JPH03132175A - Picture element amplification type solid-state image pickup element - Google Patents

Picture element amplification type solid-state image pickup element

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JPH03132175A
JPH03132175A JP1268970A JP26897089A JPH03132175A JP H03132175 A JPH03132175 A JP H03132175A JP 1268970 A JP1268970 A JP 1268970A JP 26897089 A JP26897089 A JP 26897089A JP H03132175 A JPH03132175 A JP H03132175A
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JP
Japan
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signal
photodiode
charge
gate
amplification
Prior art date
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Application number
JP1268970A
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Japanese (ja)
Inventor
Kozo Yasuda
好三 安田
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Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Japan Display Inc
Original Assignee
Hitachi Device Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Device Engineering Co Ltd, Hitachi Ltd, Hitachi Consumer Electronics Co Ltd filed Critical Hitachi Device Engineering Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To improve the sensitivity by providing a charge transfer element transferring a signal charge formed by a photodiode and a picture element cell including an amplifier element receiving a signal charge supplied through the charge transfer element at its gate. CONSTITUTION:One picture element cell includes a photodiode D1 whose anode side electrode is coupled with a ground potential of the circuit, a charge transfer element CC1 transferring the signal charge in the photodiode D1 to a gate of an amplifier MOSFETQ3 and an amplifier MOSFETQ3 receiving the transferred signal charge at its gate and converting the charge into a signal voltage. Thus, the signal voltage is amplified according to a capacitance ratio of the capacitance of the photodiode D1 to the gate capacitance of the amplifier element Q3 and the sensitivity is improved as the area of the photodiode D1 is increased.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、フォトダイオードにより形成された画素信
号を増幅素子により増幅して出力させる方式の画素増幅
型固体撮像素子に利用して有効な技術に関するものであ
る。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is a technology that is effective when applied to a pixel amplification type solid-state image sensor in which a pixel signal formed by a photodiode is amplified by an amplification element and output. It is related to.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

固体撮像素子の高感度及び高SN比の要求に答えるもの
として、例えば1986年のテレビジョン学会全国大会
予稿集PP、51−52で報告されているように、フォ
トダイオードにより形成した光電変換信号をソースフォ
ロワアンプにより直接外部に読み出すものがある。
To meet the demands for high sensitivity and high signal-to-noise ratio of solid-state image sensors, for example, as reported in the Proceedings of the 1986 National Conference of the Television Society of Japan, pp. 51-52, photoelectric conversion signals formed by photodiodes have been developed. There are things that are directly read out to the outside by a source follower amplifier.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記の従来技術では、CCD型固体撮像素子のように信
号電荷を転送する必要がないため、転送途中で余分な雑
音が混入することがない、また、光電変換部に配置した
電荷−電圧変換トランジスタで発生する信号電圧V8.
は、光電変換部で発生する信号電荷をQoとし、光電変
換部の容量をCとすると、次式(1)により表される。
In the above-mentioned conventional technology, there is no need to transfer signal charges as in a CCD type solid-state image sensor, so there is no need for extra noise to be mixed in during transfer, and charge-voltage conversion transistors arranged in the photoelectric conversion section The signal voltage V8.
is expressed by the following equation (1), where Qo is the signal charge generated in the photoelectric conversion section and C is the capacitance of the photoelectric conversion section.

■sg=Q1g/C・・・・・・(11ここで、仮に光
電変換にpn接合フォトダイオードを用いると、接合容
量C1発生電荷Q□ともにpn接合面積に比例する。し
たがって、(11式より、信号電圧V、、=は、接合面
積に依存しな(なリ、光電変換部を小さく形成しても信
号電圧vs。
■sg=Q1g/C (11) Here, if a pn junction photodiode is used for photoelectric conversion, both the junction capacitance C1 and the generated charge Q□ are proportional to the pn junction area. Therefore, from equation (11) , signal voltage V, , = does not depend on the junction area (even if the photoelectric conversion section is formed small, the signal voltage vs.

は変わらない、これは、固体撮像素子としては、画素数
を多くして光電変換部の面積を小さくしても感度が減少
しないことを意味しており、多画素化したときに有利と
なる。
does not change. This means that as a solid-state image sensor, the sensitivity does not decrease even if the number of pixels is increased and the area of the photoelectric conversion section is decreased, which is advantageous when increasing the number of pixels.

しかしながら、逆にいうと開口率を大きくしても感度が
それほど向上しないことにもなり、例えば開口率を10
0%とれる二階性構造の撮像素子や三次元構造の撮像素
子の場合には逆に不利になるものである。
However, conversely, even if the aperture ratio is increased, the sensitivity will not improve much; for example, if the aperture ratio is increased by 10
On the contrary, it is disadvantageous in the case of an image sensor with a two-dimensional structure or an image sensor with a three-dimensional structure, which can take 0%.

この発明の目的は、感度の向上を図った画素増幅型固体
撮像素子を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a pixel amplification type solid-state image sensor with improved sensitivity.

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は
、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであ
ろう。
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

〔課題を解決するための手段〕 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記の通りである。
[Means for Solving the Problems] A brief overview of typical inventions disclosed in this application is as follows.

すなわち、フォトダイオードにより形成された信号電荷
を電圧信号に変換する増幅素子のゲートに、電荷転送素
子を通して信号電荷を供給するものとする。
That is, signal charges are supplied through a charge transfer element to the gate of an amplification element that converts signal charges formed by a photodiode into a voltage signal.

〔作 用〕[For production]

上記した手段によれば、フォトダイオードの容量と増幅
素子のゲート容量比に従って信号電圧の増幅が可能にな
り、フォトダイオードの面積の増大に伴い感度向上が図
られる。
According to the above-described means, it is possible to amplify the signal voltage according to the ratio of the capacitance of the photodiode to the gate capacitance of the amplification element, and the sensitivity can be improved as the area of the photodiode increases.

〔実施例〕〔Example〕

第1図には、この発明が適用された画素増幅型固体撮像
素子の一実施例の要部回路図が示されている。同図では
、代表として例示的に示された3行、2列分の画素アレ
イとその選択回路及び信号読み出し回路が示されている
FIG. 1 shows a circuit diagram of a main part of an embodiment of a pixel amplification type solid-state image sensor to which the present invention is applied. In the figure, a pixel array of three rows and two columns, its selection circuit, and signal readout circuit are shown as a representative example.

上記固体撮像素子は、次の各回路より構成される。1つ
の画素セルは、アノード側電極が回路の接地電位に結合
されたフォトダイオードD1と、そのフォトダイオード
D1の信号電荷を増幅MO3F ETQ 3のゲートに
転送する電荷移送素子CC1と、上記転送された信号電
荷をゲートに受けて信号電圧に変換する増幅MO3FE
TQ3を基本とし、上記電荷移送素子による電荷移送方
向を決めるスイッチMO3FETQIとQ2が設けられ
る。すなわち、フォトダイオードD1により形成した信
号電荷を電荷移送素子CCIに移すときにスイッチMO
SFETQIがオン状態になり、スイッチMO3FET
Q2がオフ状態になる。そして、上記電荷移送素子に転
送された信号電荷を増幅MO3FETQ3のゲートに移
すとき、スイッチMOS F ETQ 1がオフ状態に
、スイッチMO3FETQ2がオン状態になる。言い換
えるならば、スイッチMOS F ETQ 1は、信号
電荷が電荷移送素子CCIからフォトダイオードDI側
に、スイッチMO3FETQ2は増幅MO3FETQ3
のゲートに転送された信号電荷が電荷移送素子CCI側
に逆流するのを防止するためのものである。それ故、電
荷移送素子として一方向にしか電荷の移送動作を行わな
い2相クロツクパルスにより動作させられる構成とした
場合には、上記スイッチMO3FETQIとQ2を省略
できる。
The solid-state image sensor is composed of the following circuits. One pixel cell includes a photodiode D1 whose anode side electrode is coupled to the ground potential of the circuit, a charge transfer element CC1 which transfers the signal charge of the photodiode D1 to the gate of the amplification MO3FETQ3, and a charge transfer element CC1 which transfers the signal charge of the photodiode D1 to the gate of the amplification MO3F ETQ3. Amplifying MO3FE that receives signal charge at the gate and converts it into signal voltage
Based on TQ3, switches MO3FETQI and Q2 are provided to determine the direction of charge transfer by the charge transfer element. That is, when transferring the signal charge formed by the photodiode D1 to the charge transfer element CCI, the switch MO
SFETQI turns on and switch MO3FET
Q2 is turned off. When the signal charge transferred to the charge transfer element is transferred to the gate of the amplification MO3FETQ3, the switch MOSFETQ1 is turned off and the switch MO3FETQ2 is turned on. In other words, the switch MO3FETQ1 transfers the signal charge from the charge transfer element CCI to the photodiode DI side, and the switch MO3FETQ2 transfers the signal charge from the charge transfer element CCI to the photodiode DI side.
This is to prevent the signal charge transferred to the gate of CCI from flowing back to the charge transfer element CCI side. Therefore, if the charge transfer element is configured to be operated by a two-phase clock pulse that transfers charges in only one direction, the switches MO3FETQI and Q2 can be omitted.

上記増幅MO3FETQ3のゲートの信号電荷をリセッ
トするリセットMO3FETQ4が設けられる。
A reset MO3FETQ4 is provided to reset the signal charge at the gate of the amplification MO3FETQ3.

スイッチMO3FETQIは、同じ行に配置された同様
な構成の画素セルを構成するスイッチMO3FETQ4
とともに、そのゲートが横方向に延長された行選択線に
結合される。電荷移送素子CCIは、他の同様な構成の
画素セルを構成する電荷移送素子CG2等の転送ゲート
と共通接続され、外部端子TRIから入力された転送パ
ルスが供給される。スイッチMOSFBTQ2は、他の
同様な構成の画素セルの対応するスイッチMO3FET
Q6等のゲートと共通接続され、外部端子TR2から入
力された転送パルスTR2が供給される。上記リセット
MO3FETQ4のドレインは、他の同様な構成の画素
セルのリセットMO3FETQ8等のドレインと共通接
続され、電源電圧Vccが供給される。
The switch MO3FETQI is a switch MO3FETQ4 that configures pixel cells with a similar configuration arranged in the same row.
In addition, its gate is coupled to a row selection line extending laterally. The charge transfer element CCI is commonly connected to the transfer gates of the charge transfer element CG2 and the like constituting other similarly configured pixel cells, and is supplied with a transfer pulse input from an external terminal TRI. The switch MOSFBTQ2 corresponds to the corresponding switch MO3FET of other similarly configured pixel cells.
It is commonly connected to the gates of Q6 and the like, and is supplied with a transfer pulse TR2 inputted from an external terminal TR2. The drain of the reset MO3FETQ4 is commonly connected to the drains of the reset MO3FETQ8 and the like of other similarly configured pixel cells, and is supplied with the power supply voltage Vcc.

上記代表として例示的に示されている第1の行(横方向
)の増幅MO3FETQ3.Q7のソースは、共通接続
され、対応する上記行選択線にゲ−トが接続されたスイ
ッチMO3FETQ31を介して出力端子Voに接続さ
れる。
The first row (lateral direction) amplification MO3FETQ3. The sources of Q7 are commonly connected to the output terminal Vo via a switch MO3FET Q31 whose gate is connected to the corresponding row selection line.

行選択線は、垂直走査回路により形成された行選択信号
(垂直選択信号)Vlを受けるスイッチMOSFETQ
21を介して端子PGに接続される。端子PGからは選
択タイミングパルスが供給される。他の代表として例示
的に示されている第2行及び第3行に配列された画素セ
ルが結合される行選択線は、それぞれ上記垂直走査回路
により形成された行選択信号■2、v3がゲートに供給
されるスイッチMO3FETQ22.Q23を介して上
記タイミングパルスが供給される端子PCに接続される
The row selection line is connected to a switch MOSFETQ that receives a row selection signal (vertical selection signal) Vl formed by a vertical scanning circuit.
It is connected to the terminal PG via 21. A selection timing pulse is supplied from the terminal PG. The row selection lines to which the pixel cells arranged in the second and third rows, which are exemplarily shown as other representative rows, are connected are connected to the row selection signals ■2 and v3, respectively, which are generated by the vertical scanning circuit. Switch MO3FETQ22. which is supplied to the gate. It is connected via Q23 to the terminal PC to which the timing pulse is supplied.

また、同じ列(縦方向)に配置される増幅MO3F E
TQ 3等のドレインは、共通化されてスイッチMO3
FETQI 1を介して電源電圧Vccに接続される。
In addition, the amplification MO3F E arranged in the same column (vertical direction)
The drains of TQ3 etc. are shared and connected to switch MO3.
Connected to power supply voltage Vcc via FETQI1.

上記の列方向に配置される増幅MOSFETの共通化さ
れたドレインに対応して設けられるスイッチMO3FE
TQI 1.Ql 2等のゲートには、水平走査回路に
より形成された列選択信号(水平選択信号)Hl、H2
が供給される。
A switch MO3FE provided corresponding to the common drains of the amplification MOSFETs arranged in the column direction.
TQI 1. Column selection signals (horizontal selection signals) Hl and H2 formed by a horizontal scanning circuit are applied to gates such as Ql2.
is supplied.

これにより、上記行選択信号Vlが選択された増幅MO
3FETには、上記水平走査回路により形成された列選
択信号に従って動作電圧が与えられ、増幅MO3FET
Q3.Q7等の増幅出力が時系列的に出力端子Voから
出力される。出力端子VOには、上記増幅MO3FET
Q3.Q7等に対して共通の負荷抵抗として作用する抵
抗素子が設けられる。
This causes the row selection signal Vl to be applied to the selected amplification MO.
The 3FET is given an operating voltage according to the column selection signal formed by the horizontal scanning circuit, and the amplified MO3FET
Q3. The amplified output of Q7 etc. is output from the output terminal Vo in time series. The above amplification MO3FET is connected to the output terminal VO.
Q3. A resistance element is provided that acts as a common load resistance for Q7 and the like.

次に、この実施例の画素増幅型固体撮像素子の動作を第
2図に示したタイミング図を参照して次に説明する。
Next, the operation of the pixel amplification type solid-state image sensing device of this embodiment will be explained below with reference to the timing chart shown in FIG.

水平ブランキング期間(水平帰線期間)に入ると、端子
RGから供給されるタイミングパルスがハイレベルにさ
れる。端子RGから供給されるタイミングパルスのハイ
レベルに応じて、画素セルのリセットMOSFETQ4
、Q8等がオン状態になる。これにより、増幅MO3F
ETQ3.Q7等のゲートには、電源電圧Vccにプリ
チャージ(リセット)される。このとき、端子RGから
供給されるタイミングパルスのハイレベルは、上記動作
電圧VccよりリセットMO3FETQ4.Q8等のし
きい値電圧骨高くされる。これにより、増幅MO3FE
TQ3.Q7等のゲート容量には、動作電圧Vccがチ
ャージアップされる。
When entering the horizontal blanking period (horizontal retrace period), the timing pulse supplied from the terminal RG is set to high level. In response to the high level of the timing pulse supplied from the terminal RG, the pixel cell reset MOSFETQ4
, Q8, etc. are turned on. This allows the amplification MO3F
ETQ3. The gates of Q7 and the like are precharged (reset) to the power supply voltage Vcc. At this time, the high level of the timing pulse supplied from the terminal RG is applied to the reset MO3FETQ4. The threshold voltage of Q8 etc. is raised. This allows the amplified MO3FE
TQ3. The operating voltage Vcc is charged up to the gate capacitance such as Q7.

上記端子RGから供給されたタイミングパルスがハイレ
ベルからロウレベルに変化した後、すなわち、リセット
動作が終了した後に、タイミングパルスPCがロウレベ
ルからハイレベルにされる。
After the timing pulse supplied from the terminal RG changes from high level to low level, that is, after the reset operation is completed, the timing pulse PC is changed from low level to high level.

図示しないが、このとき、垂直走査回路により行選択信
号■1がハイレベルにされていたなら、オン状態にされ
たスイッチMO3FETQ21を介して第1行目の行選
択線がハイレベルにされる。
Although not shown, at this time, if the row selection signal 1 has been set to a high level by the vertical scanning circuit, the row selection line for the first row is set to a high level via the switch MO3FETQ21 which is turned on.

このとき、スイッチMO3FETQ21のゲートとチャ
ンネル間のゲート容量によりブートストラップがかり、
MO3FETQ21のゲートは、タイミングパルスPG
のハイレベルに対して昇圧された電位にされる。それ故
、端子PGから供給されるタイミングパルスのハイレベ
ルは、スイッチMO3FETQ21のしきい値電圧によ
るレベル損失なく行選択線に伝えられる。
At this time, bootstrap is applied due to the gate capacitance between the gate and channel of switch MO3FETQ21,
The gate of MO3FETQ21 is the timing pulse PG
The potential is boosted from the high level of . Therefore, the high level of the timing pulse supplied from the terminal PG is transmitted to the row selection line without any level loss due to the threshold voltage of the switch MO3FETQ21.

第1行目の行選択線がハイレベルにされるから、スイッ
チMO3FETQI、Q5等がオン状態にされる。そし
て、上記端子PCのハイレベルとオーバーラツプするよ
うに端子TRIからハイレベルのタイミングパルスを供
給する。これにより、フォトダイオードDi、D2等で
形成された信号電荷は、電荷移送素子CCI、CC2等
に転送される。上記タイミングパルスTRIがハイレベ
ルのときに、タイミングパルスPGがハイレベルがらロ
ウレベルに変化させられる。これにより、スイッチMO
3FETQI、Q5等がオフ状態になり、電荷移送素子
CCI、CC2に伝えられた信号電荷がフォトダイオー
ドDI、D2側に逆流するのが阻止される。
Since the row selection line for the first row is set to high level, the switches MO3FETQI, Q5, etc. are turned on. Then, a high level timing pulse is supplied from the terminal TRI so as to overlap with the high level of the terminal PC. Thereby, the signal charges formed by the photodiodes Di, D2, etc. are transferred to the charge transfer elements CCI, CC2, etc. When the timing pulse TRI is at a high level, the timing pulse PG is changed from a high level to a low level. This allows the switch MO
The 3FETs QI, Q5, etc. are turned off, and the signal charges transmitted to the charge transfer elements CCI, CC2 are prevented from flowing back toward the photodiodes DI, D2.

上記端子TRIから供給されるタイミングパルスのハイ
レベルとオーバーラツプするように端子TR2から供給
されるタイミングパルスハイレベルにする。これにより
、スイッチMO3FETQ2、Q6等がオン状態になり
、電荷移送素子CC1、CC2に転送された信号電荷が
増幅MO3FETQ3.Q7のゲートに伝えられる。上
記スイッチMO3FETQ2.Q6等をオン状態にした
状態で、端子TRIから供給されるタイミングパルスを
ロウレベルに戻した後に、端子TR2から供給されるタ
イミングパルスをロウレベルにする。
The timing pulse supplied from the terminal TR2 is set to a high level so as to overlap with the high level of the timing pulse supplied from the terminal TRI. As a result, the switches MO3FETQ2, Q6, etc. are turned on, and the signal charges transferred to the charge transfer elements CC1, CC2 are amplified by the MO3FETQ3. This will be communicated to the Q7 gate. The above switch MO3FETQ2. With Q6 and the like turned on, the timing pulse supplied from the terminal TRI is returned to the low level, and then the timing pulse supplied from the terminal TR2 is set to the low level.

以上の動作により、フォトダイオードDi、D2等の信
号電荷が増幅MO3FETQ3.Q7のゲートに伝えら
れることになる。
By the above operation, the signal charges of the photodiodes Di, D2, etc. are amplified by the MO3FETQ3. This will be communicated to the Q7 gate.

そして、水平走査期間に入ると、水平走査回路により形
成される列(水平)選択パルスH1,H2が順次ハイレ
ベルにされ、増幅MO3FETQ3、Q7等のドレイン
に動作電圧を与えるので、増幅MO3FETQ3.Q7
等のゲートに伝えられた信号電荷に対応した電圧信号が
ソースから出力され、行選択スイッチMO3FETQ3
1を介して出力端子vOから順次出力される。このよう
な出力動作のために、行選択線をハイレベルにするため
に端子PGは、水平走査期間に入ると再びハイレベルに
される。
Then, when entering the horizontal scanning period, the column (horizontal) selection pulses H1 and H2 formed by the horizontal scanning circuit are sequentially set to high level and apply operating voltage to the drains of the amplifying MO3FETs Q3, Q7, etc., so that the amplifying MO3FETs Q3, . Q7
A voltage signal corresponding to the signal charge transmitted to the gate of
1 from the output terminal vO. For such an output operation, in order to set the row selection line at high level, the terminal PG is set at high level again when the horizontal scanning period begins.

なお、上記の第1行のフォトダイオードの信号電荷の転
送動作のときには、他の行選択線が非選択になっている
ため、スイッチMOSFETQIに対応するスイッチM
O3FETがオフ状態である。それ故、端子TR1,T
R2から供給されるタイミングパルスを全ての画素セル
における電荷移送素子やスイッチMO3FETに供給し
ても、信号電荷の転送動作は行われない。すなわち、上
記の水平ブランキング期間においては、次に出力される
行におけるフォトダイオードの信号電荷の転送のみが行
われるものとなる。
Note that during the above-mentioned transfer operation of the signal charge of the photodiode in the first row, since the other row selection lines are unselected, the switch M corresponding to the switch MOSFETQI
O3FET is off. Therefore, terminals TR1, T
Even if the timing pulse supplied from R2 is supplied to the charge transfer elements and switch MO3FETs in all pixel cells, no signal charge transfer operation is performed. That is, during the horizontal blanking period, only the signal charges of the photodiodes in the next output row are transferred.

なお、垂直走査回路による行選択信号の切り換えは、タ
イミングパルスRGとPGの間で行われるものである。
Note that switching of the row selection signal by the vertical scanning circuit is performed between timing pulses RG and PG.

光電変換部での信号電荷を直接、増幅MO3FETによ
り信号電圧に変換する従来の増幅方式では、前述のよう
に発生する信号電圧は画素の開口率にあまり依存しない
、これは光電変換部の大きさが減少し、発生する光電子
が少なくなっても、光電変換部の大きさの減少に伴う容
量値の減少により前記式(1) V 19 = Q s
g/ Cにより信号電圧が決まるためである。そこで、
この実施例では、光電変換部に発生した光電子(信号電
荷)を電荷移送素子により、光電変換部と電気的に分離
された増幅素子の入力容量に転送し、ここで信号電荷か
ら信号電圧に変換するものである。それ故、光電変換部
の容量値と、増幅部の容量値との容量比に逆比例して、
言い換えるならば、光電変換部の容量C1に対して増幅
部の容量C2を小さく形成して、上記信号電荷Q□を転
送することにより、C1/C2に比例して信号電圧の増
幅作用を行わせるものである。この構成では、光電変換
部の開口率を大きくすることにより、それに比例して信
号電荷Q、が多くなるのに対して、増幅部の容量C2の
容量値が一定にできるから上記開口率に比例して大きな
信号電圧を得ることができる。
In the conventional amplification method, in which the signal charge in the photoelectric conversion section is directly converted into a signal voltage by an amplifying MO3FET, the generated signal voltage does not depend much on the aperture ratio of the pixel, as described above, and this is due to the size of the photoelectric conversion section. Even if the number of generated photoelectrons decreases, the capacitance value decreases due to the decrease in the size of the photoelectric conversion section, so that the above formula (1) V 19 = Q s
This is because the signal voltage is determined by g/C. Therefore,
In this example, photoelectrons (signal charges) generated in the photoelectric conversion section are transferred by a charge transfer element to the input capacitor of an amplification element that is electrically separated from the photoelectric conversion section, where the signal charges are converted into a signal voltage. It is something to do. Therefore, inversely proportional to the capacitance ratio between the capacitance value of the photoelectric conversion section and the capacitance value of the amplification section,
In other words, by forming the capacitance C2 of the amplification section smaller than the capacitance C1 of the photoelectric conversion section and transferring the signal charge Q□, the signal voltage is amplified in proportion to C1/C2. It is something. In this configuration, by increasing the aperture ratio of the photoelectric conversion section, the signal charge Q increases proportionally, whereas the capacitance value of the capacitor C2 of the amplification section can be kept constant, so it is proportional to the aperture ratio. can obtain a large signal voltage.

上記のように開口率を大きくしつつ、多画素化を図るた
めに、上記第1図に示した画素増幅型固体撮像素子は、
光電変換部と信号増幅及び読み出し回路とを二階性構造
、あるいは三次元構造にした場合に通したものとなる。
In order to increase the aperture ratio and increase the number of pixels as described above, the pixel amplification type solid-state image sensor shown in FIG.
This is achieved when the photoelectric conversion section and the signal amplification and readout circuit are formed into a two-dimensional structure or a three-dimensional structure.

上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りであ
る。すなわち、 (1)フォトダイオードにより形成された信号電荷を電
圧信号に変換する増幅素子のゲートに、電荷転送素子を
通して信号電荷を供給することにより、フォトダイオー
ドの容量と増幅素子のゲート容量比に従って信号電圧の
増幅が可能になり、フォトダイオードの面積の増大に伴
い感度向上が図られるという効果が得られる。
The effects obtained from the above examples are as follows. That is, (1) By supplying signal charge through a charge transfer element to the gate of an amplification element that converts signal charge formed by a photodiode into a voltage signal, a signal is generated according to the ratio of the capacitance of the photodiode to the gate capacitance of the amplification element. It is possible to amplify the voltage, and as the area of the photodiode increases, the effect of improving sensitivity can be obtained.

(2)フォトダイオード等からなる光電変換部と信号電
荷の読み出し系の回路とを二階建あるいは三次元構造す
ることにより、光電変換部の開口率を最大の100%に
することができ、それに伴い極めて高い感度を持つ固体
撮像素子を得ることができるという効果が得られる。
(2) The aperture ratio of the photoelectric conversion section can be maximized to 100% by forming a two-story or three-dimensional structure of the photoelectric conversion section consisting of a photodiode, etc., and the signal charge readout circuit. The effect is that a solid-state imaging device with extremely high sensitivity can be obtained.

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。例えば、第1図の実施例
回路において、行選択線を2つにして、信号転送用の行
選択線と、信号読み用の行選択線とを設けて、画素セル
のスイッチMO3FETQI、Q5等と読み出しスイッ
チMO5FETQ31とをそれぞれ独自に動作させるも
のであってもよい。また、増幅MOSFETQ3のソー
ス出力は、キャパシタを通して出力せるようにするもの
であってもよい。すなわち、増幅MO3FETQ3等の
ソース出力電圧によりキャパシタを充電し、増幅MOS
 F ETQ 3のゲート容量にプリチャージ電圧を供
給したとき、上記充電経路を通してプリチャージ電位に
対応した増幅出力をキャパシタに伝えるとともに、キャ
パシタに上記出力信号を充電したときの接地電位側の電
極をフローティングにして、上記充電された出力電圧か
らプリチャージ電圧を差し引いて形成された信号電圧の
みを出力させるようにするものであってもよい。
Although the invention made by the present inventor has been specifically explained above based on Examples, it goes without saying that the present invention is not limited to the above Examples and can be modified in various ways without departing from the gist thereof. Nor. For example, in the embodiment circuit shown in FIG. 1, two row selection lines are provided, one for signal transfer and one for signal reading, and the switches MO3FETQI, Q5, etc. of pixel cells are connected. The readout switch MO5FETQ31 may be operated independently. Further, the source output of the amplification MOSFET Q3 may be outputted through a capacitor. That is, the capacitor is charged by the source output voltage of the amplification MO3FETQ3, etc., and the amplification MOS
When a precharge voltage is supplied to the gate capacitance of FETQ 3, the amplified output corresponding to the precharge potential is transmitted to the capacitor through the above charging path, and the electrode on the ground potential side is floated when the capacitor is charged with the above output signal. Then, only the signal voltage formed by subtracting the precharge voltage from the charged output voltage may be output.

感度設定用の垂直シフトレジスタを設けて、第1の行選
択線を前記垂直シフトレジスタVSRの選択動作に先行
させて選択状態にしてフォトダイオードの信号電荷を転
送して掃き出させるようにするものであってもよい。こ
れにより、上記両垂直シフトレジスタの垂直走査時間差
がフォトダイオードの蓄積時間となり、上記感度設定用
の垂直シフトレジスタの走査タイミングを変更すること
により、フォトダイオードの蓄積時間を可変にすること
ができる。
A vertical shift register for sensitivity setting is provided, and the first row selection line is brought into a selected state prior to the selection operation of the vertical shift register VSR, and the signal charge of the photodiode is transferred and swept out. It may be. Thereby, the vertical scanning time difference between the two vertical shift registers becomes the photodiode accumulation time, and by changing the scanning timing of the sensitivity setting vertical shift register, the photodiode accumulation time can be made variable.

この発明は、増幅機能を持つ固体撮像素子として広く利
用できるものである。
The present invention can be widely used as a solid-state imaging device having an amplification function.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。すなわち、フォトダイオードにより形成された信号電
荷を電圧信号に変換する増幅素子のゲートに、電荷転送
素子を通して信号電荷を供給することにより、フォトダ
イオードの容量と増幅素子のゲート容量比に従って信号
電圧の増幅が可能になり、フォトダイオードの面積の増
大に伴い感度向上が図られる。
A brief explanation of the effects obtained by typical inventions disclosed in this application is as follows. In other words, by supplying signal charge through a charge transfer element to the gate of an amplification element that converts signal charge formed by a photodiode into a voltage signal, the signal voltage is amplified according to the ratio of the capacitance of the photodiode to the gate capacitance of the amplification element. This makes it possible to improve sensitivity as the area of the photodiode increases.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明が適用された画素増幅型固体撮像素
子の一実施例を示す要部回路図、第2図は、その読み出
し動作を説明するためのタイミング図である。 第 図
FIG. 1 is a main circuit diagram showing an embodiment of a pixel amplification type solid-state image pickup device to which the present invention is applied, and FIG. 2 is a timing chart for explaining the readout operation thereof. Diagram

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、フォトダイオードにより形成された信号電荷を転送
する電荷転送素子と、上記電荷転送素子を通して供給さ
れた信号電荷がゲートに供給された増幅素子とを含む画
素セルを備えてなることを特徴とする画素増幅型固体撮
像素子。 2、上記電荷転送素子の両側にはスイッチ素子が設けら
れ、上記増幅素子のゲートには信号電荷をリセットさせ
るスイッチ素子が設けられるものであることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の画素増幅型固体撮像素子
[Claims] 1. A pixel cell including a charge transfer element that transfers signal charges formed by a photodiode, and an amplification element whose gate is supplied with the signal charges supplied through the charge transfer element. A pixel amplification type solid-state image sensor characterized by: 2. A switch element is provided on both sides of the charge transfer element, and a switch element for resetting the signal charge is provided at the gate of the amplification element. Pixel amplification type solid-state image sensor.
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