JP5363237B2 - Photoelectric conversion circuit and photoelectric conversion element used therefor - Google Patents

Photoelectric conversion circuit and photoelectric conversion element used therefor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion circuit and a photoelectric conversion element which can exclude a bias dependence property of a photoelectric conversion element (photo diode). <P>SOLUTION: A photoelectric conversion element PD and a diode element D are connected between a first control line L1 and a second control line L2 mutually in an inverse direction and in series. By biasing the diode element D in a forward direction, a predetermined voltage is provided between a cathode and an anode of the photoelectric conversion element PD. Thus, a predetermined voltage is provided to a plurality of photoelectric conversion elements PDs, so that a bias dependence property of the photoelectric conversion elements is excluded. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は光電変換回路及びそれに用いる光電変換素子に関し、特に光電変換素子のバイアス依存性を排除することができるものに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion circuit and a photoelectric conversion element used for the photoelectric conversion circuit, and more particularly to a circuit that can eliminate bias dependency of the photoelectric conversion element.

図6は特許文献1の図2に示されている従来の光電変換回路600を一部参照符号を換えて示す。光電変換回路600はバイアス電圧VDDPDとカスコード型カレントミラー回路によって光電変換素子PDの両端子にかかる電圧を所定電圧にクランプする形で構成されている。すなわち、光電変換素子(フォトダイオード)PDのカソード・アノード間の電圧はバイアス電圧VDDPDとカスコード型カレントミラー回路側で生成されたアノード電圧Vaによって所定電圧にクランプされる。 FIG. 6 shows a conventional photoelectric conversion circuit 600 shown in FIG. 2 of Patent Document 1 with some reference numerals changed. The photoelectric conversion circuit 600 is configured to clamp a voltage applied to both terminals of the photoelectric conversion element PD to a predetermined voltage by a bias voltage VDDPD and a cascode current mirror circuit. That is, the voltage between the cathode and the anode of the photoelectric conversion element (photodiode) PD is clamped to a predetermined voltage by the bias voltage VDDPD and the anode voltage Va generated on the cascode current mirror circuit side.

次に光電変換回路600の回路動作を簡単に説明する。先ず初期化(リセット)時において、リセット信号RSTがローレベルからハイレベルに立ち上げられるとトランジスタN6がオン状態とされる。このとき、リード信号RDはローレベルに維持されトランジスタN8はオフ状態とされる。MOSキャパシタN5の一端(ゲート)は、トランジスタN6を介して電源電圧VDDの印加端に接続され、端子電圧Vbは、ほぼ電源電圧である所定の初期電圧レベルまで引き上げられる。その結果、トランジスタN7はフルオン状態の初期状態にリセットされる。 Next, a circuit operation of the photoelectric conversion circuit 600 will be briefly described. First, at initialization (reset), when the reset signal RST rises from a low level to a high level, the transistor N6 is turned on. At this time, the read signal RD is maintained at the low level, and the transistor N8 is turned off. One end (gate) of the MOS capacitor N5 is connected to the application terminal of the power supply voltage VDD via the transistor N6, and the terminal voltage Vb is raised to a predetermined initial voltage level that is substantially the power supply voltage. As a result, the transistor N7 is reset to the initial state of the full on state.

光電変換回路600の初期化後、光電変換素子PDの露光時には、リセット信号RSTが再びローレベルに立ち下げられ、トランジスタN6がオフ状態とされる。このとき、リード信号RDは引き続きローレベルに維持され、トランジスタN8もオフ状態とされる。したがって、MOSキャパシタN5は、カレントミラー回路に引き込まれるミラー電流Imによって放電され、端子電圧Vbは初期電圧レベルから引き下げられる。その結果トランジスタN7は光電変換素子PDの受光量に依存し、オン状態は初期状態よりも低下する。 After the initialization of the photoelectric conversion circuit 600, when the photoelectric conversion element PD is exposed, the reset signal RST falls again to the low level, and the transistor N6 is turned off. At this time, the read signal RD is continuously maintained at the low level, and the transistor N8 is also turned off. Therefore, the MOS capacitor N5 is discharged by the mirror current Im drawn into the current mirror circuit, and the terminal voltage Vb is lowered from the initial voltage level. As a result, the transistor N7 depends on the amount of light received by the photoelectric conversion element PD, and the on state is lower than the initial state.

露光後、受光信号の読み出し時において、リード信号RDがハイレベルに立ち上げられるとトランジスタN8はオン状態とされる。このとき、リセット信号RSTは、引き続きローレベルに維持され、トランジスタN6はオフ状態とされる。なお、トランジスタN7のソースは、トランジスタN8を介して、列選択ラインYnに接続される。その結果、列選択ラインYnからは、トランジスタN7の導通度、すなわち、光電変換素子PDの受光量に応じた出力電流Ioが引き出され、これに応じた出力電圧Voが得られるので、これを検出することにより、光電変換素子PDの受光量を得ることが可能となる。光電変換素子PDの受光量が多いほど、出力電流Ioが低下し、延いては出力電圧Voが低下する。 After the exposure, when the light reception signal is read, the transistor N8 is turned on when the read signal RD rises to a high level. At this time, the reset signal RST is continuously maintained at the low level, and the transistor N6 is turned off. Note that the source of the transistor N7 is connected to the column selection line Yn via the transistor N8. As a result, the output current Io corresponding to the conductivity of the transistor N7, that is, the amount of light received by the photoelectric conversion element PD is drawn from the column selection line Yn, and the output voltage Vo corresponding to this is obtained. This makes it possible to obtain the amount of light received by the photoelectric conversion element PD. The greater the amount of light received by the photoelectric conversion element PD, the lower the output current Io, and the lower the output voltage Vo.

しかし、光電変換素子PDによって変換される光電流Idは微小であるため、カスコード型カレントミラー回路を構成するMOSトランジスタN1、N2、N3、及びN4がそれぞれ飽和領域で動作するために必要な電流が充分に流れず、したがってアノード電圧Vaを所定電圧にクランプするのが難しいという不具合が生じ得る。 However, since the photocurrent Id converted by the photoelectric conversion element PD is very small, the currents necessary for the MOS transistors N1, N2, N3, and N4 constituting the cascode type current mirror circuit to operate in the saturation region are respectively present. There is a problem that it does not flow sufficiently, and therefore it is difficult to clamp the anode voltage Va to a predetermined voltage.

特許文献1の図3にはCIGS(Cupper Indium Gallium Selenium)系光電変換素子が示されている。すなわち、シリコン系の光電変換素子とは異なる、非シリコン系材料である、銅(Cupper)、インジウム(Indium)、ガリウム(Gallium)、及びセレン(Selenium)の化合物を材料とする薄膜を光電変換素子に用いたものが示されている。こうしたCIGS系光電変換素子においても、そのカソードにはバイアス電圧VDDPDが、アノードにはカスコード型カレントミラー回路で生成されたアノード電圧Vaがそれぞれ供給されるので前述と同様の不具合が生じることになる。 FIG. 3 of Patent Document 1 shows a CIGS (Cupper Indium Gallium Selenium) photoelectric conversion element. That is, a thin film made of a compound of copper (Cupper), indium (Gallium), and selenium (Selenium), which is a non-silicon-based material different from a silicon-based photoelectric conversion element, is used as a photoelectric conversion element. The one used in is shown. Even in such a CIGS photoelectric conversion element, the bias voltage VDDPD is supplied to the cathode, and the anode voltage Va generated by the cascode current mirror circuit is supplied to the anode.

図7は特許文献2の図5に示されている光電センサを一部参照符号を換え、かつ一部参照符号を追加して示したものである。特許文献2は、いわゆる、グローバルシャッタ露光制御に好適なものとしての技術的思想を示唆する。光電変換回路700において、光電変換素子1のアノードは接地電位2に、そのカソードはダイオードノードN1、すなわち、リセットダイオードD1のカソードにそれぞれ接続される。したがって、光電変換素子1とリセットダイオードD1のカソード同士は共通に接続され、その共通接続点がダイオードノードN1に接続される。リセットダイオードD1のアノードには、ダイオードD1のリセット信号Vreset1が供給される。すなわち、回路構成上は光電変換素子1とリセットダイオードD1は、リセット信号Vreset1が供給される制御ラインLr1と接地電位2との間に、互いに逆方向にかつ直列に接続されていることになる。 FIG. 7 shows the photoelectric sensor shown in FIG. 5 of Patent Document 2 with a part of reference numerals changed and a part of reference numerals added. Patent Document 2 suggests a technical idea suitable for so-called global shutter exposure control. In the photoelectric conversion circuit 700, the anode of the photoelectric conversion element 1 is connected to the ground potential 2, and the cathode thereof is connected to the diode node N1, that is, the cathode of the reset diode D1. Therefore, the cathodes of the photoelectric conversion element 1 and the reset diode D1 are connected in common, and the common connection point is connected to the diode node N1. The reset signal Vreset1 of the diode D1 is supplied to the anode of the reset diode D1. That is, in terms of circuit configuration, the photoelectric conversion element 1 and the reset diode D1 are connected in the opposite direction and in series between the control line Lr1 to which the reset signal Vreset1 is supplied and the ground potential 2.

ダイオードノードN1には、シャッタトランジスタT2の第1主電極とフォトダイオードキャパシタC10の第1端子が共通接続され、ノードN3にはシャッタトランジスタT2の第2主電極と変換ノードキャパシタC20の第1端子が共通接続される。さらにフォトダイオードキャパシタC10の第2端子と変換ノードキャパシタC20の第2端子は共に接地電位2に共通接続される。また、ノードN3、すなわち、シャッタトランジスタT2と変換ノードキャパシタC20の共通接続点には読み出しトランジスタT3のゲートとリセットトランジスタT5の第1主電極が共通接続される。またリセットトランジスタT5の第2主電極と読み出しトランジスタT3の第1主電極には共にリセット信号Vreset2が供給される制御ラインLr2に接続されている。また、読み出しトランジスタT3の第2主電極には行選択トランジスタT4の第1主電極が接続され、行選択トランジスタT4の第2主電極は列バスYn1に接続される。 The first main electrode of the shutter transistor T2 and the first terminal of the photodiode capacitor C10 are commonly connected to the diode node N1, and the second main electrode of the shutter transistor T2 and the first terminal of the conversion node capacitor C20 are connected to the node N3. Commonly connected. Further, the second terminal of the photodiode capacitor C10 and the second terminal of the conversion node capacitor C20 are both commonly connected to the ground potential 2. Further, the gate of the read transistor T3 and the first main electrode of the reset transistor T5 are commonly connected to the node N3, that is, the common connection point of the shutter transistor T2 and the conversion node capacitor C20. The second main electrode of the reset transistor T5 and the first main electrode of the read transistor T3 are both connected to a control line Lr2 to which a reset signal Vreset2 is supplied. The first main electrode of the row selection transistor T4 is connected to the second main electrode of the read transistor T3, and the second main electrode of the row selection transistor T4 is connected to the column bus Yn1.

図8は特許文献3の図3に示されている光検出器である。光検出器800において、フォトダイオード(光電変換素子)1は入射光9の関数として電荷キャリアを発生する。フォトダイオード1のアノード11は接地電位GNDに、そのカソード12はセンスノード4にそれぞれ接続される。センスノード4にはシャントダイオード2のカソード22が接続される。センスノード4はフォトダイオード1のカソード12とシャントダイオード2のカソード22の共通接続点でもある。シャントダイオード2のアノード21は制御電圧Vcが供給される制御ライン5に接続される。制御電圧Vcは時間的に一定か、又はリセットクロックに同期して時間の経過に従って変調されるかのどちらかであるとしている。なお、制御電圧Vcが一定の場合には、その値は0からバイアス電圧VRまでとしている。バイアス電圧VRはフォトダイオード1に供給される逆バイアス電圧である。すなわち、制御電圧Vcはシャントダイオード2を逆バイアスするように選択される。なお、シャントダイオード2は遮蔽手段90により入射光9から遮蔽される。 FIG. 8 shows the photodetector shown in FIG. In the photodetector 800, the photodiode (photoelectric conversion element) 1 generates charge carriers as a function of incident light 9. The anode 11 of the photodiode 1 is connected to the ground potential GND, and the cathode 12 thereof is connected to the sense node 4. The sense node 4 is connected to the cathode 22 of the shunt diode 2. The sense node 4 is also a common connection point between the cathode 12 of the photodiode 1 and the cathode 22 of the shunt diode 2. The anode 21 of the shunt diode 2 is connected to the control line 5 to which the control voltage Vc is supplied. The control voltage Vc is assumed to be either constant in time or modulated over time in synchronization with the reset clock. When the control voltage Vc is constant, the value is from 0 to the bias voltage VR. The bias voltage VR is a reverse bias voltage supplied to the photodiode 1. That is, the control voltage Vc is selected so as to reverse bias the shunt diode 2. The shunt diode 2 is shielded from the incident light 9 by the shielding means 90.

また光検出器800において、センスノード4にはリセットスイッチ61の第1主電極及びソースフォロワ62のゲートが共通接続され、リセットスイッチ61の第2主電極にはバイアス電圧VRが供給され、ソースフォロワ62の第1主電極には列選択スイッチ63の第1主電極が接続され、列選択スイッチ63の第2主電極には列ライン7が接続されている。 In the photodetector 800, the sense node 4 is connected in common to the first main electrode of the reset switch 61 and the gate of the source follower 62, and the bias voltage VR is supplied to the second main electrode of the reset switch 61. The first main electrode of the column selection switch 63 is connected to the first main electrode 62, and the column line 7 is connected to the second main electrode of the column selection switch 63.

特開2009−60424号公報JP 2009-60424 A 特表2006−505159号公報JP-T-2006-505159 特開2003−202264号公報JP 2003-202264 A

上記特許文献1、特許文献2、及び特許文献3には光電変換素子(フォトダイオード)のカソード又はアノードに所定の電圧を供給するという技術的思想が開示又は示唆されていることは認められる。しかし、光電変換素子、すなわちフォトダイオードのバイアス依存性を排除するという技術的思想については開示及び示唆されていない。本発明にかかる光電変換回路はフォトダイオードのバイアス依存性を排除することができる光電変換回路及び光電変換素子を提供するものである。 It is recognized that the above-mentioned Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3 disclose or suggest the technical idea of supplying a predetermined voltage to the cathode or anode of a photoelectric conversion element (photodiode). However, the technical idea of eliminating the bias dependency of the photoelectric conversion element, that is, the photodiode, is not disclosed or suggested. The photoelectric conversion circuit according to the present invention provides a photoelectric conversion circuit and a photoelectric conversion element that can eliminate the bias dependency of a photodiode.

本発明の請求項1の光電変換装置は、直流電圧である第1制御電圧が供給される第1制御ラインと、一端に第1固定電位が供給される第1キャパシタと、前記第1制御ラインと前記第1キャパシタの他端との間に接続される光電変換素子と、前記光電変換素子は、記第1制御ラインに接続されるカソードと、前記カソードよりも低い電位が供給されるとともに前記第1キャパシタの他端に接続されるアノードとを含み、前記第1キャパシタの他端に接続される第1電極と、第2電極と、直流電圧である第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第1トランジスタと、第2固定電位が供給される一端と、前記第1トランジスタの第2電極が接続される他端とを含む第2キャパシタと、前記第2キャパシタの他端に接続される第1電極と、第3固定電位に接続される第2電極と、第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第2トランジスタと、前記第2キャパシタの他端と接続される制御電極と、参照電位が供給される第1電極と、第2電極とを含む第3トランジスタと、前記第3トランジスタの第2電極と接続される第1電極と、第3制御電圧が供給される制御電極と、第2電極とを含む第4トランジスタと、前記第4トランジスタの第2電極と接続される信号出力ラインとをさらに備え、前記第1制御電圧の電圧値a、前記第2制御電圧の電圧値b、前記第1トランジスタのスレッショルド電圧c、及び前記第3固定電位の電圧値dはd+c≦b≦a+cを満たすことを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 1 of the present invention includes a first control line to which a first control voltage which is a DC voltage is supplied, a first capacitor to which a first fixed potential is supplied to one end, and the first control line. And a photoelectric conversion element connected between the other end of the first capacitor, the photoelectric conversion element is supplied with a cathode connected to the first control line, a potential lower than the cathode, and An anode connected to the other end of the first capacitor; a first electrode connected to the other end of the first capacitor; a second electrode; and a control electrode to which a second control voltage that is a DC voltage is supplied Connected to the other end of the second capacitor, a second capacitor including one end to which the second fixed potential is supplied, a second end to which the second electrode of the first transistor is connected. To the first fixed electrode and the third fixed potential A second transistor including a second electrode to be connected; a control electrode to which a second control voltage is supplied; a control electrode connected to the other end of the second capacitor; and a first electrode to which a reference potential is supplied And a third transistor including a second electrode; a first electrode connected to the second electrode of the third transistor; a control electrode to which a third control voltage is supplied; and a fourth electrode including a second electrode. A transistor, and a signal output line connected to the second electrode of the fourth transistor, the voltage value a of the first control voltage, the voltage value b of the second control voltage, the threshold voltage of the first transistor The voltage value d of c and the third fixed potential satisfies d + c ≦ b ≦ a + c.

本発明の請求項2の光電変換装置は、前記第1、第3、及び第4トランジスタはPMOSFETであり、前記第2トランジスタはNMOSFETであることを特徴とする。本発明の請求項3の光電変換装置は、直流電圧である第4制御電圧が供給される第2制御ラインと、ダイオード素子とをさらに備え、前記ダイオード素子は、前記光電変換素子のアノードと接続されるアノードと、前記第2制御ラインに接続されるカソードとを含むことを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 2 of the present invention is characterized in that the first, third, and fourth transistors are PMOSFETs, and the second transistor is an NMOSFET. The photoelectric conversion device according to claim 3 of the present invention further includes a second control line to which a fourth control voltage which is a DC voltage is supplied, and a diode element, and the diode element is connected to an anode of the photoelectric conversion element. And an anode connected to the second control line.

本発明の請求項4の光電変換装置は、直流電圧である第1制御電圧が供給される第1制御ラインと、一端に第1固定電位が供給される第1キャパシタと、前記第1制御ラインと前記第1キャパシタの他端との間に接続される光電変換素子と、前記光電変換素子は、記第1制御ラインに接続されるアノードと、前記アノードよりも高い電位が供給されるとともに前記第1キャパシタの他端に接続されるカソードとを含み、前記第1キャパシタの他端に接続される第1電極と、第2電極と、直流電圧である第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第1トランジスタと、第2固定電位が供給される一端と、前記第1トランジスタの第2電極が接続される他端とを含む第2キャパシタと、前記第2キャパシタの他端に接続される第1電極と、第3固定電位に接続される第2電極と、第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第2トランジスタと、前記第2キャパシタの他端と接続される制御電極と、電源電圧が供給される第1電極と、第2電極とを含む第3トランジスタと、前記第3トランジスタの第2電極と接続される第1電極と、第3制御電圧が供給される制御電極と、第2電極とを含む第4トランジスタと、前記第4トランジスタの第2電極と接続される信号出力ラインとをさらに備え、前記第1制御電圧の電圧値a、前記第2制御電圧の電圧値b、前記第1トランジスタのスレッショルド電圧c、及び前記第3固定電位の電圧値dはd-c≦b≦a-cを満たすことを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a photoelectric conversion device comprising: a first control line to which a first control voltage that is a DC voltage is supplied; a first capacitor to which a first fixed potential is supplied at one end; and the first control line. And a photoelectric conversion element connected between the other end of the first capacitor, the photoelectric conversion element is supplied with an anode connected to the first control line, a potential higher than the anode, and A cathode connected to the other end of the first capacitor; a first electrode connected to the other end of the first capacitor; a second electrode; and a control electrode to which a second control voltage that is a DC voltage is supplied Connected to the other end of the second capacitor, a second capacitor including one end to which the second fixed potential is supplied, a second end to which the second electrode of the first transistor is connected. First electrode and third fixed potential A second transistor including a second electrode to be connected; a control electrode to which a second control voltage is supplied; a control electrode connected to the other end of the second capacitor; and a first electrode to which a power supply voltage is supplied And a third transistor including a second electrode; a first electrode connected to the second electrode of the third transistor; a control electrode to which a third control voltage is supplied; and a fourth electrode including a second electrode. A transistor, and a signal output line connected to the second electrode of the fourth transistor, the voltage value a of the first control voltage, the voltage value b of the second control voltage, the threshold voltage of the first transistor c and the voltage value d of the third fixed potential satisfy dc ≦ b ≦ ac.

本発明の請求項5の光電変換装置は、前記第1、第2、第3、及び第4トランジスタはNMOSFETであることを特徴とする。本発明の請求項6の光電変換装置は、直流電圧である第4制御電圧が供給される第2制御ラインと、ダイオード素子とをさらに備え、前記ダイオード素子は、前記光電変換素子のカソードと接続されるカソードと、前記第2制御ラインに接続されるアノードとを含むことを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 5 of the present invention is characterized in that the first, second, third and fourth transistors are NMOSFETs. The photoelectric conversion device according to claim 6 of the present invention further includes a second control line to which a fourth control voltage that is a DC voltage is supplied, and a diode element, and the diode element is connected to a cathode of the photoelectric conversion element. And a cathode connected to the second control line.

本発明の請求項7の光電変換装置は、前記第1制御ラインに供給される第1制御電圧は前記第2制御ラインに供給される第4制御電圧よりも大きく設定されることを特徴とする。本発明の請求項8の光電変換装置は、前記第1制御ラインに供給される第1制御電圧は前記第2制御ラインに供給される第4制御電圧よりも小さく設定されることを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 7 of the present invention is characterized in that the first control voltage supplied to the first control line is set larger than the fourth control voltage supplied to the second control line. . The photoelectric conversion device according to claim 8 of the present invention is characterized in that the first control voltage supplied to the first control line is set smaller than the fourth control voltage supplied to the second control line. .

本発明の請求項9の光電変換装置は、前記ダイオード素子のカソードに加えられる電位はそのアノードに加えられる電位よりも低くなるように前記第1制御ライン及び第2制御ラインに供給される直流電圧の大きさが設定されることを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 9 of the present invention is such that the potential applied to the cathode of the diode element is lower than the potential applied to the anode of the direct current voltage supplied to the first control line and the second control line. The size of is set.

本発明の請求項10の光電変換装置は、前記光電変換素子はシリコン系であることを特徴とする。本発明の請求項11の光電変換装置は、前記光電変換素子は非シリコン系であることを特徴とする。本発明の請求項12の光電変換装置は、前記光電変換素子は銅、インジウム、ガリウム、セレンからなる非シリコン系であることを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 10 of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion element is silicon-based. The photoelectric conversion device according to claim 11 of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion element is non-silicon-based. According to a photoelectric conversion device of a twelfth aspect of the present invention, the photoelectric conversion element is a non-silicon system made of copper, indium, gallium, and selenium.

本発明の請求項13の光電変換装置は、前記ダイオード素子は前記光電変換素子と同一チップ上に形成されることを特徴とする。本発明の請求項14の光電変換装置は、前記ダイオード素子は、前記第1トランジスタと同じ導電型からなるトランジスタを用いていることを特徴とする。本発明の請求項15の光電変換装置は、前記ダイオード素子は、前記第1トランジスタと同じ大きさであることを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 13 of the present invention is characterized in that the diode element is formed on the same chip as the photoelectric conversion element. The photoelectric conversion device according to claim 14 of the present invention is characterized in that the diode element uses a transistor having the same conductivity type as the first transistor. The photoelectric conversion device according to claim 15 of the present invention is characterized in that the diode element has the same size as the first transistor.

本発明の請求項16の光電変換装置は、前記第1キャパシタ及び第2キャパシタの少なくとも1つは第1トランジスタの拡散容量で作り込まれることを特徴とする。The photoelectric conversion device according to claim 16 of the present invention is characterized in that at least one of the first capacitor and the second capacitor is formed by a diffusion capacitance of a first transistor.

本発明の請求項17の光電変換装置は、前記光電変換素子は、一部に開口領域を有するアルミニウム遮光膜と、N型酸化亜鉛層及び真性酸化亜鉛層を有するコモン電極層と、硫化カドミウム層と、CIGS層と、金属電極層と、絶縁層と、ビア層とを含み、前記金属電極層は前記ビア層を介して、前記第2制御ラインに接続され、前記コモン電極層は前記第1制御ラインに接続されることを特徴とする。本発明の請求項18の光電変換装置は、前記第1キャパシタは前記光電変換素子又は前記第1トランジスタの寄生容量であり、前記第2キャパシタは前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、及び前記第3トランジスタの寄生容量であることを特徴とする。In the photoelectric conversion device according to claim 17 of the present invention, the photoelectric conversion element includes an aluminum light-shielding film having an opening region in part, a common electrode layer having an N-type zinc oxide layer and an intrinsic zinc oxide layer, and a cadmium sulfide layer. A CIGS layer, a metal electrode layer, an insulating layer, and a via layer, wherein the metal electrode layer is connected to the second control line through the via layer, and the common electrode layer is the first electrode It is connected to a control line. In the photoelectric conversion device according to claim 18 of the present invention, the first capacitor is a parasitic capacitance of the photoelectric conversion element or the first transistor, and the second capacitor is the first transistor, the second transistor, and the first transistor. It is characterized by a parasitic capacitance of 3 transistors.

本発明の光電変換回路は、光電変換素子のバイアス依存性に関わらず一定の精度で露光量に応じた出力信号を得ることができる。また光電変換素子のバイアス電圧を適宜設定することによりアバランシェ増倍効果を利用して安定した露光感度の増幅を行うことができる。 The photoelectric conversion circuit of the present invention can obtain an output signal corresponding to the exposure amount with a constant accuracy regardless of the bias dependency of the photoelectric conversion element. Further, by appropriately setting the bias voltage of the photoelectric conversion element, it is possible to perform stable amplification of exposure sensitivity using the avalanche multiplication effect.

本発明の第1の実施形態にかかる光電変換回路を示す。1 shows a photoelectric conversion circuit according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態にかかるタイミングチャートを示す。2 shows a timing chart according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態にかかる光電変換回路を示す。The photoelectric conversion circuit concerning the 2nd Embodiment of this invention is shown. 本発明の第2の実施形態にかかるタイミングチャートを示す。The timing chart concerning the 2nd Embodiment of this invention is shown. 本発明の第3の実施形態にかかる光電変換回路及びそれを用いた光電変換素子を示す。The photoelectric conversion circuit concerning the 3rd Embodiment of this invention and a photoelectric conversion element using the same are shown. 従来の光電変換回路の一例を示す。An example of a conventional photoelectric conversion circuit is shown. 従来の光電変換回路の他の一例を示す。Another example of a conventional photoelectric conversion circuit is shown. 従来の光電変換回路のさらに他の一例を示す。Another example of a conventional photoelectric conversion circuit will be described.

(第1の実施形態)
図1は本発明にかかる光電変換回路100を示す。図2は第1の実施形態にかかるタイミングチャートを示す。図1に示した光電変換回路100は、たとえばマトリックス状に配列され、たとえばCMOSイメージセンサを構成するために用意されている。複数の光電変換素子PDのカソード及びアノードは第1制御ラインL1及びノードNd1に各別に接続される。第1制御ラインL1には図示しない複数の光電変換素子PDのカソードが共通に接続されている。すなわち、図1はカソードコモン方式の光電変換回路を示す。光電変換素子PDとしてはシリコン系のフォトダイオードや後述する非シリコン系のフォトダイオードを用いることができる。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a photoelectric conversion circuit 100 according to the present invention. FIG. 2 shows a timing chart according to the first embodiment. The photoelectric conversion circuit 100 shown in FIG. 1 is arranged in a matrix, for example, and is prepared for, for example, configuring a CMOS image sensor. The cathodes and anodes of the plurality of photoelectric conversion elements PD are individually connected to the first control line L1 and the node Nd1. The cathodes of a plurality of photoelectric conversion elements PD (not shown) are commonly connected to the first control line L1. That is, FIG. 1 shows a cathode common type photoelectric conversion circuit. As the photoelectric conversion element PD, a silicon photodiode or a non-silicon photodiode described later can be used.

ダイオード素子Dのアノード及びカソードはそれぞれノードNd1及び第2制御ラインL2に接続される。ノードNd1は光電変換素子PD及びダイオード素子Dのアノード同士の共通接続点に相当する。なお、ダイオード素子Dは、素子構造がダイオードであってもよいし、トランジスタ構造を有するもダイオード特性が得られるように構成されていてもよい。こうしたダイオード及びトランジスタはMOS型であってもよいし、バイポーラ型であってもよい。本発明の第1の実施形態ではMOS型トランジスタをダイオード特性が発揮できるように構成している。たとえば、ダイオード素子Dは後述のトランジスタTr1と同じ導電型でほぼ同じ大きさとし、制御電極(ゲート)と第1主電極(たとえばドレイン)を共通接続させ、この共通接続点と第2主電極(たとえばソース)との間の電路に生じるダイオード特性(2乗特性)を利用する。ダイオード素子DとトランジスタTr1とを同じ導電型でかつ同じ大きさとするならば、後述する両者の閾値電圧をほぼ揃えることができる。 The anode and cathode of the diode element D are connected to the node Nd1 and the second control line L2, respectively. The node Nd1 corresponds to a common connection point between the anodes of the photoelectric conversion element PD and the diode element D. The diode element D may have a diode structure, or may have a transistor structure but be configured to obtain diode characteristics. Such diodes and transistors may be of the MOS type or of the bipolar type. In the first embodiment of the present invention, the MOS transistor is configured to exhibit diode characteristics. For example, the diode element D has the same conductivity type and the same size as the transistor Tr1 described later, and a control electrode (gate) and a first main electrode (for example, drain) are connected in common, and the common connection point and the second main electrode (for example, for example) The diode characteristic (square characteristic) generated in the electric circuit between the source and the source is used. If the diode element D and the transistor Tr1 have the same conductivity type and the same size, both threshold voltages described later can be made substantially uniform.

なお、本書で言うダイオード特性とは、一般的によく知られたダイオード特性の他に、MOS型トランジスタでよく知られている2乗特性も含むものである。 The diode characteristics referred to in this document include not only the generally well-known diode characteristics but also the square characteristics well-known for MOS transistors.

光電変換素子PDとダイオード素子Dは第1制御ラインL1と第2制御ラインL2との間に互いに逆方向にかつ直列に接続される。ダイオード素子Dには順方向にバイアスが供給されるように第1制御ラインL1及び第2制御ラインL2に所定の制御電圧が各別に供給される。第1制御ラインL1及び第2制御ラインL2に供給される第1制御電圧Ve1及び第2制御電圧Ve2はたとえば、それぞれVe1=3.3V、Ve2=2.6Vといった具合に、Ve1>Ve2の関係が成立するよう各制御電圧が設定されている。さらに詳しく述べると、ダイオード素子Dが順方向にバイアスされるとき、その閾値電圧をVtとするとVe1≧(Ve2+Vt)の関係が成立するよう設定される。これによって光電変換素子PDを逆バイアス状態で作動させることができる。 The photoelectric conversion element PD and the diode element D are connected in the opposite direction and in series between the first control line L1 and the second control line L2. A predetermined control voltage is separately supplied to the first control line L1 and the second control line L2 so that a bias is supplied to the diode element D in the forward direction. The first control voltage Ve1 and the second control voltage Ve2 supplied to the first control line L1 and the second control line L2 are, for example, Ve1 = 3.3V, Ve2 = 2.6V, and the relationship of Ve1> Ve2. Each control voltage is set so that More specifically, when the diode element D is forward-biased, the threshold voltage is set to Vt so that the relationship Ve1 ≧ (Ve2 + Vt) is established. Thus, the photoelectric conversion element PD can be operated in a reverse bias state.

光電変換回路100のノードNd1には第1キャパシタC1の第1端子が接続され、その第2端子は接地電位GNDに接続される。またノードNd1には、トランジスタTr1の第1主電極が接続される。トランジスタTr1の第2主電極はノードNd2に接続され、ノードNd2には第2キャパシタC2の第1端子が、その第2端子は接地電位GNDにそれぞれ接続される。トランジスタTr1の制御電極G1には所定のバイアス(転送)電圧が、ノードNd2にはさらにトランジスタTr2の第1主電極及びトランジスタTr3の制御電極が共通に接続される。第2キャパシタC2の第2端子とトランジスタTr2の第2主電極、及びトランジスタTr3の第1主電極は接地電位GNDに共通接続される。またトランジスタTr3の第2主電極には、制御電極に読み出し信号V4が供給されるトランジスタTr4の第1主電極が接続され、トランジスタTr4の第2主電極は信号出力ラインYn4に接続される。 The first terminal of the first capacitor C1 is connected to the node Nd1 of the photoelectric conversion circuit 100, and the second terminal is connected to the ground potential GND. The node Nd1 is connected to the first main electrode of the transistor Tr1. The second main electrode of the transistor Tr1 is connected to the node Nd2, the first terminal of the second capacitor C2 is connected to the node Nd2, and the second terminal is connected to the ground potential GND. A predetermined bias (transfer) voltage is connected to the control electrode G1 of the transistor Tr1, and a first main electrode of the transistor Tr2 and a control electrode of the transistor Tr3 are further connected in common to the node Nd2. The second terminal of the second capacitor C2, the second main electrode of the transistor Tr2, and the first main electrode of the transistor Tr3 are commonly connected to the ground potential GND. The second main electrode of the transistor Tr3 is connected to the first main electrode of the transistor Tr4 to which the read signal V4 is supplied to the control electrode, and the second main electrode of the transistor Tr4 is connected to the signal output line Yn4.

第1の実施形態においては、トランジスタTr1、Tr3、及びTr4をPチャンネル型とし、トランジスタTr2をNチャンネル型としているが、これらのトランジスタのチャンネル型は随時変更することができる。たとえば、トランジスタTr2もPチャンネル型とし、すべてのトランジスタをPチャンネル型としてもよい。   In the first embodiment, the transistors Tr1, Tr3, and Tr4 are P-channel type and the transistor Tr2 is N-channel type. However, the channel type of these transistors can be changed at any time. For example, the transistor Tr2 may be a P-channel type and all the transistors may be a P-channel type.

トランジスタTr1はノードNd1とノードNd2の電位の大小関係により、互いに信号を転送する役割を担ういわゆる転送トランジスタとして働く。たとえば、ノードNd1の電位がノードNd2のそれよりも高い場合には、ノードNd1に蓄積された電荷はノードNd2に電荷が転送される。逆にノードNd2の電位がノードNd1のそれよりも高い場合にはノードNd1に向かって電荷が転送される。すなわち、両ノード間で互いに電荷の授受が行われ最終的には両ノードの電位はほぼ等しい大きさに落ち着く。 The transistor Tr1 functions as a so-called transfer transistor that plays a role of transferring signals to each other depending on the magnitude relationship between the potentials of the nodes Nd1 and Nd2. For example, when the potential of the node Nd1 is higher than that of the node Nd2, the charge accumulated in the node Nd1 is transferred to the node Nd2. Conversely, when the potential of the node Nd2 is higher than that of the node Nd1, charges are transferred toward the node Nd1. In other words, charges are exchanged between the two nodes, and finally the potentials at both nodes settle to approximately the same magnitude.

トランジスタTr2は第2キャパシタC2の電荷を初期状態に維持し、ノードNd2の電位を初期状態に初期化(リセット)するいわゆるリセットトランジスタとしての役割を担う。トランジスタTr3はノードNd2の電位を読み出す機能を持つバッファトランジスタとして機能する。トランジスタTr4は読み出し信号出力を信号出力ラインYn4に出力する機能を持つ。 The transistor Tr2 serves as a so-called reset transistor that maintains the charge of the second capacitor C2 in the initial state and initializes (resets) the potential of the node Nd2 to the initial state. The transistor Tr3 functions as a buffer transistor having a function of reading the potential of the node Nd2. The transistor Tr4 has a function of outputting a read signal output to the signal output line Yn4.

第2制御ラインL2に第2制御電圧Ve2が供給される構成下において、ノードNd1が取り得る最大電位Vnd1mはVnd1m=(Ve2+Vt)となる。ここで閾値電圧Vtはダイオード素子Dの順方向立上り電圧である。たとえば第2制御電圧Ve2を2.6Vとし、閾値電圧Vtを0.6Vとすると、最大電位Vnd1mは3.2Vとなる。すなわち本発明の1つの特徴はダイオード素子Dによって第1キャパシタC1に蓄積される電荷の最大電位を制御する役目を持つ。 Under the configuration in which the second control voltage Ve2 is supplied to the second control line L2, the maximum potential Vnd1m that can be taken by the node Nd1 is Vnd1m = (Ve2 + Vt). Here, the threshold voltage Vt is a forward rising voltage of the diode element D. For example, when the second control voltage Ve2 is 2.6V and the threshold voltage Vt is 0.6V, the maximum potential Vnd1m is 3.2V. That is, one feature of the present invention is to control the maximum potential of charges accumulated in the first capacitor C1 by the diode element D.

光電変換素子PDのカソードとアノード間にかかる電圧をなるべく小さい状態で使用する場合には、光電変換素子PDのカソードに供給される第1制御電圧Ve1の大きさをそのアノードに供給される電圧よりも所定の大きさだけ高くなるよう設定する。光電変換素子PDのカソードはそのアノードよりも所定の電圧だけ高くなり逆バイアス状態が維持される。なお、光電変換素子PDを、アバランシェ増倍効果を利用して光電流増幅を行う場合には第1制御電圧Ve1をたとえば10V程度に設定する。光電変換素子PDをアバランシェ増倍効果で使用する場合であってもそうでない場合であっても、光電変換素子PDのカソードとアノード間に供給される電圧の大きさは、第1制御電圧Ve1と、第2制御電圧Ve2の大きさによって決定することができる。すなわち、ダイオード素子Dを順方向のバイアス状態にしておくことによって、すべての光電変換素子PDのカソードとアノード間に供給される電圧を所定の大きさの範囲に抑えることができるので光電変換素子PDのバイアス依存性を排除することができる。なお、本書で言う光電変換素子PDのバイアス依存性とは、各光電変換素子に加えられる電圧の大きさによって光電変換の感度に差が生じることを指す。光電変換素子PDのバイアス依存性を排除するということは各光電変換素子の感度及び応答速度の均一化を図るということに他ならない。 When the voltage applied between the cathode and the anode of the photoelectric conversion element PD is used as small as possible, the magnitude of the first control voltage Ve1 supplied to the cathode of the photoelectric conversion element PD is larger than the voltage supplied to the anode. Is set to be higher by a predetermined size. The cathode of the photoelectric conversion element PD is higher than the anode by a predetermined voltage, and the reverse bias state is maintained. When the photoelectric conversion element PD performs photocurrent amplification using the avalanche multiplication effect, the first control voltage Ve1 is set to about 10V, for example. Whether the photoelectric conversion element PD is used for the avalanche multiplication effect or not, the magnitude of the voltage supplied between the cathode and the anode of the photoelectric conversion element PD is the first control voltage Ve1. , And can be determined according to the magnitude of the second control voltage Ve2. That is, by setting the diode element D in the forward bias state, the voltage supplied between the cathodes and the anodes of all the photoelectric conversion elements PD can be suppressed within a predetermined range. Can be eliminated. Note that the bias dependency of the photoelectric conversion element PD referred to in this document indicates that a difference occurs in the sensitivity of photoelectric conversion depending on the magnitude of the voltage applied to each photoelectric conversion element. Eliminating the bias dependence of the photoelectric conversion element PD is nothing but to equalize the sensitivity and response speed of each photoelectric conversion element.

転送信号V1は時間的に遷移するのではなく、常に一定である直流電圧である。また、転送信号V1はダイオード素子Dのカソードに供給される第2制御電圧Ve2よりも小さな値に設定される。たとえば第2制御電圧Ve2=2.6Vとすると、転送信号V1はV1=2.5Vとする。なお、初期化信号V2のハイレベルは3.3Vとし、ローレベルは接地電位GNDとする。また、読み出し信号V4のハイレベルも電源電圧と同じ3.3Vとし、ローレベルを接地電位GNDとする。 The transfer signal V1 is not a temporal transition, but is a DC voltage that is always constant. The transfer signal V1 is set to a value smaller than the second control voltage Ve2 supplied to the cathode of the diode element D. For example, when the second control voltage Ve2 = 2.6V, the transfer signal V1 is set to V1 = 2.5V. Note that the high level of the initialization signal V2 is 3.3 V, and the low level is the ground potential GND. Further, the high level of the read signal V4 is set to 3.3 V, which is the same as the power supply voltage, and the low level is set to the ground potential GND.

図2に示したタイミングチャート200は、説明の便宜上及び作図の都合上模式的に示す。以下、図1及び図2を用いて回路動作を説明する。   The timing chart 200 shown in FIG. 2 is schematically shown for convenience of explanation and drawing. The circuit operation will be described below with reference to FIGS.

図2において、時刻t0は光電変換回路100の電源オン時を示す。図2(a)に示す初期化信号V2は、トランジスタTr2の制御電極(ゲート)G2に供給され、時刻t0すなわち電源オン時はローレベルLになるよう設定されている。初期化信号V2は、時刻t1、t4、t7、及びt12においてローレベルLからハイレベルHに遷移され、ハイレベルHで初期化信号が有効とされ、その他の時刻では無効とされる。すなわち、初期化信号V2がハイレベルHのときに初期化が行われる。 In FIG. 2, time t <b> 0 indicates when the photoelectric conversion circuit 100 is powered on. The initialization signal V2 shown in FIG. 2A is supplied to the control electrode (gate) G2 of the transistor Tr2, and is set to be at a low level L at time t0, that is, when the power is turned on. The initialization signal V2 transitions from the low level L to the high level H at times t1, t4, t7, and t12, the initialization signal is validated at the high level H, and invalidated at other times. That is, initialization is performed when the initialization signal V2 is at the high level H.

図2(b)に示す読み出し信号V4はトランジスタTr4の制御電極G4に供給され、時刻t0においてはハイレベルHに維持されている。読み出し信号V4は時刻t2、t3、t5、t6、t8、t11及びt13においてハイレベルHからローレベルLに遷移され、ローレベルLで読み出し信号V4が有効とされ、その他の時刻では無効とされる。すなわち、読み出し信号V4がローレベルLのときに読み出し動作が行われる。 The read signal V4 shown in FIG. 2B is supplied to the control electrode G4 of the transistor Tr4, and is maintained at the high level H at time t0. The read signal V4 transitions from the high level H to the low level L at times t2, t3, t5, t6, t8, t11, and t13, the read signal V4 becomes valid at the low level L, and invalid at other times. . That is, the read operation is performed when the read signal V4 is at the low level L.

図2(b)に示す読み出し信号V4はV4a及びV4bからなる。読み出し信号V4aは本来の読み出し動作を行うために用意され、読み出し信号V4bは読み出し動作を行う前に補助操作のために用意される。すなわち、本来の読み出し動作は時刻t3、t6、及びt11で行われ、読み出された信号は信号出力ラインYn4に出力されるが、この出力には本来の信号成分とは異なるいわゆるノイズ成分が含まれることがある。したがって本来の信号成分はノイズ成分を減算しなければならない。このノイズ成分を読み出すのが、補助的な役目を持つ読み出し信号V4bである。読み出し信号V4bは、初期化信号V2のたとえば直後である時刻t2、t5、t8、及びt13に用意される。読み出し信号V4bによって読み出されたノイズ成分は、信号出力ラインYn4に接続される記憶手段(図示せず)に一時記憶され、本来の読み出し信号V4aによって出力された信号成分から減算処理が施されて真の信号成分のみが取り出される。 The read signal V4 shown in FIG. 2B includes V4a and V4b. The read signal V4a is prepared for performing an original read operation, and the read signal V4b is prepared for an auxiliary operation before performing the read operation. That is, the original read operation is performed at times t3, t6, and t11, and the read signal is output to the signal output line Yn4. This output includes a so-called noise component different from the original signal component. May be. Therefore, the noise component must be subtracted from the original signal component. Reading this noise component is a read signal V4b having an auxiliary role. The read signal V4b is prepared at times t2, t5, t8, and t13, for example, immediately after the initialization signal V2. The noise component read by the read signal V4b is temporarily stored in storage means (not shown) connected to the signal output line Yn4, and subtracted from the signal component output by the original read signal V4a. Only the true signal component is extracted.

図2(c)は第1制御ラインL1に供給される第1制御電圧Ve1を示す。第1制御電圧Ve1は時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。第1制御電圧Ve1は光電変換素子PDに印加する逆バイアス電圧の大きさにもよるが第1の実施形態ではVe1=3.3Vとしている。なお、Ve1=3.3Vの大きさは光電変換回路100の電源電圧に等しい。 FIG. 2C shows the first control voltage Ve1 supplied to the first control line L1. The first control voltage Ve1 maintains a predetermined DC voltage for a period from when the power is turned on at time t0 to when the power is turned off. The first control voltage Ve1 is Ve1 = 3.3V in the first embodiment, although it depends on the magnitude of the reverse bias voltage applied to the photoelectric conversion element PD. Note that the magnitude of Ve1 = 3.3V is equal to the power supply voltage of the photoelectric conversion circuit 100.

図2(d)は第2制御ラインL2に供給される第2制御電圧Ve2を示す。第2制御電圧Ve2は第1制御電圧Ve1と同様に、時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。第2制御電圧Ve2は光電変換素子PDのアノードに印加される最大電位を制御するために所定の大きさに設定されるが第1制御電圧Ve1の大きさも勘案し、第1制御電圧Ve1よりは小さなVe2=2.6Vとしている。 FIG. 2D shows the second control voltage Ve2 supplied to the second control line L2. Similar to the first control voltage Ve1, the second control voltage Ve2 maintains a predetermined DC voltage during a period from when the power is turned on at time t0 to when the power is turned off. The second control voltage Ve2 is set to a predetermined magnitude in order to control the maximum potential applied to the anode of the photoelectric conversion element PD, but considering the magnitude of the first control voltage Ve1, the second control voltage Ve2 is more than the first control voltage Ve1. Small Ve2 = 2.6V.

図2(e)は、トランジスタTr1の制御電極G1に供給される転送信号V1を示す。転送信号V1は時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。転送信号V1は、トランジスタTr1の閾値電圧Vt1、第1制御電圧Ve1、及び第2制御電圧Ve2によって決められるが第1の実施形態では、第2制御電圧Ve2よりも少し低いV1=2.5Vに設定している。 FIG. 2E shows the transfer signal V1 supplied to the control electrode G1 of the transistor Tr1. The transfer signal V1 maintains a predetermined DC voltage for a period from when the power is turned on at time t0 to when the power is turned off. The transfer signal V1 is determined by the threshold voltage Vt1, the first control voltage Ve1, and the second control voltage Ve2 of the transistor Tr1, but in the first embodiment, V1 = 2.5V, which is slightly lower than the second control voltage Ve2. It is set.

図2(f)は、ノードNd1に生成されるノード電位Vnd1を示す。ノード電位Vnd1には、第1キャパシタC1に蓄積される信号電荷が反映される。時刻t0で電源がオンされると同時に光電変換素子PDに対しての露光が開始される。露光と共に第1キャパシタC1には電荷が蓄積され、ノード電位Vnd1は時間の経過と共に上昇する。ノード電位Vnd1が電位(V1+Vt1)に到達すると、それ以降はほぼこの電位レベルに維持される。ここで、参照符号V1はトランジスタTr1の制御電極G1に供給される転送信号であり、参照符号Vt1はトランジスタTr1の閾値電圧である。閾値電圧Vt1の大きさはたとえば0.6Vである。 FIG. 2F shows the node potential Vnd1 generated at the node Nd1. The node charge Vnd1 reflects the signal charge accumulated in the first capacitor C1. At the time t0, the power is turned on and exposure to the photoelectric conversion element PD is started at the same time. With the exposure, charges are accumulated in the first capacitor C1, and the node potential Vnd1 rises with time. When the node potential Vnd1 reaches the potential (V1 + Vt1), it is maintained at this potential level thereafter. Here, reference symbol V1 is a transfer signal supplied to the control electrode G1 of the transistor Tr1, and reference symbol Vt1 is a threshold voltage of the transistor Tr1. The magnitude of the threshold voltage Vt1 is, for example, 0.6V.

図2(f)に示すように、ノード電位Vnd1は時刻t1経過後、時刻t9までの間、ほぼ電位(V1+Vt1)に維持される。すなわち、露光期間1、露光期間2、及び露光期間3からなる露光期間でのノード電位Vnd1はトランジスタTr1に供給される転送信号V1と閾値電圧Vt1によって制御されることになる。なお、露光期間を3つの期間に分けたが露光が3段階で行われるということではなく、説明の便宜上、時間の経過に添って分けている。露光期間1は電源オン直後の露光状態を、露光期間2は電源がオンされた後しばらく経過し、ノード電位Vnd1=(V1+Vt1)となった後であって、少なくとも1回の初期化動作が行われた後の露光状態を、露光期間3は露光が充分に行われ露光が飽和する直前の露光状態をそれぞれ示している。 As shown in FIG. 2F, the node potential Vnd1 is substantially maintained at the potential (V1 + Vt1) until the time t9 after the time t1 elapses. That is, the node potential Vnd1 in the exposure period including the exposure period 1, the exposure period 2, and the exposure period 3 is controlled by the transfer signal V1 and the threshold voltage Vt1 supplied to the transistor Tr1. Although the exposure period is divided into three periods, it does not mean that the exposure is performed in three stages. For convenience of explanation, the exposure period is divided over time. The exposure period 1 is an exposure state immediately after the power is turned on, and the exposure period 2 is a time after the power is turned on and after a node potential Vnd1 = (V1 + Vt1), at least one initialization operation is performed. An exposure period 3 after exposure is shown as an exposure period 3 immediately before exposure is sufficiently performed and exposure is saturated.

図2(f)に示すノード電位Vnd1は時刻t9を経過するとわずかに上昇する。すなわち、露光飽和期間t7〜t12に入り、露光が充分に行われた状態又は光電変換素子PDに強い光が入射されるとノード電位Vnd1はさらに上昇し始める。すなわち、露光飽和期間に入ると、ノード電位Vnd1は微増し始め、ノード電位Vnd1は時刻t10では電位(Ve2+Vt)の大きさに制御される。ここで、参照符号Ve2は第2制御ラインL2に供給される第2制御電圧であり、参照符号Vtはダイオード素子Dの閾値電圧、すなわち、順方向の立上がり電圧である。すなわち、露光が飽和状態に入ると、ノード電位Vnd1はトランジスタTr1によって制約を受けるのではなく、ダイオード素子Dに供給される第2制御電圧Ve2の制約を受けることになる。これによって、光電変換素子PDのアノード・カソード間の電圧は第1制御電圧Ve1と第2制御電圧Ve2によって決定されるので、光電変換素子PD自体が有するバイアス依存性を排除することができる。 The node potential Vnd1 shown in FIG. 2 (f) slightly rises after time t9. That is, when the exposure saturation period t7 to t12 is entered and the exposure is sufficiently performed or when strong light is incident on the photoelectric conversion element PD, the node potential Vnd1 starts to rise further. That is, when the exposure saturation period starts, the node potential Vnd1 starts to increase slightly, and the node potential Vnd1 is controlled to the potential (Ve2 + Vt) at time t10. Here, reference sign Ve2 is a second control voltage supplied to the second control line L2, and reference sign Vt is a threshold voltage of the diode element D, that is, a forward rising voltage. That is, when exposure enters a saturation state, the node potential Vnd1 is not restricted by the transistor Tr1, but is restricted by the second control voltage Ve2 supplied to the diode element D. As a result, the voltage between the anode and the cathode of the photoelectric conversion element PD is determined by the first control voltage Ve1 and the second control voltage Ve2, so that the bias dependency of the photoelectric conversion element PD itself can be eliminated.

図2(g)はノードNd2のノード電位Vnd2を示す。ノード電位Vnd2はノード電位Vnd1の電位変化とは異なり、ノード電位Vnd1およびトランジスタTr1の動作に応動する。すなわち、ノード電位Vnd2は、ノード電位Vnd1が電位(V1+Vt1)に達する時刻t1までの間はほぼ0電位である。ノード電位Vnd1が電位(V1+Vt1)に達すると、徐々に上昇し始め時刻t3に達すると読み出しレベルVnd2aまで達する。ノード電位Vnd2は初期化信号V2が印加されるまで上昇し始め、初期化信号V2に同期してリセット(初期化)が繰り返される。ノード電位Vnd2は、露光飽和期間である時刻t7〜t12ではまず、トランジスタTr1の動作点の影響を受け、電位(V1+Vt1)まで上昇する。その後露光飽和状態が継続すると、ノードNd1の電位の影響を受け、ノード電位Vnd1と同じレベルまで上昇する。したがって、露光飽和期間では、ノードNd1とノードNd2との間で電位の高いほうから低いほうに電荷が転送され、最終的に両者のノード電位はほぼ等しくなる。ノードNd2のノード電位Vnd2の最大電位Vnd2mはVnd2m=(Ve2+Vt)となる。すなわち、光電変換素子PDのアノードは、ダイオード素子Dのカソードに供給される第2制御電圧Ve2とダイオード素子Dの閾値電圧Vtの大きさによって所定の電位に制御される。 FIG. 2G shows the node potential Vnd2 of the node Nd2. Unlike the potential change of the node potential Vnd1, the node potential Vnd2 responds to the operation of the node potential Vnd1 and the transistor Tr1. That is, the node potential Vnd2 is substantially zero until time t1 when the node potential Vnd1 reaches the potential (V1 + Vt1). When the node potential Vnd1 reaches the potential (V1 + Vt1), it gradually starts to rise and reaches the read level Vnd2a when the time t3 is reached. The node potential Vnd2 starts to rise until the initialization signal V2 is applied, and reset (initialization) is repeated in synchronization with the initialization signal V2. The node potential Vnd2 first rises to the potential (V1 + Vt1) due to the influence of the operating point of the transistor Tr1 at times t7 to t12, which is the exposure saturation period. After that, when the exposure saturation state continues, it is affected by the potential of the node Nd1, and rises to the same level as the node potential Vnd1. Therefore, in the exposure saturation period, electric charges are transferred between the node Nd1 and the node Nd2 from the higher potential to the lower potential, and finally the node potentials of both become substantially equal. The maximum potential Vnd2m of the node potential Vnd2 of the node Nd2 is Vnd2m = (Ve2 + Vt). That is, the anode of the photoelectric conversion element PD is controlled to a predetermined potential by the magnitude of the second control voltage Ve2 supplied to the cathode of the diode element D and the threshold voltage Vt of the diode element D.

図2(h)は、光電変換素子PDのアノード・カソード間に印加される電圧Vpdを示す。電圧Vpdは、第1制御電圧Ve1とトランジスタTr1に供給される転送信号V1、トランジスタTr1の閾値電圧Vt1、第2制御電圧Ve2、及びダイオード素子Dの閾値電圧Vtによって決定されることが分かる。特に露光飽和期間である時刻t7〜t12においては、光電変換素子PDのアノード・カソード間の電圧Vpdは第2制御電圧Ve2とダイオード素子Dの閾値電圧Vtによって決定することができるので、光電変換素子PDのバイアス依存性を排除することができる。 FIG. 2H shows the voltage Vpd applied between the anode and cathode of the photoelectric conversion element PD. It can be seen that the voltage Vpd is determined by the first control voltage Ve1, the transfer signal V1 supplied to the transistor Tr1, the threshold voltage Vt1 of the transistor Tr1, the second control voltage Ve2, and the threshold voltage Vt of the diode element D. In particular, at times t7 to t12, which is an exposure saturation period, the voltage Vpd between the anode and the cathode of the photoelectric conversion element PD can be determined by the second control voltage Ve2 and the threshold voltage Vt of the diode element D. The bias dependence of PD can be eliminated.

(第2の実施形態)
図3は本発明にかかる光電変換回路300を示す。図4は第2の実施形態にかかるタイミングチャートを示す。図3に示した光電変換回路300は、たとえばマトリックス状に配列され、たとえばCMOSイメージセンサを構成するために用意されている。複数の光電変換素子PDのアノード及びカソードは第1制御ラインL10及びノードNd10に各別に接続される。第1制御ラインL10には図示しない複数の光電変換素子PDのアノードが共通に接続されている。すなわち、図3はアノードコモン方式の光電変換回路を示す。光電変換素子PDとしてはシリコン系のフォトダイオードを用いる。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a photoelectric conversion circuit 300 according to the present invention. FIG. 4 shows a timing chart according to the second embodiment. The photoelectric conversion circuit 300 shown in FIG. 3 is arranged, for example, in a matrix, and is prepared, for example, to constitute a CMOS image sensor. The anodes and cathodes of the plurality of photoelectric conversion elements PD are connected to the first control line L10 and the node Nd10, respectively. Anodes of a plurality of photoelectric conversion elements PD (not shown) are commonly connected to the first control line L10. That is, FIG. 3 shows an anode common type photoelectric conversion circuit. A silicon-based photodiode is used as the photoelectric conversion element PD.

ダイオード素子Dのカソード及びアノードはそれぞれノードNd10及び第2制御ラインL20に接続される。ノードNd10は光電変換素子PD及びダイオード素子Dのカソード同士の共通接続点に相当する。なお、ダイオード素子Dは、素子構造がダイオードであってもよいし、トランジスタ構造を有するもダイオード特性が得られるように構成されていてもよい。こうしたダイオード及びトランジスタはMOS型であってもよいし、バイポーラ型であってもよい。本発明の第2の実施形態ではMOS型トランジスタをダイオード特性が発揮できるように構成している。たとえば、ダイオード素子Dは後述のトランジスタTr10と同じ導電型でほぼ同じ大きさとし、制御電極(ゲート)と第1主電極(たとえばドレイン)を共通接続させ、この共通接続点と第2主電極(たとえばソース)との間の電路に生じるダイオード特性(2乗特性)を利用する。ダイオード素子DとトランジスタTr10とを同じ導電型でかつ同じ大きさとするならば、後述する両者の閾値電圧をほぼ揃えることができる。 The cathode and anode of the diode element D are connected to the node Nd10 and the second control line L20, respectively. The node Nd10 corresponds to a common connection point between the cathodes of the photoelectric conversion element PD and the diode element D. The diode element D may have a diode structure, or may have a transistor structure but be configured to obtain diode characteristics. Such diodes and transistors may be of the MOS type or of the bipolar type. In the second embodiment of the present invention, the MOS transistor is configured to exhibit diode characteristics. For example, the diode element D has the same conductivity type and the same size as the transistor Tr10 described later, and the control electrode (gate) and the first main electrode (for example, drain) are connected in common, and the common connection point and the second main electrode (for example, for example) The diode characteristic (square characteristic) generated in the electric circuit between the source and the source is used. If the diode element D and the transistor Tr10 have the same conductivity type and the same size, both threshold voltages described later can be made substantially uniform.

なお、本書で言うダイオード特性とは、一般的によく知られたダイオード特性の他に、MOS型トランジスタでよく知られている2乗特性も含むものである。 The diode characteristics referred to in this document include not only the generally well-known diode characteristics but also the square characteristics well-known for MOS transistors.

光電変換素子PDとダイオード素子Dは第1制御ラインL10と第2制御ラインL20との間に互いに逆方向にかつ直列に接続される。ダイオード素子Dには順方向にバイアスが供給されるように第1制御ラインL10及び第2制御ラインL20に所定の制御電圧が各別に供給される。第1制御ラインL10及び第2制御ラインL20に供給される第1制御電圧Ve10及び第2制御電圧Ve20はたとえば、それぞれVe10=0V、Ve20=0.9Vといった具合に、Ve10<Ve20の関係が成立するよう各制御電圧が設定されている。さらに詳しく述べると、ダイオード素子Dが順方向にバイアスされるとき、その閾値電圧をVtとするとVe10≦(Ve20−Vt)の関係が成立するよう設定される。これによって光電変換素子PDを逆バイアス状態で作動させることができる。 The photoelectric conversion element PD and the diode element D are connected in the opposite direction and in series between the first control line L10 and the second control line L20. A predetermined control voltage is separately supplied to the first control line L10 and the second control line L20 so that a bias is supplied to the diode element D in the forward direction. The first control voltage Ve10 and the second control voltage Ve20 supplied to the first control line L10 and the second control line L20 have a relationship of Ve10 <Ve20, for example, Ve10 = 0V and Ve20 = 0.9V, respectively. Each control voltage is set so as to. More specifically, when the diode element D is biased in the forward direction, if the threshold voltage is Vt, the relationship Ve10 ≦ (Ve20−Vt) is set. Thus, the photoelectric conversion element PD can be operated in a reverse bias state.

光電変換回路300のノードNd10には第1キャパシタC1の第1端子が接続され、その第2端子は接地電位GNDに接続される。またノードNd10には、トランジスタTr10の第1主電極が接続される。トランジスタTr10の第2主電極はノードNd20に接続され、ノードNd20には第2キャパシタC2の第1端子が、その第2端子は接地電位GNDにそれぞれ接続される。トランジスタTr10の制御電極G10には所定のバイアス(転送)電圧が、ノードNd20にはさらにトランジスタTr20の第1主電極及びトランジスタTr30の制御電極が共通に接続される。第2キャパシタC2の第2端子は接地電位GNDに接続され、トランジスタTr20の第2主電極及びトランジスタTr30の第1主電極は電源電圧に共通接続される。またトランジスタTr30の第2主電極には、制御電極に読み出し信号V40が供給されるトランジスタTr40の第1主電極が接続され、トランジスタTr40の第2主電極は信号出力ラインYn40に接続される。 The first terminal of the first capacitor C1 is connected to the node Nd10 of the photoelectric conversion circuit 300, and the second terminal is connected to the ground potential GND. Further, the first main electrode of the transistor Tr10 is connected to the node Nd10. The second main electrode of the transistor Tr10 is connected to the node Nd20, the first terminal of the second capacitor C2 is connected to the node Nd20, and the second terminal is connected to the ground potential GND. A predetermined bias (transfer) voltage is connected to the control electrode G10 of the transistor Tr10, and a first main electrode of the transistor Tr20 and a control electrode of the transistor Tr30 are further connected in common to the node Nd20. The second terminal of the second capacitor C2 is connected to the ground potential GND, and the second main electrode of the transistor Tr20 and the first main electrode of the transistor Tr30 are commonly connected to the power supply voltage. The second main electrode of the transistor Tr30 is connected to the first main electrode of the transistor Tr40 to which the read signal V40 is supplied to the control electrode, and the second main electrode of the transistor Tr40 is connected to the signal output line Yn40.

第2の実施形態においては、トランジスタTr10、Tr20、Tr30、及びTr40をNチャンネル型としているが、これらのトランジスタのチャンネル型は随時変更することができる。たとえば、これらのトランジスタの少なくとも1つをPチャンネル型に置き換えることも可能である。   In the second embodiment, the transistors Tr10, Tr20, Tr30, and Tr40 are N-channel type, but the channel type of these transistors can be changed at any time. For example, at least one of these transistors can be replaced with a P-channel type.

トランジスタTr10はノードNd10とノードNd20の電位の大小関係により、一方のノード側から他方のノード側に向かって電荷を転送する役割を担ういわゆる転送トランジスタとして働く。たとえば、ノードNd10の電位がノードNd20のそれよりも高い場合には、ノードNd10に蓄積された電荷は光電変換素子PDにより受光に応じて引き抜かれるために、光電変換素子PDに向かって転送される。逆にノードNd20の電位がノードNd10のそれよりも高い場合にはノードNd20に蓄積された電荷は光電変換素子PDにより受光に応じて引き抜かれるために、光電変換素子PDに向かって転送される。すなわち、両ノード間で電荷の授受が行われ最終的には両ノードの電位はほぼ等しい大きさに落ち着く。 The transistor Tr10 functions as a so-called transfer transistor that plays a role of transferring charges from one node side to the other node side due to the magnitude relationship between the potentials of the nodes Nd10 and Nd20. For example, when the potential of the node Nd10 is higher than that of the node Nd20, the electric charge accumulated in the node Nd10 is transferred toward the photoelectric conversion element PD because it is extracted by the photoelectric conversion element PD in response to light reception. . On the other hand, when the potential of the node Nd20 is higher than that of the node Nd10, the charge stored in the node Nd20 is extracted by the photoelectric conversion element PD in response to light reception, and is transferred toward the photoelectric conversion element PD. That is, charge is exchanged between both nodes, and finally the potentials of both nodes settle to approximately the same magnitude.

トランジスタTr20は第2キャパシタC2の電荷を初期状態に維持し、ノードNd20の電位を初期状態に初期化(リセット)するいわゆるリセットトランジスタとしての役割を担う。トランジスタTr30はノードNd20の電位を読み出す機能を持つバッファトランジスタとして機能する。トランジスタTr40は読み出し信号出力を信号出力ラインYn40に出力する機能を持つ。 The transistor Tr20 serves as a so-called reset transistor that maintains the charge of the second capacitor C2 in the initial state and initializes (resets) the potential of the node Nd20 to the initial state. The transistor Tr30 functions as a buffer transistor having a function of reading the potential of the node Nd20. The transistor Tr40 has a function of outputting a read signal output to the signal output line Yn40.

第2制御ラインL20に第2制御電圧Ve20が供給される構成下において、ノードNd10が取り得る最小電位Vnd10mはVnd10m=(Ve20−Vt)となる。ここで閾値電圧Vtはダイオード素子Dの順方向立上り電圧である。たとえば第2制御電圧Ve20を0.9Vとし、閾値電圧Vtを0.6Vとすると、最小電位Vnd10mは0.3Vとなる。すなわち本発明の1つの特徴はダイオード素子Dによって第1キャパシタC1に蓄積される電荷の最小電位を制御する役目を持つ。 Under the configuration in which the second control voltage Ve20 is supplied to the second control line L20, the minimum potential Vnd10m that can be taken by the node Nd10 is Vnd10m = (Ve20−Vt). Here, the threshold voltage Vt is a forward rising voltage of the diode element D. For example, when the second control voltage Ve20 is 0.9V and the threshold voltage Vt is 0.6V, the minimum potential Vnd10m is 0.3V. That is, one feature of the present invention is to control the minimum potential of the electric charge accumulated in the first capacitor C1 by the diode element D.

光電変換素子PDのカソードとアノード間にかかる電圧をなるべく小さい状態で使用する場合には、光電変換素子PDのアノードに供給される第1制御電圧Ve10の大きさをそのカソードに供給される電位よりも所定の大きさだけ低くなるよう設定する。光電変換素子PDのカソードはそのアノードよりも所定の電圧だけ高くなり逆バイアス状態が維持される。なお、光電変換素子PDを、アバランシェ増倍効果を利用して光電流増幅を行う場合には第1制御電圧Ve10をたとえば−10V程度に設定する。光電変換素子PDをアバランシェ増倍効果で使用する場合であってもそうでない場合であっても、光電変換素子PDのカソードとアノード間に供給される電圧の大きさは、第1制御電圧Ve10と、第2制御電圧Ve20の大きさによって決定することができる。すなわち、ダイオード素子Dを順方向のバイアス状態にしておくことによって、すべての光電変換素子PDのカソードとアノード間に供給される電圧を所定の大きさの範囲に抑えることができるので光電変換素子PDのバイアス依存性を排除することができる。なお、本書で言う光電変換素子PDのバイアス依存性とは、各光電変換素子に加えられる電圧の大きさによって光電変換の感度に差が生じることを指す。光電変換素子PDのバイアス依存性を排除するということは各光電変換素子の感度及び応答速度の均一化を図るということに他ならない。 When the voltage applied between the cathode and the anode of the photoelectric conversion element PD is used as small as possible, the magnitude of the first control voltage Ve10 supplied to the anode of the photoelectric conversion element PD is larger than the potential supplied to the cathode. Is set to be lower by a predetermined size. The cathode of the photoelectric conversion element PD is higher than the anode by a predetermined voltage, and the reverse bias state is maintained. When the photoelectric conversion element PD performs photocurrent amplification using the avalanche multiplication effect, the first control voltage Ve10 is set to, for example, about −10V. Whether the photoelectric conversion element PD is used for the avalanche multiplication effect or not, the magnitude of the voltage supplied between the cathode and the anode of the photoelectric conversion element PD is the first control voltage Ve10. It can be determined by the magnitude of the second control voltage Ve20. That is, by setting the diode element D in the forward bias state, the voltage supplied between the cathodes and the anodes of all the photoelectric conversion elements PD can be suppressed within a predetermined range. Can be eliminated. Note that the bias dependency of the photoelectric conversion element PD referred to in this document indicates that a difference occurs in the sensitivity of photoelectric conversion depending on the magnitude of the voltage applied to each photoelectric conversion element. Eliminating the bias dependence of the photoelectric conversion element PD is nothing but to equalize the sensitivity and response speed of each photoelectric conversion element.

転送信号V10は時間的に遷移するのではなく、常に一定である直流電圧である。また、転送信号V10はダイオード素子Dのアノードに供給される第2制御電圧Ve20よりも大きな値に設定される。たとえば第2制御電圧Ve20=0.9Vとすると、転送信号V10はV10=1.0Vとする。なお、初期化信号V20のハイレベルは3.3Vとし、ローレベルは接地電位GNDとする。また、読み出し信号V40のハイレベルも電源電圧と同じ3.3Vとし、ローレベルを接地電位GNDとする。 The transfer signal V10 is not a temporal transition, but is a DC voltage that is always constant. Further, the transfer signal V10 is set to a value larger than the second control voltage Ve20 supplied to the anode of the diode element D. For example, if the second control voltage Ve20 = 0.9V, the transfer signal V10 is set to V10 = 1.0V. Note that the high level of the initialization signal V20 is 3.3 V, and the low level is the ground potential GND. Further, the high level of the read signal V40 is also set to 3.3 V which is the same as the power supply voltage, and the low level is set to the ground potential GND.

図4に示したタイミングチャート400は、説明の便宜上及び作図の都合上模式的に示す。以下、図3及び図4を用いて回路動作を説明する。   A timing chart 400 shown in FIG. 4 is schematically shown for convenience of explanation and drawing. The circuit operation will be described below with reference to FIGS.

図4において、時刻t0は光電変換回路300の電源オン時を示す。図4(a)に示す初期化信号V20は、トランジスタTr20の制御電極(ゲート)G20に供給され、時刻t0すなわち電源オン時はローレベルLになるよう設定されている。初期化信号V20は、時刻t1、t4、t7、及びt12においてローレベルLからハイレベルHに遷移され、ハイレベルHで初期化信号が有効とされ、その他の時刻では無効とされる。すなわち、初期化信号V20がハイレベルHのときに初期化が行われる。 In FIG. 4, time t0 indicates when the photoelectric conversion circuit 300 is turned on. The initialization signal V20 shown in FIG. 4A is supplied to the control electrode (gate) G20 of the transistor Tr20, and is set to be at the low level L at time t0, that is, when the power is turned on. The initialization signal V20 transitions from the low level L to the high level H at times t1, t4, t7, and t12, the initialization signal is validated at the high level H, and invalidated at other times. That is, initialization is performed when the initialization signal V20 is at the high level H.

図4(b)に示す読み出し信号V40はトランジスタTr40の制御電極G40に供給され、時刻t0においてはローレベルLに維持されている。読み出し信号V40は時刻t2、t3、t5、t6、t8、t11及びt13においてローレベルLからハイレベルHに遷移され、ハイレベルHで読み出し信号V40が有効とされ、その他の時刻では無効とされる。すなわち、読み出し信号V40がハイレベルHのときに読み出し動作が行われる。 The read signal V40 shown in FIG. 4B is supplied to the control electrode G40 of the transistor Tr40, and is maintained at the low level L at time t0. The read signal V40 transitions from the low level L to the high level H at times t2, t3, t5, t6, t8, t11, and t13, the read signal V40 is validated at the high level H, and invalid at other times. . That is, the read operation is performed when the read signal V40 is at the high level H.

図4(b)に示す読み出し信号V40はV40a及びV40bからなる。読み出し信号V40aは本来の読み出し動作を行うために用意され、読み出し信号V40bは読み出し動作を行う前に補助操作のために用意される。すなわち、本来の読み出し動作は時刻t3、t6、及びt11で行われ、読み出された信号は信号出力ラインYn40に出力されるが、この出力には本来の信号成分とは異なるいわゆるノイズ成分が含まれることがある。したがって本来の信号成分はノイズ成分を減算しなければならない。このノイズ成分を読み出すのが、補助的な役目を持つ読み出し信号V40bである。読み出し信号V40bは、初期化信号V20のたとえば直後である時刻t2、t5、t8、及びt13に用意される。読み出し信号V40bによって読み出されたノイズ成分は、信号出力ラインYn40に接続される記憶手段(図示せず)に一時記憶され、本来の読み出し信号V40aによって出力された信号成分から減算処理が施されて真の信号成分のみが取り出される。 The read signal V40 shown in FIG. 4B is composed of V40a and V40b. The read signal V40a is prepared for performing an original read operation, and the read signal V40b is prepared for an auxiliary operation before performing the read operation. That is, the original read operation is performed at times t3, t6, and t11, and the read signal is output to the signal output line Yn40. This output includes a so-called noise component different from the original signal component. May be. Therefore, the noise component must be subtracted from the original signal component. Reading this noise component is a read signal V40b having an auxiliary role. The read signal V40b is prepared at times t2, t5, t8, and t13, for example, immediately after the initialization signal V20. The noise component read by the read signal V40b is temporarily stored in a storage means (not shown) connected to the signal output line Yn40, and subtracted from the signal component output by the original read signal V40a. Only the true signal component is extracted.

図4(c)は第1制御ラインL10に供給される第1制御電圧Ve10を示す。第1制御電圧Ve10は時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。第1制御電圧Ve10は光電変換素子PDに印加する逆バイアス電圧の大きさにもよるが第2の実施形態ではVe10=0Vとしている。なお、Ve10=0Vの大きさは光電変換回路300の接地電位GNDに等しい。 FIG. 4C shows the first control voltage Ve10 supplied to the first control line L10. The first control voltage Ve10 maintains a predetermined DC voltage for a period from when the power is turned on at time t0 to when the power is turned off. The first control voltage Ve10 is Ve10 = 0V in the second embodiment although it depends on the magnitude of the reverse bias voltage applied to the photoelectric conversion element PD. Note that the magnitude of Ve10 = 0V is equal to the ground potential GND of the photoelectric conversion circuit 300.

図4(d)は第2制御ラインL20に供給される第2制御電圧Ve20を示す。第2制御電圧Ve20は第1制御電圧Ve10と同様に、時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。第2制御電圧Ve20は光電変換素子PDのカソードに印加される最小電位を制御するために所定の大きさに設定されるが第1制御電圧Ve10の大きさも勘案し、第1制御電圧Ve10よりは大きなVe20=0.9Vとしている。 FIG. 4D shows the second control voltage Ve20 supplied to the second control line L20. Similar to the first control voltage Ve10, the second control voltage Ve20 maintains a predetermined DC voltage for a period from when the power is turned on at time t0 until the power is turned off. The second control voltage Ve20 is set to a predetermined magnitude in order to control the minimum potential applied to the cathode of the photoelectric conversion element PD, but considering the magnitude of the first control voltage Ve10, the second control voltage Ve20 is more than the first control voltage Ve10. Large Ve20 = 0.9V.

図4(e)は、トランジスタTr10の制御電極G10に供給される転送信号V10を示す。転送信号V10は時刻t0で電源がオンされるときから電源がオフされるまでの期間、所定の直流電圧を維持する。転送信号V10は、トランジスタTr10の閾値電圧Vt10、第1制御電圧Ve10、及び第2制御電圧Ve20によって決められるが第2の実施形態では、第2制御電圧Ve20よりも少し高いV10=1.0Vに設定している。 FIG. 4E shows the transfer signal V10 supplied to the control electrode G10 of the transistor Tr10. The transfer signal V10 maintains a predetermined DC voltage for a period from when the power is turned on at time t0 to when the power is turned off. The transfer signal V10 is determined by the threshold voltage Vt10 of the transistor Tr10, the first control voltage Ve10, and the second control voltage Ve20. In the second embodiment, V10 = 1.0 V, which is slightly higher than the second control voltage Ve20. It is set.

図4(f)は、ノードNd10に生成されるノード電位Vnd10を示す。ノード電位Vnd10には、第1キャパシタC1に蓄積される信号電荷が反映される。時刻t0で電源がオンされると同時に光電変換素子PDに対しての露光が開始される。露光と共に第1キャパシタC1には電荷が蓄積または転送され、ノード電位Vnd10は時間の経過と共に上昇または下降する。ノード電位Vnd10が電位(V10−Vt10)に到達すると、それ以降はほぼこの電位レベルに維持される。ここで、V10はトランジスタTr10の制御電極G10に供給される転送信号であり、Vt10はトランジスタTr10の閾値電圧である。閾値電圧Vt10の大きさはたとえば0.6Vである。 FIG. 4F shows the node potential Vnd10 generated at the node Nd10. The node charge Vnd10 reflects the signal charge accumulated in the first capacitor C1. At the time t0, the power is turned on and exposure to the photoelectric conversion element PD is started at the same time. With the exposure, charges are accumulated or transferred in the first capacitor C1, and the node potential Vnd10 rises or falls as time passes. When the node potential Vnd10 reaches the potential (V10-Vt10), it is maintained at this potential level thereafter. Here, V10 is a transfer signal supplied to the control electrode G10 of the transistor Tr10, and Vt10 is a threshold voltage of the transistor Tr10. The magnitude of the threshold voltage Vt10 is, for example, 0.6V.

図4(f)に示すように、ノード電位Vnd10は時刻t1経過後、時刻t9までの間、ほぼ電位(V10−Vt10)に維持される。すなわち、露光期間1、露光期間2、及び露光期間3からなる露光期間でのノード電位Vnd10はトランジスタTr10に供給される転送信号V10と閾値電圧Vt10によって制御されることになる。なお、露光期間を3つの期間に分けたが露光が3段階で行われるということではなく、説明の便宜上、時間の経過に添って分けている。露光期間1は電源オン直後の露光状態を、露光期間2は電源がオンされた後しばらく経過し、ノード電位Vnd10=(V10−Vt10)となった後であって、少なくとも1回の初期化動作が行われた後の露光状態を、露光期間3は露光が充分に行われ露光が飽和する直前の露光状態をそれぞれ示している。 As shown in FIG. 4F, the node potential Vnd10 is maintained substantially at the potential (V10−Vt10) until the time t9 after the time t1 elapses. That is, the node potential Vnd10 in the exposure period composed of the exposure period 1, the exposure period 2, and the exposure period 3 is controlled by the transfer signal V10 and the threshold voltage Vt10 supplied to the transistor Tr10. Although the exposure period is divided into three periods, it does not mean that the exposure is performed in three stages. For convenience of explanation, the exposure period is divided over time. The exposure period 1 is an exposure state immediately after the power is turned on, and the exposure period 2 is a time after the power is turned on and after a node potential Vnd10 = (V10−Vt10), at least one initialization operation is performed. The exposure state after the exposure is performed, and the exposure period 3 indicates the exposure state immediately before the exposure is sufficiently performed and the exposure is saturated.

図4(f)に示すノード電位Vnd10は時刻t9を経過するとわずかに下降する。すなわち、露光飽和期間t7〜t12に入り、露光が充分に行われた状態又は光電変換素子PDに強い光が入射されるとノード電位Vnd10はさらに下降し始める。すなわち、露光飽和期間に入ると、ノード電位Vnd10は少しずつ減少し始め、ノード電位Vnd10は時刻t10では電位(Ve20−Vt)の大きさに制御される。ここで、Ve20は第2制御ラインL20に供給される第2制御電圧であり、参照符号Vtはダイオード素子Dの閾値電圧、すなわち、順方向の立上がり電圧である。すなわち、露光が飽和状態に入ると、ノード電位Vnd10はトランジスタTr10によって制約を受けるのではなく、ダイオード素子Dに供給される第2制御電圧Ve20の制約を受けることになる。これによって、光電変換素子PDのアノード・カソード間の電圧は第1制御電圧Ve10と第2制御電圧Ve20によって決定されるので、光電変換素子PD自体が有するバイアス依存性を排除することができる。 The node potential Vnd10 shown in FIG. 4 (f) slightly decreases after time t9. That is, in the exposure saturation period t7 to t12, the node potential Vnd10 starts to further decrease when the exposure is sufficiently performed or when strong light is incident on the photoelectric conversion element PD. That is, when the exposure saturation period starts, the node potential Vnd10 starts to decrease little by little, and the node potential Vnd10 is controlled to the potential (Ve20−Vt) at time t10. Here, Ve20 is a second control voltage supplied to the second control line L20, and reference sign Vt is a threshold voltage of the diode element D, that is, a forward rising voltage. That is, when the exposure enters a saturation state, the node potential Vnd10 is not restricted by the transistor Tr10 but is restricted by the second control voltage Ve20 supplied to the diode element D. As a result, the voltage between the anode and the cathode of the photoelectric conversion element PD is determined by the first control voltage Ve10 and the second control voltage Ve20, so that the bias dependency of the photoelectric conversion element PD itself can be eliminated.

図4(g)はノードNd20のノード電位Vnd20を示す。ノード電位Vnd20はノード電位Vnd10の電位変化とは異なり、ノード電位Vnd10およびトランジスタTr10の動作に応動する。ノード電位Vnd20は、ノード電位Vnd10が電位(V10−Vt10)に達する時刻t1までの間はほぼ0電位または任意の電位である。ノード電位Vnd10が電位(V10−Vt10)に達すると、時刻t1で初期化信号V20がローレベルからハイレベルに立ち上げられることにより、ノードNd20の電位Vnd20は初期電位である電源電圧Vddに設定される。たとえば電源電圧Vdd=3.3Vとする。その後光電変換素子PDの露光に応じて徐々に下降し始め、時刻t3に達すると読み出しレベルVnd20aまで達する。ノード電位Vnd20は初期化信号V20が印加されるまで下降し始め、初期化信号V20に同期してリセット(初期化)が繰り返される。ノード電位Vnd20は、露光飽和期間である時刻t7〜t12ではまず、トランジスタTr10の動作点の影響を受け、電位(V10−Vt10)まで下降する。その後露光飽和状態が継続すると、ノードNd10の電位の影響を受け、ノード電位Vnd10と同じレベルまで下降する。したがって、露光飽和期間では、ノードNd10とノードNd20との間で電位の高いほうから低いほうに向かって電荷が転送され、最終的に両者のノード電位はほぼ等しくなる。ノードNd20のノード電位Vnd20の最小電位Vnd20mはVnd20m=(Ve20−Vt)となる。すなわち、光電変換素子PDのカソードは、ダイオード素子Dのアノードに供給される第2制御電圧Ve20とダイオード素子Dの閾値電圧Vtの大きさによって所定の電位に制御される。 FIG. 4G shows the node potential Vnd20 of the node Nd20. Unlike the potential change of the node potential Vnd10, the node potential Vnd20 responds to the operation of the node potential Vnd10 and the transistor Tr10. The node potential Vnd20 is substantially 0 potential or an arbitrary potential until time t1 when the node potential Vnd10 reaches the potential (V10−Vt10). When the node potential Vnd10 reaches the potential (V10−Vt10), the initialization signal V20 is raised from the low level to the high level at time t1, whereby the potential Vnd20 of the node Nd20 is set to the power supply voltage Vdd that is the initial potential. The For example, the power supply voltage Vdd = 3.3V. Thereafter, it gradually begins to fall according to the exposure of the photoelectric conversion element PD, and reaches the read level Vnd20a when time t3 is reached. The node potential Vnd20 starts to decrease until the initialization signal V20 is applied, and reset (initialization) is repeated in synchronization with the initialization signal V20. The node potential Vnd20 first falls to the potential (V10−Vt10) due to the influence of the operating point of the transistor Tr10 from time t7 to t12, which is the exposure saturation period. After that, when the exposure saturation state continues, it is affected by the potential of the node Nd10 and falls to the same level as the node potential Vnd10. Therefore, in the exposure saturation period, electric charges are transferred from the higher potential to the lower potential between the node Nd10 and the node Nd20, and finally the node potentials of both become substantially equal. The minimum potential Vnd20m of the node potential Vnd20 of the node Nd20 is Vnd20m = (Ve20−Vt). That is, the cathode of the photoelectric conversion element PD is controlled to a predetermined potential by the magnitude of the second control voltage Ve20 supplied to the anode of the diode element D and the threshold voltage Vt of the diode element D.

図4(h)は、光電変換素子PDのアノード・カソード間に印加される電圧Vpdを示す。電圧Vpdは、第1制御電圧Ve10とトランジスタTr10に供給される転送信号V10、トランジスタTr10の閾値電圧Vt10、第2制御電圧Ve20、及びダイオード素子Dの閾値電圧Vtによって決定されることが分かる。特に露光飽和期間である時刻t7〜t12においては、光電変換素子PDのアノード・カソード間に印加される電圧Vpdは第2制御電圧Ve20とダイオード素子Dの閾値電圧Vtによって決定することができるので、光電変換素子PDのバイアス依存性を排除することができる。 FIG. 4H shows the voltage Vpd applied between the anode and cathode of the photoelectric conversion element PD. It can be seen that the voltage Vpd is determined by the first control voltage Ve10, the transfer signal V10 supplied to the transistor Tr10, the threshold voltage Vt10 of the transistor Tr10, the second control voltage Ve20, and the threshold voltage Vt of the diode element D. In particular, at times t7 to t12, which is the exposure saturation period, the voltage Vpd applied between the anode and cathode of the photoelectric conversion element PD can be determined by the second control voltage Ve20 and the threshold voltage Vt of the diode element D. The bias dependency of the photoelectric conversion element PD can be eliminated.

(第3の実施形態)
図5は本発明にかかる光電変換回路及び光電変換素子を示す。光電変換回路500は、光電変換素子としてCIGS系の光電変換素子を採用している。図1に示したカソードコモン方式の光電変換回路100は、シリコン系の光電変換素子を用いたが、図5に示した光電変換回路500は非シリコン系の光電変換素子PDCを用いている点で相違する。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a photoelectric conversion circuit and a photoelectric conversion element according to the present invention. The photoelectric conversion circuit 500 employs a CIGS photoelectric conversion element as a photoelectric conversion element. The cathode common type photoelectric conversion circuit 100 shown in FIG. 1 uses a silicon-based photoelectric conversion element, but the photoelectric conversion circuit 500 shown in FIG. 5 uses a non-silicon-type photoelectric conversion element PDC. Is different.

光電変換素子PDCは一部に開口領域52を有するアルミニウム遮光膜50、コモン電極層Ec、硫化カドミウム層58、CIGS層60、金属電極層(モリブデン電極)65、絶縁膜66、及び回路部68とからなる。コモン電極層EcはN型酸化亜鉛層54及び真性酸化亜鉛層56とからなる。また光電変換素子PDCはビア64を介して回路部68と接続される。 The photoelectric conversion element PDC includes an aluminum light-shielding film 50 having an opening region 52 in part, a common electrode layer Ec, a cadmium sulfide layer 58, a CIGS layer 60, a metal electrode layer (molybdenum electrode) 65, an insulating film 66, and a circuit unit 68. Consists of. The common electrode layer Ec includes an N-type zinc oxide layer 54 and an intrinsic zinc oxide layer 56. The photoelectric conversion element PDC is connected to the circuit unit 68 through the via 64.

光電変換回路500の回路部68は、ビア64と、光電変換回路100aとを有する。光電変換回路100aと図1に示した光電変換回路100との違いは光電変換素子PDの有無だけであり、他の回路構成はまったく同じである。光電変換回路100aのノードNd1はビア64を介して光電変換素子PDCのアノード電極、すなわち、金属電極層65に接続される。回路部68とCIGS系の光電変換素子PDCは絶縁膜66を介して1つのチップ内に作り込まれる。 The circuit unit 68 of the photoelectric conversion circuit 500 includes a via 64 and a photoelectric conversion circuit 100a. The only difference between the photoelectric conversion circuit 100a and the photoelectric conversion circuit 100 shown in FIG. 1 is the presence or absence of the photoelectric conversion element PD, and the other circuit configurations are exactly the same. The node Nd1 of the photoelectric conversion circuit 100a is connected to the anode electrode of the photoelectric conversion element PDC, that is, the metal electrode layer 65 through the via 64. The circuit unit 68 and the CIGS photoelectric conversion element PDC are formed in one chip via the insulating film 66.

コモン電極層Ecは第1制御ラインL1に接続される。第1制御ラインL1には第1制御電圧Ve1が供給される。金属電極層65は、光電変換素子PDCのアノードの機能を有し、そこには、ダイオード素子Dを介して第2制御電圧Ve2が供給されている。したがって、光電変換素子PDCのコモン電極層Ecと金属電極層65との間にかかる電圧は常に所定の一定電圧となる。さらに、光電変換素子PDCは回路部68の上部にたとえば二酸化シリコン膜のような絶縁膜68を介して積層され、両者はビア64を介して接続される。 The common electrode layer Ec is connected to the first control line L1. The first control voltage Ve1 is supplied to the first control line L1. The metal electrode layer 65 has a function of an anode of the photoelectric conversion element PDC, and a second control voltage Ve2 is supplied to the metal electrode layer 65 via the diode element D. Therefore, the voltage applied between the common electrode layer Ec and the metal electrode layer 65 of the photoelectric conversion element PDC is always a predetermined constant voltage. Further, the photoelectric conversion element PDC is stacked on the upper part of the circuit portion 68 via an insulating film 68 such as a silicon dioxide film, and both are connected via a via 64.

上記構成により、シリコン系の光電変換素子を用いた構成と異なり、チップ上の光電変換素子PDCの占有面積を考慮することなくトランジスタ、キャパシタなどの半導体素子を回路部68に自在に配置することができる。 With the above configuration, unlike the configuration using a silicon-based photoelectric conversion element, semiconductor elements such as transistors and capacitors can be freely arranged in the circuit unit 68 without considering the occupied area of the photoelectric conversion element PDC on the chip. it can.

コモン電極層Ecは光に対して透過性を有する。各アルミニウム遮光膜50間の開口領域52を介して光が露光されると、光電変換素子PDCを形成するN型半導体層である硫化カドミウム層58及びP型半導体層であるCIGS層60との間で光電流が生成される。 The common electrode layer Ec is transmissive to light. When light is exposed through the opening region 52 between the aluminum light-shielding films 50, between the cadmium sulfide layer 58 that is an N-type semiconductor layer that forms the photoelectric conversion element PDC and the CIGS layer 60 that is a P-type semiconductor layer A photocurrent is generated.

金属電極層65のそれぞれは、光電変換回路500に内蔵されるダイオード素子Dを介して所定の電位(Ve2+Vt)にクランプされることになる。このことは、光電変換素子PDC同士を極めて高抵抗で絶縁することができるということにほかならない。こうした構成は、金属電極層65同士の間隔をできる限り小さくすることができるので光電変換素子PDCの集積度を高めることができる。 Each of the metal electrode layers 65 is clamped to a predetermined potential (Ve2 + Vt) via the diode element D built in the photoelectric conversion circuit 500. This is nothing but that the photoelectric conversion elements PDC can be insulated with extremely high resistance. In such a configuration, the interval between the metal electrode layers 65 can be made as small as possible, so that the degree of integration of the photoelectric conversion elements PDC can be increased.

またアルミニウム遮光膜50により、金属電極層65の上部のみで露光が可能である。したがって露光によって生成したフォトンは電界の垂直方向成分によって直下の金属電極層65にのみ到達する。たとえばコモン電極層Ecに供給する第1制御電圧Ve1として3.3Vを供給し、また、ダイオード素子Dを介して供給される所定の第2制御電圧Ve2として2.6Vを供給する。上記制御電圧の供給により、コモン電極層Ec及び金属電極層65との間にかかる電圧はダイオード素子Dの閾値電圧を0.6Vとすると、Ve1−(Ve2+Vt)すなわち0.1Vの所定電圧にクランプされる。なおアバランシェ増倍効果を利用した光電流増倍を行う場合はコモン電極層Ecに供給する第1制御電圧Ve1をたとえば10V前後に設定する。 Further, the aluminum light-shielding film 50 allows exposure only on the metal electrode layer 65. Therefore, photons generated by exposure reach only the metal electrode layer 65 immediately below due to the vertical component of the electric field. For example, 3.3 V is supplied as the first control voltage Ve1 supplied to the common electrode layer Ec, and 2.6 V is supplied as the predetermined second control voltage Ve2 supplied via the diode element D. When the control voltage is supplied, the voltage applied between the common electrode layer Ec and the metal electrode layer 65 is clamped to a predetermined voltage of Ve1- (Ve2 + Vt), that is, 0.1V, assuming that the threshold voltage of the diode element D is 0.6V. Is done. When photocurrent multiplication is performed using the avalanche multiplication effect, the first control voltage Ve1 supplied to the common electrode layer Ec is set to about 10V, for example.

本発明は初期化、読み出し、露光、及び露光飽和時において複数の光電変換素子のカソード・アノード間に印加される電圧の大きさを所定の範囲に抑えることができる。これにより、複数の光電変換素子のバイアス依存性を排除することができる光電変換回路及び光電変換素子を提供することができるので、産業上の利用可能性は極めて高い。 In the present invention, the magnitude of the voltage applied between the cathodes and anodes of a plurality of photoelectric conversion elements during initialization, readout, exposure, and exposure saturation can be suppressed within a predetermined range. Thereby, since the photoelectric conversion circuit and photoelectric conversion element which can exclude the bias dependence of a plurality of photoelectric conversion elements can be provided, industrial applicability is very high.

また本発明にかかる光電変換回路は、ダイオード素子を常に順方向バイアスの構成下で使用することによって、第1制御ラインとダイオード素子との間に接続された複数の光電変換素子の両端子間が所定電圧にクランプされ、光電変換素子のバイアス依存性にかかわりなく、光電変換素子の動作に最適な所定の電圧で動作させることができる。したがって光電変換素子の安定動作やアバランシェ増倍効果を利用した動作を実現することができるため、たとえばカメラ等に用いる高感度の光センサなど、その産業上の利用可能性は極めて高い。 In the photoelectric conversion circuit according to the present invention, the diode element is always used in the forward bias configuration, so that the terminals of the plurality of photoelectric conversion elements connected between the first control line and the diode element are connected. It is clamped at a predetermined voltage, and can be operated at a predetermined voltage optimum for the operation of the photoelectric conversion element regardless of the bias dependency of the photoelectric conversion element. Therefore, since the stable operation of the photoelectric conversion element and the operation utilizing the avalanche multiplication effect can be realized, the industrial applicability of, for example, a high-sensitivity optical sensor used in a camera or the like is extremely high.

50 アルミニウム遮光膜
52 開口領域
54 N型酸化亜鉛層
56 真性酸化亜鉛層
58 硫化カドミウム層
60 CIGS層
64 ビア
65 金属電極層(モリブデン電極)
66 絶縁膜
68 回路部
100、100a、300、500 光電変換回路
C1 第1キャパシタ
C2 第2キャパシタ
D ダイオード素子
EC コモン電極層
GND 接地電位
G1、G2、G3、G4、G10、G20、G30、G40 制御電極(ゲート)
L1、L10 第1制御ライン
L2、L20 第2制御ライン
L0 電源電圧供給ライン
Nd1、Nd2、Nd10、Nd20 ノード
PD、PDC 光電変換素子(フォトダイオード)
Tr1、Tr2、Tr3、Tr4、Tr10、Tr20、Tr30、Tr40 トランジスタ
Yn4、Yn40 信号出力ライン
50 Aluminum light shielding film 52 Opening region 54 N-type zinc oxide layer 56 Intrinsic zinc oxide layer 58 Cadmium sulfide layer 60 CIGS layer 64 Via 65 Metal electrode layer (molybdenum electrode)
66 Insulating film 68 Circuit unit 100, 100a, 300, 500 Photoelectric conversion circuit C1 First capacitor C2 Second capacitor D Diode element EC Common electrode layer GND Ground potential G1, G2, G3, G4, G10, G20, G30, G40 Control Electrode (gate)
L1, L10 First control line L2, L20 Second control line L0 Power supply voltage supply line Nd1, Nd2, Nd10, Nd20 Node PD, PDC Photoelectric conversion element (photodiode)
Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr10, Tr20, Tr30, Tr40 Transistor Yn4, Yn40 Signal output line

Claims (18)

直流電圧である第1制御電圧が供給される第1制御ラインと、A first control line to which a first control voltage that is a DC voltage is supplied;
一端に第1固定電位が供給される第1キャパシタと、A first capacitor having one end supplied with a first fixed potential;
前記第1制御ラインと前記第1キャパシタの他端との間に接続される光電変換素子とを備え、A photoelectric conversion element connected between the first control line and the other end of the first capacitor;
前記光電変換素子は、The photoelectric conversion element is
記第1制御ラインに接続されるカソードと、A cathode connected to the first control line;
前記カソードよりも低い電位が供給されるとともに前記第1キャパシタの他端に接続されるアノードとを含み、An anode connected to the other end of the first capacitor and supplied with a lower potential than the cathode;
前記第1キャパシタの他端に接続される第1電極と、第2電極と、直流電圧である第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第1トランジスタと、A first transistor including a first electrode connected to the other end of the first capacitor, a second electrode, and a control electrode to which a second control voltage that is a DC voltage is supplied;
第2固定電位が供給される一端と、前記第1トランジスタの第2電極が接続される他端とを含む第2キャパシタと、A second capacitor including one end to which a second fixed potential is supplied and the other end to which the second electrode of the first transistor is connected;
前記第2キャパシタの他端に接続される第1電極と、第3固定電位に接続される第2電極と、第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第2トランジスタと、A second transistor including a first electrode connected to the other end of the second capacitor, a second electrode connected to a third fixed potential, and a control electrode supplied with a second control voltage;
前記第2キャパシタの他端と接続される制御電極と、参照電位が供給される第1電極と、第2電極とを含む第3トランジスタと、A third electrode including a control electrode connected to the other end of the second capacitor, a first electrode supplied with a reference potential, and a second electrode;
前記第3トランジスタの第2電極と接続される第1電極と、第3制御電圧が供給される制御電極と、第2電極とを含む第4トランジスタと、A fourth transistor including a first electrode connected to the second electrode of the third transistor, a control electrode to which a third control voltage is supplied, and a second electrode;
前記第4トランジスタの第2電極と接続される信号出力ラインとをさらに備え、A signal output line connected to the second electrode of the fourth transistor;
前記第1制御電圧の電圧値a、前記第2制御電圧の電圧値b、前記第1トランジスタのスレッショルド電圧c、及び前記第3固定電位の電圧値dはd+c≦b≦a+cを満たす光電変換装置。The voltage value a of the first control voltage, the voltage value b of the second control voltage, the threshold voltage c of the first transistor, and the voltage value d of the third fixed potential satisfy d + c ≦ b ≦ a + c. Filling photoelectric conversion device.
前記第1、第3、及び第4トランジスタはPMOSFETであり、The first, third, and fourth transistors are PMOSFETs;
前記第2トランジスタはNMOSFETである請求項1に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the second transistor is an NMOSFET.
直流電圧である第4制御電圧が供給される第2制御ラインと、A second control line to which a fourth control voltage that is a DC voltage is supplied;
ダイオード素子とをさらに備え、A diode element;
前記ダイオード素子は、The diode element is
前記光電変換素子のアノードと接続されるアノードと、An anode connected to the anode of the photoelectric conversion element;
前記第2制御ラインに接続されるカソードとを含む請求項2に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 2, further comprising a cathode connected to the second control line.
直流電圧である第1制御電圧が供給される第1制御ラインと、A first control line to which a first control voltage that is a DC voltage is supplied;
一端に第1固定電位が供給される第1キャパシタと、A first capacitor having one end supplied with a first fixed potential;
前記第1制御ラインと前記第1キャパシタの他端との間に接続される光電変換素子とを備え、A photoelectric conversion element connected between the first control line and the other end of the first capacitor;
前記光電変換素子は、The photoelectric conversion element is
記第1制御ラインに接続されるアノードと、An anode connected to the first control line;
前記アノードよりも高い電位が供給されるとともに前記第1キャパシタの他端に接続されるカソードとを含み、A cathode that is supplied with a higher potential than the anode and connected to the other end of the first capacitor;
前記第1キャパシタの他端に接続される第1電極と、第2電極と、直流電圧である第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第1トランジスタと、A first transistor including a first electrode connected to the other end of the first capacitor, a second electrode, and a control electrode to which a second control voltage that is a DC voltage is supplied;
第2固定電位が供給される一端と、前記第1トランジスタの第2電極が接続される他端とを含む第2キャパシタと、A second capacitor including one end to which a second fixed potential is supplied and the other end to which the second electrode of the first transistor is connected;
前記第2キャパシタの他端に接続される第1電極と、第3固定電位に接続される第2電極と、第2制御電圧が供給される制御電極とを含む第2トランジスタと、A second transistor including a first electrode connected to the other end of the second capacitor, a second electrode connected to a third fixed potential, and a control electrode supplied with a second control voltage;
前記第2キャパシタの他端と接続される制御電極と、電源電圧が供給される第1電極と、第2電極とを含む第3トランジスタと、A third electrode including a control electrode connected to the other end of the second capacitor, a first electrode supplied with a power supply voltage, and a second electrode;
前記第3トランジスタの第2電極と接続される第1電極と、第3制御電圧が供給される制御電極と、第2電極とを含む第4トランジスタと、A fourth transistor including a first electrode connected to the second electrode of the third transistor, a control electrode to which a third control voltage is supplied, and a second electrode;
前記第4トランジスタの第2電極と接続される信号出力ラインとをさらに備え、A signal output line connected to the second electrode of the fourth transistor;
前記第1制御電圧の電圧値a、前記第2制御電圧の電圧値b、前記第1トランジスタのスレッショルド電圧c、及び前記第3固定電位の電圧値dはd-c≦b≦a-cを満たす光電変換装置。A photoelectric conversion device in which the voltage value a of the first control voltage, the voltage value b of the second control voltage, the threshold voltage c of the first transistor, and the voltage value d of the third fixed potential satisfy dc ≦ b ≦ ac .
前記第1、第2、第3、及び第4トランジスタはNMOSFETである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, wherein the first, second, third, and fourth transistors are NMOSFETs. 直流電圧である第4制御電圧が供給される第2制御ラインと、A second control line to which a fourth control voltage that is a DC voltage is supplied;
ダイオード素子とをさらに備え、A diode element;
前記ダイオード素子は、The diode element is
前記光電変換素子のカソードと接続されるカソードと、A cathode connected to the cathode of the photoelectric conversion element;
前記第2制御ラインに接続されるアノードとを含む請求項5に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 5, further comprising an anode connected to the second control line.
前記第1制御ラインに供給される第1制御電圧は前記第2制御ラインに供給される第4制御電圧よりも大きく設定される請求項3に記載の光電変換装置。  4. The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the first control voltage supplied to the first control line is set to be larger than the fourth control voltage supplied to the second control line. 前記第1制御ラインに供給される第1制御電圧は前記第2制御ラインに供給される第4制御電圧よりも小さく設定される請求項6に記載の光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 6, wherein the first control voltage supplied to the first control line is set smaller than the fourth control voltage supplied to the second control line. 前記ダイオード素子のカソードに加えられる電位はそのアノードに加えられる電位よりも低くなるように前記第1制御ライン及び第2制御ラインに供給される直流電圧の大きさが設定される請求項3に記載の光電変換装置。  The magnitude of the DC voltage supplied to the first control line and the second control line is set so that the potential applied to the cathode of the diode element is lower than the potential applied to the anode. Photoelectric conversion device. 前記光電変換素子はシリコン系である請求項1又は4に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is silicon-based. 前記光電変換素子は非シリコン系である請求項1又は4に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is non-silicon-based. 前記光電変換素子は銅、インジウム、ガリウム、セレンからなる非シリコン系である請求項11に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 11, wherein the photoelectric conversion element is a non-silicon system made of copper, indium, gallium, and selenium. 前記ダイオード素子は前記光電変換素子と同一チップ上に形成される請求項3又は6に記載の光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the diode element is formed on the same chip as the photoelectric conversion element. 前記ダイオード素子は、前記第1トランジスタと同じ導電型からなるトランジスタを用いている請求項13に記載の光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 13, wherein the diode element uses a transistor having the same conductivity type as the first transistor. 前記ダイオード素子は、前記第1トランジスタと同じ大きさである請求項14に記載の光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 14, wherein the diode element has the same size as the first transistor. 前記第1キャパシタ及び第2キャパシタの少なくとも1つは第1トランジスタの拡散容量で作り込まれる請求項1〜15のいずれか1項に記載の光電変換装置。  The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein at least one of the first capacitor and the second capacitor is formed by a diffusion capacitance of a first transistor. 前記光電変換素子は、  The photoelectric conversion element is
一部に開口領域を有するアルミニウム遮光膜と、An aluminum light-shielding film partially having an opening region;
N型酸化亜鉛層及び真性酸化亜鉛層を有するコモン電極層と、A common electrode layer having an N-type zinc oxide layer and an intrinsic zinc oxide layer;
硫化カドミウム層と、A cadmium sulfide layer;
CIGS層と、A CIGS layer;
金属電極層と、A metal electrode layer;
絶縁層と、An insulating layer;
ビア層とを含み、Including a via layer,
前記金属電極層は前記ビア層を介して、前記第2制御ラインに接続され、前記コモン電極層は前記第1制御ラインに接続される請求項16に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 16, wherein the metal electrode layer is connected to the second control line via the via layer, and the common electrode layer is connected to the first control line.
前記第1キャパシタは前記光電変換素子又は前記第1トランジスタの寄生容量であり、前記第2キャパシタは前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、及び前記第3トランジスタの寄生容量である請求項1又は4に記載の光電変換装置。5. The first capacitor is a parasitic capacitance of the photoelectric conversion element or the first transistor, and the second capacitor is a parasitic capacitance of the first transistor, the second transistor, and the third transistor. The photoelectric conversion device described in 1.
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