JP3673651B2

JP3673651B2 - Current mirror circuit and photoelectric conversion device

Info

Publication number: JP3673651B2
Application number: JP27009198A
Authority: JP
Inventors: 開小塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP2000099175A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体回路及びＣＭＯＳカレントミラー回路に関わるものであり、特にＣＭＯＳカレントミラー定電流源回路を有する一次元、及び２次元の光電変換装置にかかわるものであり、例えば、電源電圧印加時における定電流源回路の立ち上がり特性が良好なＣＭＯＳ定電流源回路の回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光電変換装置の分野においては、受光素子と周辺回路を同一基板中に形成した光電変換装置の開発が積極的に行われている。例えば、演算増幅器を受光素子と同一半導体基板中に形成したリニアセンサ（テレビジョン学会誌Ｖｏ１．４７，Ｎｏ９（１９９３）ｐｐ．１１８０）、サンプルホールド回路を有するイメージセンサ（特開平４−２２３７７１号公報）、演算増幅器で構成された内部基準電圧発生回路を有する固体撮像装置（特開平９−６５２１５号公報）、等が提案されている。
【０００３】
また、演算増幅器のバイアス電流は一般的に定電流源回路を用いて生成されるが、この定電流源回路をＭＯＳトランジスタを用いて形成する場合には、例えば図５に示すようなＣＭＯＳ定電流源回路（Ｒ．Ｇｒｅｇｏｒｉａｎ，Ｇ．Ｃ．ＴｅｍｅｓＡｎａ１ｏｇＭＯＳＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＰ．１２７Ｆｉｇ．４．５．）を用いるのが一般的であるが、その他にも特開平７−４４２５４号公報に開示されているようなＣＭＯＳ定電流源回路も提案されている。
【０００４】
ここで、従来のＣＭＯＳ定電流回路の動作について図５を用いて説明する。
【０００５】
図５に示した、従来のＣＭＯＳ定電流回路に電源電圧が印加された状態において、本定電流回路がカレントミラー回路により構成されている。Ｑ３のドレインからＱ２のドレインに流れる電流とＱ４のドレインからＱ１のドレインに流れる定電流が等しく、通常は、定電流が流れている状態（図５においてＱ２，Ｑ４のＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作している状態）で安定する。
【０００６】
また、図６は従来技術の定電流回路（図５）の平面パターン図であり、図８は図６のＡ−Ａ’での模式的断面図である。ここで、図５中のＮＭＯＳであるＱ１、Ｑ２、及びＰＭＯＳであるＱ３、Ｑ４はそれぞれ図６中のＮＭＯＳ４、３、及びＰＭＯＳ１、２に対応している。
【０００７】
これら２図面から明らかなように、従来は、各々のＰＭＯＳ、ＮＭＯＳともドレイン領域の開口表面積に大きさの相違はなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に開示されているＣＭＯＳ定電流回路と、受光素子とを同一の半導体基板中に形成した光電変換装置においては、光照射時にＣＭＯＳ定電流回路が動作しない場合がある。すなわち、定電流がほとんど流れない状態（図５においてＶ₀₁≒Ｖ_DD、Ｖ₀₂≒ＧＮＤ）で安定した場合があり、当然のことながら、この状態においては、Ｖ₀₁とＶ_DDに電位差がほとんど存在しないために、バイアス電流がほとんど流れず、回路は正常に動作しない。
【０００９】
この理由を以下に説明する。
【００１０】
例えば、Ｑ３のＰＭＯＳトランジスタのドレイン（Ｐ型）とサブストレート（Ｎ型）で形成されるＰＮ接合部で光キャリアが発生すると、図５のＶ₀₁には光生成ホールが蓄積され、Ｖ₀₁の電位が上昇しＱ３、Ｑ４のＰＭＯＳトランジスタはオフ状態となる。それに伴ってＶ₀₂の電位も下降し、最終的には上記の状態で安定する。
【００１１】
また、Ｑ１のＮＭＯＳトランジスタのドレイン（Ｎ型）とウエル（Ｐ型）で形成されるＰＮ接合部で光キャリアが発生する場合も、同様に、Ｖ₀₂にＱ１で発生する光生成電子が蓄積されＶ₀₂の電位は下降し、上記の状態で安定することになり、回路は正常に動作しないことになる。従って、パターンレイアウトやデザインルールの制約で、この定電流回路の遮光が十分にできない場合には、定電流回路が正常に動作しないという問題が発生する。
【００１２】
（発明の目的）
本発明の目的は、上記問題点を解決すべく光照射時においても、電源投入時に正常に動作する半導体回路を実現でき、特に、ＣＭＯＳカレントミラー回路を有する光電変換装置を提供することにある。
【００１３】
なお、本明細書において２つのカレントミラー回路を直列に接続した場合にも１つのカレントミラー回路と称して説明する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ソースが正電源に接続された第１ＰＭＯＳトランジスタと、ソースが該正電源に接続され、ゲート及びドレインが該第１ＰＭＯＳトランジスタのゲートに接続された第２ＰＭＯＳトランジスタと、ソースが基準電位点に接続され、ゲート及びドレインが前記第１ＰＭＯＳトランジスタのドレインと接続された第１ＮＭＯＳトランジスタと、ソースが抵抗を介して該基準電位点に接続され、ゲートが該第１ＮＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、ドレインが、該第２ＰＭＯＳトランジスタのドレインに接続された第２ＮＭＯＳトランジスタと、で構成されるカレントミラー回路において、前記第１ＰＭＯＳトランジスタのドレイン領域の開口表面積が、前記第１ＮＭＯＳトランジスタのドレイン領域の開口表面積より大きいことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、ソースが正電源に接続された第１ＰＭＯＳトランジスタと、ソースが該正電源に接続され、ゲート及びドレインが該第１ＰＭＯＳトランジスタのゲートに接続された第２ＰＭＯＳトランジスタと、ソースが基準電位点に接続され、ゲート及びドレインが前記第１ＰＭＯＳトランジスタのドレインと接続された第１ＮＭＯＳトランジスタと、ソースが抵抗を介して該基準電位点に接続され、ゲートが該第１ＮＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、ドレインが、該第２ＰＭＯＳトランジスタのドレインに接続された第２ＮＭＯＳトランジスタと、で構成されるカレントミラー回路において、前記第２ＮＭＯＳトランジスタのドレイン領域の開口表面積が、前記第２ＰＭＯＳトランジスタのドレイン領域の開口表面積より大きいことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の画像読み取りシステムは、上記いずれかの光電変換装置を用いることを特徴とする。
【００１９】
（作用）
本発明の半導体回路は、光照射時にＮ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流を、Ｐ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流よりも多くする。
【００２０】
また、光照射時にＰ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流を、Ｎ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流よりも多くする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における光電変換装置の３画素分の等価回路図、図２は本発明の光電変換装置に用いている定電流回路の平面パターン図である。
【００２３】
本実施形態の光電変換装置は図１に示すように、ホトダイオード（１０，１０’、１０”）とＰＭＯＳ（１１，１１’、１１”）のゲート及び、リセットスイッチ（１２，１２’、１２”）が接続され、ホトダイオードで発生した信号電荷をＰＭＯＳ（１１、１１’、１１”）ソースホロアで読み出すものである。ここで、ソースホロアはＰＭＯＳトランジスタ（１３、１３’、１３”）の定電流負荷を用いている。この定電流負荷のＰＭＯＳトランジスタ（１３、１３’、１３”）のゲートに定電流回路２０が接続されている。
【００２４】
この光電変換装置は、まずリセットパルスφＲＥＳをハイとして、リセットスイッチ（１２、１２’、１２”）をオンとして、ホトダイオード（１０、１０’、１０”）のアノードを一括してリセット電位ＶＲＥＳにリセットする。次に、所定時間映像光をホトダイオード（１０、１０’、１０”）に照射し、この映像光量に応じてホトダイオード（１０、１０’、１０”）のアノード電位がＰＭＯＳトランジスタ（１１、１１’、１１”）のしきい値以下に下がり、ＰＭＯＳトランジスタ（１１、１１’、１１”）をオンして、映像光量に応じた電流を流す。その電流に応じた電圧を出力電圧Ｖ０１，Ｖ０２，Ｖ０３として出力する。
【００２５】
上記定電流負荷の電流を生成する定電流回路（２０）は、ソースが正電源に接続された第１ＰＭＯＳトランジスタ（２）と、ソースが該正電源に接続され、ゲート及びドレインが該第１ＰＭＯＳトランジスタ（２）のゲートに接続された第２ＰＭＯＳトランジスタ（１）と、ソースが基準電位点に接続され、ゲート及びドレインが第１ＰＭＯＳトランジスタ（２）のドレインと接続された第１ＮＭＯＳトランジスタ（４）と、ソースが抵抗を介して該基準電位点に接続され、ゲートが該第１ＮＭＯＳトランジスタ（４）のゲートに接続され、ドレインが、第２ＰＭＯＳトランジスタのドレインに接続された第２ＮＭＯＳトランジスタ（３）と、で構成される。
【００２６】
また、図２は、本実施形態を用いた定電流回路の平面パターン図である。本図面に示すように、第１ＰＭＯＳトランジスタ（２）のドレイン領域は第１ＮＭＯＳトランジスタ（４）のドレイン領域より大きい。従って、光照射時には、第１ＰＭＯＳトランジスタ（２）のドレイン領域で発生する光生成ホールの方が、第１ＮＭＯＳトランジスタ（４）のドレイン領域で発生する光生成電子よりも大きくなるため、ＮＭＯＳトランジスタ（３、４）のゲート電位は上昇し、定電流回路は正常に動作する。
【００２７】
具体的には、各々のトランジスタのドレイン領域を均一にした定電流回路を用いた従来の光電変換装置の場合には、誤動作する割合が１０％程度も存在していたのに対し、本実施形態の場合はすべて正常に動作した。
【００２８】
また、定電流回路は、本実施形態で用いているカレントミラー回路に限らず、差動増幅回路等の他の回路であっても、ＰＮ接合部で発生する光キャリアの電子と正孔に対して、それを打ち消す素子を持ち得れば、特に光照射の影響による誤動作を防止することができる。また、素材面においても、本実施形態で用いているＣＭＯＳに限られず、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ等であってもよく、半導体デバイスとして本発明を適用できるものである。
【００２９】
また、たとえば、Ｐ型電界効果トランジスタとＮ型電界効果トランジスタとをドレイン領域を通じて直列に接続し、Ｐ型電界効果トランジスタのトランジスタのゲートとＰ型電界効果トランジスタのドレインとを接続して、Ｎ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積をＰ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積よりも大きくした回路構成を備える半導体回路に適用してもよい。
【００３０】
上記のような半導体回路は、光照射時にＮ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流を、Ｐ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流よりも多くすることができる。そのため、カレントミラー回路の場合と同様に、定電流回路として正常に動作させることができる。
【００３１】
なお、Ｎ型電界効果トランジスタのトランジスタのゲートとＮ型電界効果トランジスタのドレインとを接続した場合には、Ｐ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積をＮ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積よりも大きくした半導体回路を適用することとなる。
【００３２】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態における光電変換装置の等価回路図であり、図４は本実施形態に用いた定電流回路の平面パターン図であり、また、図７は図４のＣＭＯＳのＡ−Ａ’の模式的断面図である。
【００３３】
図３を用いて本実施形態の動作を説明すると、受光素子アレイ（２３）で光電変換された信号出力は、シフトレジスタ（２２）により共通出力線（２１）に順次出力される。また共通出力線はオペアンプ（２４）の入力に接続されている。
【００３４】
このオペアンプ（２４）は、定電流回路（２０）の出力に接続されたＰＭＯＳ（２５）のゲートに接続され、ＰＭＯＳ（２５）のドレインにはカレントミラー効果によりＰＭＯＳ（１）のドレイン電流と同じ大きさの電流が流れ、ＰＭＯＳ（２５）のドレインに接続されたカレントミラー回路のＮＭＯＳ（２６），（２７），（３０）に写像され、ＮＭＯＳ（２７）のドレインに接続された負荷としてのカレントミラー回路のＰＭＯＳ（２８），（２９）で再度写像され、ＮＭＯＳ（３０）のドレインに接続されたカレントミラー回路のＰＭＯＳ（３１），（３２）で、ＰＭＯＳ（３２）のドレインには、結果的にＰＭＯＳ（１）のドレイン電流と同一電流が流れる。
【００３５】
受光素子アレイの信号出力はＰＭＯＳ（３３）のゲートに入力され、そのドレインから反転出力として出力段ＮＭＯＳ（３７）のゲートに入力され、受光素子アレイの信号出力と同相の画像信号出力Ｖｏｕｔを得る。なお、ＮＭＯＳ（３５），（３６）は入力段の差動ＰＭＯＳ（３３），（３４）の負荷となり、キャパシタ（３８）は当該オペアンプの位相補償用コンデンサである。
【００３６】
また、図４に示すように、本実施形態においては、オペアンプのバイアス電流を生成する定電流回路を第２ＮＭＯＳトランジスタ（３）のドレイン領域の開口面積を、第２ＰＭＯＳトランジスタ（１）のドレイン領域のそれより大きくしている。
【００３７】
ここで、ドレイン領域の開口表面積とは、ドレインとＰウエルの境界面をいう。
【００３８】
図７は図４のＡ−Ａ’の模式的断面図であり、ゲートは、例えば薄い酸化シリコンＳｉＯ₂絶縁膜により絶縁されている。
【００３９】
図７を用いて、上記定電流回路の平面パターン図（図４）とは別の観点から本発明の実施形態を説明すると、第２ＮＭＯＳドレイン領域（３ａ）の開口面積を大きくすることで、光照射によりこのドレイン領域（３ａ）とウエル（Ｐ型）（３ｃ）との間で発生する光生成電子の方が、第２ＰＭＯＳトランジスタ（１ｂ）のドレイン領域で発生する光生成ホールよりも大きくなる。
【００４０】
したがって、上記のように第２ＮＭＯＳトランジスタのドレイン領域で発生する光生成電子を大きくすることにより、図５のＶ０１に生じる光生成ホールの蓄積を防止することでＣＭＯＳ定電流回路に定電流が流れる状態で安定させることができ、光電変換装置を正常に作動させることができる。
【００４１】
さらには、従来技術で存在していた定電流回路が正常に動作しないという問題は、上記実施形態１と同様に解消でき、当該オペアンプ（図３の２４）の動作も一定電圧が供給されることとなるため、光電変換装置を正常に動作するのである。
【００４２】
また、定電流回路においても上記実施形態と同様に、カレントミラー回路に限らず、ＰＮ接合部で発生する光キャリアの電子と正孔に対して、それを打ち消す素子を持ち得れば、特に光照射の影響による誤動作を防止することができる。また、素材面においても、ＣＭＯＳに限られず、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ等であってもよく、半導体デバイスとして本発明を適用できる点は同様である。
【００４３】
また、たとえば、Ｐ型電界効果トランジスタとＮ型電界効果トランジスタとをドレイン領域を通じて直列に接続し、Ｐ型電界効果トランジスタのトランジスタのゲートとＰ型電界効果トランジスタのドレインとを接続して、Ｎ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積をＰ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積よりも大きくした回路構成を備える半導体回路に適用してもよい。
【００４４】
上記のような半導体回路は、光照射時にＮ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流を、Ｐ型電界効果トランジスタのドレイン領域で発生する光電流よりも多くすることができる。そのため、カレントミラー回路の場合と同様に、定電流回路として正常に動作させることができる。
【００４５】
なお、Ｎ型電界効果トランジスタのトランジスタのゲートとＮ型電界効果トランジスタのドレインとを接続した場合には、Ｐ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積をＮ型電界効果トランジスタのドレイン領域の開口表面積よりも大きくした半導体回路を適用することとなる。
【００４６】
さらに、本発明においては、定電流回路を構成するＭＯＳトランジスタのドレインとウエルで発生する光電流が大き過ぎる場合は、定電流回路の電流精度を悪化させ、かつ、暗時と光照射時で定電流が変化するというような不都合も生じるため、ＭＯＳトランジスタのドレイン領域に流れる光電流は、定電流回路に流れる電流に対して、十分小さくすることが好ましい。
【００４７】
また、本発明は、１次元、２次元の光電変換装置のみならず、種々の光電変換装置に適用することが可能であることはいうまでもない。
【００４８】
以上述べたように、パターンレイアウトやデザインルールの制約で、定電流回路部分の遮光が十分にできない場合においても、本発明の構成を用いることにより、光照射時に定電流源回路が正常に動作しないという問題を解決することが可能になるのである。
【００４９】
（実施形態３）
実施形態１または実施形態２において説明した光電変換装置を用いた画像読み取りシステムについて説明する。本実施形態の画像読み取りシステムは、少なくとも、光電変換装置の動作を制御する駆動手段と、上記の実施形態において説明した光電変換装置と、光源とから構成されている。
【００５０】
画像読み取りシステムには、駆動手段として外部にあるＣＰＵなどから出力されるスタートパルス、クロックパルスなどが入力される。そして、例えばＣＰＵからスキャンを開始させたり、モータ駆動を受けて光源やセンサ駆動等の駆動を行っている。さらに、光電変換装置からの出力信号は、信号処理手段にて、例えば、シェーディング補正や、ダーク補正等の処理がなされ、その後、処理がなされた信号はＣＰＵに取り込まれる。
【００５１】
したがって、定電流源を備える光電変換装置を有する画像入力システムを実現することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上示したように、本発明により、光照射時においても、正常に動作する半導体回路及びＣＭＯＳカレントミラー回路を実現できる。特に、半導体回路及びＣＭＯＳカレントミラー回路を定電流源として用いる光電変換装置を実現することが可能となり、その効果は絶大である。
【００５３】
また、本発明にかかる画像読み取りシステムは、光照射時に、定電流源となる半導体回路などを備えた光電変換装置を用いているため、正常で安定した動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における光電変換装置の３画素分の等価回路図である。
【図２】本発明の実施形態１に用いた定電流回路の平面パターン図である。
【図３】本発明の実施形態２における光電変換装置の等価回路図である。
【図４】本発明の実施形態２に用いた定電流回路の平面パターン図である。
【図５】従来技術の定電流源回路の等価回路図である。
【図６】従来技術の定電流源回路の平面パターン図の一例である。
【図７】ＣＭＯＳ（第２ＰＭＯＳと第２ＮＭＯＳ）の模式的断面図である。
【図８】従来技術のＣＭＯＳ（第２ＰＭＯＳと第２ＮＭＯＳ）の模式的断面図である。
【符号の説明】
１，２ＰＭＯＳトランジスタ
１ａＰＭＯＳトランジスタのソース
１ｂＰＭＯＳトランジスタのドレイン
３ａＮＭＯＳトランジスタのドレイン
３ｂＮＭＯＳトランジスタのソース
３ｃＰウエル
３，４ＮＭＯＳトランジスタ
１０’、１０” ホトダイオード
１１’、１１” ＰＭＯＳトランジスタ
１２’、１２” リセットスイッチ
１３’、１３” 定電流負荷用ＰＭＯＳトランジスタ
２０定電流回路
２１共通出力線
２２シフトレジスタ
２３受光素子アレイ
２４オペアンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor circuit and a CMOS current mirror circuit, and more particularly to one-dimensional and two-dimensional photoelectric conversion devices having a CMOS current mirror constant current source circuit. The present invention relates to a circuit configuration of a CMOS constant current source circuit with good rising characteristics of the constant current source circuit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the field of photoelectric conversion devices, development of photoelectric conversion devices in which a light receiving element and a peripheral circuit are formed on the same substrate has been actively carried out. For example, a linear sensor in which an operational amplifier is formed in the same semiconductor substrate as the light receiving element (Television Society magazine Vo 1.47, No 9 (1993) pp. 1180), an image sensor having a sample hold circuit (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 4-223771). ), A solid-state imaging device (Japanese Patent Laid-Open No. 9-65215) having an internal reference voltage generation circuit constituted by an operational amplifier, and the like have been proposed.
[0003]
The bias current of the operational amplifier is generally generated using a constant current source circuit. When this constant current source circuit is formed using a MOS transistor, for example, a CMOS constant current as shown in FIG. It is common to use a source circuit (R. Gregorian, GC Temes Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing P. 127 Fig. 4.5.). A CMOS constant current source circuit as disclosed has also been proposed.
[0004]
Here, the operation of the conventional CMOS constant current circuit will be described with reference to FIG.
[0005]
In the state where the power supply voltage is applied to the conventional CMOS constant current circuit shown in FIG. 5, this constant current circuit is constituted by a current mirror circuit. The current that flows from the drain of Q3 to the drain of Q2 is equal to the constant current that flows from the drain of Q4 to the drain of Q1, and usually a constant current flows (in FIG. 5, the MOS transistors of Q2 and Q4 operate in the saturation region). Stable state).
[0006]
6 is a plan pattern diagram of a conventional constant current circuit (FIG. 5), and FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. Here, the NMOSs Q1 and Q2 and the PMOSs Q3 and Q4 in FIG. 5 correspond to the NMOSs 4 and 3 and the PMOSs 1 and 2 in FIG. 6, respectively.
[0007]
As is apparent from these two drawings, conventionally, there is no difference in the size of the opening surface area of the drain region of each PMOS and NMOS.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the photoelectric conversion device in which the CMOS constant current circuit disclosed in the prior art and the light receiving element are formed in the same semiconductor substrate, the CMOS constant current circuit may not operate during light irradiation. That is, there is a case where the current is stable in a state where almost no constant current flows (V ₀₁ ≈V _DD , V ₀₂ ≈GND in FIG. 5). Naturally, in this state, there is almost no potential difference between V ₀₁ and V _DD. Since it does not exist, the bias current hardly flows and the circuit does not operate normally.
[0009]
The reason for this will be described below.
[0010]
For example, when the optical carriers generated in the PN junction formed drain of Q3 of the PMOS transistor and (P-type) in the substrate (N-type), the light generated holes are accumulated in the V ₀₁ in FIG. 5, the V ₀₁ The potential rises and the PMOS transistors Q3 and Q4 are turned off. Along with this, the potential of V ₀₂ also decreases, and finally stabilizes in the above state.
[0011]
Further, even when the photocarriers generated in the PN junction formed by the drain of Q1 of the NMOS transistor (N-type) and the well (P type), similarly, photogenerated electrons generated at V ₀₂ in Q1 are accumulated The potential of V ₀₂ drops and stabilizes in the above state, and the circuit does not operate normally. Accordingly, when the constant current circuit cannot be sufficiently shielded due to restrictions on the pattern layout and design rules, there arises a problem that the constant current circuit does not operate normally.
[0012]
(Object of invention)
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having a CMOS current mirror circuit, which can realize a semiconductor circuit that operates normally when power is turned on, even during light irradiation, in order to solve the above problems.
[0013]
In the present specification, a case where two current mirror circuits are connected in series will be referred to as one current mirror circuit.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a first PMOS transistor having a source connected to a positive power source, a second PMOS transistor having a source connected to the positive power source, a gate and a drain connected to the gate of the first PMOS transistor, and a source having a reference potential point. A first NMOS transistor having a gate and a drain connected to the drain of the first PMOS transistor, a source connected to the reference potential point via a resistor, a gate connected to the gate of the first NMOS transistor, and a drain However, in the current mirror circuit including the second NMOS transistor connected to the drain of the second PMOS transistor, the opening surface area of the drain region of the first PMOS transistor is larger than the opening surface area of the drain region of the first NMOS transistor. about And it features.
[0015]
The present invention also provides a first PMOS transistor having a source connected to a positive power supply, a second PMOS transistor having a source connected to the positive power supply, a gate and a drain connected to the gate of the first PMOS transistor, and a source as a reference. A first NMOS transistor connected to a potential point, a gate and a drain connected to the drain of the first PMOS transistor, a source connected to the reference potential point via a resistor, and a gate connected to the gate of the first NMOS transistor; , And a second NMOS transistor having a drain connected to the drain of the second PMOS transistor, wherein an opening surface area of the drain region of the second NMOS transistor is an opening surface area of the drain region of the second PMOS transistor Larger It is characterized in.
[0018]
The image reading system of the present invention uses any one of the photoelectric conversion devices described above.
[0019]
(Function)
In the semiconductor circuit of the present invention, the photocurrent generated in the drain region of the N-type field effect transistor during light irradiation is made larger than the photocurrent generated in the drain region of the P-type field effect transistor.
[0020]
Further, the photocurrent generated in the drain region of the P-type field effect transistor during light irradiation is made larger than the photocurrent generated in the drain region of the N-type field effect transistor.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0022]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of three pixels of the photoelectric conversion device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan pattern diagram of a constant current circuit used in the photoelectric conversion device of the present invention.
[0023]
As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion device of the present embodiment includes a photodiode (10, 10 ′, 10 ″) and a PMOS (11, 11 ′, 11 ″) gate and a reset switch (12, 12 ′, 12 ″). ) Are connected, and the signal charge generated by the photodiode is read out by the PMOS (11, 11 ′, 11 ″) source follower. Here, the source follower uses a constant current load of a PMOS transistor (13, 13 ′, 13 ″). A constant current circuit 20 is connected to the gate of the PMOS transistor (13, 13 ′, 13 ″) of the constant current load. Has been.
[0024]
In this photoelectric conversion device, first, the reset pulse φRES is set to high, the reset switches (12, 12 ′, 12 ″) are turned on, and the anodes of the photodiodes (10, 10 ′, 10 ″) are collectively reset to the reset potential VRES. To do. Next, image light is irradiated to the photodiode (10, 10 ′, 10 ″) for a predetermined time, and the anode potential of the photodiode (10, 10 ′, 10 ″) is set to the PMOS transistor (11, 11 ′, 11 ″), the PMOS transistor (11, 11 ′, 11 ″) is turned on, and a current corresponding to the amount of video is supplied. Voltages corresponding to the current are output as output voltages V01, V02, and V03.
[0025]
The constant current circuit (20) for generating a current of the constant current load includes a first PMOS transistor (2) having a source connected to a positive power source, a source connected to the positive power source, and a gate and a drain being the first PMOS transistor. A second PMOS transistor (1) connected to the gate of (2), a first NMOS transistor (4) whose source is connected to the reference potential point, and whose gate and drain are connected to the drain of the first PMOS transistor (2); A second NMOS transistor (3) having a source connected to the reference potential point via a resistor, a gate connected to the gate of the first NMOS transistor (4), and a drain connected to the drain of the second PMOS transistor; Composed.
[0026]
FIG. 2 is a plan pattern diagram of a constant current circuit using this embodiment. As shown in the drawing, the drain region of the first PMOS transistor (2) is larger than the drain region of the first NMOS transistor (4). Accordingly, during light irradiation, the photogenerated holes generated in the drain region of the first PMOS transistor (2) are larger than the photogenerated electrons generated in the drain region of the first NMOS transistor (4). 4) The gate potential rises and the constant current circuit operates normally.
[0027]
Specifically, in the case of a conventional photoelectric conversion device using a constant current circuit in which the drain region of each transistor is uniform, a malfunction rate of about 10% exists, whereas this embodiment In all cases, it worked fine.
[0028]
In addition, the constant current circuit is not limited to the current mirror circuit used in the present embodiment, and even in other circuits such as a differential amplifier circuit, the constant current circuit is used for electrons and holes of photocarriers generated at the PN junction. If an element that cancels it out can be provided, it is possible to prevent a malfunction due to the influence of light irradiation. In terms of materials, the present invention is not limited to the CMOS used in the present embodiment, and may be a field effect transistor such as a MOSFET, a bipolar transistor, or the like, and the present invention can be applied as a semiconductor device.
[0029]
Further, for example, a P-type field effect transistor and an N-type field effect transistor are connected in series through a drain region, and a gate of the P-type field effect transistor and a drain of the P-type field effect transistor are connected to form an N-type. You may apply to a semiconductor circuit provided with the circuit structure which made the opening surface area of the drain region of a field effect transistor larger than the opening surface area of the drain region of a P-type field effect transistor.
[0030]
In the semiconductor circuit as described above, the photocurrent generated in the drain region of the N-type field effect transistor during light irradiation can be made larger than the photocurrent generated in the drain region of the P-type field effect transistor. Therefore, as in the case of the current mirror circuit, it can be operated normally as a constant current circuit.
[0031]
When the gate of the transistor of the N-type field effect transistor and the drain of the N-type field effect transistor are connected, the opening surface area of the drain region of the P-type field effect transistor is the opening surface area of the drain region of the N-type field effect transistor. A larger semiconductor circuit is applied.
[0032]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention, FIG. 4 is a plan pattern diagram of the constant current circuit used in the present embodiment, and FIG. It is typical sectional drawing of -A '.
[0033]
The operation of this embodiment will be described with reference to FIG. 3. The signal output photoelectrically converted by the light receiving element array (23) is sequentially output to the common output line (21) by the shift register (22). The common output line is connected to the input of the operational amplifier (24).
[0034]
The operational amplifier (24) is connected to the gate of the PMOS (25) connected to the output of the constant current circuit (20). The drain of the PMOS (25) is the same as the drain current of the PMOS (1) due to the current mirror effect. A large current flows and is mapped to the NMOS (26), (27), (30) of the current mirror circuit connected to the drain of the PMOS (25), and as a load connected to the drain of the NMOS (27). The current mirror circuit PMOS (28) and (29) are re-mapped, and the current mirror circuit PMOS (31) and (32) connected to the drain of the NMOS (30) are connected to the PMOS (32) drain. As a result, the same current as the drain current of the PMOS (1) flows.
[0035]
The signal output of the light receiving element array is input to the gate of the PMOS (33), and the inverted output is input to the gate of the output stage NMOS (37) to obtain an image signal output Vout in phase with the signal output of the light receiving element array. . The NMOS (35) and (36) serve as loads for the differential PMOS (33) and (34) in the input stage, and the capacitor (38) is a phase compensation capacitor for the operational amplifier.
[0036]
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the constant current circuit for generating the bias current of the operational amplifier has an opening area of the drain region of the second NMOS transistor (3), and the drain region of the second PMOS transistor (1). It is bigger than that.
[0037]
Here, the opening surface area of the drain region refers to the interface between the drain and the P-well.
[0038]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4. The gate is insulated by, for example, a thin silicon oxide SiO ₂ insulating film.
[0039]
Referring to FIG. 7, the embodiment of the present invention will be described from a viewpoint different from the plane pattern diagram of the constant current circuit (FIG. 4). By increasing the opening area of the second NMOS drain region (3a), The photogenerated electrons generated between the drain region (3a) and the well (P type) (3c) by light irradiation are larger than the photogenerated holes generated in the drain region of the second PMOS transistor (1b). Become.
[0040]
Therefore, by increasing the photogenerated electrons generated in the drain region of the second NMOS transistor as described above, a constant current flows through the CMOS constant current circuit by preventing the accumulation of photogenerated holes generated at V01 in FIG. The photoelectric conversion device can be operated normally.
[0041]
Further, the problem that the constant current circuit existing in the prior art does not operate normally can be solved in the same manner as in the first embodiment, and the operation of the operational amplifier (24 in FIG. 3) is also supplied with a constant voltage. Therefore, the photoelectric conversion device operates normally.
[0042]
Further, in the constant current circuit as well as the above-described embodiment, not only the current mirror circuit but also an element that cancels the electrons and holes of the photocarrier generated at the PN junction can be obtained. A malfunction due to the influence of irradiation can be prevented. Also, in terms of materials, the present invention is not limited to CMOS, and may be a field effect transistor such as MOSFET, a bipolar transistor, or the like, and is similar in that the present invention can be applied as a semiconductor device.
[0043]
Further, for example, a P-type field effect transistor and an N-type field effect transistor are connected in series through a drain region, and a gate of the P-type field effect transistor and a drain of the P-type field effect transistor are connected to form an N-type. You may apply to a semiconductor circuit provided with the circuit structure which made the opening surface area of the drain region of a field effect transistor larger than the opening surface area of the drain region of a P-type field effect transistor.
[0044]
In the semiconductor circuit as described above, the photocurrent generated in the drain region of the N-type field effect transistor during light irradiation can be made larger than the photocurrent generated in the drain region of the P-type field effect transistor. Therefore, as in the case of the current mirror circuit, it can be operated normally as a constant current circuit.
[0045]
When the gate of the transistor of the N-type field effect transistor and the drain of the N-type field effect transistor are connected, the opening surface area of the drain region of the P-type field effect transistor is the opening surface area of the drain region of the N-type field effect transistor. A larger semiconductor circuit is applied.
[0046]
Furthermore, in the present invention, if the photocurrent generated at the drain and well of the MOS transistor constituting the constant current circuit is too large, the current accuracy of the constant current circuit is deteriorated, and the constant current circuit is constant during dark and light irradiation. Inconveniences such as a change in current also occur, and therefore it is preferable that the photocurrent flowing in the drain region of the MOS transistor be sufficiently smaller than the current flowing in the constant current circuit.
[0047]
Needless to say, the present invention can be applied not only to one-dimensional and two-dimensional photoelectric conversion devices but also to various photoelectric conversion devices.
[0048]
As described above, even when the constant current circuit portion cannot be sufficiently shielded due to the restrictions on the pattern layout and design rules, the constant current source circuit does not operate normally at the time of light irradiation by using the configuration of the present invention. It becomes possible to solve the problem.
[0049]
(Embodiment 3)
An image reading system using the photoelectric conversion device described in Embodiment 1 or Embodiment 2 will be described. The image reading system according to this embodiment includes at least a driving unit that controls the operation of the photoelectric conversion device, the photoelectric conversion device described in the above embodiment, and a light source.
[0050]
The image reading system receives a start pulse, a clock pulse, and the like output from an external CPU as a driving unit. For example, scanning is started from the CPU, or driving such as a light source or a sensor is performed by receiving motor driving. Further, the output signal from the photoelectric conversion device is subjected to processing such as shading correction and dark correction, for example, by the signal processing means, and then the processed signal is taken into the CPU.
[0051]
Therefore, an image input system having a photoelectric conversion device including a constant current source can be realized.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor circuit and a CMOS current mirror circuit that operate normally even during light irradiation can be realized. In particular, a photoelectric conversion device using a semiconductor circuit and a CMOS current mirror circuit as a constant current source can be realized, and the effect is enormous.
[0053]
In addition, since the image reading system according to the present invention uses a photoelectric conversion device provided with a semiconductor circuit or the like serving as a constant current source during light irradiation, it can perform normal and stable operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for three pixels of a photoelectric conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a plan pattern diagram of a constant current circuit used in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a photoelectric conversion apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a plan pattern diagram of a constant current circuit used in Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a conventional constant current source circuit.
FIG. 6 is an example of a plan pattern diagram of a constant current source circuit of the prior art.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a CMOS (second PMOS and second NMOS).
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a conventional CMOS (second PMOS and second NMOS).
[Explanation of symbols]
1, 2 PMOS transistor 1a PMOS transistor source 1b PMOS transistor drain 3a NMOS transistor drain 3b NMOS transistor source 3c P well 3, 4 NMOS transistor 10 ', 10 "photodiode 11', 11" PMOS transistor 12 ', 12 "Reset switch 13 ', 13" PMOS transistor 20 for constant current load 20 Constant current circuit 21 Common output line 22 Shift register 23 Light receiving element array 24 Operational amplifier

Claims

A first PMOS transistor whose source is connected to a positive power supply;
A second PMOS transistor having a source connected to the positive power supply and a gate and drain connected to the gate of the first PMOS transistor;
A first NMOS transistor having a source connected to a reference potential point and a gate and drain connected to the drain of the first PMOS transistor;
A current mirror including a source connected to the reference potential point via a resistor, a gate connected to the gate of the first NMOS transistor, and a drain connected to the drain of the second PMOS transistor; In the circuit
The current mirror circuit , wherein an opening surface area of the drain region of the first PMOS transistor is larger than an opening surface area of the drain region of the first NMOS transistor .

A photoelectric conversion device comprising: the current mirror circuit according to claim 1; and a light receiving element connected to the current mirror circuit.

3. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the current mirror circuit and the light receiving element connected to the current mirror circuit are formed on the same substrate.

A first PMOS transistor whose source is connected to a positive power supply;
A second PMOS transistor having a source connected to the positive power supply and a gate and drain connected to the gate of the first PMOS transistor;
A first NMOS transistor having a source connected to a reference potential point and a gate and drain connected to the drain of the first PMOS transistor;
A current mirror including a source connected to the reference potential point via a resistor, a gate connected to the gate of the first NMOS transistor, and a drain connected to the drain of the second PMOS transistor; In the circuit
A current mirror circuit , wherein an opening surface area of the drain region of the second NMOS transistor is larger than an opening surface area of the drain region of the second PMOS transistor .

5. A photoelectric conversion device comprising: the current mirror circuit according to claim 4; and a light receiving element connected to the current mirror circuit.

6. The photoelectric conversion device according to claim 5, wherein the current mirror circuit and the light receiving element connected to the current mirror circuit are formed on the same substrate.

An image reading system using the photoelectric conversion device according to any one of claims 2 , 3 , 5 , and 6 .