JP3919243B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置に関し、特に画素内にフローティングゲートアンプを有する増幅型光電変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、光電変換素子は、1次元状又は2次元状に配列して画像信号を得ることができるので、イメージセンサとして活用され、ビデオカメラや複写機、ファクシミリ等に活用され、今後もマルチメディア時代の到来とともに多彩な方面に用いられると予測されている。この光電変換素子を用いた一例である増幅型光電変換装置としては、光電変換素子としての金属ー酸化物ー半導体のMOS構造と同様なプロセスで、該光電変換された光電荷を有効に転送選択出力できる能動素子を一貫して構成できることが望まれている。このような構造例を達成したものとして、画素内にフローティングゲートアンプを有する増幅型光電変換装置とするCMOS型センサがある。これらの装置は[Proceedings of the SPIE vol. 1952. Aerospace Science and Sending-Surveillance Sensors(1993)]等の文献に記載されている。
【0003】
図9(A)にこの光電変換装置の画素部の回路構造図を示す。同図において、1はSi基板上に形成されたP型ウェル、2はP型ウェル内に形成された空乏層、3は制御パルスφPGを供給されるフォトゲート、5は制御パルスφTXを供給され、フォトゲート3下に蓄積された光電荷を転送するMOSトランジスタの転送ゲート、6はフォトゲートでの光電荷の過大蓄積を防止するアンチブルーミングゲート(ABG)、7はアンチブルーミングドレイン(ABD)、8はフローティングゲート(FG)、9はソースフォロワのアンプMOSトランジスタ、11は当該画素を選択する選択スイッチ、19はソースフォロワの負荷MOS、31は素子分離ゲート、32はフローティングゲートをリセットするMOSスイッチである。
【0004】
また、図9(B)は上記光電変換装置の概略等価回路図である。図において、33は上述の転送ゲート5により制御される転送MOSトランジスタ、34は上記アンチブルーミングゲート(ABG)6により制御されるアンチブルーミングMOSトランジスタである。他の符号は図9(A)と同様である。
【0005】
本光電変換装置においては、対象画像からの入射光のうち、フォトゲート3を透過した光により、フォトゲート3下に発生した電子電荷が蓄積され、転送ゲート5へのハイパルスによりフローティングゲート8下の空乏層に電荷を転送し、そのフローティングゲート8の電位変化をソースフォロワアンプを構成するソースフォロワMOSトランジスタ9で電圧ゲイン略1の出力を得、制御パルスφROW、φVLNをハイとすることでMOSトランジスタ11,19をオンしてVOUTとして出力する。
【0006】
本光電変換装置は、非破壊読み出しであるため、何回でも読み出しが可能となっている。又、CMOSプロセスコンパチブルで製作できるため、低コストであることも特徴となっている。更に画素毎で増幅するため、非常に高感度なセンサが実現できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例では1画素を構成する素子数が多いため、微細化が困難となっていた。又、フローティングゲートにMOSスイッチを接続してVDDにリセットをかけるため、スイッチングによるkTCノイズが発生したり、寄生容量増加による感度低下を招いていた。
【0008】
本出願に係る第1の発明の目的はリセットノイズ抑制と高感度化であり、第2の発明の目的は光電変換装置の微細化である。
【0009】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明は画素部にフローティングゲートアンプを設け、そのフローティングゲートを容量結合で制御することにより、信号の読み出し、リセットを行うことを特徴とする。このためフローティングゲートにスイッチを設ける必要がなくなるため、リセットノイズが発生しなくなり高感度の信号検出が可能となる。
【0010】
又、フローティングゲートを制御する電極はフローティングゲート上に形成するため、微細化も可能となる。
【0011】
具体的には、複数の光電変換素子を有するXYアドレス型増幅型光電変換装置において、XYアドレス型の各画素にはソースフォロワ増幅器のフローティングゲートと、上記光電変換素子からフローティングゲート下に電荷を転送する転送ゲートと、電荷排出用のドレインと制御ゲートとを備え、上記フローティングゲート上には上記フローティングゲートの電位を容量結合で制御する電極を設け、上記フローティングゲートの電位変化をソースフォロワ動作で読み出すことを特徴とする。また上記光電変換素子がフォトゲートで制御される空乏層からなることを特徴とする。さらに、上記光電変換素子がpnフォトダイオードであることを特徴とする。また、上記電荷排出用のドレインと制御ゲートは、上記ドレインを電源に接続し、上記制御ゲートには上記電極の制御パルスをローとするときと同期してハイとする制御パルスを供給することを特徴とする。また、上記転送ゲートへの制御パルスは上記制御ゲートへの制御パルスの供給レベルよりも小さいミドルレベルであることを特徴とする。
【0012】
かかる光電変換装置の構造及び構成により、容量結合で制御する電極にハイパルスを供給してその瞬時にフローティングゲートの空乏層を深く広げて電子電荷を吸収し徐々に空乏層を所定の電位に相当する深さまで戻す。その後当該空乏層内の電子電荷をソースフォロワ動作で出力する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、各実施例とともに図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0014】
(第1の実施例)
図1に本発明による第1実施例の画素構成図を示す。又、図2にこの画素を二次元状に配列しエリアセンサとして用いた場合の概略的回路構成図を示す。
【0015】
図1,図2において、1はn型Si基板上に形成されたp型ウェル領域、2は制御パルスφPGにハイ電圧を供給されるフォトゲート3の電界で形成される空乏層、3は薄いポリSiで作られるフォトゲート、4は空乏層ゲート2上に形成される絶縁酸化膜、5は転送MOSトランジスタを形成する転送ゲート、6はブルーミング防止のため過剰電荷を排出するアンチブルーミングゲート、7は電源VDDに固定されたn+ 領域、8はソースフォロワアンプ型MOSトランジスタ9のフローティングゲート、10はフローティングゲート8の電位を制御しフローティングゲート8下の空乏層領域を制御する制御電極、11は信号出力選択スイッチであるスイッチMOSトランジスタ、12は2次元状エリアセンサの垂直方向の画素信号を出力する垂直出力線、13は垂直出力線12に対応する2次元状エリアセンサの水平方向の画素信号を駆動する水平駆動線である。
【0016】
また、15は上記各要素を含む1つの画素、16は2次元状エリアセンサの水平駆動線13を活性化するためにタイミング信号を出力する垂直走査回路、17は各垂直出力線12からの画像信号を水平出力線22に選択出力するためのタイミング信号を供給する水平走査回路、18は垂直出力線12に出力された画像信号を転送する転送MOSトランジスタのスイッチ、19はソースフォロワの負荷となり且つ垂直出力線12をリセットする負荷MOSトランジスタ、20は垂直出力線12の画像信号を一時的に蓄積する蓄積用容量、21は水平走査回路17のタイミングに従って水平出力線22に転送する水平転送MOSスイッチ、22は水平走査回路17のタイミングに従って時系列的に垂直出力線の画像信号を出力する水平出力線、23は水平出力線22の画像信号を増幅する出力アンプ、24は水平出力線22をリセットする水平線リセット用MOSトランジスタである。 以下、本発明による光電変換装置の動作を概略的に説明する。ポリSi電極構造のフォトゲート3を透過した入射光hνにより、空乏層2中で電子正孔対が発生し、制御パルスφPGをハイとして空乏層2への電界により、電子はフォトゲート3下の空乏層2内のSi界面に蓄積され、正孔はp型ウェルへ排出される。蓄積期間が終了すると転送MOSスイッチをオンさせ、蓄積電荷をフローティングゲート8下に転送させる。フローティングゲート8下に電荷が転送されると容量結合によりフローティングゲート8の電位が変化し、その電位変化をソースフォロワ動作で外部へ出力することにより高感度で非破壊、かつ線型性の良い光電変換特性を得ることができる。
【0017】
次に図3のタイミングチャートを用いて詳しく動作を説明する。先ず、時刻T0において、垂直走査回路16よりタイミング制御φV1がハイ状態となり、その水平ライン13の画素15ー11〜15ー13が選択される。この時の電位分布と電荷状態を簡単に示したのが図4(a)である。このとき電源VDDがn+ 領域7に供給され、制御パルスφPGをハイとし、制御パルスφTXをローとしているので図4(a)に示すような空乏層2が形成される。時刻T1において、制御パルスφRをハイとして、フローティングゲート8に容量結合で電位を与え、フローティングゲート8下の空乏層2を広げ、またフローティングゲート8下の電子を電源VDDに放出してリセットする。この時の状態が図4(b)である。
【0018】
時刻T3で制御パルスφTXをミドルレベル、制御パルスφPGをロウレベルにすることにより、フォトゲート3下の電荷をフローティングゲート8下に完全転送する(図4(c))。この時、制御パルスφTXは完全に電荷を転送できれば、パルス動作でなくミドルレベルで固定のままでも良い。フォトゲート3下の電荷が転送されると、その電荷数に応じてフローティングゲート8の電位が変化する。 時刻T4 において、その電位変化を転送制御パルスφTをハイとして、ソースフォロワMOSトランジスタ9のソースフォロワ動作で、蓄積容量CT20へ出力させる。
【0019】
時刻T5 において、制御パルスφPGをローのまま、制御パルスφTX,φRをロウレベルにすることにより、絶縁酸化膜4下に発生していた電荷をアンチブルーミングドレイン7へ排出することにより、残留発生電荷のリセットを行なう(図4(d))。
【0020】
時刻T6 において、水平走査回路17を走査させ、タイミングパルスφh1〜φh3……をハイとして、順次蓄積容量CT20に蓄積されている電荷を水平出力線22、出力アンプ23を介して外部へ各画素の電荷を時系列的にシリアルに出力する。
【0021】
以上の動作を垂直走査回路16のタイミングパルスφV1〜φV3……をハイとして順次走査させることにより各水平ライン13毎に各画素15の電荷を出力する。
【0022】
なお、アンチブルーミングゲート6に供給する制御パルスφABGは、ミドルレベルでもよいが、他の制御パルスと同様に、ハイ/ローの2値パルスでも駆動できる。この場合のタイミングは、図3の時刻T5 において、制御パルスφRをローにすると同時に、制御パルスφABGをハイにする。この場合の電位分布と電荷状態を図4(d)に示す。フォトゲート3下の電荷を、制御パルスφABGを固定とした場合より排出しやすくなるため、電荷のリセット時間を短縮することが可能となる。また、制御パルスφABGを、制御パルスφRをローレベルとした後で、ハイレベルにしても、同様の効果を奏し得る。また、本動作は高速性を要するHDTV用センサなどに有効となる。
【0023】
本発明において、フローティングゲート8は制御パルスφRの供給パルスにより容量結合的に電位制御を行うため、従来の様なリセットノイズは発生しないので、非常に高感度な信号検出が可能となる。又、フローティングゲート8のリセット用のMOSトランジスタも不必要となるので微細化にも有利となる。
【0024】
本実施例において、高感度、低ノイズ、微細化に有利なフローティングゲート型CMOSセンサが可能となった。
【0025】
(第2実施例)
図5に本発明による第2実施例の回路構成図を示す。本実施例では画素アンプの固定パターンノイズとI/fノイズを除去するためにノイズ蓄積用の蓄積容量CTN、転送MOSトランジスタ28,29及び差動増幅器31を設けたことを特徴とする。
【0026】
動作としては、図3に示すタイミング中、時刻T3の信号読み出し前の時刻T2において、制御パルスφTNをハイとして垂直出力線に残留する電荷である暗出力を蓄積容量CTN27へ読み出した後に、時刻T6におけるタイミングパルスφh1により、転送MOSトランジスタ21,29を導通し、蓄積容量20,27の電荷を水平出力線22,30に出力し、差動増幅器31によって差動増幅される。続いて、水平走査回路17からのタイミングパルスφh2…の走査によって順次画像信号が出力される。
【0027】
こうして、画像信号そのものの明出力と暗出力を同時に空乏層光信号として読み出しを行ない、水平出力期間において蓄積容量CTSとCTNの差動出力を行い、ノイズの除去を行う。
【0028】
このノイズの除去は、外部で行っても当然可能である。本実施例において、固定パターンノイズも除去したフローティングゲートアンプ型CMOSセンサが可能となる。
【0029】
(第3実施例)
図6に本発明による第3実施例の画素構成図を示す。第1,第2実施例においてアンチブルーミングドレイン7はフォトゲート3に隣接して形成していたが、本実施例では、フローティングゲート8に隣接して形成したことを特徴とする。
【0030】
本実施例の動作は、図3に示したタイミングと同様であり、時刻T5 において、制御パルスφPGをローのまま、制御パルスφTX,φRをロウレベルに、制御パルスφABGをハイとすることにより、絶縁酸化膜4下に発生していた空乏層の電子電荷をアンチブルーミングドレイン7へ排出することにより、空乏層内の残留発生電荷のリセットを行なう。
【0031】
本実施例の形態でも第1実施例と同様のアンチブルーミング効果を得ることができる。
【0032】
(第4実施例)
図7に本発明による第4実施例の画素構成図を示す。本実施例では光電変換部にpn接合フォトダイオード25を用いたことを特徴とする。フォトゲート3による光吸収がなくなるため感度、特に青色感度が向上する。
【0033】
本実施例において、所定時間光子hνによりpn接合フォトダイオード25に蓄積された光電子電荷を、制御パルスφRをハイ、制御パルスφTXをハイとしてフローティングゲート8下に転送してソースフォロワのMOSトランジスタ9へ出力される。また、制御パルスφABGをハイとしてアンチブルーミングドレイン7へ排出することは第3実施例と同様である。
【0034】
本実施例において、感度が向上したフローティングゲート型CMOSセンサが実現できる。
【0035】
(第5実施例)
図8に本発明による第5実施例の画素構成図を示す。本実施例では、光電変換部にp+ npフォトダイオードを用いたことを特徴とする。本実施例の場合、光電変換部の界面にp+ 層26を形成したため、界面からの暗電流を抑えることが可能となる。即ち、従来のpnフォトダイオードではn層の濃度が低いため、半導体界面が空乏化している。そのため、界面での欠陥(界面準位)が暗電流の発生中心となってしまう。従って、界面の空乏化を防ぐため、p+ 高濃度層を形成する。この構成のプロセスは、従来のCMOSプロセスにp+ 層形成工程の1工程を加えればよい。こうして、この構造の場合、長時間の蓄積動作でもS/Nのよい信号を得ることができる。また、本実施例において、暗電流を抑制したS/Nの良いフローティングゲート型CMOSセンサが可能となった。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画素毎にフローティングゲートアンプを設け、そのフローティングゲートを容量結合で電位を制御することによりランダムノイズが極めて小さい高S/Nセンサが実現できる。
【0037】
又、従来よりも微細化が可能となり、小型化、低コスト化も同時に実現できる。
【0038】
さらに、アンチブルーミングゲートを設けることで、光電変換素子のブルーミングを防止できるとともに、暗出力の一部のノイズをも減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の画素構成図である。
【図2】本発明の第1実施例の装置構成図である。
【図3】本発明の第1実施例の駆動タイミングチャートである。
【図4】本発明の第1実施例の動作説明図である。
【図5】本発明の第2実施例の装置構成図である。
【図6】本発明の第3実施例の画素構成図である。
【図7】本発明の第4実施例の画素構成図である。
【図8】本発明の第5実施例の画素構成図である。
【図9】従来の光電変換装置の装置例構成図である。
【符号の説明】
1 p型ウェル
2 空乏層
3 フォトゲート
4 ゲート酸化膜
5 転送ゲート
6 アンチブルーミングゲート
7 n+ アンチブルーミングドレイン
8 フローティングゲート
9 ソースフォロワアンプMOS
10 フローティングゲート制御電極
11 選択MOSスイッチ
12 垂直出力線
13 水平駆動線
15 画素ユニット
16 垂直走査回路
17 水平走査回路
18 転送スイッチ
19 ソースフォロワ負荷MOS
20 蓄積容量
21 水平転送スイッチ
22 水平出力線
23 出力アンプ
25 n型拡散層
26 p+ 表面層
27 素子分離ゲート
28 フローティングゲートリセットMOS
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to an amplification type photoelectric conversion device having a floating gate amplifier in a pixel.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, photoelectric conversion elements can be arranged in one or two dimensions to obtain image signals, so they are used as image sensors, used in video cameras, copiers, facsimiles, etc. It is predicted that it will be used in a variety of directions with the arrival of. As an example of the amplification type photoelectric conversion device using this photoelectric conversion element, the photoelectric conversion photoelectric charge is effectively transferred and selected in the same process as the metal-oxide-semiconductor MOS structure as the photoelectric conversion element. It is desirable to be able to consistently configure active elements that can output. As an example of achieving such a structural example, there is a CMOS type sensor that is an amplification type photoelectric conversion device having a floating gate amplifier in a pixel. These devices are described in documents such as [Proceedings of the SPIE vol. 1952. Aerospace Science and Sending-Surveillance Sensors (1993)].
[0003]
FIG. 9A shows a circuit structure diagram of a pixel portion of this photoelectric conversion device. In the figure, 1 is a P-type well formed on a Si substrate, 2 is a depletion layer formed in the P-type well, 3 is a photogate supplied with a control pulse φPG, and 5 is supplied with a control pulse φTX. , A transfer gate of a MOS transistor for transferring photocharge accumulated under the photogate 3, an antiblooming gate (ABG) for preventing excessive accumulation of photocharge in the photogate, and 7 an antiblooming drain (ABD), 8 is a floating gate (FG), 9 is a source follower amplifier MOS transistor, 11 is a selection switch for selecting the pixel, 19 is a source follower load MOS, 31 is an element isolation gate, and 32 is a MOS switch for resetting the floating gate. It is.
[0004]
FIG. 9B is a schematic equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device. In the figure, 33 is a transfer MOS transistor controlled by the transfer gate 5 and 34 is an anti-blooming MOS transistor controlled by the anti-blooming gate (ABG) 6. Other reference numerals are the same as those in FIG.
[0005]
In this photoelectric conversion device, of the incident light from the target image, the electron charge generated under the photogate 3 is accumulated by the light transmitted through the photogate 3, and the high pulse to the transfer gate 5 causes A charge is transferred to the depletion layer, the potential change of the floating gate 8 is obtained by the source follower MOS transistor 9 constituting the source follower amplifier, and an output having a voltage gain of about 1 is obtained. 11 and 19 are turned on and output as VOUT.
[0006]
Since this photoelectric conversion device performs nondestructive reading, reading can be performed any number of times. In addition, since it can be manufactured with CMOS process compatibility, it is also characterized by low cost. Furthermore, since it amplifies pixel by pixel, a very sensitive sensor can be realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example, since the number of elements constituting one pixel is large, miniaturization has been difficult. Further, since a MOS switch is connected to the floating gate to reset V DD , kTC noise is generated due to switching, and sensitivity is lowered due to an increase in parasitic capacitance.
[0008]
The object of the first invention according to the present application is to suppress reset noise and increase the sensitivity, and the object of the second invention is to miniaturize the photoelectric conversion device.
[0009]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that a floating gate amplifier is provided in a pixel portion, and signals are read out and reset by controlling the floating gate by capacitive coupling. For this reason, there is no need to provide a switch in the floating gate, so that reset noise does not occur and highly sensitive signal detection is possible.
[0010]
Further, since the electrode for controlling the floating gate is formed on the floating gate, miniaturization is possible.
[0011]
Specifically, in an XY address type amplifying type photoelectric conversion device having a plurality of photoelectric conversion elements, a charge follower amplifier floating gate is transferred to each XY address type pixel, and charge is transferred from the photoelectric conversion element to the bottom of the floating gate. An electrode for controlling the potential of the floating gate by capacitive coupling is provided on the floating gate, and the potential change of the floating gate is read by a source follower operation. It is characterized by that. The photoelectric conversion element is formed of a depletion layer controlled by a photogate. Further, the photoelectric conversion element is a pn photodiode. Further, the drain for draining charge and the control gate connect the drain to a power source, and supply a control pulse for making the control gate high in synchronization with making the control pulse for the electrode low. Features. The control pulse to the transfer gate is a middle level smaller than the supply level of the control pulse to the control gate.
[0012]
With the structure and configuration of such a photoelectric conversion device, a high pulse is supplied to the electrode controlled by capacitive coupling, and the depletion layer of the floating gate is deeply spread instantaneously to absorb the electron charge, and the depletion layer gradually corresponds to a predetermined potential. Return to depth. Thereafter, the electron charge in the depletion layer is output by a source follower operation.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings together with each example.
[0014]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a pixel configuration diagram of a first embodiment according to the present invention. FIG. 2 shows a schematic circuit configuration diagram when the pixels are two-dimensionally arranged and used as an area sensor.
[0015]
1 and 2, 1 is a p-type well region formed on an n-type Si substrate, 2 is a depletion layer formed by an electric field of a photogate 3 to which a high voltage is supplied to a control pulse φPG, and 3 is thin Photo gate made of poly-Si, 4 is an insulating oxide film formed on the depletion layer gate 2, 5 is a transfer gate for forming a transfer MOS transistor, 6 is an anti-blooming gate for discharging excessive charges to prevent blooming, 7 Is an n + region fixed to the power source VDD, 8 is a floating gate of the source follower amplifier type MOS transistor 9, 10 is a control electrode for controlling the potential of the floating gate 8 and controlling a depletion layer region under the floating gate 8, 11 A switch MOS transistor 12 serving as a signal output selection switch is a vertical MOS signal that outputs a pixel signal in the vertical direction of the two-dimensional area sensor. Output line 13 is a horizontal drive line for driving the horizontal pixel signal of two-dimensional area sensor corresponding to the vertical output line 12.
[0016]
Reference numeral 15 denotes one pixel including the above elements, 16 denotes a vertical scanning circuit that outputs a timing signal for activating the horizontal drive line 13 of the two-dimensional area sensor, and 17 denotes an image from each vertical output line 12. A horizontal scanning circuit for supplying a timing signal for selectively outputting a signal to the horizontal output line 22, 18 is a switch of a transfer MOS transistor for transferring an image signal output to the vertical output line 12, 19 is a load for the source follower, and A load MOS transistor for resetting the vertical output line 12, 20 is a storage capacitor for temporarily storing the image signal of the vertical output line 12, and 21 is a horizontal transfer MOS switch for transferring to the horizontal output line 22 in accordance with the timing of the horizontal scanning circuit 17. , 22 are horizontal output lines for outputting image signals of vertical output lines in time series in accordance with the timing of the horizontal scanning circuit 17; An output amplifier for amplifying an image signal of the horizontal output line 22, 24 is a MOS transistor for the horizontal line reset for resetting the horizontal output line 22. Hereinafter, the operation of the photoelectric conversion device according to the present invention will be schematically described. Electron hole pairs are generated in the depletion layer 2 by the incident light hν that has passed through the photogate 3 having the poly-Si electrode structure, and the control pulse φPG is set to high to cause electrons to flow under the photogate 3. Accumulated at the Si interface in the depletion layer 2, holes are discharged to the p-type well. When the accumulation period ends, the transfer MOS switch is turned on, and the accumulated charge is transferred under the floating gate 8. When charge is transferred under the floating gate 8, the potential of the floating gate 8 changes due to capacitive coupling, and the change in potential is output to the outside by a source follower operation, thereby providing high sensitivity, non-destructive, and high linearity photoelectric conversion. Characteristics can be obtained.
[0017]
Next, the operation will be described in detail with reference to the timing chart of FIG. First, at time T0, the timing control φV1 is set to the high state by the vertical scanning circuit 16, and the pixels 15-11 to 15-13 of the horizontal line 13 are selected. FIG. 4A shows the potential distribution and the charge state at this time. At this time, the power supply VDD is supplied to the n + region 7, the control pulse φPG is set high, and the control pulse φTX is set low, so that the depletion layer 2 shown in FIG. 4A is formed. At time T1, the control pulse φR is set high, and a potential is applied to the floating gate 8 by capacitive coupling, the depletion layer 2 under the floating gate 8 is expanded, and electrons under the floating gate 8 are discharged to the power source VDD and reset. The state at this time is shown in FIG.
[0018]
At time T3, the control pulse φTX is set to the middle level and the control pulse φPG is set to the low level, so that the charges under the photogate 3 are completely transferred under the floating gate 8 (FIG. 4C). At this time, the control pulse φTX may be fixed at the middle level instead of the pulse operation as long as the charge can be completely transferred. When the charge under the photogate 3 is transferred, the potential of the floating gate 8 changes according to the number of charges. At time T 4 , the potential change is output to the storage capacitor CT 20 by the source follower operation of the source follower MOS transistor 9 with the transfer control pulse φT set to high.
[0019]
At time T 5 , the control pulse φPG is kept low and the control pulses φTX and φR are set to the low level, whereby the charge generated under the insulating oxide film 4 is discharged to the anti-blooming drain 7, thereby remaining residual charge. Is reset (FIG. 4D).
[0020]
At time T 6 , the horizontal scanning circuit 17 is scanned and the timing pulses φh 1 to φh 3... Are set high, and the charges accumulated in the storage capacitor CT 20 are sequentially transferred to the respective pixels via the horizontal output line 22 and the output amplifier 23. Is output serially in time series.
[0021]
By sequentially scanning the above operation with the timing pulses φV1 to φV3... Of the vertical scanning circuit 16 being high, the electric charge of each pixel 15 is output for each horizontal line 13.
[0022]
The control pulse φABG supplied to the anti-blooming gate 6 may be at a middle level, but can be driven by a high / low binary pulse as well as other control pulses. In this case, at time T 5 in FIG. 3, the control pulse φR is set to low and the control pulse φABG is set to high at the same time. The potential distribution and charge state in this case are shown in FIG. Since the charges under the photogate 3 are more easily discharged than when the control pulse φABG is fixed, the charge reset time can be shortened. Further, the same effect can be obtained when the control pulse φABG is set to the high level after the control pulse φR is set to the low level. Also, this operation is effective for HDTV sensors that require high speed.
[0023]
In the present invention, the potential of the floating gate 8 is capacitively coupled by the supply pulse of the control pulse φR, so that no reset noise is generated as in the prior art, so that highly sensitive signal detection is possible. Further, since a reset MOS transistor for the floating gate 8 is not necessary, it is advantageous for miniaturization.
[0024]
In this embodiment, a floating gate type CMOS sensor advantageous to high sensitivity, low noise, and miniaturization can be realized.
[0025]
(Second embodiment)
FIG. 5 shows a circuit configuration diagram of a second embodiment according to the present invention. This embodiment is characterized in that a noise storage capacitor CTN, transfer MOS transistors 28 and 29, and a differential amplifier 31 are provided in order to remove fixed pattern noise and I / f noise of the pixel amplifier.
[0026]
As the operation, at the time T2 before the signal reading at the time T3 during the timing shown in FIG. 3, the control pulse φTN is set high to read the dark output remaining on the vertical output line to the storage capacitor CTN27, and then at the time T6. In response to the timing pulse φh 1, the transfer MOS transistors 21 and 29 are turned on, the charges of the storage capacitors 20 and 27 are output to the horizontal output lines 22 and 30, and differentially amplified by the differential amplifier 31. Subsequently, image signals are sequentially output by scanning the timing pulse φh 2... From the horizontal scanning circuit 17.
[0027]
Thus, the bright output and dark output of the image signal itself are simultaneously read out as a depletion layer optical signal, and the storage capacitors CTS and CTN are differentially output in the horizontal output period to remove noise.
[0028]
Naturally, this noise removal is possible even if performed externally. In this embodiment, a floating gate amplifier type CMOS sensor from which fixed pattern noise is also removed is possible.
[0029]
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a pixel configuration diagram of the third embodiment according to the present invention. Although the anti-blooming drain 7 is formed adjacent to the photogate 3 in the first and second embodiments, this embodiment is characterized in that it is formed adjacent to the floating gate 8.
[0030]
The operation of the present embodiment is the same as the timing shown in FIG. 3. At time T 5 , the control pulse φTX and φR are set to low level and the control pulse φABG is set to high while the control pulse φPG remains low. By discharging the electron charge of the depletion layer generated under the insulating oxide film 4 to the anti-blooming drain 7, the residual generated charge in the depletion layer is reset.
[0031]
Also in this embodiment, the same anti-blooming effect as in the first embodiment can be obtained.
[0032]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows a pixel configuration diagram of a fourth embodiment according to the present invention. This embodiment is characterized in that a pn junction photodiode 25 is used in the photoelectric conversion unit. Since light absorption by the photogate 3 is eliminated, sensitivity, particularly blue sensitivity, is improved.
[0033]
In this embodiment, the photoelectron charge accumulated in the pn junction photodiode 25 by the photon hν for a predetermined time is transferred to the source follower MOS transistor 9 by transferring the control pulse φR high and the control pulse φTX high to the floating gate 8. Is output. Further, the control pulse φABG is set to high and discharged to the anti-blooming drain 7 as in the third embodiment.
[0034]
In this embodiment, a floating gate type CMOS sensor with improved sensitivity can be realized.
[0035]
(5th Example)
FIG. 8 shows a pixel configuration diagram of a fifth embodiment according to the present invention. In this embodiment, a p + np photodiode is used for the photoelectric conversion portion. In the case of the present embodiment, since the p + layer 26 is formed at the interface of the photoelectric conversion unit, it is possible to suppress dark current from the interface. That is, in the conventional pn photodiode, since the concentration of the n layer is low, the semiconductor interface is depleted. Therefore, the defect (interface state) at the interface becomes the generation center of the dark current. Therefore, a p + high concentration layer is formed to prevent depletion of the interface. In the process of this configuration, one step of the p + layer forming process may be added to the conventional CMOS process. Thus, in the case of this structure, a signal having a good S / N can be obtained even for a long accumulation operation. Further, in this embodiment, a floating gate type CMOS sensor having a good S / N with suppressed dark current can be realized.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high S / N sensor with extremely small random noise can be realized by providing a floating gate amplifier for each pixel and controlling the potential of the floating gate by capacitive coupling.
[0037]
Further, miniaturization can be achieved as compared with the prior art, and miniaturization and cost reduction can be realized at the same time.
[0038]
Further, by providing the anti-blooming gate, it is possible to prevent blooming of the photoelectric conversion element and to reduce a part of the noise of the dark output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a pixel configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an apparatus configuration diagram of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drive timing chart of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an apparatus configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a pixel configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a pixel configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a pixel configuration diagram of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an apparatus configuration diagram of a conventional photoelectric conversion apparatus.
[Explanation of symbols]
1 p-type well 2 depletion layer 3 photogate 4 gate oxide film 5 transfer gate 6 anti-blooming gate 7 n + anti-blooming drain 8 floating gate 9 source follower amplifier MOS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Floating gate control electrode 11 Selection MOS switch 12 Vertical output line 13 Horizontal drive line 15 Pixel unit 16 Vertical scanning circuit 17 Horizontal scanning circuit 18 Transfer switch 19 Source follower load MOS
20 storage capacitor 21 horizontal transfer switch 22 horizontal output line 23 output amplifier 25 n-type diffusion layer 26 p + surface layer 27 element isolation gate 28 floating gate reset MOS

Claims (9)

複数の画素を有するXYアドレス型増幅型光電変換装置において、
XYアドレス型の各画素には光電変換素子と、ソースフォロワ増幅器のフローティングゲートと、前記光電変換素子からフローティングゲート下に電荷を転送する転送ゲートと、電荷排出用のドレインと制御ゲートとを備え、前記フローティングゲート上には前記フローティングゲートの電位を容量結合で変化させる電極を設け、前記フローティングゲートの電位変化をソースフォロワ動作で読み出すことを特徴とする光電変換装置。
In an XY address type amplifying photoelectric conversion device having a plurality of pixels ,
Each XY address type pixel includes a photoelectric conversion element , a floating gate of a source follower amplifier, a transfer gate that transfers charges from the photoelectric conversion element to the floating gate, a drain for draining charge, and a control gate. An electrode for changing the potential of the floating gate by capacitive coupling is provided on the floating gate, and the potential change of the floating gate is read out by a source follower operation.
請求項1に記載の光電変換装置において、前記光電変換素子がフォトゲートで制御される空乏層からなることを特徴とする光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element includes a depletion layer controlled by a photogate. 請求項1に記載の光電変換装置において、前記光電変換素子がpnフォトダイオードであることを特徴とする光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a pn photodiode. 請求項1に記載の光電変換装置において、前記電荷排出用のドレインと制御ゲートは、前記ドレインを電源に接続し、前記制御ゲートには前記電極の制御パルスをローとするときと同期してハイとする制御パルスを供給す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 the drain for draining charge and the control gate are connected to the power source, and the control gate has a high level in synchronization with the control pulse of the electrode being low. A photoelectric conversion device characterized in that a control pulse is supplied. 請求項1に記載の光電変換装置において、前記転送ゲートへの制御パルスは前記制御ゲートへの制御パルスの供給レベルよりも小さいミドルレベルであ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 the control pulse to the transfer gate is a middle level smaller than a supply level of the control pulse to the control gate. 請求項1に記載の光電変換装置において、前記フォトゲートに隣接して前記電荷排出用のドレインと制御ゲートを設けたことを特徴とする光電変換装置。  2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the charge discharging drain and the control gate are provided adjacent to the photogate. 請求項1に記載の光電変換装置において、前記フローティングゲートに隣接して前記電荷排出用のドレインと制御ゲートを設け、前記電極をローレベルとした後に前記制御ゲートをハイとす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 the charge draining drain and the control gate are provided adjacent to the floating gate, and the control gate is set to high after the electrode is set to low level. Photoelectric conversion device. 請求項1〜7の何れか1項に記載の光電変換装置において、前記電極により、前記フローティングゲートの電位を容量結合で変化させることにより、信号の読み出しとリセットを行なうことを特徴とする光電変換装置。8. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the signal is read and reset by changing the potential of the floating gate by capacitive coupling by the electrode. 9. apparatus. 請求項1〜8の何れか1項に記載の光電変換装置において、前記電極により、前記フローティングゲート下の半導体領域の空乏層の厚さを変化させ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 a thickness of a depletion layer in a semiconductor region under the floating gate is changed by the electrode.
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