JPH03278777A - Solid-state image pickup element - Google Patents

Solid-state image pickup element

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Publication number
JPH03278777A
JPH03278777A JP2079624A JP7962490A JPH03278777A JP H03278777 A JPH03278777 A JP H03278777A JP 2079624 A JP2079624 A JP 2079624A JP 7962490 A JP7962490 A JP 7962490A JP H03278777 A JPH03278777 A JP H03278777A
Authority
JP
Japan
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charge
ccd
gate electrode
horizontal transfer
solid
Prior art date
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Pending
Application number
JP2079624A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masafumi Ueno
雅史 上野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve the S/W by transferring a signal charge from a vertical transfer CCD to a horizontal transmission CCD, applying plural pulses to a multiple gate electrode and transferring the charge to an output circuit. CONSTITUTION:A multiple gate electrode 7 is provided to a side wall of a horizontal transfer CCD 4 for each stage of the horizontal transfer CCD, the gate electrodes 7 are connected in common to a clock input terminal 8 and a signal charge is subject to avalanche multiplication between each multiple gate electrode 7 and the electrode of the horizontal transfer CCD 4. Thus, even when a photodiode area of a photodetector section is reduced, the signal output is not decreased and high S/W is ensured.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数個の信号電荷を並列に受け、その信号電
荷を直列に転送する電荷結合素子(以下CODと略称す
る)を備えた固体撮像装置に関し、特に信号電荷を内部
で増倍する機能をもつCCD形固体撮偉装置に関するも
のである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a solid-state device equipped with a charge-coupled device (hereinafter abbreviated as COD) that receives a plurality of signal charges in parallel and transfers the signal charges in series. The present invention relates to an imaging device, and particularly to a CCD type solid-state imaging device having a function of internally multiplying signal charges.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来のCCD形固体撮像装置の一例を第4図に示して説
明する。
An example of a conventional CCD type solid-state imaging device is shown in FIG. 4 and will be described.

第4図は3×3画素のインターライン転送型の固体撮像
装置の概略構成を示すものであシ、図において、1は受
光エレメントとしてのフォトダイオードであシ、これは
3×3画素の受光部を構成している。また、2は各画素
のフォトダイオード1の信号電荷を制御する制御ゲート
、3はこれら制御ゲート2を通過する各フォトダイオー
ド1の信号電荷を受けて直列に711次転送するための
垂直転送用CCD、 4はこの各CCD 3からの信号
電荷を並列に受け、その信号電極を直列に順次転送する
ための水平転送用CCD、 5はこのCCD 4の終段
においてその信号電荷を出力する出力回路、6は出力端
子である。
Figure 4 shows a schematic configuration of a 3 x 3 pixel interline transfer type solid-state imaging device. In the figure, 1 is a photodiode as a light receiving element; It makes up the department. Further, 2 is a control gate that controls the signal charge of the photodiode 1 of each pixel, and 3 is a vertical transfer CCD that receives the signal charge of each photodiode 1 that passes through these control gates 2 and transfers it 711 times in series. , 4 is a horizontal transfer CCD that receives signal charges from each CCD 3 in parallel and sequentially transfers the signal electrodes in series; 5 is an output circuit that outputs the signal charges at the final stage of CCD 4; 6 is an output terminal.

ここで、撮像する光が受光部のフォトダイオード1に入
射すると、一定期間、光の強弱に応じた信号電荷が各々
のフォトダイオード1に蓄積される。そして、この期間
後、制御ゲート2が一斉に開状態となシ、各フォトレジ
スタ1の信号電荷は垂直転送用CCD 3に転送される
。このため、各垂直転送用CCD3に転送された信号電
荷は、1行毎に水平転送用CCD 4に順次転送される
。これにより、このCCD 4に転送された電荷は、次
の行の信号電荷が水平転送用CODに移されるまでに、
出力回路5に転送されることによシ、その信号電荷を映
像信号として出力端子6から取シ出すものとなっている
Here, when light for imaging is incident on the photodiodes 1 of the light receiving section, signal charges corresponding to the intensity of the light are accumulated in each photodiode 1 for a certain period of time. After this period, the control gates 2 are all opened and the signal charges in each photoresistor 1 are transferred to the vertical transfer CCD 3. Therefore, the signal charges transferred to each vertical transfer CCD 3 are sequentially transferred to the horizontal transfer CCD 4 row by row. As a result, the charges transferred to this CCD 4 are transferred to the horizontal transfer COD until the signal charges of the next row are transferred to the horizontal transfer COD.
By being transferred to the output circuit 5, the signal charge is taken out from the output terminal 6 as a video signal.

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

従来の固体撮像装置は、以上のように構成されているの
で、出力端子からは、受光部のフォトダイオードに蓄積
された信号電荷以上の出力は取)出せない。即ち、装置
の小型化あるいは画素数の増大にともなって、フォトダ
イオードの大きさは必然的に小さくなり、信号出力も減
少し、S/Nが劣化する問題点があった。
Since the conventional solid-state imaging device is configured as described above, it is not possible to output an output greater than the signal charge accumulated in the photodiode of the light receiving section from the output terminal. That is, as the device becomes smaller or the number of pixels increases, the size of the photodiode inevitably becomes smaller, the signal output also decreases, and the S/N ratio deteriorates.

本発明は上記のような問題点全解消する之めKなされた
もので、受光部のフォトダイオードから得られる信号を
内部で増幅することによシ、Sハを向上させたCCD形
の固体撮像装置を得ることを目的としている。
The present invention was made with the aim of solving all of the above-mentioned problems, and is a CCD-type solid-state imaging device that improves S by internally amplifying the signal obtained from the photodiode of the light receiving section. The purpose is to obtain equipment.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明に係る固体撮像装置は、水平転送用CODの側壁
に増倍用ゲート電極を設け、垂直転送用CCDから水平
転送用CCpに信号電荷を転送したのち、前記増倍用ゲ
ート電極に複数個のパルスを加え、その後に水平転送用
CODの信号電荷を出力回路に向かって転送させるよう
にしたものである。
In the solid-state imaging device according to the present invention, a multiplication gate electrode is provided on the side wall of a horizontal transfer COD, and after signal charges are transferred from a vertical transfer CCD to a horizontal transfer CCp, a plurality of multiplication gate electrodes are provided on the multiplication gate electrode. pulse is applied, and then the signal charge of the horizontal transfer COD is transferred toward the output circuit.

〔作用〕[Effect]

本発明においては、水平転送用CCDの側壁に設けた増
倍用ゲート電極に印加されるパルスにより、このゲート
電極と水平転送用CODを構成する電極との間で高電界
が生じ、電荷がアバランシェ増倍されて信号電荷が増幅
される。
In the present invention, a pulse applied to the multiplication gate electrode provided on the side wall of the horizontal transfer CCD generates a high electric field between this gate electrode and the electrodes constituting the horizontal transfer COD, and charges are avalanche. The signal charges are multiplied and amplified.

ここで、CCD内でのアバランシェ増倍は、J、W。Here, avalanche multiplication within the CCD is J, W.

Slotboomらによ#)IEDM87にrsURF
AcE IMPACT l0NIZATION IN 
5ILICON DEVICESJとして報告されてい
る。原理は以下のようである。
Slotboom et al. #) rsURF to IEDM87
AcE IMPACT 10NIZATION IN
Reported as 5ILICON DEVICESJ. The principle is as follows.

すなわち、電極間に高いクロック電圧を印加すると、短
い電極間距離内に形成される高電界により電荷がアバラ
ンシェ増倍される。この増倍係数Mは次式で示される。
That is, when a high clock voltage is applied between the electrodes, the charge is multiplied by avalanche due to the high electric field formed within the short distance between the electrodes. This multiplication coefficient M is expressed by the following equation.

M=@xp(anlld)           (1
)dは上記の高電界が印加される距離であシ、αユは電
子のイオン化率であシ、J、 W、 Slotboom
らによると、表面チャネル形CODで次式で示される実
験式が得られている。
M=@xp(anlld) (1
) d is the distance at which the above high electric field is applied, α is the electron ionization rate, J, W, Slotboom
According to et al., the following empirical formula has been obtained for surface channel type COD.

αH==2.45x 10’Xexp(−1,92xl
O’/E)(cm−”:](2) ここに、Eは前記の電界強度である。仮夛にαゎとして
、4000を得るには(2)式よ#)Eは約3 X 1
05マ/am程度必要になる。この値は15Vのポテン
シャル差が電極間距離0.5μmに印加される場合に相
当し、表面チャネル形CODであれば、充分実現可能な
値である。さて、α。を4000cm−”、dを0゜5
μmとした時、(1)弐によシ増倍係数Mは約1.22
になる。従って、との増倍操作を5回〈シ返せば、電荷
は1.225=2.7倍に増倍される。
αH==2.45x 10'Xexp(-1,92xl
O'/E) (cm-":] (2) Here, E is the electric field strength mentioned above. To obtain 4000, use formula (2) to obtain 4000. E is approximately 3 1
Approximately 0.5 m/am is required. This value corresponds to the case where a potential difference of 15 V is applied to an inter-electrode distance of 0.5 μm, and is a value that is fully achievable with a surface channel type COD. Now, α. 4000cm-”, d 0゜5
When μm, (1) the multiplication coefficient M is approximately 1.22
become. Therefore, if the multiplication operation is repeated five times, the charge will be multiplied by 1.225=2.7 times.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例による固体撮像装置の概略構
成図であ)、この例でFi3X3画素イン画素インター
ライン転送機像装置について示している。第1図におい
て第4図の従来例のものと異なる点は、水平転送用CC
D 4の@壁に増倍用ゲート電極7を該水平転送用CO
Dの1段毎に設け、それらゲート電極7を共通にしてク
ロック入力端子8に接続し、その入力端子8よシ所定電
圧のクロックパルスを入力することにより、各増倍用ゲ
ート電極7と水平転送用CCD 4の電極との間で信号
電荷を7バランシ工増倍させるようにしたことである。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, and this example shows a Fi3×3 pixel-in-pixel interline transfer imaging device. The difference in Fig. 1 from the conventional example shown in Fig. 4 is that the horizontal transfer CC
Connect the multiplication gate electrode 7 to the wall of D4 and the horizontal transfer CO
D, and by connecting the gate electrodes 7 in common to a clock input terminal 8 and inputting a clock pulse of a predetermined voltage through the input terminal 8, it is possible to connect the gate electrodes 7 horizontally to each multiplication gate electrode 7. The signal charge is multiplied by 7 balances between the electrodes of the transfer CCD 4.

なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts.

第2図(纂)及び(b)はそれぞれ第1図のA−B間の
断面構造と1位置に対応したポテンシャル分布を示した
ものであり、ハツチング部は信号電荷Qを示している。
FIGS. 2(a) and 2(b) respectively show the cross-sectional structure along the line A-B in FIG. 1 and the potential distribution corresponding to one position, and the hatched portion indicates the signal charge Q.

第2図において、9は例えばP形半導体基板、10は熱
酸化によ多形成された5i02からなるゲート酸化膜、
11はチャネルストップ領域であシ、31は垂直転送用
CCD 3を構成するゲート電極のうち最も水平転送用
CCD側の電極、41Fi水平転送用CCD i構成す
るゲート電極である。
In FIG. 2, 9 is a P-type semiconductor substrate, 10 is a gate oxide film made of 5i02 formed by thermal oxidation,
11 is a channel stop region, 31 is an electrode closest to the horizontal transfer CCD among the gate electrodes forming the vertical transfer CCD 3, and 41Fi is a gate electrode forming the horizontal transfer CCD i.

また、第3図は第1図に示した・固体撮像装置を駆動す
るためのクロックパルスの一部を示したものである。第
3図(、)に示すφTは制御ゲート2に印加するパルス
、同じく(b)に示すφVは垂直転送用CCD 3のゲ
ート電極31に印加するパルス、同じ<(c)に示すφ
Hは水平転送用CCD 4の電極41に印加するパルス
、同じ<(d)に示すφMは増倍用ゲート電極7に印加
するパルスである。図中1vは1フレ一ム期間、IHは
1水平走査期間、THBは水平帰線期間、THEは有効
水平走査期間をそれぞれ示している。なお、第2図(b
)のポテンシャル分布は、第3図においてパルスφMが
印加されている期間について示したものであり、実線e
はφMのパルスがrHJ状態のとき、破線fはrLJ状
態のときを示している。
Further, FIG. 3 shows a part of the clock pulses for driving the solid-state imaging device shown in FIG. 1. φT shown in FIG. 3(,) is a pulse applied to the control gate 2, and φV shown in FIG. 3(b) is a pulse applied to the gate electrode 31 of the vertical transfer CCD 3.
H is a pulse applied to the electrode 41 of the horizontal transfer CCD 4, and φM shown in (d) is a pulse applied to the multiplication gate electrode 7. In the figure, 1v represents one frame period, IH represents one horizontal scanning period, THB represents a horizontal retrace period, and THE represents an effective horizontal scanning period. In addition, Fig. 2 (b
) is shown for the period during which the pulse φM is applied in FIG. 3, and the solid line e
shows when the φM pulse is in the rHJ state, and the broken line f shows when it is in the rLJ state.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

第3図において、1v期間毎に印加される第3図(&)
に示すパルスφ丁により制御ゲート2が開くと、受光部
の各フォトダイオード1に蓄積された信号電荷は一斉に
垂直転送用CCD 3に転送される。
In Fig. 3, Fig. 3 (&) applied every 1v period.
When the control gate 2 is opened by the pulse .phi. shown in FIG. 2, the signal charges accumulated in each photodiode 1 of the light receiving section are transferred all at once to the vertical transfer CCD 3.

そして、とのCCD 3に移された電荷は、IH毎の水
平ブランキング期間に印加されるφH及びφVのパルス
第3図(b) 、 (C)によシ、1行毎に水平転送用
CCD 4のゲート電極41下に電荷が順次転送される
。この状態で、増倍用ゲート電極7に印加される第3図
(d)のパルスφM(φMl〜φM5)により、第2図
(b)のポテンシャル分布に示すように、電荷は水平転
送用CCD4のゲート電極41と増倍用ゲートT下を行
き来する。この時、増倍用ゲート電極7に印加するパル
スφMは、上述したようなアバランシェ増倍を起こさせ
るに充分な振幅をもたせると、電荷は第2図の距離dに
生じる高電界によりアバランシェ増倍される。これによ
シ、信号電荷は増幅されたことになる。そして、φMの
パルス印加が終了すると、水平転送用CCD4の転送電
荷に印加されるクロックφH(第3図(C))により、
増幅された電荷は出力回路5よシ出力され、映像信号と
して出力端子6から取シ出すことができる。
The charges transferred to the CCD 3 are then transferred to the φH and φV pulses applied during the horizontal blanking period for each IH, as shown in Figures 3(b) and 3(c), for horizontal transfer for each row. Charges are sequentially transferred under the gate electrode 41 of the CCD 4. In this state, the pulse φM (φMl to φM5) in FIG. 3(d) applied to the multiplication gate electrode 7 causes the charge to be transferred to the horizontal transfer CCD 4 as shown in the potential distribution in FIG. 2(b). It moves back and forth under the gate electrode 41 and the multiplication gate T. At this time, if the pulse φM applied to the multiplication gate electrode 7 has a sufficient amplitude to cause avalanche multiplication as described above, the charge will be avalanche multiplied by the high electric field generated at distance d in FIG. be done. As a result, the signal charge is amplified. When the pulse application of φM is completed, the clock φH (FIG. 3(C)) applied to the transfer charge of the horizontal transfer CCD 4 causes
The amplified charges are output from the output circuit 5 and can be taken out from the output terminal 6 as a video signal.

なお、上記実施例ではインターライ/転送形の固体撮像
装置について示したが、本発明は、水平転送用CCDに
付加する電極により電荷増倍を行うので、垂直転送用C
CD部が他の構成をとってもよい。例えば、フレーム転
送形、あるいはフレームインターライン転送形固体撮偉
装置にも適用可能である。
In the above embodiment, an interline/transfer type solid-state imaging device has been described, but the present invention performs charge multiplication by an electrode added to a horizontal transfer CCD.
The CD section may have other configurations. For example, it is also applicable to frame transfer type or frame interline transfer type solid-state imaging devices.

また、1次元に並んだフォトダイオードを制御ゲートを
介して水平転送用CCDに接続した、いわゆるリニア固
体撮像装置にも適用可能である。
It is also applicable to a so-called linear solid-state imaging device in which photodiodes arranged one-dimensionally are connected to a horizontal transfer CCD via a control gate.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、本発明の固体撮像装置によれば、水平転
送用CODの側壁に電荷増倍用ゲート電極を設け、これ
に加えるクロックパルスによシ水平転送用CCDの電極
と増倍用ゲート電極の間に高電界を生じせしめ、電荷を
アバランシェ増倍させるように構成したので、素子の小
型化、あるいは多画素化によシ受光部のフォトダイオー
ド面積が減少しても信号出力が減少せず、高いS/N比
を確保することかできる効果がある。
As described above, according to the solid-state imaging device of the present invention, a charge multiplication gate electrode is provided on the side wall of the horizontal transfer COD, and a clock pulse applied to the charge multiplication gate electrode is connected to the horizontal transfer CCD electrode and the multiplication gate. Since the structure is configured to generate a high electric field between the electrodes and avalanche multiply the charge, the signal output will not decrease even if the area of the photodiode in the light receiving section decreases due to miniaturization of the device or increase in the number of pixels. First, it has the effect of ensuring a high S/N ratio.

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

第1図は本発明の一実施例による3×3画素インターラ
イン転送方式の固体撮像装置を示す概略構成図、第2図
(畠)及び(b)は第1図A−B部の断面構造及びその
位置に対応したポテンシャル分布を示す図、第3図は第
1図実施例の動作説明に供する駆動用クロックパルスの
一部を示す図、第4図は従来例による3×3画素インタ
ーライン転送方式の固体撮像装置を示す概略構成図であ
る。 1・・ll11フオトダイオード、2・・−・制御ゲー
ト、3・・・φ垂直転送用CCD、4・・醗・水平転送
用COD、5・・・・出力回路、7會・・φ増倍用ゲー
ト電極、41・・・・水平転送用CCDを構成する電極
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device using a 3×3 pixel interline transfer method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 (Hata) and (b) are cross-sectional structures taken along A-B in FIG. 3 is a diagram showing a part of the driving clock pulse used to explain the operation of the embodiment in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing a 3×3 pixel interline according to the conventional example. 1 is a schematic configuration diagram showing a transfer type solid-state imaging device. 1...ll11 photodiode, 2...control gate, 3...CCD for φ vertical transfer, 4...COD for horizontal transfer, 5...output circuit, 7...φ multiplication gate electrode for horizontal transfer, 41... Electrode constituting the CCD for horizontal transfer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  複数個の信号電荷を並列に受け、その信号電荷を直列
に転送する電荷結合素子を備えた固体撮像装置において
、前記電荷結合素子の側壁に増倍用ゲート電極を設け、
信号電荷をその電荷結合素子に入力したのち、前記ゲー
ト電極にクロツクパルスを印加して、該電荷結合素子を
構成する電極と前記ゲート電極の間で電荷をアバランシ
エ増倍させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置
In a solid-state imaging device equipped with a charge-coupled device that receives a plurality of signal charges in parallel and transfers the signal charges in series, a multiplication gate electrode is provided on a side wall of the charge-coupled device,
After inputting a signal charge to the charge-coupled device, a clock pulse is applied to the gate electrode to avalanche multiply the charge between the electrodes constituting the charge-coupled device and the gate electrode. solid-state imaging device.
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