structure.
【0036】図7は、図5に示した1つの光電変換セル
C1を図6の構造に比べてさらに高集積化してシリコン
基板に形成した場合の一例を示す図である。なお、図7
において、図6と同様の箇所には同じ符号を付してい
る。FIG. 7 is a diagram showing an example in which one photoelectric conversion cell C1 shown in FIG. 5 is formed on a silicon substrate with higher integration than the structure shown in FIG. FIG.
In FIG. 6, the same parts as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
【0037】図7に示す構造の光電変換装置では、図6
に示す構造の光電変換装置と同様に、光電変換素子PD
1はP+N型フォトダイオード、増幅素子Q1はディプ
レッション型NチャネルMOS・FETとして構成され
ているが、図6と比較して、光電変換素子PD1のN型
ウェル111が増幅素子Q1のソース123の一部を含
んでいる点が異なる。すなわち、図6の構成において、
光電変換素子PD1のN側の電極(N型ウェル111の
電極)をとるための高濃度N型領域113と増幅素子Q
1のソース123とを共通化し、高濃度N型領域113
が増幅素子Q1のソース123としても機能するよう構
成されている。このような構成では、図6の構成におい
て必要であった光電変換素子PD1のN型ウェル111
と増幅素子Q1のソース123の間の電極配線L1が不
要となり、高集積化を図ることができるとともに、接続
配線抵抗を低減することができる。In the photoelectric conversion device having the structure shown in FIG.
Similarly to the photoelectric conversion device having the structure shown in FIG.
1 is configured as a P + N-type photodiode, and the amplifying element Q1 is configured as a depletion-type N-channel MOSFET. However, as compared with FIG. 6, the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 has Is different in that it contains a part of That is, in the configuration of FIG.
High-concentration N-type region 113 for taking N-side electrode (electrode of N-type well 111) of photoelectric conversion element PD1 and amplifying element Q
1 and the high-concentration N-type region 113.
Are configured to also function as the source 123 of the amplification element Q1. In such a configuration, the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 required in the configuration of FIG.
This eliminates the need for the electrode wiring L1 between the source and the source 123 of the amplifying element Q1, so that high integration can be achieved and the connection wiring resistance can be reduced.
【0038】なお、図7のような層構成の光電変換装置
は、図6の層構成の光電変換装置と同様の作製方法を用
いて作製することができるが、図7の光電変換装置で
は、フィ−ルド領域にレジストパタ−ンを形成する際
に、第1の初期化手段S11がP型シリコン基板101
の表面に形成されるようにすると同時に、光電変換素子
PD1の高濃度P型領域112、増幅素子Q1のソ−ス
123の一部がN型ウェル111内に形成されるように
する。この他は、図6の光電変換装置の作製方法と同様
の作製方法を用いて、実際に、図7の光電変換装置を作
製した。The photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 7 can be manufactured by using the same manufacturing method as the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 6. However, in the photoelectric conversion device shown in FIG. When forming a resist pattern in the field region, the first initializing means S11 sets the P-type silicon substrate 101
At the same time, a part of the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1 and a part of the source 123 of the amplification element Q1 are formed in the N-type well 111. Except for this, the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 7 was actually manufactured using the same manufacturing method as that of the photoelectric conversion device illustrated in FIG.
【0039】図7の層構成の光電変換装置は、増幅素子
Q1のソ−ス123の一部がNウェル111内に作製さ
れているので、図6の層構成の光電変換装置に比べ、素
子面積が約90%になり、光電変換装置を高集積化する
ことができた。In the photoelectric conversion device having the layer configuration of FIG. 7, since a part of the source 123 of the amplifying element Q1 is formed in the N-well 111, the device is different from the photoelectric conversion device having the layer configuration of FIG. The area was reduced to about 90%, and the photoelectric conversion device could be highly integrated.
【0040】また、図8は、図5に示した1つの光電変
換セルC1をさらに一層高集積化してシリコン基板に形
成した場合の一例を示す図である。図8を参照すると、
P型シリコン基板101には、読出手段S13がNチャ
ネルMOS・FETとして形成されている。すなわち、
図8において、P型シリコン基板101には、読出手段
S13のソ−ス(またはドレイン)143と、ドレイン
(またはソース)144とが形成され、P型シリコン基
板101上には、ゲ−ト絶縁膜142を介して読出手段
S13のゲート電極141が形成されている。FIG. 8 is a diagram showing an example in which one photoelectric conversion cell C1 shown in FIG. 5 is formed on a silicon substrate with further higher integration. Referring to FIG.
On the P-type silicon substrate 101, the reading means S13 is formed as an N-channel MOS • FET. That is,
8, a source (or drain) 143 and a drain (or source) 144 of the reading means S13 are formed on a P-type silicon substrate 101, and a gate insulation is provided on the P-type silicon substrate 101. The gate electrode 141 of the reading means S13 is formed via the film 142.
【0041】図6,図7においても、読出手段S13
は、図8と同様にNチャネルMOS・FETとしてP型
シリコン基板101に形成されているが(但し、図6,
図7では簡単のため、読出手段S13については図示し
ていない)、図6,図7では、増幅素子Q1のソース1
23と読出手段S13のソース(またはドレイン)14
3とは電極配線によって接続されている。これに対し、
図8に示す構造では、光電変換素子PD1のN型ウェル
111がさらに、読出手段S13のソ−ス(またはドレ
イン)143の一部を含んでいる点が異なる。すなわ
ち、図8に示す構造では、図6の構造において、N型ウ
ェル111の電極をとるための高濃度N型領域113と
増幅素子Q1のソース123と読出手段S13のソース
(またはドレイン)143とを共通化し、高濃度N型領
域113が増幅素子Q1のソース123のみならず、読
出手段S13のソース(またはドレイン)143として
も機能するよう構成されている。このような構成では、
図6,図7の構成において必要であった増幅素子Q1の
ソース123と読出手段S13のソース(またはドレイ
ン)143との間の電極配線も不要となり、より一層の
高集積化を図ることができるとともに、接続配線抵抗を
より一層低減することができる。なお、図8において、
フィールド酸化膜105については図示を省略してい
る。6 and 7, the reading means S13
Is formed on a P-type silicon substrate 101 as an N-channel MOS • FET in the same manner as in FIG.
The reading means S13 is not shown in FIG. 7 for simplicity), and the source 1 of the amplifying element Q1 is shown in FIGS.
23 and the source (or drain) 14 of the reading means S13
3 is connected by electrode wiring. In contrast,
8 is different from the structure shown in FIG. 8 in that the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 further includes a part of the source (or drain) 143 of the reading means S13. That is, in the structure shown in FIG. 8, in the structure of FIG. 6, the high-concentration N-type region 113 for taking the electrode of the N-type well 111, the source 123 of the amplification element Q1, and the source (or drain) 143 of the reading means S13 And the high-concentration N-type region 113 functions not only as the source 123 of the amplifying element Q1 but also as the source (or drain) 143 of the reading means S13. In such a configuration,
The electrode wiring between the source 123 of the amplifying element Q1 and the source (or drain) 143 of the reading means S13, which was required in the configurations of FIGS. 6 and 7, is not required, and further higher integration can be achieved. At the same time, the connection wiring resistance can be further reduced. In FIG. 8,
Illustration of the field oxide film 105 is omitted.
【0042】具体的に、図8のような層構成の光電変換
装置は、図7の層構成の光電変換装置と同様の作製方法
を用いて作製することができるが、読出手段S13のソ
−ス(またはドレイン)143の作製方法が、図6の作
製方法と相違している。すなわち、図7の光電変換装置
では、フィ−ルド領域にレジストパタ−ンを形成する際
に、第1の初期化手段S11がP型シリコン基板101
の表面に作製されるようにすると同時に、光電変換素子
PD1の高濃度P型領域112、増幅素子Q1のソ−ス
123の少なくとも一部、および読出手段S13のソ−
ス(またはドレイン)143の少なくとも一部がN型ウ
ェル111内に作製されるようにする。この後は、図7
の光電変換装置と同じ作製工程を用いて、実際に、図8
の光電変換装置を作製した。Specifically, the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 8 can be manufactured by using the same manufacturing method as the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. The method for manufacturing the source (or drain) 143 is different from the method for manufacturing in FIG. That is, in the photoelectric conversion device shown in FIG. 7, when the resist pattern is formed in the field region, the first initializing means S11 is used for the P-type silicon substrate 101.
At the same time, the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1, at least a part of the source 123 of the amplifying element Q1, and the source of the reading means S13.
At least a part of the source (or drain) 143 is formed in the N-type well 111. After this, FIG.
8 using the same manufacturing process as the photoelectric conversion device of FIG.
Was manufactured.
【0043】図8の層構成の光電変換装置は、読出手段
S13のソ−ス(またはドレイン)143の少なくとも
一部がNウェル111内に作製されているので、図7の
層構成の光電変換装置に比べ、素子面積が約85%にな
り、光電変換装置をより一層高集積化することができ
た。In the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 8, since at least a part of the source (or drain) 143 of the reading means S13 is formed in the N well 111, the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. The element area was about 85% as compared with the device, and the photoelectric conversion device could be further integrated.
【0044】ところで、図5乃至図8に示した構造で
は、増幅素子Q1として機能するデプレッション型Nチ
ャネルMOS・FETのバックゲートは、P型シリコン
基板101そのものであり、増幅素子Q1のソ−ス12
3の電位を光電変換セルの出力信号Voutとして読み
出すとき、増幅素子Q1の基板バイアス効果により、光
電変換装置のリニアリティ,すなわち、入出力特性が悪
化してしまうという問題が生じる。In the structures shown in FIGS. 5 to 8, the back gate of the depletion-type N-channel MOS FET functioning as the amplifying element Q1 is the P-type silicon substrate 101 itself, and the source of the amplifying element Q1 is 12
When the potential of No. 3 is read as the output signal Vout of the photoelectric conversion cell, there arises a problem that the linearity of the photoelectric conversion device, that is, the input / output characteristics is deteriorated due to the substrate bias effect of the amplification element Q1.
【0045】このような問題を回避するため、本願の発
明者は、さらに、MOS・FETにより構成される増幅
素子Qのバックゲ−トを増幅素子のソ−スに接続した光
電変換装置を案出した。In order to avoid such a problem, the inventor of the present application has further devised a photoelectric conversion device in which the back gate of the amplifying element Q composed of a MOS-FET is connected to the source of the amplifying element. did.
【0046】図9は、このような光電変換装置の1つの
光電変換セルC1の構成例を示す図であり、図9の構成
では、増幅素子Q1のバックゲ−トが増幅素子Q1のソ
−スに接続されている。このように、増幅素子Q1のバ
ックゲ−トを増幅素子Q1のソ−スに接続することによ
り、増幅素子Q1のソ−ス電位の増加に伴って、増幅素
子Q1のバックゲ−トの電位も増加する。この結果、増
幅素子Q1の基板バイアス効果をなくすことができて、
光電変換装置のリニアリティ,すなわち入出力特性を改
善することができる。FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell C1 of such a photoelectric conversion device. In the configuration of FIG. 9, the back gate of the amplifier Q1 is connected to the source of the amplifier Q1. It is connected to the. As described above, by connecting the back gate of the amplifying element Q1 to the source of the amplifying element Q1, the potential of the back gate of the amplifying element Q1 increases as the source potential of the amplifying element Q1 increases. I do. As a result, the substrate bias effect of the amplifier element Q1 can be eliminated,
The linearity of the photoelectric conversion device, that is, the input / output characteristics can be improved.
【0047】なお、図9の構成の光電変換セルがn個設
けられた光電変換装置を半導体基板に形成する場合,す
なわち、MOS・FETにより構成される増幅素子Qi
(i=1〜n)のバックゲ−トを増幅素子Qi(i=1
〜n)のソ−スに接続する場合、増幅素子Qi(i=1
〜n)のソ−ス電位が各光電変換セルの出力信号となる
ことに留意し、増幅素子Qi(i=1〜n)のバックゲ
−トは、各光電変換セル毎に、電気的に分離しなくては
ならない。図10は、増幅素子のバックゲ−トを各光電
変換セル毎に電気的に分離することを意図して、図9に
示した光電変換セルC1をシリコン基板に形成した場合
の一例を示す図である。When a photoelectric conversion device provided with n photoelectric conversion cells having the configuration shown in FIG. 9 is formed on a semiconductor substrate, that is, an amplifying element Qi composed of a MOS-FET.
The back gate (i = 1 to n) is connected to the amplifying element Qi (i = 1).
To n), the amplifying element Qi (i = 1)
Note that the source potentials of the amplifying elements Qi (i = 1 to n) are electrically separated for each photoelectric conversion cell. I have to do it. FIG. 10 is a diagram showing an example in which the photoelectric conversion cell C1 shown in FIG. 9 is formed on a silicon substrate with the intention of electrically separating the back gate of the amplifying element for each photoelectric conversion cell. is there.
【0048】図10に示す構成では、P型シリコン基板
101にN型ウェル111が形成され、このN型ウェル
111に高濃度P型領域112が形成されており、N型
ウェル111と高濃度P型領域112とによって、光電
変換素子PD1がP+N型フォトダイオ−ドとして構成
されている。また、P型シリコン基板101にはN型ウ
ェル126が形成され、このN型ウェル126内にさら
にP型ウェル125が形成されており、このP型ウェル
125に増幅素子Q1として機能するデプレッション型
NチャネルMOS・FETのソ−ス123およびドレイ
ン124が形成されている。また、P型シリコン基板1
01には、第1の初期化手段S11として機能するNチ
ャネルMOS・FETのソ−ス133およびドレイン1
34が形成されている。さらに、P型シリコン基板10
1上には、ゲ−ト絶縁膜122,132を介して増幅素
子Q1のゲ−ト電極121,第1の初期化手段S11の
ゲ−ト電極131がそれぞれ形成されている。ここで、
P型ウェル125は、N型ウェル126によってP型シ
リコン基板101と電気的に分離されている。In the structure shown in FIG. 10, an N-type well 111 is formed in a P-type silicon substrate 101, and a high-concentration P-type region 112 is formed in the N-type well 111. With the mold region 112, the photoelectric conversion element PD1 is configured as a P + N type photodiode. Further, an N-type well 126 is formed in the P-type silicon substrate 101, and a P-type well 125 is further formed in the N-type well 126. In this P-type well 125, a depletion-type N-type functioning as an amplification element Q1 is provided. A source 123 and a drain 124 of a channel MOSFET are formed. Also, a P-type silicon substrate 1
01 includes a source 133 and a drain 1 of an N-channel MOS-FET functioning as a first initializing means S11.
34 are formed. Further, the P-type silicon substrate 10
A gate electrode 121 of the amplifying element Q1 and a gate electrode 131 of the first initializing means S11 are formed on the gate electrode 1 via gate insulating films 122 and 132, respectively. here,
P-type well 125 is electrically separated from P-type silicon substrate 101 by N-type well 126.
【0049】また、N型ウェル111には、光電変換素
子PD1のN側の電極(N型ウェル111の電極)をと
るための高濃度N型領域113が設けられ、また、N型
ウェル126には、電極をとるための高濃度N型領域1
27が設けられ、また、P型ウェル125には、電極を
とるための高濃度P型領域128が設けられており、N
型ウェル111の高濃度N領域113とP型ウェル12
5の高濃度P型領域128と増幅素子Q1のソ−ス12
3とは、電極配線L3によって接続されている。なお、
N型ウェル126の高濃度N型領域127は、破線で示
すように、増幅素子Q1のソ−ス123と電極配線L4
によって接続されても良いし、増幅素子Q1のドレイン
124と電極配線L5によって接続されても良い。ある
いは、その他の独立の電位に設定されても良い。The N-type well 111 is provided with a high-concentration N-type region 113 for taking the N-side electrode of the photoelectric conversion element PD1 (the electrode of the N-type well 111). Is a high-concentration N-type region 1 for forming an electrode.
27, and a high-concentration P-type region 128 for taking an electrode is provided in the P-type well 125;
High concentration N region 113 of P type well 111 and P type well 12
5 high-concentration P-type region 128 and the source 12 of the amplifying element Q1.
3 is connected by the electrode wiring L3. In addition,
As shown by the broken line, the high-concentration N-type region 127 of the N-type well 126 is connected to the source 123 of the amplifying element Q1 and the electrode wiring L4.
Or may be connected to the drain 124 of the amplifying element Q1 by the electrode wiring L5. Alternatively, it may be set to another independent potential.
【0050】図10に示す構成では、P型ウェル125
が増幅素子Q1のバックゲ−トとして機能し、このP型
ウェル125すなわち増幅素子Q1のバックゲ−トは、
N型ウェル126によってP型シリコン基板101と電
気的に分離されている。また、このバックゲ−ト125
は、増幅素子Q1のソ−ス123と接続されて、増幅素
子Q1のソ−ス123と同電位となっている。従って、
光電変換セルとして動作させるときに、前述のように、
増幅素子Q1のソ−ス123の電位の増加に伴なって、
P型ウェル125(すなわち、増幅素子Q1のバックゲ
−ト)の電位も増加し、その結果、基板バイアス効果を
なくすことができて、入出力特性(線形特性)を改善す
ることができる。In the structure shown in FIG.
Functions as a back gate of the amplifying element Q1, and the P-type well 125, that is, the back gate of the amplifying element Q1
The N-type well 126 is electrically separated from the P-type silicon substrate 101. Also, this back gate 125
Is connected to the source 123 of the amplifier element Q1 and has the same potential as the source 123 of the amplifier element Q1. Therefore,
When operating as a photoelectric conversion cell, as described above,
As the potential of the source 123 of the amplifying element Q1 increases,
The potential of the P-type well 125 (that is, the back gate of the amplifying element Q1) also increases, so that the substrate bias effect can be eliminated and the input / output characteristics (linear characteristics) can be improved.
【0051】具体的に、図10のような層構成の光電変
換装置は、図6の層構成の光電変換装置と同様の作製方
法を用いて作製することができるが、図10の光電変換
装置では、P型シリコン基板101にN型ウェル126
が形成され、さらにN型ウェル126内にP型ウェル1
25が形成される点が図6の作製方法と相違している。
実際に、図10の光電変換装置を以下のようにして作製
した。Specifically, the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 10 can be manufactured by using the same manufacturing method as the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. Then, the N-type well 126 is formed in the P-type silicon substrate 101.
Is formed, and a P-type well 1 is formed in the N-type well 126.
25 is different from the manufacturing method of FIG.
Actually, the photoelectric conversion device of FIG. 10 was manufactured as follows.
【0052】先ず、P型シリコン基板101の表面にN
型ウェル111と同時にN型ウェル126も作製される
ようレジストパタ−ンを形成し、イオン注入とアニ−ル
を行なうことにより、N型ウェル111とN型ウェル1
26を作製する。次いで、N型ウェル126の内部にP
型ウェル125を作製するため、レジストパタ−ンを形
成し、N型ウェル126の表面にボロンイオンを40K
eVで8.0E12個/cm2注入し、レジストを除去
した後、1050℃の窒素雰囲気の電気炉の中で8時間
アニ−ルを行ない、注入イオンを活性化させて、P型ウ
ェル125を作製する。この後は、図7の光電変換装置
と同じ工程を用いて図10の光電変換装置を作製した。First, the surface of the P-type silicon substrate 101 is
A resist pattern is formed so that an N-type well 126 is formed at the same time as the N-type well 111, and ion implantation and annealing are performed.
26 is manufactured. Next, P
In order to form the mold well 125, a resist pattern is formed, and boron ions are applied to the surface of the N-type well 126 by 40K.
After implanting 8.0E12 cells / cm 2 at eV and removing the resist, annealing is performed for 8 hours in an electric furnace at 1050 ° C. in a nitrogen atmosphere to activate the implanted ions, thereby forming the P-type well 125. Make it. Thereafter, the photoelectric conversion device in FIG. 10 was manufactured using the same steps as those in the photoelectric conversion device in FIG.
【0053】図10の層構成の光電変換装置では、増幅
素子Q1のバックゲ−トとして機能するP型ウェル12
5が、N型ウェル126によってP型シリコン基板10
1と電気的に分離されているので、増幅素子Q1のバッ
クゲ−トとソ−ス123を接続することができ、増幅素
子Q1の基板バイアス効果をなくすことができるので、
入出力特性の良好な(具体的には、3V出力時において
線形特性を約5%改善した)光電変換装置を実現でき
た。In the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG. 10, the P-type well 12 functioning as a back gate of the amplification element Q1 is provided.
5 is a P-type silicon substrate 10
1, the back gate of the amplifier Q1 can be connected to the source 123, and the substrate bias effect of the amplifier Q1 can be eliminated.
A photoelectric conversion device having good input / output characteristics (specifically, the linear characteristics were improved by about 5% at 3 V output) was realized.
【0054】ところで、図10の構造において、N型ウ
ェル126は、光電変換素子PD1のN型ウェル111
と同じ導電型であることに着目し、本願の発明者は、さ
らに、N型ウェル126と光電変換素子PD1のN型ウ
ェル111とを共通化できることを見出した。Incidentally, in the structure of FIG. 10, the N-type well 126 is the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1.
Focusing on the fact that the N-type well 126 and the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 can be shared, the inventor of the present application has found that the N-type well 126 and the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 can be shared.
【0055】図11は、図10に示した光電変換セルC
1において、N型ウェル126とN型ウェル111とを
共通化させて、シリコン基板に形成した場合の一例を示
す図である。FIG. 11 shows the photoelectric conversion cell C shown in FIG.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example in which an N-type well 126 and an N-type well 111 are formed on a silicon substrate in common.
【0056】図11の構成では、図10のようにN型ウ
ェル111の高濃度N型領域113とN型ウェル126
の高濃度N型領域127とをそれぞれ個別に設ける必要
がなくなり、電極部分を1つ,例えば高濃度N型領域1
27だけにすることができる。また、これに伴って、電
極配線L4またはL5を別途設ける必要がなくなる。さ
らに、N型ウェル111とN型ウェル126の分離用ス
ペ−スも設ける必要が無くなる。これによって、光電変
換装置の高集積化を容易に図ることが可能となる。In the configuration shown in FIG. 11, the high-concentration N-type region 113 of the N-type well 111 and the N-type well 126 are formed as shown in FIG.
Need not be provided separately from the high-concentration N-type region 127, and one electrode portion, for example, the high-concentration N-type region 1
It can be only 27. Accordingly, there is no need to separately provide the electrode wiring L4 or L5. Further, there is no need to provide a space for separating the N-type well 111 and the N-type well 126. Thus, high integration of the photoelectric conversion device can be easily achieved.
【0057】また、図12は図11に示す構造におい
て、さらに、増幅素子Q1のソ−ス123の少なくとも
一部をN型ウェル126に含ませた光電変換セルの構成
例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion cell in which at least a part of the source 123 of the amplifying element Q1 is included in the N-type well 126 in the structure shown in FIG.
【0058】図12のような構成では、増幅素子Q1の
ソ−ス123の少なくとも一部をN型ウェル126に含
ませることにより、増幅素子Q1のソ−ス123とN型
ウェル126および増幅素子Q1のバックゲ−トとして
機能するP型ウェル125の高濃度P型領域128との
間の電極配線L3を設ける必要がなくなるとともに、フ
ィ−ルド酸化膜105も省略できるので、光電変換装置
のより一層の高集積化が可能となる。In the configuration as shown in FIG. 12, at least a part of the source 123 of the amplifying element Q1 is included in the N-type well 126, so that the source 123 and the N-type well 126 of the amplifying element Q1 and the amplifying element It is not necessary to provide the electrode wiring L3 between the high-concentration P-type region 128 of the P-type well 125 functioning as the back gate of Q1, and the field oxide film 105 can be omitted. Can be highly integrated.
【0059】なお、図11,図12のような層構成の光
電変換装置は、具体的には、N型ウェル作製時、フィ−
ルド領域作製時、高濃度N型領域作製時、高濃度P型領
域作製時等のレジストパタ−ンを変化させるだけの簡単
な方法により、前述の図6,図7,図8,図10のよう
な層構成の光電変換装置の作製方法を一部変更すること
で作製することができ、これを実際に作製した結果、高
集積化を図ることができた。It should be noted that the photoelectric conversion device having the layer structure as shown in FIGS.
As shown in FIGS. 6, 7, 8, and 10 by a simple method that only changes the resist pattern at the time of forming the shielded region, the case of forming the high concentration N-type region, and the case of forming the high concentration P-type region. The photoelectric conversion device having a simple layer configuration can be manufactured by partially changing the manufacturing method, and as a result of actual manufacturing, high integration can be achieved.
【0060】また、図5の構成において、縮小光学系を
用いたセンサのように、光電変換素子の面積が小さくな
ると、増幅素子のゲ−トにつながる容量(蓄積容量)と
して、光電変換素子の寄生容量だけでなく、第1の初期
化手段としてMOS・FETを用いた場合、第1の初期
化手段としてのMOS・FETのソ−ス(またはドレイ
ン)・基板間の容量も無視できなくなる。In the configuration shown in FIG. 5, when the area of the photoelectric conversion element is reduced as in a sensor using a reduction optical system, the capacitance (storage capacitance) connected to the gate of the amplification element is used as the capacitance of the photoelectric conversion element. When a MOS-FET is used as the first initialization means, not only the parasitic capacitance, but also the capacitance between the source (or drain) and the substrate of the MOS-FET as the first initialization means cannot be ignored.
【0061】図13は、図5の構成において、第1の初
期化手段としてのMOS・FETのソ−ス(またはドレ
イン)・基板間の容量の影響をさらに低減することを意
図した光電変換装置の1つの光電変換セルC1の構成例
を示す図である。図13のような構成では、図5の光電
変換装置の1つの光電変換セルC1と同様に、増幅素子
Q1がデプレッション型NチャネルMOS・FETで構
成され、読出手段S13がNチャネルMOS・FETで
構成されているが、第1の初期化手段(MOS・FE
T)S11のバックゲ−トが増幅素子Q1のソ−スに接
続されている点が異なっている。このように、第1の初
期化手段(MOS・FET)S11のバックゲ−トが増
幅素子Q1のソ−スに接続されていることにより、図1
の光電変換装置において説明したと同様の原理により、
第1の初期化手段としてのMOS・FETのソ−ス(ま
たはドレイン)・基板間の容量の影響をも低減でき、光
電変換装置をより一層高感度化できる。なお、図13に
おいては、第1の初期化手段S11としてNチャネルM
OS・FETでなくPチャネルMOS・FETを用いて
いるが、これは、増幅素子Q1にデプレッション型Nチ
ャネルMOS・FETを用いているため、増幅素子Q1
のソ−ス電位が増幅素子Q1のゲ−ト電位よりも高くな
るためである。FIG. 13 shows a photoelectric conversion device intended to further reduce the influence of the capacitance between the source (or drain) and the substrate of the MOS-FET as the first initialization means in the configuration of FIG. FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell C1. In the configuration as shown in FIG. 13, as in the case of one photoelectric conversion cell C1 of the photoelectric conversion device in FIG. The first initialization means (MOS / FE
T) The difference is that the back gate of S11 is connected to the source of the amplifying element Q1. As described above, since the back gate of the first initializing means (MOS • FET) S11 is connected to the source of the amplifying element Q1, FIG.
According to the same principle as described in the photoelectric conversion device of
The influence of the capacitance between the source (or drain) of the MOS FET as the first initialization means and the substrate can be reduced, and the sensitivity of the photoelectric conversion device can be further increased. In FIG. 13, an N channel M is used as the first initialization means S11.
Although a P-channel MOSFET is used instead of an OS-FET, this is because a depletion type N-channel MOSFET is used for the amplifier Q1.
Is higher than the gate potential of the amplifying element Q1.
【0062】ところで、図13の構成の光電変換セルが
n個設けられた光電変換装置を半導体基板に形成する場
合,すなわち、MOS・FETにより構成される第1の
初期化手段Si1(i=1〜n)のバックゲ−トを増幅
素子Qi(i=1〜n)のソ−スに接続する場合、増幅
素子Qi(i=1〜n)のソ−ス電位が各光電変換セル
の出力信号となることに留意し、第1の初期化手段Si
1(i=1〜n)のバックゲ−トは、各光電変換セル毎
に、電気的に分離しなくてはならない。図14は、第1
の初期化手段のバックゲ−トを各光電変換セル毎に電気
的に分離することを意図して、図13に示した光電変換
セルC1をシリコン基板に形成した場合の一例を示す図
である。When a photoelectric conversion device provided with n photoelectric conversion cells having the structure shown in FIG. 13 is formed on a semiconductor substrate, that is, first initialization means Si1 (i = 1 When the back gates of the amplifier elements Qi (i = 1 to n) are connected to the source of the amplifier element Qi (i = 1 to n), the output potential of each photoelectric conversion cell is And the first initialization means Si
The back gate 1 (i = 1 to n) must be electrically separated for each photoelectric conversion cell. FIG.
FIG. 14 is a diagram showing an example in which the photoelectric conversion cell C1 shown in FIG. 13 is formed on a silicon substrate for the purpose of electrically separating the back gate of the initialization means for each photoelectric conversion cell.
【0063】図14に示す構成では、図6と同様に、P
型シリコン基板101に光電変換素子PD1がP+N型
フォトダイオ−ドとして構成され、また、増幅素子Q1
がデプレッション型NチャネルMOS・FETとして構
成されているが、P型シリコン基板101には一画素ご
とに独立したN型ウェル135がさらに形成され、この
N型ウェル135内に、PチャネルMOS・FETとし
ての第1の初期化手段S11のソ−ス134およびドレ
イン133が形成されている点が図6の構成と異なって
いる。In the configuration shown in FIG. 14, as in FIG.
A photoelectric conversion element PD1 is formed as a P + N type photodiode on a silicon substrate 101, and an amplifying element Q1
Are formed as depletion-type N-channel MOS-FETs. In the P-type silicon substrate 101, an independent N-type well 135 is further formed for each pixel. In the N-type well 135, a P-channel MOS-FET is provided. 6 in that the source 134 and the drain 133 of the first initialization means S11 are formed.
【0064】また、N型ウェル135には、電極をとる
ための高濃度N型領域136が形成され、光電変換素子
PD1のN型ウェル111は、増幅素子Q1のソ−ス1
23およびN型ウェル135の高濃度N型領域136に
電極配線L1によって接続され、また、光電変換素子P
D1の高濃度P型領域112は、増幅素子Q1のゲ−ト
電極121および第1の初期化手段S11のソ−ス13
4に電極配線L2によって接続されている。また、各素
子,すなわち光電変換素子PD1と増幅素子Q1と第1
の初期化手段S11とは、フィールド酸化膜105によ
って互いに分離されている。なお、図14において、読
出手段S13に対応する構造については、図6と同様、
図示を省略した。A high-concentration N-type region 136 for taking an electrode is formed in the N-type well 135, and the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 is connected to the source 1 of the amplification element Q1.
23 and the high-concentration N-type region 136 of the N-type well 135 via the electrode wiring L1.
The high-concentration P-type region 112 of D1 is connected to the gate electrode 121 of the amplification element Q1 and the source 13 of the first initialization means S11.
4 is connected to an electrode wiring L2. Each element, that is, the photoelectric conversion element PD1, the amplification element Q1, and the first
Are separated from each other by the field oxide film 105. In FIG. 14, the structure corresponding to the reading means S13 is the same as in FIG.
Illustration is omitted.
【0065】図14に示す構成では、第1の初期化手段
S11が形成されるN型ウェル135は、一画素ごとに
独立しているので、上述のように増幅素子Q1のソ−ス
123に接続することができる。このN型ウェル135
は、第1の初期化手段S11として機能するPチャネル
MOS・FETのバックゲートとなり、これが増幅素子
Q1のソ−ス123に接続されることにより、第1の初
期化手段S11のソース134・基板135間の容量を
も見かけ上小さくすることができ、増幅素子Q1のゲ−
トにつながる容量をより一層小さくすることができる。
これにより、光電変換装置のより一層の高感度化を実現
することができる。In the configuration shown in FIG. 14, since the N-type well 135 in which the first initialization means S11 is formed is independent for each pixel, the N-type well 135 is connected to the source 123 of the amplifying element Q1 as described above. Can be connected. This N-type well 135
Is a back gate of a P-channel MOS-FET functioning as a first initializing means S11, which is connected to the source 123 of the amplifying element Q1 so that the source 134 of the first initializing means S11 and the substrate 135 can be apparently reduced, and the gain of the amplifying element Q1 can be reduced.
In this way, the capacity leading to the load can be further reduced.
This makes it possible to further increase the sensitivity of the photoelectric conversion device.
【0066】具体的に、図14のような層構成の光電変
換装置を以下のようにして作製した。Specifically, a photoelectric conversion device having a layer configuration as shown in FIG. 14 was manufactured as follows.
【0067】すなわち、図6の光電変換装置と同様の作
製方法を用いて、P型シリコン基板101の表面にN型
ウェル111,135を作製し、次に、フィ−ルド領域
を作製する。増幅素子Q1を作製する領域に閾値電圧制
御用に、リンイオンを90KeVで4.0E12個/c
m2注入し、しかる後、第1の初期化手段S11を作製
する領域に閾値電圧制御用にボロンイオンを25KeV
で3.0E12個/cm2注入し、続いて、ゲ−ト絶縁
膜122,132を作製する。That is, N-type wells 111 and 135 are formed on the surface of the P-type silicon substrate 101 by using the same manufacturing method as that of the photoelectric conversion device shown in FIG. 6, and then a field region is formed. Phosphorous ions at 90 KeV at 4.0E12 / c for controlling the threshold voltage in the region where the amplifying element Q1 is formed.
m 2 is implanted, and then boron ions are applied to the region where the first initializing means S11 is to be formed for controlling the threshold voltage by 25 KeV.
Then, 3.0E12 / cm 2 are implanted, and then gate insulating films 122 and 132 are formed.
【0068】次いで、ゲ−ト電極121,131を作製
した後、増幅素子Q1のソ−ス123とドレイン124
にヒ素イオンを40KeVで5.0E15個/cm2注
入し、高濃度P型領域112と第1の初期化手段S11
のソ−ス133,ドレイン134にBF2イオンを40
KeVで4.0E15個/cm2注入した後、950℃
の窒素雰囲気の電気炉の中で30分間アニ−ルする。こ
の後、図6の光電変換装置の作製方法を用いて図14の
層構成の光電変換装置を作製した。Next, after forming the gate electrodes 121 and 131, the source 123 and the drain 124 of the amplification element Q1 are formed.
Arsenic ions are implanted at 40 KeV at 5.0E15 ions / cm 2, and the high-concentration P-type region 112 and the first initialization means S11 are implanted.
Of BF 2 ions into the source 133 and the drain 134
After injection of 4.0E15 / cm 2 with KeV, 950 ° C.
For 30 minutes in an electric furnace in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the photoelectric conversion device having the layer configuration in FIG. 14 was manufactured by using the method for manufacturing the photoelectric conversion device in FIG.
【0069】図14の層構成の光電変換装置では、第1
の初期化手段S11のバックゲ−トであるN型ウェル1
35は、1画素ごとに独立しており、増幅素子Q1のソ
−ス123と接続できるので、第1の初期化手段S11
のドレイン134・基板135間容量の影響を感じるこ
とができ、図6の層構成の光電変換装置に比べ、さらに
約3倍の感度が得られた。In the photoelectric conversion device having the layer configuration shown in FIG.
N-type well 1 which is the back gate of the initialization means S11
35 is independent for each pixel and can be connected to the source 123 of the amplifying element Q1, so that the first initialization means S11
The effect of the capacitance between the drain 134 and the substrate 135 can be sensed, and the sensitivity is about three times higher than that of the photoelectric conversion device having the layer configuration of FIG.
【0070】また、図15は、図14に示す構造におい
て、さらに、第1の初期化手段S11のバックゲ−トと
して機能するN型ウェル135に、増幅素子Q1のソ−
ス123の少なくとも一部を含ませた光電変換セルの構
成例を示す図である。図15の構造では、第1の初期化
手段S11が形成されるN型ウェル135に、増幅素子
Q1のソ−ス123の少なくとも一部が含まれており、
N型ウェル135の電極をとるための高濃度N型領域1
36が増幅素子Q1のソ−ス123としても機能するよ
うに構成されている。このような構成では、第1の初期
化手段S11のバックゲートとなるN型ウェル135と
増幅素子Q1のソ−ス123との間を、図14のように
電極配線L1で接続する必要がなくなり、N型ウェル1
35と増幅素子Q1のソ−ス123とは、P型シリコン
基板101内で接続されるので、図17の構造に比べ
て、光電変換装置をより高集積化させることが可能とな
り、また接続配線抵抗をより低減することができる。FIG. 15 shows that, in the structure shown in FIG. 14, the N-type well 135 functioning as a back gate of the first initializing means S11 has a source of the amplifying element Q1.
3 is a diagram illustrating a configuration example of a photoelectric conversion cell including at least a part of a cell 123. FIG. In the structure of FIG. 15, the N-type well 135 in which the first initializing means S11 is formed includes at least a part of the source 123 of the amplifying element Q1,
High concentration N-type region 1 for taking an electrode of N-type well 135
The reference numeral 36 also functions as the source 123 of the amplifier element Q1. In such a configuration, there is no need to connect the N-type well 135 serving as the back gate of the first initialization means S11 and the source 123 of the amplifier element Q1 with the electrode wiring L1 as shown in FIG. , N-type well 1
35 and the source 123 of the amplifying element Q1 are connected in the P-type silicon substrate 101, so that the photoelectric conversion device can be more highly integrated as compared with the structure of FIG. Resistance can be further reduced.
【0071】さらに、図15の構成において、第1の初
期化手段S11のバックゲートとして機能するN型ウェ
ル135を、光電変換素子の一方の導電型領域としても
機能させるように構成することもできる。Further, in the configuration of FIG. 15, the N-type well 135 functioning as a back gate of the first initialization means S11 may be configured to function also as one conductivity type region of the photoelectric conversion element. .
【0072】図16は、図15の構成において、N型ウ
ェル135を光電変換素子の一方の導電型領域としても
機能させるようにした光電変換装置の1つの光電変換セ
ルC1の構成例を示す図である。すなわち、図16で
は、第1の初期化手段S11として機能するPチャネル
MOS・FETのソース134と光電変換素子PD1の
高濃度P型領域112とを共通化し、第1の初期化手段
S11のバックゲ−トとなるN型ウェル135と光電変
換素子PD1のN型ウェル111とを共通化している。
また、共通化したN型ウェル(111,135)に、増
幅素子Q1のソ−ス123の少なくとも一部を含ませ、
共通化したN型ウェル(111,135)の電極をとる
ための高濃度N型領域(113,136)が増幅素子Q
1のソ−ス123としても機能するように構成されてい
る。FIG. 16 is a diagram showing an example of the configuration of one photoelectric conversion cell C1 of a photoelectric conversion device in which the N-type well 135 also functions as one conductivity type region of the photoelectric conversion element in the configuration of FIG. It is. That is, in FIG. 16, the source 134 of the P-channel MOSFET serving as the first initialization unit S11 and the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1 are shared, and the back gate of the first initialization unit S11 is used. The N-type well 135 serving as the gate and the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1 are shared.
Further, at least a part of the source 123 of the amplifying element Q1 is included in the common N-type well (111, 135),
A high-concentration N-type region (113, 136) for taking an electrode of the common N-type well (111, 135)
It is configured to function also as one source 123.
【0073】このような構成では、第1の初期化手段S
11のソース134と光電変換素子PD1の高濃度P型
領域112とが共通化され、第1の初期化手段S11の
バックゲ−トとなるN型ウェル135と光電変換素子P
D1のN型ウェル111とが共通化されており、共通化
されたN型ウェル(111,135)と増幅素子Q1の
ソ−ス123とがP型シリコン基板101内で接続され
ているので、より一層の高集積化を図ることができ、ま
た接続配線抵抗をより一層低減することができる。In such a configuration, the first initialization means S
11 and the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1 are shared, and the N-type well 135 and the photoelectric conversion element P serving as a back gate of the first initialization means S11.
Since the N-type well 111 of D1 is shared, and the shared N-type well (111, 135) and the source 123 of the amplifier element Q1 are connected in the P-type silicon substrate 101, Further higher integration can be achieved, and the connection wiring resistance can be further reduced.
【0074】また、図17は、図13の構成において、
さらに、増幅素子Q1のバックゲートを増幅素子Q1の
ソースに接続した光電変換装置の1つの光電変換セルC
1の構成例を示す図である。FIG. 17 shows the configuration of FIG.
Further, one photoelectric conversion cell C of the photoelectric conversion device in which the back gate of the amplifier Q1 is connected to the source of the amplifier Q1.
1 is a diagram illustrating a configuration example of FIG.
【0075】図18は、図17の光電変換セルC1をシ
リコン基板に形成した場合の一例を示す図である。な
お、図18に示す構造は、図14に示した構造に対応し
たものとなっており、増幅素子Q1に関する部分だけが
図14の構造と異なっている。すなわち、図18の構造
では、P型シリコン基板101にN型ウェル126が形
成され、このN型ウェル126内にさらにP型ウェル1
25が形成されており、このP型ウェル125内に増幅
素子Q1として機能するNチャネルMOS・FETのソ
−ス123およびドレイン124が形成されている。こ
こで、P型ウェル125が、増幅素子Q1のバックゲー
トとして機能し、N型ウェル126によって、このバッ
クゲートとして機能するP型ウェル125をP型シリコ
ン基板101から分離するようになっている。また、N
型ウェル126には、電極をとるための高濃度N型領域
127が形成され、P型ウェル125には、電極をとる
ための高濃度P型領域128が形成されており、高濃度
N型領域127と高濃度P型領域128と増幅素子Q1
のソ−ス123とは、電極配線L3によって接続されて
いる。すなわち、この電極配線L3によって増幅素子Q
1のバックゲート,すなわちP型ウェル125は、増幅
素子Q1のソ−ス123と電気的に接続されている。FIG. 18 is a diagram showing an example in which the photoelectric conversion cell C1 of FIG. 17 is formed on a silicon substrate. Note that the structure shown in FIG. 18 corresponds to the structure shown in FIG. 14, and only the part related to the amplification element Q1 is different from the structure shown in FIG. That is, in the structure of FIG. 18, an N-type well 126 is formed in the P-type silicon substrate 101, and a P-type well 1 is further formed in the N-type well 126.
A source 123 and a drain 124 of an N-channel MOSFET serving as an amplifying element Q1 are formed in the P-type well 125. Here, the P-type well 125 functions as a back gate of the amplifying element Q 1, and the P-type well 125 functioning as the back gate is separated from the P-type silicon substrate 101 by the N-type well 126. Also, N
A high-concentration N-type region 127 for forming an electrode is formed in the mold well 126, and a high-concentration P-type region 128 for forming an electrode is formed in the P-type well 125. 127, high-concentration P-type region 128 and amplifying element Q1
Is connected to the source 123 by an electrode wiring L3. That is, the amplification element Q
The back gate 1, that is, the P-type well 125 is electrically connected to the source 123 of the amplifying element Q 1.
【0076】このような構成の光電変換装置では、増幅
素子Q1のバックゲートと増幅素子Q1のソ−ス123
とが電気的に接続されており、増幅素子Q1のバックゲ
ートの電位は、増幅素子Q1のソース電位に保持されて
いるので、増幅素子Q1の基板バイアス効果を無視する
ことができ、光電変換装置の入出力特性(線形特性)を
も良好なものにすることができる。In the photoelectric conversion device having such a configuration, the back gate of the amplifying element Q1 and the source 123 of the amplifying element Q1 are used.
Are electrically connected to each other, and the potential of the back gate of the amplification element Q1 is held at the source potential of the amplification element Q1, so that the substrate bias effect of the amplification element Q1 can be ignored, and the photoelectric conversion device Can also have good input / output characteristics (linear characteristics).
【0077】また、図19は、図17に示す光電変換セ
ルC1の構造の他の一例を示す図である。図19の構造
では、第1の初期化手段S11のN型ウェル135と光
電変換素子PD1のN型ウェル111と増幅素子Q1の
N型ウェル126とを共通化し、また、第1の初期化手
段S11のドレイン134と光電変換素子PD1の高濃
度P型領域112とを共通化し、さらに、共通化したN
型ウェル(111,135)の電極をとるための高濃度
N型領域(113,136)が増幅素子Q1のソ−ス1
23としても機能するように構成されている。これによ
り、より一層の高集積化を図ることができ、また接続配
線抵抗をより一層低減することができる。FIG. 19 is a diagram showing another example of the structure of the photoelectric conversion cell C1 shown in FIG. In the structure shown in FIG. 19, the N-type well 135 of the first initialization means S11, the N-type well 111 of the photoelectric conversion element PD1, and the N-type well 126 of the amplification element Q1 are shared. The drain 134 of S11 and the high-concentration P-type region 112 of the photoelectric conversion element PD1 are shared, and the shared N
A high-concentration N-type region (113, 136) for taking an electrode of the mold well (111, 135) is a source 1 of the amplifying element Q1.
It is configured to function also as 23. As a result, higher integration can be achieved and the connection wiring resistance can be further reduced.
【0078】なお、図15,図16のような層構成の光
電変換装置や、図18,図19のような層構成の光電変
換装置は、Nウェル作製時、フィ−ルド領域作製時、高
濃度N型領域作製時、高濃度P型領域作製時等のレジス
トパタ−ンを変化させるだけの簡単な方法により、前述
の図6,図7,図8,図10,図14のような層構成の
光電変換装置の作製方法を一部変更することで作製し
た。A photoelectric conversion device having a layer structure as shown in FIGS. 15 and 16 and a photoelectric conversion device having a layer structure as shown in FIGS. The layer structure shown in FIG. 6, FIG. 7, FIG. 8, FIG. 10, and FIG. 14 can be obtained by a simple method such as changing the resist pattern at the time of forming the high concentration N type region or the high concentration P type region. The photoelectric conversion device was manufactured by partially changing the manufacturing method.
【0079】以上の各素子においては、本発明の回路構
成で示した特徴を得ることができ、また、高集積化がで
きた。In each of the above-described elements, the features shown in the circuit configuration of the present invention can be obtained, and high integration can be achieved.
【0080】図20は図1に示した光電変換装置の具体
例を示す図である。図20の光電変換装置では、n個の
光電変換セルは、それぞれ同じ構成のものとなってお
り、例えば、n番目の光電変換セルCnは、光電変換素
子PDnがフォトダイオードで構成され、増幅素子Qn
がデプレッション型NチャネルMOS・FETで構成さ
れ、第1の初期化手段Sn1がNチャネルMOS・FE
Tで構成され、第2の初期化手段Sn2がNチャネルM
OS・FETで構成され、読出手段Sn3がNチャネル
MOS・FETで構成されている。また、第3の初期化
手段S4にはNチャネルMOS・FETが用いられ、初
期化用の電位VR1乃至VR3を全て“0”V(GN
D)としている。さらに、増幅器AMPのかわりに、増
幅素子QB1と増幅素子QB2からなる第1段目のソ−
スフォロア回路SF1と、増幅素子QB3と増幅素子Q
B4からなる第2段目のソ−スフォロア回路SF2と、
スイッチS6とが設けられている。なお、スイッチS6
は、第3の初期化手段S4と逆相で駆動されるようにな
っている。FIG. 20 is a diagram showing a specific example of the photoelectric conversion device shown in FIG. In the photoelectric conversion device in FIG. 20, n photoelectric conversion cells have the same configuration. For example, the n-th photoelectric conversion cell Cn includes a photoelectric conversion element PDn configured by a photodiode, and an amplifying element. Qn
Is constituted by a depletion type N-channel MOS-FET, and the first initialization means Sn1 is an N-channel MOS-FE
T, and the second initialization means Sn2 is an N-channel M
The reading means Sn3 is constituted by an OS-FET, and the reading means Sn3 is constituted by an N-channel MOS-FET. Further, an N-channel MOS-FET is used for the third initialization means S4, and all the initialization potentials VR1 to VR3 are set to "0" V (GN
D). Further, instead of the amplifier AMP, a first-stage source including an amplifying element QB1 and an amplifying element QB2 is used.
Follower circuit SF1, amplifying element QB3 and amplifying element Q
A second source follower circuit SF2 comprising B4,
A switch S6 is provided. The switch S6
Are driven in a phase opposite to that of the third initialization means S4.
【0081】図21は図20の光電変換装置の動作を示
すタイムチャ−トである。図21を参照すると、図20
の光電変換装置は、図1の光電変換装置において説明し
たと同様に、所定周期のクロックCLKに同期して動作
し、第1番目の光電変換セルC1の初期化を行なった
後、次のクロック周期で第2番目の光電変換セルC2を
同様に初期化するというように、1クロック周期毎に第
n番目の光電変換セルCnまでを順次に初期化し、ある
光電変換セルについて初期化がなされると、その光電変
換セルについての光電変換処理を開始する。例えば、第
1番目の光電変換セルC1に着目すると、先ず、S11
とS12をオンにして、増幅素子Q1のゲ−ト電位とソ
ース電位をGNDにすることで、この光電変換セルC1
を初期化する。次に、S12をオフにすると、増幅素子
Q1のソース電位は、S12の寄生容量とソースの浮遊
容量とを充電し、ゲ−ト電位に対して、ゲート・ソース
間電圧Vthだけ高い電位に落ちつく。FIG. 21 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. Referring to FIG. 21, FIG.
1 operates in synchronization with the clock CLK of the predetermined period, and initializes the first photoelectric conversion cell C1, and then executes the next clock, as described in the photoelectric conversion device of FIG. The second photoelectric conversion cell C2 is similarly initialized in a cycle, so that the nth photoelectric conversion cell Cn is sequentially initialized every clock cycle, and initialization is performed for a certain photoelectric conversion cell. Then, the photoelectric conversion process for the photoelectric conversion cell is started. For example, focusing on the first photoelectric conversion cell C1, first, S11
And S12 are turned on, and the gate potential and the source potential of the amplifying element Q1 are set to GND.
Is initialized. Next, when S12 is turned off, the source potential of the amplifying element Q1 charges the parasitic capacitance of S12 and the floating capacitance of the source, and drops to a potential higher than the gate potential by the gate-source voltage Vth. .
【0082】しかる後、S11がオフになり、光電変換
素子PD1に入射光量に応じた光電流が流れると、この
光電流は、増幅素子Q1のゲートにつながる容量(蓄積
容量)に蓄積され始める。このようにして、増幅素子Q
1のゲ−トにつながる容量に光電流に基づく電荷が蓄積
されることにより、増幅素子Q1のゲート電位が上昇
し、ゲート電位が上がると同時に、ソース電位もS12
の寄生容量とソースの浮遊容量とを充電しながらゲート
電位の上昇分だけ上がる。このように増幅素子Q1は、
ゲート電圧に追従してソース電圧が変化するソースフォ
ロワとして働き、増幅素子Q1のゲート・ソース間電圧
は、一定の電圧Vthを保持する。Thereafter, when S11 is turned off and a photocurrent corresponding to the amount of incident light flows through the photoelectric conversion element PD1, this photocurrent starts to be accumulated in a capacitor (storage capacitor) connected to the gate of the amplifier Q1. Thus, the amplifying element Q
By accumulating the electric charge based on the photocurrent in the capacitor connected to the gate of No. 1, the gate potential of the amplifying element Q1 increases, and at the same time the gate potential increases, the source potential also increases.
While charging the parasitic capacitance of the source and the floating capacitance of the source, the gate potential rises by the rise of the gate potential. Thus, the amplification element Q1
It functions as a source follower in which the source voltage changes following the gate voltage, and the gate-source voltage of the amplifier element Q1 maintains a constant voltage Vth.
【0083】ここで、図20の構成では、光電変換素子
PD1が増幅素子Q1のゲ−トとソ−スとの間に接続さ
れていることにより、光電変換素子PD1には、ソース
フォロワとして働く増幅素子Q1のゲート・ソース間電
圧,すなわち一定の電圧Vthが加わるため、光電変換
素子PD1の寄生容量の電荷は、常にほぼ一定であり、
ほとんど変動がない。従って、光電変換素子PD1の寄
生容量が蓄積容量に与える影響を非常に小さくすること
ができ、蓄積容量から光電変換素子PD1の寄生容量分
を実質上差し引くことができて、蓄積容量を見かけ上小
さくすることができる。Here, in the configuration of FIG. 20, since the photoelectric conversion element PD1 is connected between the gate and the source of the amplification element Q1, the photoelectric conversion element PD1 functions as a source follower. Since a voltage between the gate and the source of the amplifying element Q1, that is, a constant voltage Vth is applied, the charge of the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 is always substantially constant.
There is almost no change. Therefore, the effect of the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 on the storage capacitance can be extremely reduced, and the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 can be substantially subtracted from the storage capacitance, so that the storage capacitance is apparently small. can do.
【0084】これにより図20の光電変換装置では、従
来の光電変換装置に比べ、約10倍の高感度を得ること
ができる。As a result, the photoelectric conversion device shown in FIG. 20 can obtain about 10 times higher sensitivity than the conventional photoelectric conversion device.
【0085】この光電変換セルC1は、一定の読み取り
時間(蓄積時間)を経過すると再度初期化されるが、こ
の初期化の直前のクロックCLKの半周期でS13がオ
ンとなり、初期化直前のソース電位が出力信号として共
通信号線CMに出力される。共通通信線CMに出力され
たソ−ス電位は、増幅素子QB1と増幅素子QB2から
なる第1段目のソ−スフォロア回路SF1に加わり、第
1段目のソ−スフォロワ回路SF1によりインピ−ダン
ス変換され、VO1となる。The photoelectric conversion cell C1 is initialized again after a lapse of a predetermined reading time (accumulation time). However, S13 is turned on in a half cycle of the clock CLK immediately before the initialization, and the source immediately before the initialization is started. The potential is output to the common signal line CM as an output signal. The source potential output to the common communication line CM is applied to a first-stage source follower circuit SF1 including an amplifier element QB1 and an amplifier element QB2, and the impedance is applied by the first-stage source follower circuit SF1. It is converted to VO1.
【0086】しかる後、次のクロックCLKの半周期で
S13がオフになり、S4がオンになって、共通信号線
CMの電位は、GND(“0”V)に初期化され、ま
た、これと同時にS11,S12がオンとなって増幅素
子Q1の初期化がなされる。第2番目乃至第n番目の光
電変換セルC2乃至Cnについても、クロックCLKに
同期した所定周期づつずれて、同様の処理が順次になさ
れる。Thereafter, S13 is turned off and S4 is turned on in the half cycle of the next clock CLK, and the potential of the common signal line CM is initialized to GND (“0” V). At the same time, S11 and S12 are turned on to initialize the amplifying element Q1. Similar processing is sequentially performed on the second to n-th photoelectric conversion cells C2 to Cn at predetermined intervals synchronized with the clock CLK.
【0087】さらに、図20の光電変換装置では、スイ
ッチS6を第3の初期化手段S4と逆相で駆動すること
により、増幅素子QB3の入力容量をホールドコンデン
サとするサンプルホールドがなされ、この光電変換装置
からの最終的な出力信号Voutは、1クロック周期の
間、出力され続ける。Further, in the photoelectric conversion device shown in FIG. 20, by driving the switch S6 in a phase opposite to that of the third initialization means S4, a sample-and-hold operation using the input capacitance of the amplification element QB3 as a hold capacitor is performed. The final output signal Vout from the converter continues to be output for one clock cycle.
【0088】すなわち、図20の回路構成では、第1段
目のソ−スフォロワ回路SF1と第2段目のソ−スフォ
ロワ回路SF2とスイッチS6とにより、インピ−ダン
ス変換とともにサンプルホ−ルドを行なうことができ、
出力信号Voutは、1クロック周期の間、出力される
ので、出力信号の安定している時間が増え、高速化が容
易になった。That is, in the circuit configuration shown in FIG. 20, the first source follower circuit SF1, the second source follower circuit SF2, and the switch S6 perform impedance conversion and sample hold. It is possible,
Since the output signal Vout is output during one clock cycle, the time during which the output signal is stable is increased, and the speeding up is facilitated.
【0089】また図22は、図3に示した光電変換装置
の具体例を示す図である。図22の光電変換装置におい
ても、図20の光電変換装置と同様に、n個の光電変換
セルは、それぞれ同じ構成のものとなっており、例え
ば、n番目の光電変換セルCnは、光電変換素子PDn
がフォトダイオードで構成され、増幅素子Qnがデプレ
ッション型NチャネルMOS・FETで構成され、第1
の初期化手段Sn1がNチャネルMOS・FETで構成
され、第2の初期化手段Sn2がNチャネルMOS・F
ETで構成され、読出手段Sn3がNチャネルMOS・
FETで構成されている。また、第3の初期化手段S4
にはNチャネルMOS・FETが用いられ、初期化用の
電位VR1乃至VR3を全て“0”V(GND)として
いる。さらに、増幅器AMPのかわりに、増幅素子QB
1と増幅素子QB2からなる第1段目のソ−スフォロア
回路SF1と、増幅素子QB3と増幅素子QB4からな
る第2段目のソ−スフォロア回路SF2と、スイッチS
6とが設けられている。また、スイッチS6は、第3の
初期化手段S4と逆相で駆動されるようになっている。FIG. 22 is a diagram showing a specific example of the photoelectric conversion device shown in FIG. In the photoelectric conversion device of FIG. 22, similarly to the photoelectric conversion device of FIG. 20, the n photoelectric conversion cells have the same configuration, for example, the n-th photoelectric conversion cell Cn Element PDn
Is composed of a photodiode, the amplifying element Qn is composed of a depletion-type N-channel MOS-FET,
The initializing means Sn1 is composed of an N-channel MOS • FET, and the second initializing means Sn2 is composed of an N-channel MOS • F
ET, and the reading means Sn3 is an N-channel MOS
It is composed of an FET. Further, the third initialization means S4
, An N-channel MOS.FET is used, and the potentials VR1 to VR3 for initialization are all set to “0” V (GND). Further, instead of the amplifier AMP, the amplifying element QB
1 and a first-stage source follower circuit SF1 comprising an amplifier element QB2, a second-stage source follower circuit SF2 comprising an amplifier element QB3 and an amplifier element QB4, and a switch S
6 are provided. The switch S6 is driven in a phase opposite to that of the third initialization means S4.
【0090】図23は図22の光電変換装置の動作を示
すタイムチャ−トである。図23を参照すると、図22
の光電変換装置は、図5の光電変換装置において説明し
たと同様に、所定周期のクロックCLKに同期して動作
し、第1番目の光電変換セルC1の初期化を行なった
後、次のクロック周期で第2番目の光電変換セルC2を
同様に初期化するというように、1クロック周期毎に第
n番目の光電変換セルCnまでを順次に初期化し、ある
光電変換セルについて初期化がなされると、その光電変
換セルについての光電変換処理を開始する。例えば、第
1番目の光電変換セルC1に着目すると、先ず、S13
をS11と同様にクロックCLK1同期の期間だけオン
にする。但し、S13をS11よりも半周期だけ早くオ
ンにする。このS13だけがオンになっているクロック
半周期の期間に、光電変換セルC1の出力信号の読み出
しを行なう。FIG. 23 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. Referring to FIG.
Operates in synchronism with the clock CLK of the predetermined period, and after the initialization of the first photoelectric conversion cell C1, the next clock The second photoelectric conversion cell C2 is similarly initialized in a cycle, so that the nth photoelectric conversion cell Cn is sequentially initialized every clock cycle, and initialization is performed for a certain photoelectric conversion cell. Then, the photoelectric conversion process for the photoelectric conversion cell is started. For example, focusing on the first photoelectric conversion cell C1, first, S13
Are turned on only during the period of synchronization with the clock CLK1 as in S11. However, S13 is turned on by a half cycle earlier than S11. The output signal of the photoelectric conversion cell C1 is read during a half cycle of the clock in which only S13 is ON.
【0091】次に、S11とS13とが同様にオンにな
るクロック半周期の期間に、さらにS4をオンにするこ
とで、共通信号線CMの電位と増幅素子Q1のソ−ス電
位と増幅素子Q1のゲート電位とをGND(“0”V)
にすることで、この光電変換セルC1を初期化する。Next, during the period of the clock half cycle in which S11 and S13 are similarly turned on, S4 is further turned on, so that the potential of the common signal line CM, the source potential of the amplifying element Q1, and the amplifying element The gate potential of Q1 is set to GND (“0” V)
By doing so, the photoelectric conversion cell C1 is initialized.
【0092】次に、S13をオフにすると、増幅素子Q
1のソース電位は、S13の寄生容量とソースの浮遊容
量とを充電し、ゲ−ト電位に対して、ゲート・ソース間
電圧Vthだけ高い電位に落ちつく。Next, when S13 is turned off, the amplifying element Q
The source potential of 1 charges the parasitic capacitance of S13 and the floating capacitance of the source, and settles to a potential higher than the gate potential by the gate-source voltage Vth.
【0093】しかる後、S11がオフになり、光電変換
素子PD1に入射光量に応じた光電流が流れると、この
光電流は増幅素子Q1のゲートにつながる容量(蓄積容
量)に蓄積され始める。このようにして、増幅素子Q1
のゲ−トにつながる容量に光電流に基づく電荷が蓄積さ
れることにより、増幅素子Q1のゲート電位が上昇し、
ゲート電位が上がると同時に、ソース電位もS13の寄
生容量とソースの浮遊容量とを充電しながらゲート電位
の上昇分だけ上がる。このように、増幅素子Q1は、ゲ
ート電圧に追従してソース電圧が変化するソースフォロ
ワとして働き、増幅素子Q1のゲート・ソース間電圧
は、一定の電圧Vthを保持する。Thereafter, when S11 is turned off and a photocurrent corresponding to the amount of incident light flows through the photoelectric conversion element PD1, this photocurrent starts to be stored in a capacitor (storage capacitor) connected to the gate of the amplifier Q1. Thus, the amplification element Q1
The electric charge based on the photocurrent is accumulated in the capacitor connected to the gate of the amplifying device Q1, and the gate potential of the amplifying element Q1 rises.
At the same time as the gate potential rises, the source potential rises by the rise of the gate potential while charging the parasitic capacitance of S13 and the floating capacitance of the source. As described above, the amplifier element Q1 functions as a source follower whose source voltage changes following the gate voltage, and the gate-source voltage of the amplifier element Q1 maintains a constant voltage Vth.
【0094】ここで、図22の構成では、光電変換素子
PD1が増幅素子Q1のゲ−トとソ−スとの間に接続さ
れていることにより、光電変換素子PD1には、ソース
フォロワとして働く増幅素子Q1のゲート・ソース間電
圧,すなわち、一定の電圧Vthが加わるため、光電変
換素子PD1の寄生容量の電荷は、常にほぼ一定であ
り、ほとんど変動がない。従って、光電変換素子PD1
の寄生容量が蓄積容量に与える影響を非常に小さくする
ことができ、蓄積容量から光電変換素子PD1の寄生容
量分を実質上差し引くことができて、蓄積容量を見かけ
上小さくすることができる。Here, in the configuration of FIG. 22, since the photoelectric conversion element PD1 is connected between the gate and the source of the amplification element Q1, the photoelectric conversion element PD1 functions as a source follower. Since a voltage between the gate and the source of the amplifying element Q1, that is, a constant voltage Vth is applied, the charge of the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element PD1 is almost always constant and hardly fluctuates. Therefore, the photoelectric conversion element PD1
Of the photoelectric conversion element PD1 can be substantially subtracted from the storage capacitance, and the storage capacitance can be apparently reduced.
【0095】これにより、図22の光電変換装置では、
従来の光電変換装置に比べ、約10倍の高感度を得るこ
とができる。Thus, in the photoelectric conversion device shown in FIG.
It is possible to obtain about 10 times higher sensitivity than a conventional photoelectric conversion device.
【0096】この光電変換セルC1は、一定の読み取り
時間(蓄積時間)を経過すると再度初期化されるが、こ
の初期化の直前のクロックCLKの半周期でS13がオ
ンとなり、初期化直前のソース電位が出力信号として共
通信号線CMに出力される。共通信号線CMに出力され
たソ−ス電位は、増幅素子QB1と増幅素子QB2から
なる第1段目のソ−スフォロア回路SF1に加わり、イ
ンピ−ダンス変換され、VO1となる。The photoelectric conversion cell C1 is initialized again after a lapse of a fixed reading time (accumulation time). However, S13 is turned on in a half cycle of the clock CLK immediately before the initialization, and the source immediately before the initialization is turned on. The potential is output to the common signal line CM as an output signal. The source potential output to the common signal line CM is applied to a first-stage source follower circuit SF1 including an amplifier element QB1 and an amplifier element QB2, and is impedance-converted to VO1.
【0097】しかる後、次のクロックCLKの半周期で
S4がオンになって、共通信号線CMの電位と増幅素子
Q1のソ−ス電位はGND(“0”V)に初期化され、
また、これと同時にS11がオンとなって増幅素子Q1
のゲ−ト電位もGND(“0”V)に初期化される。第
2番目乃至第n番目の光電変換セルC2乃至Cnについ
ても、クロックCLKに同期した所定周期づつずれて、
同様の処理が順次になされる。Thereafter, S4 is turned on in a half cycle of the next clock CLK, and the potential of the common signal line CM and the source potential of the amplifier Q1 are initialized to GND ("0" V).
At the same time, S11 turns on, and the amplifying element Q1
Is also initialized to GND ("0" V). The second to n-th photoelectric conversion cells C2 to Cn are also shifted by a predetermined period synchronized with the clock CLK, and
Similar processing is sequentially performed.
【0098】さらに、図22の光電変換装置では、スイ
ッチS6を第3の初期化手段S4と逆相で駆動すること
により、増幅素子QB3の入力容量をホ−ルドコンデン
サとするサンプルホ−ルドがなされ、この光電変換装置
からの最終的な出力信号Voutは、1クロック周期の
間、出力され続ける。Further, in the photoelectric conversion device shown in FIG. 22, by driving the switch S6 in a phase opposite to that of the third initialization means S4, a sample hold using the input capacitance of the amplifying element QB3 as a hold capacitor can be obtained. The final output signal Vout from the photoelectric conversion device is continuously output for one clock cycle.
【0099】すなわち、この回路構成では、第1段目の
ソ−スフォロア回路SF1と第2段目のソ−スフォロア
回路SF2とスイッチS6とにより、インピ−ダンス変
換とともにサンプルホ−ルドを行なうことができ、出力
信号Voutは、1クロック周期の間、出力されるの
で、出力信号の安定している時間が増え、高速化が容易
になった。That is, in this circuit configuration, the sample hold and the impedance conversion can be performed by the first source follower circuit SF1, the second source follower circuit SF2, and the switch S6. Since the output signal Vout is output during one clock cycle, the time during which the output signal is stable is increased, and the speeding up is facilitated.
【0100】さらに、図22の光電変換装置では、図2
0の光電変換装置に対し、第2の初期化手段Sn2が省
略されており、第2の初期化手段Sn2の機能を第1の
初期化手段Sn1と読出手段Sn3と第3の初期化手段
S4との動作タイミングにより実現しているため、図2
0の光電変換装置に比べ、光電変換セルの面積を約85
%縮小することができ、光電変換装置の高集積化が可能
になった。Further, in the photoelectric conversion device of FIG.
0, the second initializing unit Sn2 is omitted, and the functions of the second initializing unit Sn2 are replaced by the first initializing unit Sn1, the reading unit Sn3, and the third initializing unit S4. 2 is realized by the operation timing of FIG.
Area of the photoelectric conversion cell is about 85
%, And high integration of the photoelectric conversion device has become possible.
【0101】なお、上述の各例では増幅素子Q1として
デプレッション型NチャネルMOS・FETを使用した
場合について説明したが、他の電界効果トランジスタを
用いても同様の効果を得ることができる。In each of the examples described above, the case where a depletion type N-channel MOS FET is used as the amplifying element Q1 has been described. However, similar effects can be obtained by using other field effect transistors.
【0102】図24,図25は、増幅素子Q1にエンハ
ンスメント型NチャネルMOS・FETを用いた場合の
光電変換セルC1の構成例を示す図である。なお、この
場合は、デプレッション型と異なり、ソースよりもゲー
トの電位が高いため、光電変換素子PD1の極性は逆と
なる。さらに、増幅素子Q1を正常に動作させるため
に、増幅素子Q1のソ−スと基準電位VR4との間に抵
抗Rを付加している。FIG. 24 and FIG. 25 are diagrams showing a configuration example of the photoelectric conversion cell C1 in the case where an enhancement type N-channel MOSFET is used for the amplification element Q1. Note that, in this case, unlike the depletion type, since the potential of the gate is higher than the source, the polarity of the photoelectric conversion element PD1 is reversed. Further, a resistor R is added between the source of the amplifier element Q1 and the reference potential VR4 in order to operate the amplifier element Q1 normally.
【0103】また、図26,図27は、増幅素子Q1に
NチャネルJ・FETを用いた場合の光電変換セルC1
の構成例を示す図である。図26,図27では、Nチャ
ネルJ・FETのゲート・ソース間のPN接合をフォト
ダイオードPD1として働かせることで、NチャネルM
OS・FETで別個に設けていたフォトダイオードPD
1が不要となり、1つの光電変換セルC1の所要エリア
を小さくすることができる。FIGS. 26 and 27 show a photoelectric conversion cell C1 when an N-channel J-FET is used for the amplifying element Q1.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration. 26 and 27, the PN junction between the gate and the source of the N-channel J-FET acts as the photodiode PD1 to provide the N-channel J-FET.
Photodiode PD provided separately by OS / FET
1 becomes unnecessary, and the required area of one photoelectric conversion cell C1 can be reduced.
【0104】また、上述の各例では、Nチャネル型のデ
バイスを用いているが、これのかわりにPチャネル型の
MOS・FETやJ・FETを用いても良く、この場合
には、接続する電位、および光電変換素子PD1の極性
を変えることにより、Nチャネル型の場合と同様の効果
を得ることができる。In each of the above examples, an N-channel type device is used. However, a P-channel type MOS • FET or J • FET may be used instead. In this case, connection is made. By changing the potential and the polarity of the photoelectric conversion element PD1, the same effect as in the case of the N-channel type can be obtained.
【0105】さらに、上述の各例では、P型シリコン基
板を用いているが、これのかわりにN型シリコン基板を
用いることもでき、その場合には、上述の各例におい
て、各部所の導電型は反対のものとなる。すなわち、P
型はN型となり、N型はP型となり、例えば増幅素子Q
1はPチャネル型のものとなる。この場合にも、上述し
たと同様の効果を得ることができる。Further, in each of the above-described examples, a P-type silicon substrate is used. However, an N-type silicon substrate may be used instead. The type is the opposite. That is, P
The type becomes N type, and the N type becomes P type.
1 is a P-channel type. In this case, the same effect as described above can be obtained.
【0106】また、図14乃至図16に示したような構
造,すなわち、第1の初期化手段のソ−ス(またはドレ
イン)・基板間の容量を小さくするような構造は、図2
8に示すように、光電変換素子であるフォトダイオ−ド
PD1の一端が増幅素子Q1のソ−スに接続されていな
い場合にも適用することができ、光電変換層積層型の場
合に有用である。また、この場合にも、図18と同様に
増幅素子Q1のバックゲ−トを増幅素子Q1のソ−スに
接続してもよい。The structure shown in FIGS. 14 to 16, that is, the structure in which the capacitance between the source (or drain) and the substrate of the first initialization means is reduced, is shown in FIG.
As shown in FIG. 8, the present invention can be applied to a case where one end of the photodiode PD1 which is a photoelectric conversion element is not connected to the source of the amplification element Q1, and is useful in the case of a photoelectric conversion layer laminated type. is there. Also in this case, similarly to FIG. 18, the back gate of the amplifier Q1 may be connected to the source of the amplifier Q1.
【0107】また、図29は本発明に係る光電変換装置
の第3の実施例を示す図である。図29の光電変換装置
は、第1または第2の実施例に示した光電変換装置の構
成(例えば図1あるいは図3の構成)を1つのブロック
とみなし、m個のブロック#1乃至#mを並列に接続し
て構成されており、ブロック選択のためのスイッチS1
5乃至Sm5がさらに設けられている。なお、これらの
スイッチS15乃至Sm5は、そのいずれか1つがオン
となるように制御される。また、S14〜Sm4は第1
または第2の実施例のS4に相当している。また、増幅
器AMP1乃至AMPmは第1または第2の実施例の増
幅器AMPに比べ駆動能力は低いもので良いが、最終段
の増幅器AMP0は第1または第2の実施例の増幅器A
MPと同等の駆動能力が必要である。FIG. 29 is a view showing a third embodiment of the photoelectric conversion device according to the present invention. The photoelectric conversion device of FIG. 29 regards the configuration of the photoelectric conversion device shown in the first or second embodiment (for example, the configuration of FIG. 1 or FIG. 3) as one block, and includes m blocks # 1 to #m. Are connected in parallel, and a switch S1 for selecting a block is provided.
5 to Sm5 are further provided. Note that these switches S15 to Sm5 are controlled so that any one of them is turned on. Also, S14 to Sm4 are the first
Or, it corresponds to S4 of the second embodiment. Further, the amplifiers AMP1 to AMPm may have lower driving capability than the amplifier AMP of the first or second embodiment, but the amplifier AMP0 of the last stage has the amplifier A of the first or second embodiment.
A driving capability equivalent to MP is required.
【0108】図30は図29の光電変換装置において、
ブロックの個数mが“4”の場合の動作を示すタイムチ
ャートである。ここで、メインクロックMCLKは、図
8の光電変換装置全体のタイミングの基準となるもので
あり、各ブロック#1乃至#4のクロックCLK1乃至
CLK4は、メインクロックMCLKを4分周したもの
となっている。各クロックCLK1乃至CLK4の位相
は1/4周期づつずれており、各ブロック#1乃至#4
の出力信号Vout1乃至Vout4も同様に1/4周
期づつずれたものとなる。従って、S15乃至S45に
よって、各ブロックの信号が初期化される直前のメイン
クロックMCLK1周期だけそのブロックを選択するよ
うにすると、増幅器AMP0からの出力Voutは図示
のようにメインクロックMCLK1周期ごとに各ブロッ
ク#1乃至#4からの信号が出力されたものとなり、高
速の信号出力が可能となる。また、出力のビット速度に
対し、各ブロックのビット速度は1/ブロック数となる
ので、より高速化が容易となる。FIG. 30 shows the photoelectric conversion device shown in FIG.
6 is a time chart illustrating an operation when the number m of blocks is “4”. Here, the main clock MCLK is a reference for the timing of the entire photoelectric conversion device in FIG. 8, and the clocks CLK1 to CLK4 of each of the blocks # 1 to # 4 are obtained by dividing the main clock MCLK by four. ing. The phases of the clocks CLK1 to CLK4 are shifted by 1 / cycle, and the blocks # 1 to # 4
Output signals Vout1 to Vout4 are similarly shifted by つ period. Therefore, if the block is selected for only one cycle of the main clock MCLK immediately before the signal of each block is initialized in S15 to S45, the output Vout from the amplifier AMP0 is changed for each cycle of the main clock MCLK as shown in FIG. The signals from blocks # 1 to # 4 are output, and high-speed signal output is possible. Further, since the bit rate of each block is 1 / the number of blocks with respect to the output bit rate, it is easier to increase the speed.
【0109】すなわち、図1,図20あるいは図3,図
22のような構成の光電変換装置を1つのブロックとみ
なし、該ブロックが複数個(m個)並列に接続されて構
成された光電変換装置において、各ブロックは、所定周
期のクロックで動作するようになっており、各ブロック
は、所定周期に対して1/mの周期づつ位相がずれて選
択されるようになっているので、複数のブロックからの
読み出しを高速に行なうことができる。That is, the photoelectric conversion device having the configuration as shown in FIG. 1, FIG. 20 or FIG. 3, FIG. 22 is regarded as one block, and a plurality (m) of the blocks are connected in parallel. In the apparatus, each block operates with a clock having a predetermined period, and each block is selected with a phase shift of 1 / m at a predetermined period. Reading from the block can be performed at high speed.
【0110】[0110]
【発明の効果】以上に説明したように、請求項1乃至1
5記載の発明によれば、光電変換素子が増幅素子のゲ−
トとソ−スの間に接続され、光電変換素子には増幅素子
のゲ−ト・ソ−ス間電圧が加わるようになっているの
で、光電変換素子の寄生容量が増幅素子のゲ−トにつな
がる容量(蓄積容量)に与える影響を非常に小さくし、
蓄積容量を見かけ上小さくすることができて、高感度で
かつ高いSN比の出力信号を得ることができる。As described above, claims 1 to 1 are provided.
According to the invention as set forth in claim 5, the photoelectric conversion element is a gate of the amplification element.
Since the gate-source voltage of the amplifying element is applied to the photoelectric conversion element, the parasitic capacitance of the photoelectric conversion element reduces the gate capacitance of the amplifying element. Has a very small effect on the capacity (storage capacity)
The storage capacitance can be apparently reduced, and an output signal with high sensitivity and a high SN ratio can be obtained.
【0111】また、請求項2記載の発明によれば、読出
手段が増幅素子のソ−ス電位を出力信号として読み出す
機能とともに、ソ−ス電位を出力信号として読み出した
直後にソ−ス電位を初期化する機能をも有しており、増
幅素子のソ−ス電位を初期化するための手段を別途に設
ける必要がなくなり、光電変換装置の小型化を図ること
ができる。According to the second aspect of the present invention, the reading means has the function of reading out the source potential of the amplifying element as an output signal, and the readout means sets the source potential immediately after reading the source potential as an output signal. It also has a function of initializing, so that it is not necessary to separately provide means for initializing the source potential of the amplifying element, and the size of the photoelectric conversion device can be reduced.
【0112】また、請求項5、13記載の発明によれ
ば、増幅素子のバックゲ−トが増幅素子のソ−スと電気
的に接続されているので、増幅素子の基板バイアス効果
をなくすことができて、光電変換装置の入出力特性を向
上させることができる。According to the fifth and thirteenth aspects of the present invention, since the back gate of the amplifying element is electrically connected to the source of the amplifying element, the substrate bias effect of the amplifying element can be eliminated. As a result, the input / output characteristics of the photoelectric conversion device can be improved.
【0113】また、請求項9記載の発明によれば、MO
S・FETとして形成された第1の初期化手段のバック
ゲ−トが、増幅素子のソ−スと電気的に接続されている
ので、第1の初期化手段のソ−ス・基板間、またはドレ
イン・基板間の容量を見かけ上小さくすることができ、
増幅素子のゲ−トにつながる容量をより一層小さくする
ことができて、光電変換装置をより一層高感度化するこ
とができる。According to the ninth aspect of the present invention, the MO
Since the back gate of the first initialization means formed as an S-FET is electrically connected to the source of the amplifying element, the back gate of the first initialization means is provided between the source and the substrate of the first initialization means, or The capacitance between the drain and the substrate can be reduced apparently,
The capacitance connected to the gate of the amplification element can be further reduced, and the sensitivity of the photoelectric conversion device can be further increased.
【0114】また、請求項3,請求項4,請求項6,請
求項7,請求項8,請求項10,請求項11,請求項1
2,請求項14,請求項15記載の発明によれば、光電
変換装置の構造を工夫することにより、光電変換装置の
特性を向上させるとともに、高集積化を図ることができ
る。Further, claim 3, claim 4, claim 6, claim 7, claim 8, claim 10, claim 11, and claim 1
According to the inventions described in claims 14 and 15, by devising the structure of the photoelectric conversion device, the characteristics of the photoelectric conversion device can be improved and high integration can be achieved.
【0115】また、請求項16記載の発明によれば、共
通信号線からの出力信号を増幅して最終的な出力信号と
する増幅手段が、光電変換セルからの出力信号に対し、
インピ−ダンス変換とともにサンプルホ−ルドを行なう
ようになっているので、出力信号の安定している時間が
増え、高速化を容易に実現できる。According to the sixteenth aspect of the present invention, the amplifying means for amplifying the output signal from the common signal line to obtain the final output signal,
Since the sample hold is performed together with the impedance conversion, the time during which the output signal is stable increases, and the speed can be easily increased.
【0116】また、請求項17記載の発明では、請求項
16記載の光電変換装置を1つのブロックとみなし、該
ブロックが複数個(m個)並列に接続されて構成された
光電変換装置において、各ブロックが所定周期のクロッ
クで動作するようになっており、各ブロックが、前記所
定周期に対して1/mの周期づつ位相がずれて選択され
るようになっているので、複数のブロックからの読み出
しを高速に行なうことができる。According to the seventeenth aspect of the present invention, the photoelectric conversion device according to the sixteenth aspect is regarded as one block, and a plurality of (m) blocks are connected in parallel. Each block operates with a clock having a predetermined period, and each block is selected with a phase shift of 1 / m with respect to the predetermined period. Can be read at high speed.
【図1】本発明に係る光電変換装置の第1の実施例の構
成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device according to the present invention.
【図2】図1の光電変換装置の動作を説明するためのタ
イムチャ−トである。FIG. 2 is a time chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 1;
【図3】本発明に係る光電変換装置の第2の実施例の構
成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図4】図3の光電変換装置の動作を説明するためのタ
イムチャ−トである。FIG. 4 is a time chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 3;
【図5】本発明に係る光電変換装置の1つの光電変換セ
ルの構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図6】図5に示した光電変換セルの構造の一例を示す
図である。6 is a diagram illustrating an example of the structure of the photoelectric conversion cell illustrated in FIG.
【図7】図6に示した光電変換セルの構造の改良例を示
す図である。FIG. 7 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図8】図6に示した光電変換セルの構造の改良例を示
す図である。8 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図9】本発明に係る光電変換装置の1つの光電変換セ
ルの構成例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図10】図9に示した光電変換セルの構造の一例を示
す図である。10 is a diagram illustrating an example of the structure of the photoelectric conversion cell illustrated in FIG.
【図11】図10に示した光電変換セルの構造の改良例
を示す図である。11 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図12】図10に示した光電変換セルの構造の改良例
を示す図である。12 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図13】本発明に係る光電変換装置の1つの光電変換
セルの構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図14】図13に示した光電変換セルの構造の一例を
示す図である。14 is a diagram illustrating an example of the structure of the photoelectric conversion cell illustrated in FIG.
【図15】図14に示した光電変換セルの構造の改良例
を示す図である。15 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図16】図14に示した光電変換セルの構造の改良例
を示す図である。16 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図17】本発明に係る光電変換装置の1つの光電変換
セルの構成例を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of one photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図18】図17に示した光電変換セルの構造の一例を
示す図である。18 is a diagram showing an example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図19】図18に示した光電変換セルの構造の改良例
を示す図である。19 is a diagram showing an improved example of the structure of the photoelectric conversion cell shown in FIG.
【図20】図1に示した光電変換装置の具体例を示す図
である。20 is a diagram showing a specific example of the photoelectric conversion device shown in FIG.
【図21】図20の光電変換装置の動作を説明するため
のタイムチャ−トである。FIG. 21 is a time chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 20;
【図22】図3に示した光電変換装置の具体例を示す図
である。FIG. 22 is a diagram showing a specific example of the photoelectric conversion device shown in FIG.
【図23】図22の光電変換装置の動作を説明するため
のタイムチャ−トである。FIG. 23 is a time chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 22;
【図24】本発明に係る光電変換装置の光電変換セルの
他の構成例を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing another configuration example of the photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図25】本発明に係る光電変換装置の光電変換セルの
他の構成例を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing another configuration example of the photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図26】本発明に係る光電変換装置の光電変換セルの
他の構成例を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing another configuration example of the photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図27】本発明に係る光電変換装置の光電変換セルの
他の構成例を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing another configuration example of the photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図28】本発明に係る光電変換装置の光電変換セルの
他の構成例を示す図である。FIG. 28 is a diagram showing another configuration example of the photoelectric conversion cell of the photoelectric conversion device according to the present invention.
【図29】本発明に係る光電変換装置の構成例を示す図
である。FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration example of a photoelectric conversion device according to the present invention.
【図30】図29の光電変換装置の動作を説明するため
のタイムチャ−トである。FIG. 30 is a time chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 29;
【図31】従来の光電変換装置の光電変換セルの構成図
である。FIG. 31 is a configuration diagram of a photoelectric conversion cell of a conventional photoelectric conversion device.
C1乃至Cn 光電変換セル Q,Q1乃至Qn 増幅素子 PD,PD1乃至PDn 光電変換素子 S1,S11乃至Sn1 第1の初期化手段 S2,S12乃至Sn2 第2の初期化手段 S3,S13乃至Sn3 読出手段 S4,S14乃至Sm4 第3の初期化手段 S15乃至Sm5 ブロック選択スイ
ッチ #1乃至#m ブロック CM 共通信号線 AMP,AMP0乃至AMPm 増幅器 101 P型シリコン基板 105 フィ−ルド酸化膜 111 光電変換素子のN
型ウェル 112 光電変換素子の高
濃度P型領域 113 N型ウェル111の電極をとるため
の高濃度N型領域 121 増幅素子のゲート電極 122 増幅素子のゲート絶縁膜 123 増幅素子のソース 124 増幅素子のドレイン 125 P型ウェル 126 N型ウェル 127 N型ウェル126の電極をとるため
の高濃度N型領域 128 P型ウェル125の電極をとるため
の高濃度P型領域 131 第1の初期化手段のゲート電極 132 第1の初期化手段のゲート絶縁膜 133 第1の初期化手段のソース(または
ドレイン) 134 第1の初期化手段のドレイン(また
はソース) 135 N型ウェル 136 N型ウェル135の電極をとるため
の高濃度N型領域 141 読出手段のゲート電極 142 読出手段のゲート絶縁膜 143 読出手段のソース(またはドレイ
ン) 144 読出手段のドレイン(またはソー
ス) L1乃至L5 電極配線C1 to Cn photoelectric conversion cell Q, Q1 to Qn amplifying element PD, PD1 to PDn photoelectric conversion element S1, S11 to Sn1 First initialization means S2, S12 to Sn2 Second initialization means S3, S13 to Sn3 Reading means S4, S14 to Sm4 Third initialization means S15 to Sm5 Block selection switch # 1 to #m Block CM Common signal line AMP, AMP0 to AMPm Amplifier 101 P-type silicon substrate 105 Field oxide film 111 N of photoelectric conversion element
Type well 112 High-concentration P-type region of photoelectric conversion element 113 High-concentration N-type region for taking an electrode of N-type well 111 121 Gate electrode of amplifying element 122 Gate insulating film of amplifying element 123 Source of amplifying element 124 Source of amplifying element Drain 125 P-type well 126 N-type well 127 High-concentration N-type region for taking an electrode of N-type well 126 128 High-concentration P-type region for taking an electrode of P-type well 125 131 Gate of first initialization means Electrode 132 Gate insulating film of first initializing means 133 Source (or drain) of first initializing means 134 Drain (or source) of first initializing means 135 N-type well 136 Electrode of N-type well 135 High-concentration N-type region 141 to be taken 141 Gate electrode of reading means 142 Gate insulating film of reading means 143 Reading means Source (or drain) 144 reading means of the drain (or source) L1 to L5 electrode wirings
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平4−217259 (32)優先日 平成4年7月23日(1992.7.23) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平4−247348 (32)優先日 平成4年8月24日(1992.8.24) (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 南條 健 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上5番地 の10 リコ−応用電子研究所株式会社内 (72)発明者 米田 豊 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上5番地 の10 リコ−応用電子研究所株式会社内 (72)発明者 大泉 充弘 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上5番地 の10 リコ−応用電子研究所株式会社内 (72)発明者 管野 透 宮城県名取市高舘熊野堂字余方上5番地 の10 リコ−応用電子研究所株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04N 1/024 - 1/036 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 4-217259 (32) Priority date July 23, 1992 (1992.7.23) (33) Priority claim country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 4-247348 (32) Priority date August 24, 1992 (1992.8.24) (33) Priority claim country Japan (JP) (72) Inventor Takeshi Ken Nanjo 10 Ricoh-Applied Electronics Research Laboratories Co., Ltd., located at 5-5 Kokata Kumanodo characters in Natori city, Miyagi prefecture (72) Inventor Yutaka Yudena Inside Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Mitsuhiro Oizumi 10 Ricoh-Applied Electronics Research Institute Co., Ltd., located at No. 5 Takakata Kumanodo, Natori City, Miyagi Prefecture 10 Rico 5 in the upper part of the character (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H04N 1/024-1/036
Claims (17)
光電変換装置において、前記光電変換セルには、入射光
量に応じた光電流を発生する光電変換素子と、電界効果
トランジスタにより構成されゲート電圧に追従してソー
ス電圧が変化するソースフォロアとして機能する増幅素
子と、該増幅素子のソース電圧を出力信号として読み出
す読出手段とが含まれており、前記光電変換素子は、前
記増幅素子のゲートとソースの間に接続され、前記光電
変換素子には、前記増幅素子のゲート・ソース間電圧が
加わるようになっていることを特徴とする光電変換装
置。1. A photoelectric conversion device having at least one photoelectric conversion cell, wherein the photoelectric conversion cell comprises a photoelectric conversion element for generating a photocurrent according to the amount of incident light, and a field effect transistor, which follows a gate voltage. And an amplifying element that functions as a source follower whose source voltage changes, and readout means for reading out the source voltage of the amplifying element as an output signal, wherein the photoelectric conversion element includes a gate and a source of the amplifying element. A photoelectric conversion device, wherein a gate-source voltage of the amplification device is applied to the photoelectric conversion device.
前記増幅素子のゲートには、該ゲート電位を初期化する
ための第1の初期化手段がさらに接続されており、ま
た、前記読出手段は、ソ−ス電位を読み出して共通信号
線に出力信号として出力するよう構成されており、この
際、前記読出手段は、前記増幅素子のソ−ス電位を出力
信号として読み出す機能とともに、前記共通信号線の電
位を初期化する手段と協働して、ソース電位を出力信号
として読み出した直後にソース電位を初期化する機能を
も有していることを特徴とする光電変換装置。2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein
First initialization means for initializing the gate potential is further connected to the gate of the amplifying element, and the read means reads the source potential and outputs an output signal to a common signal line. In this case, the reading means has a function of reading out the source potential of the amplifying element as an output signal, and cooperates with means for initializing the potential of the common signal line. A photoelectric conversion device having a function of initializing a source potential immediately after reading the source potential as an output signal.
装置は、第1導電型基板に第2導電型ウェルが形成さ
れ、該第2導電型ウェルに第1導電型領域が形成され
て、第2導電型ウェルと第1導電型領域とにより前記光
電変換素子がフォトダイオ−ドとして形成されており、
また、前記第1導電型基板上には前記増幅素子が第2導
電型のMOS・FETとして形成されており、前記第2
導電型ウェルは、前記増幅素子のソ−スの少なくとも一
部を含んでいることを特徴とする光電変換装置。3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the second conductivity type well is formed in the first conductivity type substrate, and the first conductivity type region is formed in the second conductivity type well. The photoelectric conversion element is formed as a photodiode by the second conductivity type well and the first conductivity type region;
The amplifying element is formed as a second conductivity type MOS-FET on the first conductivity type substrate.
The photoelectric conversion device, wherein the conductivity type well includes at least a part of the source of the amplification element.
前記読出手段は、前記第1導電型基板上に第2導電型の
MOS・FETとして形成されており、前記第2導電型
ウェルは、前記読出手段である第2導電型のMOS・F
ETのソ−スまたはドレインの少なくとも一部を含んで
いることを特徴とする光電変換装置。4. The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein
The reading means is formed as a second conductivity type MOS • FET on the first conductivity type substrate, and the second conductivity type well has a second conductivity type MOS • F which is the reading means.
A photoelectric conversion device comprising at least a part of a source or a drain of ET.
装置において、前記増幅素子は、MOS・FETとして
形成されており、該増幅素子のバックゲ−トは、該増幅
素子のソ−スに接続されていることを特徴とする光電変
換装置。5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the amplifying element is formed as a MOS-FET, and a back gate of the amplifying element is connected to a source of the amplifying element. A photoelectric conversion device, which is connected.
第1導電型基板に第2導電型ウェルX2が形成され、該
第2導電型ウェルX2に第1導電型領域X1が形成され
て、第2導電型ウェルX2と第1導電型領域X1とによ
り前記光電変換素子がフォトダイオ−ドとして形成され
ており、また、前記第1導電型基板上に第2導電型ウェ
ルY2が形成され、第2導電型ウェルY2内にさらに第
1導電型ウェルY1が形成され、第1導電型ウェルY1
内にさらに前記増幅素子が第2導電型のMOS・FET
として形成されていることを特徴とする光電変換装置。6. The photoelectric conversion device according to claim 5, wherein
A second conductivity type well X2 is formed in the first conductivity type substrate, a first conductivity type region X1 is formed in the second conductivity type well X2, and the second conductivity type well X2 is formed by the first conductivity type region X1. The photoelectric conversion element is formed as a photodiode, a second conductivity type well Y2 is formed on the first conductivity type substrate, and a first conductivity type well Y1 is further formed in the second conductivity type well Y2. Is formed, and the first conductivity type well Y1 is formed.
Wherein the amplifying element further comprises a second conductivity type MOS-FET.
A photoelectric conversion device characterized by being formed as:
前記第2導電型ウェルX2は、前記第1導電型基板内に
おいて、前記第2導電型ウェルY2と共通化されている
ことを特徴とする光電変換装置。7. The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein
The photoelectric conversion device, wherein the second conductivity type well X2 is shared with the second conductivity type well Y2 in the first conductivity type substrate.
前記第2導電型ウェルY2は、前記増幅素子のソ−スの
少なくとも一部を含んでいることを特徴とする光電変換
装置。8. The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein
The photoelectric conversion device, wherein the second conductivity type well Y2 includes at least a part of the source of the amplification element.
装置において、前記第1の初期化手段は、MOS・FE
Tとして形成されており、該第1の初期化手段のバック
ゲ−トは、前記増幅素子のソ−スに接続されていること
を特徴とする光電変換装置。9. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said first initialization means includes a MOS-FE.
A photoelectric conversion device formed as T, wherein a back gate of the first initialization means is connected to a source of the amplifying element.
て、前記第1の初期化手段としてのMOS・FETのバ
ックゲ−トは、基板に1画素ごとに独立して形成された
1つのウェルにより形成されていることを特徴とする光
電変換装置。10. The photoelectric conversion device according to claim 9, wherein the back gate of the MOS-FET as the first initialization means is formed by one well formed independently for each pixel on the substrate. A photoelectric conversion device characterized by being performed.
て、前記第1の初期化手段であるMOS・FETのバッ
クゲ−トとして機能する前記ウェルは、前記増幅素子の
ソ−スの少なくとも一部を含んでいることを特徴とする
光電変換装置。11. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein said well functioning as a back gate of a MOS-FET as said first initializing means forms at least a part of a source of said amplifying element. A photoelectric conversion device comprising:
て、前記第1の初期化手段であるMOS・FETのバッ
クゲ−トとして機能する前記ウェルは、前記光電変換素
子の一方の導電型領域としても機能するよう構成されて
いることを特徴とする光電変換装置。12. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein said well functioning as a back gate of a MOS-FET as said first initialization means is also used as one conductivity type region of said photoelectric conversion element. A photoelectric conversion device, which is configured to function.
て、前記第1の初期化手段であるMOS・FETのバッ
クゲ−トおよび前記増幅素子のバックゲ−トは、前記増
幅素子のソ−スと電気的に接続されていることを特徴と
する光電変換装置。13. The photoelectric conversion device according to claim 9, wherein the back gate of the MOS-FET and the back gate of the amplifying element, which are the first initialization means, are electrically connected to the source of the amplifying element. A photoelectric conversion device, which is electrically connected.
て、前記増幅素子のバックゲ−トは、基板に1画素ごと
に独立して形成された1つのウェルにより形成されてい
ることを特徴とする光電変換装置。14. The photoelectric conversion device according to claim 13, wherein the back gate of the amplifying element is formed by one well formed independently for each pixel on the substrate. Conversion device.
て、基板に1画素ごとに独立して形成された1つのウェ
ル内には、第1の初期化手段であるMOS・FETのみ
ならず、増幅素子,光電変換素子が形成され、第1の初
期化手段であるMOS・FETのソ−スまたはドレイン
が光電変換素子の一方の導電型領域と共通化されている
ことを特徴とする光電変換装置。15. The photoelectric conversion device according to claim 14, wherein in one well independently formed for each pixel in the substrate, not only the MOS-FET as the first initializing means but also the amplification. A photoelectric conversion device, wherein a source or a drain of a MOS-FET as a first initialization means is shared with one conductivity type region of the photoelectric conversion device. .
項に記載の光電変換装置において、前記共通信号線に
は、該共通信号線に出力された前記光電変換セルからの
出力信号を増幅する増幅手段が設けられており、該増幅
手段は、前記光電変換セルからの出力信号に対し、イン
ピ−ダンス変換とともにサンプルホ−ルドを行なって出
力電圧を出力するようになっていることを特徴とする光
電変換装置。16. any of claims 1 to 15 one
The photoelectric conversion device according to item 1 , wherein the common signal line is provided with an amplification unit that amplifies an output signal from the photoelectric conversion cell output to the common signal line, and the amplification unit includes the photoelectric conversion unit. A photoelectric conversion device characterized in that an output signal is output by performing a sample hold together with an impedance conversion on an output signal from a conversion cell.
のブロックとみなし、該ブロックが複数個(m個)並列
に接続されて構成された光電変換装置であって、各ブロ
ックは所定周期のクロックで動作するようになってお
り、各ブロックは、前記所定周期に対して1/mの周期
づつ位相がずれて選択されるようになっていることを特
徴とする光電変換装置。17. A photoelectric conversion device comprising the photoelectric conversion device according to claim 16 as one block and a plurality of (m) blocks connected in parallel, wherein each block has a predetermined period. The photoelectric conversion device is configured to operate with a clock, and each block is selected with a phase shift of 1 / m from the predetermined period.
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JP4-217259 | 1992-08-24 | ||
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