JP4355747B2 - Photoelectric conversion device, photoelectric conversion system and driving method thereof - Google Patents
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本発明は、光電変換装置及び光電変換システム並びにその駆動方法に関し、特に、PN接合又はMOSトランジスタを有する光電変換装置及び光電変換システム並びにその駆動方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, a photoelectric conversion system, and a driving method thereof, and more particularly, to a photoelectric conversion device, a photoelectric conversion system having a PN junction or a MOS transistor, and a driving method thereof.
自然界に存在するX線や宇宙線又はX線を利用した医療機器などから発せられるX線により、センサーの光電変換を行うPN接合部などにおいて結晶欠陥が増加する。 X-rays emitted from natural X-rays, cosmic rays, or medical devices using X-rays increase crystal defects in a PN junction that performs photoelectric conversion of the sensor.
そして、時間の経過とともにその欠陥量が増大しセンサーを長期に使用すると、その性能を維持できないということがあった。 And the amount of defects increases with the passage of time, and when the sensor is used for a long period of time, its performance cannot be maintained.
従来、上記の劣化を防ぐ方法としては、特許文献1に記載されるような半導体をある所定の温度に保存するものであった。
Conventionally, as a method for preventing the above-described deterioration, a semiconductor as described in
しかし、特許文献1に示された技術では、所定の温度下に保存することは現実的ではないという問題があった。
However, the technique disclosed in
また、一般にMOS型半導体素子は放射線を照射されると、そのゲート酸化膜中で電子正孔ペアが発生し、シリコン−シリコン酸化膜界面に移動した正孔が界面に補足され蓄積されるという現象が発生する。 In general, when a MOS semiconductor device is irradiated with radiation, electron-hole pairs are generated in the gate oxide film, and holes that have moved to the silicon-silicon oxide film interface are captured and accumulated at the interface. Will occur.
その結果、閾値電圧の変動などの支障を起こすことが分かっている。 As a result, it has been found that problems such as fluctuations in threshold voltage occur.
特許文献2には、放射線照射下で、素子が使用されていないときに電源線又は信号線をグランド電位にすることで、放射線により発生する電荷がアニール効果により放出される技術が開示されている。
しかし、特許文献2の技術では、光電変換素子に接続される信号線の電位をグランド電位にした場合、電位印加後に光電変換動作を行うと、光電変換素子により発生する電子により信号線の電位は負になり信号線に接続される出力回路から信号が得られなくなる。そのため、撮像を行なえないということがあった。
However, in the technique of
また、特許文献3に記載された技術は、画素中の光電変換素子以外の各端子を駆動回路及び光電変換素子の占有面積によって決定される時間以上の間、ある電位で固定するというものである。
The technique described in
しかし、特許文献3に示された技術では、撮像装置の電源がoffとなった後では端子の電位を固定することはできない。そのため撮像装置が使用されていない期間では、X線による劣化が抑制できないだけでなく、光電変換素子がそのような電位の固定から除外されているため光電変換素子に掛かる電界は緩和されず、X線による劣化防止は望めない。
However, with the technique disclosed in
さらに、特許文献4に記載された技術は、光電変換素子の一部を構成する真性半導体層中に留まっているホールを履き出すために、通常のリセット電位とは異なるリフレッシュ電位を光電変換素子の一端に印加するものである。
Furthermore, in the technique described in
しかし、特許文献4に示された技術では、リフレッシュ電位は、光電変換素子の他の端子に対し負の電位を与え、0ではない大きさの電界を光電変換素子に印加するため、やはりX線による劣化を防止するものとはならない。
However, in the technique disclosed in
また、特許文献5は、以下のような技術を開示している。すなわち、固体撮像装置のすべての端子がオープン状態の時、画素部とCCD間の転送電極とその下の酸化膜に加えられる電界をゼロにする。CCDの画素部が放射線の照射を受けた場合でも、イオン損傷により閾値シフトや半導体/酸化膜境界の界面準位の増大を抑制する。
しかしながら、この技術は画素に増幅MOSトランジスタなどを有する増幅型の光電変換装置の画素回路構成における放射線の照射による劣化防止については前提としていない。
光電変換素子を利用した光電変換装置では、リーク電流の増加は出力信号の品質に大きな影響を与えるため、可能な限りリーク電流の発生を抑えることが必要である。 In a photoelectric conversion device using a photoelectric conversion element, an increase in leakage current greatly affects the quality of an output signal, and therefore it is necessary to suppress the generation of leakage current as much as possible.
光電変換素子がPN接合を含んで構成されている場合には、X線や宇宙線による欠陥はPN接合に印加されている電界の大きさに依存することが実験の結果明らかになっている。 When the photoelectric conversion element is configured to include a PN junction, it has been clarified as a result of experiments that defects caused by X-rays and cosmic rays depend on the magnitude of the electric field applied to the PN junction.
通常の光電変換装置は、その外部又は内部の寄生容量を用いて、回路に印加される電圧が安定して供給される場合にその動作も安定に動作するように設計されている。ほとんどの光電変換装置には数十μFという大きな外部容量が電源端子、GND端子などの端子間に接続されている。 A normal photoelectric conversion device is designed to operate stably when a voltage applied to a circuit is stably supplied using a parasitic capacitance inside or outside the photoelectric conversion device. In most photoelectric conversion devices, a large external capacitance of several tens of μF is connected between terminals such as a power supply terminal and a GND terminal.
一方、光電変換素子で生成した信号電荷に基づく信号を処理するアナログ回路は、その安定動作を目的にほとんどが定電流バイアスされており、電源電圧の大小に依存せず、一定の電流が処理回路に供給されている。 On the other hand, analog circuits that process signals based on signal charges generated by photoelectric conversion elements are mostly constant-current biased for the purpose of stable operation, and a constant current does not depend on the magnitude of the power supply voltage. Has been supplied to.
この定電流回路は、電源電圧がある値以下になるとその動作を停止し、停止した後は、その電源、GND間の抵抗値が非常に高くなる特徴がある。 This constant current circuit is characterized in that its operation is stopped when the power supply voltage falls below a certain value, and the resistance value between the power supply and GND becomes very high after stopping.
したがって、光電変換装置が非動作の期間中には、ある値の電圧まではその消費電流によって放電され電源端子電圧が低下するが、定電流回路の動作が停止する電圧以下からは電圧が維持される傾向にある。 Therefore, while the photoelectric conversion device is not operating, the power consumption terminal voltage is reduced by the consumption current until a certain value of voltage is reached, but the voltage is maintained from below the voltage at which the operation of the constant current circuit stops. Tend to.
また、光電変換部は、元来高いインピーダンス状態で使用する必要がある。そのため、光電変換装置の動作が停止した後はその寄生容量などによる電荷によって、非常に長い時間、光電変換部のPN接合には電界が印加されたままとなる場合もあり、X線による接合劣化する場合もある。 In addition, the photoelectric conversion unit must be originally used in a high impedance state. Therefore, after the operation of the photoelectric conversion device is stopped, an electric field may remain applied to the PN junction of the photoelectric conversion unit for a very long time due to charges due to the parasitic capacitance, etc. There is also a case.
また、画素の構成要素であるMOSトランジスタのゲート電位は、電源オフするたびに必ずグランド電位になるように制御されていることはほとんどない。このような場合には、電源オフした後にMOSトランジスタのゲート−ドレイン及びゲート−ソースに電界が印加されつづけることになる。その結果、MOSトランジスタのゲートとソース(もしくはドレイン)と間にかかる電界によりホットキャリアが生じ、ゲート酸化膜中にトラップされて固定的なノイズが発生したり、基板ノイズ電流が発生したりしうる。 In addition, the gate potential of the MOS transistor, which is a component of the pixel, is rarely controlled so as to be always the ground potential every time the power is turned off. In such a case, an electric field is continuously applied to the gate-drain and gate-source of the MOS transistor after the power is turned off. As a result, hot carriers are generated by the electric field applied between the gate and source (or drain) of the MOS transistor, and can be trapped in the gate oxide film to generate fixed noise, or substrate noise current can be generated. .
そこで、本発明は、光電変換装置の非動作時にX線、宇宙線などによる出力信号の劣化を抑制することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress deterioration of an output signal due to X-rays, cosmic rays, or the like when the photoelectric conversion device is not operating.
本発明の第1側面に係る光電変換装置は、光電変換素子と、フローティングディフュージョン領域と、前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、一端が前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に電気的に接続され、他端が前記電源電圧よりも小さい電圧を前記他端に供給可能なノードに電気的に接続されたスイッチ素子と、前記転送スイッチ及び前記スイッチ素子のそれぞれのオンオフ状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、トリガパルスの入力に応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧が前記ノードにより前記スイッチ素子の前記他端に供給された状態で前記スイッチ素子と前記転送スイッチ素子とを同時にオンすることを特徴とする。
本発明の第2側面に係る光電変換装置は、光電変換素子と、フローティングディフュージョン領域と、前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、一端が前記光電変換素子と前記転送スイッチとを結ぶ電気経路に電気的に接続され、他端が接地配線に電気的に接続されたスイッチ素子と、前記転送スイッチ及び前記スイッチ素子のそれぞれのオンオフ状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、トリガパルスの入力に応じて、接地電圧が前記ノードにより前記スイッチ素子の前記他端に供給された状態で前記スイッチ素子と前記転送スイッチ素子とを同時にオンすることを特徴とする。
The photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch that transfers charges generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region, and a gate in the floating diffusion region . An amplification transistor that is electrically connected and a power supply voltage is applied to the drain, one end is electrically connected to an electrical path that connects the floating diffusion region and the gate of the amplification transistor, and the other end is higher than the power supply voltage. A switching element electrically connected to a node capable of supplying a small voltage to the other end; and a control means for controlling the on / off states of the transfer switch and the switching element, the control means comprising a trigger pulse depending on the input, smaller than the power supply voltage Voltage, characterized in that on at the same time and the transfer switch element and the switching element in a state where the supplied to the other end of the switching element by the node.
The photoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch that transfers charges generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region, and a gate in the floating diffusion region. An amplifying transistor that is electrically connected and a power supply voltage is applied to the drain, one end is electrically connected to an electrical path connecting the photoelectric conversion element and the transfer switch, and the other end is electrically connected to a ground wiring And a control means for controlling respective on / off states of the transfer switch and the switch element, wherein the control means has a ground voltage applied to the switch element by the node in response to an input of a trigger pulse. The switch element and the transfer switch in a state of being supplied to the other end Characterized by turning on and child at the same time.
本発明の第3側面に係る光電変換装置の駆動方法は、光電変換素子と、フローティングディフュージョン領域と、前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、を備える光電変換装置の駆動方法であって、トリガパルスを受信する第1の工程と、前記第1の工程で受信された前記トリガパルスに応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧を前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に印加すると同時に前記転送スイッチ素子をオンする第2の工程とを含むことを特徴とする。 The photoelectric conversion device driving method according to the third aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch that transfers charges generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region, and a gate that is in the floating state. is electrically connected to the diffusion region, a driving method of a photoelectric conversion device comprising an amplifying transistor that supply voltage to the drain is applied, and a first step of receiving the trigger pulse, in the first step A second step of turning on the transfer switch element at the same time as applying a voltage smaller than the power supply voltage to an electrical path connecting the floating diffusion region and the gate of the amplification transistor in response to the received trigger pulse ; It is characterized by including.
本発明の第4側面に係る光電変換システムの駆動方法は、光電変換素子と、フローティングディフュージョン領域と、前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、を備える光電変換装置と、制御装置と、を有する光電変換システムの駆動方法であって、前記光電変換装置が、前記制御装置からトリガパルスを受信する第1の工程と、前記光電変換装置が、前記第1の工程で受信された前記トリガパルスに応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧を前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に印加すると同時に前記転送スイッチ素子をオンする第2の工程とを含むことを特徴とする。 A photoelectric conversion system driving method according to a fourth aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch that transfers charges generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region, and a gate that is in the floating state. is electrically connected to the diffusion region, an amplifying transistor supply voltage to the drain is applied, a photoelectric conversion device comprising a method of driving a photoelectric conversion system having a control device, said photoelectric conversion device a first step of receiving the door Rigaparusu from the control device, the photoelectric conversion device, according to said trigger pulses received in the first step, the floating diffusion to voltage less than the power supply voltage applied to the electrical path connecting the gate of the amplifying transistor and region At the same time, characterized in that it comprises a second step of turning on the transfer switch element.
本発明によれば、例えば、光電変換装置の非動作時にX線、宇宙線などによる出力信号の劣化を抑制することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to suppress deterioration of an output signal due to X-rays, cosmic rays, or the like when the photoelectric conversion device is not operating .
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
MOS型の光電変換装置は、半導体基板に配されたPN接合及びMOSトランジスタを用いて構成されている。このPN接合、MOSトランジスタのうち、最も放射線等の影響を受けやすいのは非動作時にフローティング状態となる高インピーダンスなノードに接続されたものである。高インピーダンスノードとしては、光電変換素子で発生した電荷を容量に保持するような構成において、容量の一端子が該当する。電圧に変換等する場合に画素回路の一部にソースフォロワを有する増幅型の光電変換装置における高インピーダンスのノードとは、ソースフォロワの入力ノードが該当する。加えて、その高インピーダンスのノードは、光電変換により電荷が発生しその電荷を入力ノードに転送して電圧に変換する過程で通過する電気経路に電気的に接続された全てのノードが該当する。したがって、ソースフォロワの入力ノードに接続される半導体領域が最も放射線等の影響を受けやすい。そのような半導体領域は、例えば、光電変換素子の電荷蓄積領域、フローティングディフュージョン領域(以下、FD領域とする)、転送スイッチのソース領域、ドレイン領域、リセットスイッチのソース領域などである。 The MOS type photoelectric conversion device is configured using a PN junction and a MOS transistor arranged on a semiconductor substrate. Of these PN junctions and MOS transistors, those that are most susceptible to radiation and the like are those connected to a high impedance node that is in a floating state when not operating. The high impedance node corresponds to one terminal of the capacitor in a configuration in which the charge generated in the photoelectric conversion element is held in the capacitor. A high-impedance node in an amplifying photoelectric conversion device having a source follower in a part of a pixel circuit when converting to a voltage corresponds to an input node of the source follower. In addition, the high-impedance nodes correspond to all nodes that are electrically connected to an electrical path that passes through a process in which charges are generated by photoelectric conversion, transferred to input nodes, and converted into voltages. Therefore, the semiconductor region connected to the input node of the source follower is most susceptible to radiation and the like. Such semiconductor regions are, for example, a charge storage region of a photoelectric conversion element, a floating diffusion region (hereinafter referred to as an FD region), a source region of a transfer switch, a drain region, a source region of a reset switch, and the like.
本発明においては、このような高インピーダンスノードに接続されるPN接合等に対して印加される外部電界を好ましくはゼロにするためのバイアス供給スイッチを設ける。このバイアス供給スイッチにより、ソースフォロワの入力ノードに接続される半導体領域(第1の半導体領域)と、この第1の半導体領域とPN接合を構成する半導体領域(第2の半導体領域)とに印加される外部電圧を0にすることが可能となる。つまりこのバイアス供給スイッチはPN接合等に印加される外部電界を緩和させる機能を有している。バイアス供給スイッチは、光電変換装置の非動作時に導通させる。 In the present invention, a bias supply switch for providing an external electric field applied to such a PN junction connected to such a high impedance node is preferably zero. The bias supply switch applies the semiconductor region (first semiconductor region) connected to the input node of the source follower and the semiconductor region (second semiconductor region) that forms a PN junction with the first semiconductor region. It is possible to make the external voltage to be zero. That is, this bias supply switch has a function of relaxing an external electric field applied to a PN junction or the like. The bias supply switch is turned on when the photoelectric conversion device is not operating.
ここでバイアス供給スイッチにより外部電界を緩和するわけであるが、必ずしも外部電界をゼロにする必要はない。少なくとも信号読み出し動作、リセット動作などの光電変換素子の光電変換による信号が利用される期間内(動作時)にソースフォロワの入力ノードに印加される電界よりも、小さい電界であれば良い。具体的には、画素を構成するMOSトランジスタのオフセット等の画像信号におけるノイズ信号を光電変換により生成する信号から減算することによりノイズを抑制する構成において説明する。この構成においては、ソースフォロワの入力ノードの電位状態として、リセットトランジスタによりFD領域にリセット電圧が供給された状態及び、光電変換素子からFD領域へ電荷が読み出された状態が考えられる。この画素駆動において、上述した駆動された画素における第1の半導体領域及び第2の半導体領域に印加される外部電界に比べて、バイアス供給スイッチにより印加される電界が小さくなるようにすればよい。 Here, the external electric field is relaxed by the bias supply switch, but it is not always necessary to make the external electric field zero. It is sufficient that the electric field is smaller than the electric field applied to the input node of the source follower during a period (at the time of operation) in which a signal by photoelectric conversion of the photoelectric conversion element such as a signal reading operation and a reset operation is used. Specifically, a description will be given of a configuration in which noise is suppressed by subtracting a noise signal in an image signal such as an offset of a MOS transistor constituting a pixel from a signal generated by photoelectric conversion. In this configuration, as a potential state of the input node of the source follower, a state in which a reset voltage is supplied to the FD region by a reset transistor and a state in which charge is read from the photoelectric conversion element to the FD region can be considered. In this pixel driving, the electric field applied by the bias supply switch may be made smaller than the external electric field applied to the first semiconductor region and the second semiconductor region in the driven pixel.
次にバイアス供給スイッチの動作に関して説明する。 Next, the operation of the bias supply switch will be described.
図7に、本発明の好適な実施の形態に係る光電変換システムの概略図を示す。700は光電変換装置である。701は光電変換領域であり、複数の画素が配されている。702は画素の信号を読み出すための周辺回路である。周辺回路702により画素は駆動される。更に具体的には水平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタを示すブロックであり、そのシフト動作が終了した段階で駆動終了パルスを発生する。駆動終了パルス(処理が終了したことを示すパルス)を受信して、光電変換領域701内の画素のPN接合にかかる外部電圧を小さくするためのスイッチを動作させるパルスを発生させることができる。
FIG. 7 shows a schematic diagram of a photoelectric conversion system according to a preferred embodiment of the present invention.
703は光電変換装置700の電源供給回路である。駆動終了パルスを受信したことに応じて、電源供給回路703から光電変換領域701及び周辺回路702に電源を供給することにより光電変換装置700は光電変換動作を行なう。704は制御装置である。電源供給回路703は、制御装置704から制御パルスを受信して電源供給を行う。上述したバイアス供給スイッチは、制御装置704から電源供給を遮断するために供給されるトリガパルスに基づいて導通が制御される。
光電変換装置の動作時、つまり光電変換装置に電源が定常的に供給されている期間においては、バイアス供給スイッチを非導通とすることで通常動作には支障がでないように制御する。 During operation of the photoelectric conversion device, that is, during a period in which power is constantly supplied to the photoelectric conversion device, control is performed so that normal operation is not hindered by turning off the bias supply switch.
またこのバイアス供給スイッチは、画素駆動に必要なスイッチを流用することで、新たなスイッチを光電変換領域に設けることなく、電界緩和機能を果たすことが可能となるよう構成する。具体的にはリセットスイッチを用いることができる。 In addition, the bias supply switch is configured such that an electric field relaxation function can be achieved without using a new switch in the photoelectric conversion region by diverting a switch necessary for pixel driving. Specifically, a reset switch can be used.
さらに、MOSトランジスタのゲートを駆動するロジック回路動作を、ゲート電位が電源オフになる直前にMOSトランジスタのチャネル電位に等しくなるように制御することでMOSトランジスタの酸化膜に印加される電界をゼロにしてもよい。 Further, by controlling the logic circuit operation for driving the gate of the MOS transistor so that the gate potential becomes equal to the channel potential of the MOS transistor immediately before the power is turned off, the electric field applied to the oxide film of the MOS transistor is made zero. May be.
次に、印加される電界と光電変換装置の欠陥量との関係について説明する。図6は、PN接合又はMOSトランジスタのゲート−ドレイン間、ゲート−ソース間に印加される電界による光電変換装置の欠陥量としてリーク電流を測定したグラフである。 Next, the relationship between the applied electric field and the amount of defects in the photoelectric conversion device will be described. FIG. 6 is a graph in which a leakage current is measured as a defect amount of a photoelectric conversion device due to an electric field applied between a gate-drain and a gate-source of a PN junction or a MOS transistor.
図6において、縦軸は欠陥量を示すリーク電流値で、横軸はX線、宇宙線の曝射総量を示す。参照記号AはPN接合等にバイアスが印加されていない状態、参照記号Bはバイアスが印加されている状態である。状態Aでは、状態Bに比べて劣化が抑制されていることがわかる。 In FIG. 6, the vertical axis represents the leakage current value indicating the defect amount, and the horizontal axis represents the total exposure amount of X-rays and cosmic rays. Reference symbol A is a state in which no bias is applied to the PN junction or the like, and reference symbol B is a state in which a bias is applied. It can be seen that degradation is suppressed in state A compared to state B.
図6においてAと記述された曲線は本発明の好適な実施の形態に係る駆動方法によるもので、接合に印加される電界をBの状態に比べて小さくした場合であり、具体的にはゼロである。Aの場合に比べ、結晶欠陥によるリーク電流が減少していることがわかる。 The curve described as A in FIG. 6 is based on the driving method according to the preferred embodiment of the present invention, and is a case where the electric field applied to the junction is smaller than the state of B, specifically zero. It is. It can be seen that the leakage current due to crystal defects is reduced as compared with the case of A.
したがって本発明によれば、光電変換素子の光電変換による信号を利用しない期間において、上述したPN接合等に印加されるバイアスを、画素駆動時に対して小さくしておくことにより結晶欠陥を抑制することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, in a period in which a signal by photoelectric conversion of the photoelectric conversion element is not used, the crystal imperfection is suppressed by reducing the bias applied to the PN junction or the like described above with respect to pixel driving. Is possible.
以下具体的な実施形態を挙げて本発明に関して詳細に説明する。しかし本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念を超えない限りで、変形、組み合わせ可能なものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be modified and combined without departing from the concept of the present invention.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の好適な第1の実施形態としての光電変換装置の画素部を示す回路図である。信号電荷として電子を用いる場合について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a pixel portion of a photoelectric conversion device as a preferred first embodiment of the present invention. A case where electrons are used as signal charges will be described.
図1において、1は光電変換素子として機能するフォトダイオードである。2は光電変換により生じた電荷に基づく信号を低出力インピーダンスで出力するためのソースフォロワ回路の一部を構成する増幅トランジスタである。増幅トランジスタ2は、ゲートがフォトダイオード1の出力端に電気的に接続され、ソースに電源電圧が印加されている。3は増幅トランジスタ2の出力信号を共通信号線(図示せず)に出力するための選択スイッチである。4はリセットスイッチである。リセットスイッチ4は、一端がフォトダイオード1の出力端と増幅トランジスタ2のゲートとを結ぶ電気経路に電気的に接続され、他端が後述するノード7に電気的に接続されたスイッチ素子である。5は上述したソースフォロワ回路の一部を構成するバイアス用定電流源である。6はフォトダイオード1の電荷を増幅トランジスタ2に転送する転送スイッチである。7はソースフォロワ回路の入力ノードにリセット電圧を印加するためのノードである。ノード7は、電源電圧と、電源電圧よりも小さい電圧(例えば、接地電圧)と、が切り替え可能に構成され、いずれかの電圧を供給可能である。ここで転送スイッチ6、リセットスイッチ4、選択スイッチ3、増幅トランジスタ2としては、例えば、MOSトランジスタを用いることができる。またソースフォロワの入力ノードとして機能するのは、増幅トランジスタ2のゲートである。リセットスイッチ4のオンオフ状態及びノード7の電圧は、制御手段として制御装置704(図7参照)により制御される。本実施形態においては上述したバイアス供給スイッチとしてリセットスイッチ4を用いている。
In FIG. 1,
図8に図1で説明した画素の一部の断面図を示す。801は第1導電型(N型)の半導体基板、802は第2導電型(P型)の半導体領域である。803はN型の半導体領域である。図に示すようにN型半導体領域803はP型半導体領域802とPN接合を構成し、光電変換素子となるフォトダイオード1を構成している。また、N型半導体領域803は信号電荷の蓄積を行なうため電荷蓄積領域ともいえる。804はN型のFD領域804である。FD領域804は増幅トランジスタ2(不図示)のゲート電極と電気的に接続されている。またN型半導体領域803はソースフォロワの入力ノードと転送スイッチ6を介して電気的に接続されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a part of the pixel described in FIG.
805は電荷蓄積領域として機能するN型半導体領域803の電荷をFD領域804に転送するための転送スイッチ6のゲートである。803、804、805により転送スイッチ6を構成している。806はリセットスイッチ4のN型のソース、ドレイン領域である。807はリセットスイッチ4のゲートである。その他に図示しない増幅トランジスタ2、選択スイッチ3等が配されている。
808はP型半導体領域802に基準電圧(接地電圧)を供給するためのP型半導体領域である。また809はリセットスイッチ4のドレインに電圧を供給するための配線である。810はP型半導体領域808に基準電圧(接地電圧)を供給するための配線である。
図1及び図8より高インピーダンスノードとなるソースフォロワの入力ノードに電気的に接続されるのは、N型半導体領域803及び、転送スイッチ6、リセットスイッチ4である。したがってこれらに対してバイアス供給スイッチにより電界を緩和する。
The N-
図2にノード7に電圧を供給するバイアス回路の一例を示す。ノード7に上述した配線809(図8参照)が接続されている。11はFD領域804(図8参照)をリセットするための電圧を供給するためのリセット電源である。12はノード7にリセット電圧を出力するためのスイッチである。13はノード7に接地電圧を供給するためのスイッチである。本実施形態においては、リセットスイッチ4のドレイン領域806(図8参照)に供給する電界緩和用の電圧を、P型半導体領域802に供給される基準電圧(接地電圧)に等しくしている。
FIG. 2 shows an example of a bias circuit that supplies a voltage to the node 7. The wiring 809 (see FIG. 8) described above is connected to the node 7.
図5は、本実施の形態における動作タイミングを示すタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart showing the operation timing in the present embodiment.
12は図2のスイッチ12の制御端子に供給されるパルス、13は図2のスイッチ13の制御端子に供給されるパルス、4は図1のリセットスイッチ4の制御端子に供給されるパルス、6は図1の転送スイッチ6の制御端子に供給されるパルスである。これらは、制御端子がハイレベルの信号を受けた際に、全てHighパルスでアクティブとなり導通する。また電源遮断パルスとは図7において制御装置704から電源供給回路703に供給されるパルスである。このパルスにより光電変換装置700に対する電源供給が遮断される。(図2のスイッチ12がオフしてスイッチ13がオンした後、)光電変換装置に対しての電源供給が遮断される状態になる直前(図5の期間A))に、バイアス供給スイッチ(リセットスイッチ4)を導通させる。このとき図2の回路は、光電変換素子を構成するP型半導体領域802に供給される基準電圧と等しい電圧(接地電圧)を選択するとともに、ノード7経由で領域806へ供給する。そして、リセットスイッチ4と転送スイッチ6を導通させる期間の少なくとも一部が、図2のスイッチ13を導通させてn型の半導体領域804,803へ電圧を供給する期間と重なるように制御する。
12 is a pulse supplied to the control terminal of the
このようにすることで、フォトダイオード1のPN接合電界や、リセットスイッチ4及び転送スイッチ6のソース−ウェル間PN接合、ドレイン−ウェル間PN接合の電界を緩和できる、あるいは、0にできる(図5の期間B)。
In this way, the PN junction electric field of the
また、リセットスイッチ4及び転送スイッチ6のMOSスイッチのゲートを駆動するロジック回路(図示せず)のファンクション設定を、図5の期間Aにグランド電位となるように設定する。ただし、スイッチがPMOSトランジスタの場合は電源電位に設定する。
Further, the function setting of a logic circuit (not shown) for driving the gates of the MOS switches of the
本実施形態によれば、光電変換装置の非動作時にX線、宇宙線などによる出力信号の劣化を抑制することが可能となる。また、増幅型の光電変換装置の画素において通常用いられるリセットスイッチを用い、リセットスイッチのドレインに供給される電圧をリセット用電圧と、電界緩和用電圧とを切り替えることによりバイアス供給スイッチとして機能させた。したがって、特別の構成を付加することなく上述の効果を得ることが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to suppress degradation of output signals due to X-rays, cosmic rays, etc. when the photoelectric conversion device is not operating. In addition, a reset switch normally used in a pixel of an amplification type photoelectric conversion device was used, and the voltage supplied to the drain of the reset switch was made to function as a bias supply switch by switching between the reset voltage and the electric field relaxation voltage. . Therefore, the above-described effect can be obtained without adding a special configuration.
なお、期間Bにおいて、図5に示されるように、かかる電圧が変動しないようにp−n接合を保護する保護回路(図示せず)がアクティブになっても良い。 In period B, as shown in FIG. 5, a protection circuit (not shown) for protecting the pn junction may be activated so that the voltage does not fluctuate.
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の好適な第2の実施形態としての光電変換装置の画素部を示す回路図である。光電変換回路に新たにバイアス供給スイッチを配置する例である。図1と同様の構成については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a pixel portion of a photoelectric conversion device as a preferred second embodiment of the present invention. In this example, a bias supply switch is newly arranged in the photoelectric conversion circuit. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図3において、8はバイアス供給スイッチ、9はバイアス供給スイッチ8を駆動する端子である。バイアス供給スイッチ8はフォトダイオード1を構成するP型半導体領域及びN型半導体領域にかかる外部電圧を低減することが可能なようにP型半導体領域及びN型半導体領域とを接続している。
In FIG. 3, 8 is a bias supply switch, and 9 is a terminal for driving the
光電変換装置が非動作となる前に端子9にバイアス供給スイッチ8を導通させるパルスを供給することでバイアス供給スイッチ8を導通させる。それと同時に、転送スイッチ6を導通させるための別のパルスがその制御端子に供給されるようにすることにより、転送スイッチ6を導通させる。これにより、フォトダイオード1を構成するPN接合、転送スイッチ6及びリセットスイッチ4のソース−ウエル間、転送スイッチ6のドレイン−ウェル間のPN接合にかかる外部電界をゼロにすることが可能となる。
The
また本実施形態における駆動は実施形態1と同様に行なうことができる。つまり、端子9に供給されるパルス(図5のパルス4と同様のパルス)は、図7で説明した制御装置704からの電源遮断パルスに基づいて生成される。フォトダイオード1のP型半導体領域と接続されるバイアス供給スイッチの端子9は、画素領域のウエルコンタクト用の配線に接続することによりP型半導体領域と同電位とすることが可能である。
The driving in this embodiment can be performed in the same manner as in the first embodiment. That is, the pulse supplied to the terminal 9 (similar to the
本実施形態によっても、フォトダイオード1のPN接合電界や、リセットスイッチ4及び転送スイッチ6のソース−ウェル間PN接合、ドレイン−ウェル間PN接合の電界を緩和できる、あるいは、0にできる。このため、光電変換装置の非動作時にX線、宇宙線などによる出力信号の劣化を抑制することが可能となる。
Also according to the present embodiment, the PN junction electric field of the
(第3の実施の形態)
図4は、本発明の好適な第3の実施形態としての光電変換装置の画素部を示す回路図である。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a pixel portion of a photoelectric conversion device as a preferred third embodiment of the present invention.
第2の実施形態ではバイアス供給スイッチ8がフォトダイオード1及び転送スイッチ6と並列に電気的に接続されたのに対し、本実施形態では、バイアス供給スイッチ8が増幅トランジスタ2のゲートと接地配線との間に電気的に接続されている。
In the second embodiment, the
本実施の形態では、光電変換装置の非動作の直前に転送スイッチ6とバイアス供給スイッチ8を同時に導通させることで、フォトダイオード1のPN接合電界をゼロにすることが可能となる。これにより、フォトダイオード1のPN接合電界や、リセットスイッチ4及び転送スイッチ6のソース−ウェル間PN接合、ドレイン−ウェル間PN接合の電界を緩和できる、あるいは、0にできる。
In this embodiment, the PN junction electric field of the
また本実施形態における駆動に関しては実施形態1と同様に行なうことができる。つまり、端子9に供給されるパルス(図5のパルス4と同様のパルス)は、図7で説明した制御装置704からの電源遮断パルスに基づいて生成される。
Further, the driving in this embodiment can be performed in the same manner as in the first embodiment. That is, the pulse supplied to the terminal 9 (similar to the
本実施形態によっても、フォトダイオード1のPN接合電界や、リセットスイッチ4及び転送スイッチ6のソース−ウェル間PN接合、ドレイン−ウェル間PN接合の電界を緩和できる、あるいは、0にできる。このため、光電変換装置の非動作時にX線、宇宙線などによる出力信号の劣化を抑制することが可能となる。
Also according to the present embodiment, the PN junction electric field of the
以上、本発明について詳細に説明した。上述したようにこれら実施形態に限定されるものではない。たとえば、信号電荷を電子として説明したが、各半導体領域の導電型を反対導電型とすることで正孔を信号電荷に用いることもできる。さらに、転送スイッチを設けた構成に関して説明したが、フォトダイオードの電荷蓄積領域が、ソースフォロワの入力ノードにスイッチを介さず直接接続されている構成に対しても適用可能である。この場合には少なくともフォトダイオードに印加される電界を緩和するような構成をとればよい。つまりフォトダイオードを構成するP型半導体領域及びN型半導体領域にかかる外部電圧を低減するスイッチを設けることにより本発明の効果は得られる。 The present invention has been described in detail above. As described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, although the signal charges are described as electrons, holes can be used as signal charges by changing the conductivity type of each semiconductor region to the opposite conductivity type. Further, the configuration provided with the transfer switch has been described, but the present invention can also be applied to a configuration in which the charge storage region of the photodiode is directly connected to the input node of the source follower without a switch. In this case, it is sufficient to take a configuration that relaxes at least the electric field applied to the photodiode. That is, the effect of the present invention can be obtained by providing a switch for reducing the external voltage applied to the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region constituting the photodiode.
本発明は、カメラのセンサーなどに使用される光電変換装置に利用可能である。 The present invention is applicable to a photoelectric conversion device used for a camera sensor or the like.
700 光電変換装置 700 Photoelectric conversion device
Claims (10)
フローティングディフュージョン領域と、
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、
ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、
一端が前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に電気的に接続され、他端が前記電源電圧よりも小さい電圧を前記他端に供給可能なノードに電気的に接続されたスイッチ素子と、
前記転送スイッチ及び前記スイッチ素子のそれぞれのオンオフ状態を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、トリガパルスの入力に応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧が前記ノードにより前記スイッチ素子の前記他端に供給された状態で前記スイッチ素子と前記転送スイッチ素子とを同時にオンする
ことを特徴とする光電変換装置。 A photoelectric conversion element;
Floating diffusion area,
A transfer switch for transferring the charge generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region;
An amplification transistor having a gate electrically connected to the floating diffusion region and a power supply voltage applied to the drain;
One end is electrically connected to an electrical path connecting the floating diffusion region and the gate of the amplification transistor, and the other end is electrically connected to a node capable of supplying a voltage smaller than the power supply voltage to the other end. A switch element;
Control means for controlling the on / off state of each of the transfer switch and the switch element;
With
The control means, in response to input of the trigger pulse is turned on simultaneously with the transfer switch element and the switching element in a state of being supplied to the other end of the smaller voltage than the power supply voltage is the switching element by said node <br/> A photoelectric conversion device characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The control means, in response to input of the trigger pulse, from a state in which the power supply voltage is supplied to the other end of the switching element by said node, voltage less than the power supply voltage of the switching element by said node The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is changed to a state of being supplied to the other end .
前記スイッチ素子は、前記他端が前記ノードを介して前記バイアス回路に接続されており、 The switch element has the other end connected to the bias circuit via the node,
前記制御手段は、前記トリガパルスの入力に応じて、前記電源電圧が前記バイアス回路により前記ノードへ供給された状態から、前記電源電圧よりも小さい電圧が前記バイアス回路により前記ノードへ供給された状態へ変更する The control means is in a state where a voltage smaller than the power supply voltage is supplied to the node by the bias circuit from a state where the power supply voltage is supplied to the node by the bias circuit in response to an input of the trigger pulse. Change to
ことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the voltage smaller than the power supply voltage is a ground voltage.
前記制御手段は、前記トリガパルスの入力に応じて、前記スイッチ素子をオフした状態から前記スイッチ素子をオンした状態へ変更する The control means changes from a state where the switch element is turned off to a state where the switch element is turned on in response to the input of the trigger pulse.
ことを特徴とする請求項4に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 4.
フローティングディフュージョン領域と、 Floating diffusion area,
前記光電変換素子で発生した電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送スイッチと、 A transfer switch for transferring the charge generated in the photoelectric conversion element to the floating diffusion region;
ゲートが前記フローティングディフュージョン領域に電気的に接続され、ドレインに電源電圧が印加される増幅トランジスタと、 An amplification transistor having a gate electrically connected to the floating diffusion region and a power supply voltage applied to the drain;
一端が前記光電変換素子と前記転送スイッチとを結ぶ電気経路に電気的に接続され、他端が接地配線に電気的に接続されたスイッチ素子と、 A switch element having one end electrically connected to an electrical path connecting the photoelectric conversion element and the transfer switch, and the other end electrically connected to a ground wiring;
前記転送スイッチ及び前記スイッチ素子のそれぞれのオンオフ状態を制御する制御手段と、 Control means for controlling the on / off state of each of the transfer switch and the switch element;
を備え、With
前記制御手段は、トリガパルスの入力に応じて、接地電圧が前記ノードにより前記スイッチ素子の前記他端に供給された状態で前記スイッチ素子と前記転送スイッチ素子とを同時にオンする The control means simultaneously turns on the switch element and the transfer switch element in response to an input of a trigger pulse in a state where a ground voltage is supplied to the other end of the switch element by the node.
ことを特徴とする光電変換装置。A photoelectric conversion device characterized by that.
トリガパルスを受信する第1の工程と、
前記第1の工程で受信された前記トリガパルスに応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧を前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に印加すると同時に前記転送スイッチ素子をオンする第2の工程と、
を含む
ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。 A photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch for transferring charges generated in the photoelectric conversion device to the floating diffusion region, a gate is electrically connected to the floating diffusion region , and a power supply voltage is applied to the drain A method of driving a photoelectric conversion device comprising:
A first step of receiving a trigger pulse ;
In response to the trigger pulse received in the first step, a voltage smaller than the power supply voltage is applied to the electrical path connecting the floating diffusion region and the gate of the amplification transistor, and at the same time the transfer switch element is turned on. A second step of:
A method for driving a photoelectric conversion device comprising:
ことを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置の駆動方法。 The trigger pulse, the driving method of a photoelectric conversion device according to claim 7, characterized in <br/> comprises a power cutoff pulse Previous Symbol photoelectric conversion device.
ことを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置の駆動方法。 The trigger pulse, the driving method of a photoelectric conversion device according to claim 7, characterized in <br/> comprises a driving end pulse of the horizontal shift registers for reading out a signal from said photoelectric conversion device.
前記光電変換装置が、前記制御装置からトリガパルスを受信する第1の工程と、
前記光電変換装置が、前記第1の工程で受信された前記トリガパルスに応じて、前記電源電圧よりも小さい電圧を前記フローティングディフュージョン領域と前記増幅トランジスタのゲートとを結ぶ電気経路に印加すると同時に前記転送スイッチ素子をオンする第2の工程と、
を含む
ことを特徴とする光電変換システムの駆動方法。 A photoelectric conversion element, a floating diffusion region, a transfer switch for transferring charges generated in the photoelectric conversion device to the floating diffusion region, a gate is electrically connected to the floating diffusion region , and a power supply voltage is applied to the drain that the amplification transistor and a photoelectric conversion device comprising a method of driving a photoelectric conversion system having a control device,
The photoelectric conversion device, a first step of receiving the door Rigaparusu from said control device,
When the photoelectric conversion device, in response to said first of said trigger pulses received in step, applying a voltage less than the power supply voltage to the electric path connecting the gate of the amplifying transistor and the floating diffusion region A second step of simultaneously turning on the transfer switch element ;
A method for driving a photoelectric conversion system comprising:
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