JPH0595101A - Semiconductor photoelectric conversion device - Google Patents
Semiconductor photoelectric conversion deviceInfo
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- JPH0595101A JPH0595101A JP3191630A JP19163091A JPH0595101A JP H0595101 A JPH0595101 A JP H0595101A JP 3191630 A JP3191630 A JP 3191630A JP 19163091 A JP19163091 A JP 19163091A JP H0595101 A JPH0595101 A JP H0595101A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体光電変換装置に
関し、特に入射光によって発生した電荷が蓄積領域にど
の程度蓄積されたかを検出することのできる半導体光電
変換装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor photoelectric conversion device, and more particularly to a semiconductor photoelectric conversion device capable of detecting how much charge generated by incident light is accumulated in an accumulation region.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体にバンドギャップ以上の光子エネ
ルギを有する光が入射すると、光は吸収されて電子・正
孔対が発生する。半導体中に電位勾配を形成しておく
と、電子と正孔は逆方向に加速されるので、光励起され
た電荷を集め、蓄積することが可能となる。2. Description of the Related Art When light having a photon energy larger than the band gap is incident on a semiconductor, the light is absorbed and electron-hole pairs are generated. When a potential gradient is formed in the semiconductor, electrons and holes are accelerated in opposite directions, so that photoexcited charges can be collected and accumulated.
【0003】半導体基板表面に複数のホトダイオードや
CCD(MOSキャパシタを含む)のホトセルを配列し
てイメージセンサ(ラインセンサを含む)を形成するこ
とができる。各ホトセルに入射する光量に応じて電荷が
蓄積され、イメージ信号を形成する。An image sensor (including line sensor) can be formed by arranging a plurality of photodiodes or CCD (including MOS capacitor) photocells on the surface of a semiconductor substrate. Charges are accumulated according to the amount of light incident on each photocell to form an image signal.
【0004】良好なイメージ信号を得るためには、ホト
セルのダイナミックレンジを考慮する必要がある。各ホ
トセルは所定量以上の電荷は蓄積できないので、積分し
た入射光量が多くなりすぎると、蓄積電荷は飽和し、周
囲へのオーバフローが生じる。このような状態を続ける
と、たとえば画像は一様な白領域となり画像情報が失わ
れる。In order to obtain a good image signal, it is necessary to consider the dynamic range of the photocell. Since each photocell cannot store more than a predetermined amount of electric charge, if the integrated incident light amount becomes too large, the stored electric charge will be saturated and overflow to the surroundings will occur. If such a state is continued, for example, the image becomes a uniform white area and the image information is lost.
【0005】蓄積電荷が少な過ぎると信号レベルが低
く、したがってS/N比が小さくなり、また精度が低下
する。そこで、画像情報としてどの程度の電荷を蓄積し
ているかを検出することが望まれる。If the stored charge is too small, the signal level will be low, and therefore the S / N ratio will be small and the accuracy will be low. Therefore, it is desired to detect how much charge is accumulated as image information.
【0006】図7に、従来の技術による自動焦点検出
(オートフォーカス)装置の構成例を示す。この自動焦
点検出装置は、離して配置した2つのラインセンサから
同一被写体を観察し、被写体を見る角度から3角測量の
原理により、被写体までの距離を割り出す。FIG. 7 shows a configuration example of an automatic focus detection (autofocus) device according to a conventional technique. This automatic focus detection device observes the same subject from two line sensors arranged apart from each other, and calculates the distance to the subject from the angle at which the subject is viewed, based on the principle of triangulation.
【0007】図7(A)は、ラインセンサ用レンズ以後
の構成例を概略的に示す。基準ラインセンサ55、参照
ラインセンサ56は、それぞれ基線長離された距離測定
用レンズ53、54に光軸を合わせて配置されている。FIG. 7A schematically shows an example of the structure after the line sensor lens. The standard line sensor 55 and the reference line sensor 56 are arranged with their optical axes aligned with the distance measuring lenses 53 and 54, respectively, which are separated by the base line length.
【0008】被写体が無限遠にある場合は、距離測定用
レンズ53、54は、その被写体を基準ラインセンサ5
5、参照ラインセンサ56のそれぞれ光軸上の領域に結
像する。被写体がカメラに近付いてくると、被写体から
距離測定用レンズ53、54に入射する光は、図中上下
に傾くように変化する。When the subject is at infinity, the distance measuring lenses 53 and 54 refer to the subject as the reference line sensor 5.
5, images are formed on the optical axis regions of the reference line sensor 56. When the subject approaches the camera, the light incident on the distance measuring lenses 53 and 54 from the subject changes so as to incline vertically.
【0009】すなわち、被写体がカメラに近付くにした
がって、基準ラインセンサ55、参照ラインセンサ56
上に結像される画像は次第に離れる。基準ラインセンサ
55上の画像と、参照ラインセンサ56上の画像とがど
の程度離れているかを検出することにより、3角測量の
原理によりカメラから被写体までの距離を測定すること
ができる。この画像間の距離検出に位相差検出の手法が
用いられている。That is, as the subject approaches the camera, the standard line sensor 55 and the reference line sensor 56.
The images formed on top of one another gradually separate. By detecting the distance between the image on the reference line sensor 55 and the image on the reference line sensor 56, the distance from the camera to the object can be measured by the principle of triangulation. A phase difference detection method is used to detect the distance between the images.
【0010】すなわち、参照ラインセンサ55の各画素
からは、固定位相で画像信号B(k)を読み出し、参照
ラインセンサ56からは所定の位相差mを設定し、画像
信号R(k+m)を読み出す。もし、これらの画像が同
一のものであれば、B(k)−R(k+m)は0とな
る。画像読み出し領域をn画素とし、対応するn個の画
素から読みだした画像信号についてそれぞれこの演算を
行い、それらの和である相関度H(m)を求める。That is, the image signal B (k) is read out from each pixel of the reference line sensor 55 in a fixed phase, a predetermined phase difference m is set from the reference line sensor 56, and the image signal R (k + m) is read out. .. If these images are the same, B (k) -R (k + m) will be zero. The image reading area is set to n pixels, and this calculation is performed for each of the image signals read from the corresponding n pixels, and the correlation degree H (m) that is the sum of them is obtained.
【0011】 H(m)=Σ(k=1〜n)|B(k)−R(k+m)| …(1) ただし、Σ(k=1〜n)はkが1からnまでの関数の
和を表す。相関度H(m)は、位相mでの基準ラインセ
ンサ55上での画像と、参照ラインセンサ56上の画像
との一致の度合いを示す。H (m) = Σ (k = 1 to n) | B (k) −R (k + m) | (1) where Σ (k = 1 to n) is a function in which k is from 1 to n. Represents the sum of. The degree of correlation H (m) indicates the degree of coincidence between the image on the standard line sensor 55 and the image on the reference line sensor 56 at the phase m.
【0012】位相mを順次変化させ、それぞれの場合に
ついての相関度H(m)を求め、相関度曲線を描く。す
ると、相関度曲線が最小の値をとる位置が、基準ライン
センサ55上の画像と参照ラインセンサ56上の画像が
最も一致する位相である。この位相を検出することによ
り、カメラから被写体までの距離を測定することができ
る。The phase m is sequentially changed, the correlation H (m) for each case is obtained, and the correlation curve is drawn. Then, the position where the correlation curve has the minimum value is the phase at which the image on the standard line sensor 55 and the image on the reference line sensor 56 are most in agreement. By detecting this phase, the distance from the camera to the subject can be measured.
【0013】信号処理回路57は、ラインセンサからの
信号をアナログ量からデジタル量に変換するA/D変換
器59、デジタル変換された画像信号を記憶する一時記
憶装置であるRAM(Random Access Memory) 61を含
む。RAM61に記憶された画像信号を用いて、CPU
(Central Processing Unit )60で上述の相関度の演
算を行い、相関度最小の位相を検出する。The signal processing circuit 57 is an A / D converter 59 for converting a signal from the line sensor from an analog amount to a digital amount, and a RAM (Random Access Memory) which is a temporary storage device for storing the digitally converted image signal. Including 61. CPU using the image signal stored in the RAM 61
(Central Processing Unit) 60 performs the above-described calculation of the degree of correlation to detect the phase with the smallest degree of correlation.
【0014】図7(A)に示した焦点検出装置において
は、ホトセンサに蓄積された電荷をそのまま電荷−電圧
変換して検出信号を形成し、デジタル信号に変換後RA
M61に記憶してこの信号を読みだすことにより、演算
を行っている。In the focus detection device shown in FIG. 7A, the charge accumulated in the photosensor is directly converted into a voltage to form a detection signal, which is then converted into a digital signal and RA.
The calculation is performed by storing in M61 and reading out this signal.
【0015】本出願人は、光を照射することによって蓄
積した電荷を非破壊的に読み出し、アナログ量のまま直
接演算処理するラインセンサを提案した。The present applicant has proposed a line sensor that non-destructively reads out electric charges accumulated by irradiating light, and directly performs arithmetic processing with the analog amount as it is.
【0016】図7(B)は、このような光センサ部の構
成例を示す。光検出部分は、n- 型シリコン基板64の
表面に、p型ウェル66を形成し、その一部にn+ 型領
域68を形成してpn接合69を形成することによって
構成している。このpn接合69近傍に光が入射する
と、電子・正孔対が形成され、pn接合周辺の電位勾配
にしたがって、電子と正孔は分離され、電子は蓄積され
る。FIG. 7B shows a configuration example of such an optical sensor section. The photodetection portion is formed by forming a p-type well 66 on the surface of the n − -type silicon substrate 64, forming an n + -type region 68 in a part of the p-type well 66, and forming a pn junction 69. When light is incident on the vicinity of the pn junction 69, electron-hole pairs are formed, the electrons and holes are separated according to the potential gradient around the pn junction, and the electrons are accumulated.
【0017】図中pn接合69の左側に延在しているp
型ウェル66の上には、絶縁されたポリシリコンのゲー
ト電極71〜74、76が形成されている。ここで、ホ
トダイオードに隣接して、ゲート電極71を備えた障壁
部が形成されており、障壁部の隣には、ゲート電極72
を備えた蓄積部が形成されている。なお、図中破線は空
乏層を示す。In the figure, p extending to the left of the pn junction 69 is shown.
Insulated polysilicon gate electrodes 71 to 74 and 76 are formed on the mold well 66. Here, a barrier portion including a gate electrode 71 is formed adjacent to the photodiode, and a gate electrode 72 is formed next to the barrier portion.
Is formed. The broken line in the figure indicates the depletion layer.
【0018】受光部に入射された光に対応する電荷が発
生すると、pn接合69近傍から障壁部を介して蓄積部
に蓄積される。蓄積部は、トランスファゲート電極73
を介してゲート電極74を備えたシフトレジスタ部に連
続しており、シフトレジスタ部はバイアス印加用アルミ
ニウム電極75を上に備えたフローティングゲート電極
76下の領域に連続している。When a charge corresponding to the light incident on the light receiving portion is generated, it is stored in the storage portion from the vicinity of the pn junction 69 through the barrier portion. The storage portion is a transfer gate electrode 73.
Through the gate electrode 74, and the shift register portion is continuous with the region below the floating gate electrode 76 having the bias applying aluminum electrode 75 thereon.
【0019】また、ホトダイオードの右側にはオーバフ
ローゲート81を介してn+ 型領域のオーバフロードレ
イン82が形成されている。An overflow drain 82 in the n + type region is formed on the right side of the photodiode via an overflow gate 81.
【0020】すなわち、ホトダイオード部で入射した光
に応答して電子−正孔対が形成されると、キャリアは障
壁部を越えてゲート電極72下の蓄積部に蓄積され、さ
らにトランスファゲート電極73を越えてシフトレジス
タのゲート電極74下に転送される。That is, when an electron-hole pair is formed in response to light incident on the photodiode portion, carriers are accumulated in the accumulation portion below the gate electrode 72 beyond the barrier portion, and further transferred to the transfer gate electrode 73. It is transferred over and under the gate electrode 74 of the shift register.
【0021】シフトレジスタ部のゲート電極74下に蓄
積された電荷は、ゲート電極75の電圧に依存してフロ
ーティングゲート電極76下に転送される。フローティ
ングゲート電極76には、転送された電荷に対応する電
荷が誘起され、この電荷量によって入射光量が非破壊的
に読みだされる。The charges accumulated under the gate electrode 74 of the shift register section are transferred to the bottom of the floating gate electrode 76 depending on the voltage of the gate electrode 75. Electric charges corresponding to the transferred electric charges are induced in the floating gate electrode 76, and the incident light amount is read nondestructively by the electric charge amount.
【0022】図7(B)に示すような光センサを用いた
場合には、スイッチトキャパシタ積分回路を用いること
により電荷をアナログ量に保ったまま式(1)の演算を
行うことができる。When an optical sensor as shown in FIG. 7 (B) is used, the switched capacitor integration circuit can be used to perform the calculation of the equation (1) while keeping the charge at an analog amount.
【0023】なお、ホトダイオードに入射する光量が大
きくなると、ホトダイオードおよび蓄積部で電荷を蓄積
する能力が一杯となり、電荷がオーバフローゲート81
の下の電位障壁を越えてオーバフロードレイン82へ入
るようになる。オーバフロードレイン82へ電荷がオー
バフローすることを検出すると、電荷蓄積作業を終了さ
せる。When the amount of light incident on the photodiode becomes large, the photodiode and the storage section become full of the ability to store the charge, and the charge is overflow gate 81.
The potential of the overflow drain 82 is crossed over the lower potential barrier. When it is detected that the charge overflows into the overflow drain 82, the charge accumulation operation is terminated.
【0024】このようなホトダイオードからのオーバフ
ローの検出を行う回路の例を、図7(C)に示す。p型
領域66とn型領域82で構成されるダイオードは、図
7(B)に示すp型領域66とn型領域68が構成する
ホトダイオードからオーバフローする電子を、n型領域
82に蓄積する。An example of a circuit for detecting an overflow from such a photodiode is shown in FIG. 7 (C). The diode formed of the p-type region 66 and the n-type region 82 accumulates in the n-type region 82 electrons overflowing from the photodiode formed by the p-type region 66 and the n-type region 68 shown in FIG. 7B.
【0025】なお、p型領域66とn型68および82
はダイオードを構成すると見ることもできるが、オーバ
フローゲート81を介して接続されたFETのソースと
ドレインと見ることもできる。このため、n型領域82
にオーバフロードレインの名を付す。The p-type region 66 and the n-types 68 and 82
Can be viewed as a diode, but can also be viewed as the source and drain of an FET connected through the overflow gate 81. Therefore, the n-type region 82
Name the overflow drain.
【0026】オーバフロードレイン82は、オペアンプ
51の反転入力端子に接続される。また、オペアンプ5
1の非反転入力端子には参照電圧VOFDが印加され
る。オペアンプ51の出力端子と反転入力端子との間に
は、アナログスイッチ52とキャパシタンス53の並列
回路が接続される。The overflow drain 82 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 51. Also, operational amplifier 5
The reference voltage VOFD is applied to the non-inverting input terminal of No. 1. A parallel circuit of an analog switch 52 and a capacitance 53 is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 51.
【0027】ホトダイオードで電荷蓄積を開始する前
に、アナログスイッチ52は導通され、オペアンプ51
の反転入力端子および出力端子の電位はVOFDと同一
電位とされる。Before the charge accumulation is started in the photodiode, the analog switch 52 is turned on and the operational amplifier 51 is turned on.
The potentials of the inverting input terminal and the output terminal of are the same as VOFD.
【0028】電荷蓄積が開始されると同時に、アナログ
スイッチ52も非導通状態にされる。ホトダイオードに
電荷が蓄積され、オーバフローゲート下の電位障壁を通
って、オーバフロードレイン82に電子が流れてくる
と、この電子はキャパシタンス53に蓄えられる。オペ
アンプ51の出力端子の電位が変化することにより、オ
ペアンプ51の反転入力端子の電圧は非反転入力端子の
電圧VOFDと同一に保たれる。Simultaneously with the start of charge accumulation, the analog switch 52 is also turned off. When charges are accumulated in the photodiode and electrons flow into the overflow drain 82 through the potential barrier under the overflow gate, the electrons are accumulated in the capacitance 53. By changing the potential of the output terminal of the operational amplifier 51, the voltage of the inverting input terminal of the operational amplifier 51 is kept the same as the voltage VOFD of the non-inverting input terminal.
【0029】このようにして、オーバフロードレイン8
2に電子が蓄積されるにしたがって、オペアンプ51の
出力端子の電位は変化していく。このオペアンプ51の
出力端子の電位変化を検出することにより、オーバフロ
ー、したがって電荷蓄積領域の電荷蓄積状態を検出する
ことができる。In this way, the overflow drain 8
As electrons are accumulated in 2, the potential of the output terminal of the operational amplifier 51 changes. By detecting the potential change at the output terminal of the operational amplifier 51, it is possible to detect the overflow, and thus the charge storage state of the charge storage region.
【0030】オーバフローを検出したときは、電荷蓄積
作業を終了させ、たとえば図7(B)の構成において蓄
積部からシフトレジスタ部に電荷を転送し、フローティ
ングゲート電極から蓄積電荷に対応する信号を読み出
す。When an overflow is detected, the charge storage operation is terminated, the charge is transferred from the storage section to the shift register section in the configuration of FIG. 7B, and the signal corresponding to the stored charge is read from the floating gate electrode. ..
【0031】[0031]
【発明が解決しようとする課題】たとえば、上述の自動
焦点検出装置等においては、撮像領域全体での露光レベ
ルが高精度の焦点検出のために重要である。たとえば、
画像の一部のみに太陽光等の非常に明るい領域がある場
合、そのような明るい領域ではオーバフローが容易に発
生してしまう。For example, in the above-described automatic focus detection device and the like, the exposure level in the entire image pickup area is important for highly accurate focus detection. For example,
When only a part of the image has a very bright area such as sunlight, overflow easily occurs in such a bright area.
【0032】このようなオーバフローを検出し、電荷蓄
積を終了させると、肝心な対象物領域での画像情報は極
めて低レベルにしか蓄積されていないことになる。した
がって、画像領域全体で、平均としてどの程度の電荷が
蓄積されているか検出することが望まれる。When such overflow is detected and the charge accumulation is terminated, the image information in the important object region is accumulated at an extremely low level. Therefore, it is desired to detect how much charge is accumulated on average in the entire image region.
【0033】本発明の目的は、画像領域で入射光によっ
てどの程度の電荷が蓄積されているかを的確に検出する
ことのできる半導体光電変換装置を提供することであ
る。An object of the present invention is to provide a semiconductor photoelectric conversion device capable of accurately detecting how much charge is accumulated by incident light in an image area.
【0034】[0034]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体光電変換
装置は、入射した光に応じて電荷を発生するための光電
変換手段と、前記光電変換手段で発生した電荷を蓄積す
るための、周囲を電位障壁で囲むことのできる半導体電
荷蓄積領域と、前記半導体電荷蓄積領域と容量結合した
蓄積ゲート電極と、前記蓄積ゲート電極の電位を検出す
るための蓄積電位検出手段と、前記蓄積ゲート電極の電
位に基づき、前記半導体電荷蓄積領域に蓄積された電荷
を制御するための制御信号を発生するための手段とを含
む。SUMMARY OF THE INVENTION A semiconductor photoelectric conversion device of the present invention comprises a photoelectric conversion means for generating electric charges in response to incident light, and a surrounding area for accumulating the electric charges generated by the photoelectric conversion means. With a potential barrier, a storage gate electrode capacitively coupled to the semiconductor charge storage region, storage potential detection means for detecting the potential of the storage gate electrode, and the storage gate electrode Means for generating a control signal for controlling the charge stored in the semiconductor charge storage region based on the potential.
【0035】[0035]
【作用】光電変換手段は、入射光に応じて電荷を発生す
る。発生した電荷は半導体電荷蓄積領域に蓄積される。
蓄積ゲート電極は、半導体電荷蓄積領域と容量結合して
いるため、半導体電荷蓄積領域に電荷が蓄積されるにし
たがい、その電位を変化させる。The photoelectric conversion means generates electric charges according to incident light. The generated charges are stored in the semiconductor charge storage region.
Since the storage gate electrode is capacitively coupled to the semiconductor charge storage region, its potential is changed as the charges are stored in the semiconductor charge storage region.
【0036】蓄積ゲート電極の電位変化は、蓄積電位検
出手段によって検出され、所定量の変化が検出された時
は、制御信号発生手段から制御信号を発生させる。The potential change of the storage gate electrode is detected by the storage potential detecting means, and when a predetermined amount of change is detected, the control signal generating means generates a control signal.
【0037】たとえば、光電変換手段が複数の半導体光
電変換セルを含む場合、蓄積ゲート電極を共通に接続
し、その電位を検出することによって、画像領域全体と
しての平均的電荷蓄積状態を的確に検出することができ
る。For example, when the photoelectric conversion means includes a plurality of semiconductor photoelectric conversion cells, the storage gate electrodes are commonly connected and the potential thereof is detected to accurately detect the average charge storage state of the entire image region. can do.
【0038】[0038]
【実施例】図1に、本発明の実施例によるイメージセン
サを示す。図1(A)は、イメージセンサ回路を示し、
図1(B)はその蓄積電荷検出回路を示す。FIG. 1 shows an image sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows an image sensor circuit,
FIG. 1B shows the accumulated charge detection circuit.
【0039】図1(A)において、主制御回路1は、C
CD駆動回路2、AGCモニタ回路4、積分時間制御回
路5にそれぞれ制御信号を送出する。CCD駆動回路2
は、CCDイメージセンサ3の転送用CCDを制御する
位相信号Φ1〜Φ4を発生する。In FIG. 1A, the main control circuit 1 has a C
Control signals are sent to the CD drive circuit 2, the AGC monitor circuit 4, and the integration time control circuit 5, respectively. CCD drive circuit 2
Generates phase signals Φ1 to Φ4 for controlling the transfer CCD of the CCD image sensor 3.
【0040】CCDイメージセンサ3は、入射光を検出
するためのホトダイオード等の受光部、受光部に光が入
射した時、発生する電荷を蓄積するための蓄積部、蓄積
された電荷を転送するためのCCD転送部、CCDによ
って転送されてきた電荷を検出するためのフローティン
グゲート等を含む。The CCD image sensor 3 has a light receiving portion such as a photodiode for detecting incident light, an accumulating portion for accumulating charges generated when light is incident on the light receiving portion, and transferring the accumulated charges. And a floating gate for detecting charges transferred by the CCD.
【0041】また、CCDイメージセンサ3は、受光部
で検出した電荷が蓄積部にどの程度蓄積されたかを検出
する蓄積電荷検出機構を含み、蓄積電圧信号VSTをA
GCモニタ回路4に供給する。Further, the CCD image sensor 3 includes an accumulated charge detection mechanism for detecting how much the charge detected by the light receiving portion is accumulated in the accumulating portion, and the accumulated voltage signal VST
It is supplied to the GC monitor circuit 4.
【0042】AGCモニタ回路4は、主制御回路1から
供給される制御信号およびCCDイメージセンサから供
給される蓄積電圧信号VSTに基づき、CCDイメージ
センサにおいて入射光によって十分な強度の蓄積電荷が
発生したか否かを判断し、十分な蓄積電荷が発生したと
きは積分終了信号EOIを積分時間制御回路5に供給す
る。The AGC monitor circuit 4 generates accumulated charges of sufficient intensity by the incident light in the CCD image sensor based on the control signal supplied from the main control circuit 1 and the accumulated voltage signal VST supplied from the CCD image sensor. If sufficient accumulated charges are generated, the integration end signal EOI is supplied to the integration time control circuit 5.
【0043】積分時間制御回路5は、主制御回路1から
供給される制御信号、AGCモニタ回路4から供給され
る積分終了信号EOI等に基づき、CCDイメージセン
サ3を制御する種々の制御信号を発生する。The integration time control circuit 5 generates various control signals for controlling the CCD image sensor 3 based on the control signal supplied from the main control circuit 1, the integration end signal EOI supplied from the AGC monitor circuit 4, and the like. To do.
【0044】たとえば、積分開始時には主制御回路1か
らの制御信号に基づき、クリア信号CLGを発生し、蓄
積部とCCD転送部の不要電荷を排出した後、積分を開
始させる。積分中は、入射光によって発生する電荷を蓄
積するように制御する。For example, at the start of integration, a clear signal CLG is generated based on a control signal from the main control circuit 1 to discharge unnecessary charges from the storage section and CCD transfer section, and then start integration. During integration, control is performed so as to accumulate charges generated by incident light.
【0045】また、積分終了時には、AGCモニタ回路
からの積分終了信号EOIまたは、一定時間が経過した
時は主制御回路1からの制御信号により終了信号TGを
発生し、信号電荷を蓄積部からCCD転送部へ移送す
る。At the end of the integration, the integration end signal EOI from the AGC monitor circuit or the control signal from the main control circuit 1 generates the end signal TG when a certain time has elapsed, and the signal charge is stored in the CCD. Transfer to transfer unit.
【0046】図1(B)は、図1(A)の回路における
蓄積電荷検出回路の部分を拡大して示す。CCDイメー
ジセンサ3は、複数の半導体電荷蓄積部領域ST1、S
T2、…を含む。これらの半導体電荷蓄積領域の表面に
は、絶縁膜が形成され、さらにその上に電極が形成され
て容量C1、C2…、が形成される。この容量を形成す
る半導体表面上の絶縁電極は、種々の機能を果たすこと
ができるが、本明細書中では蓄積ゲート電極と呼ぶ。複
数の蓄積ゲート電極は、共通に接続される。FIG. 1B is an enlarged view of the portion of the accumulated charge detection circuit in the circuit of FIG. The CCD image sensor 3 has a plurality of semiconductor charge storage regions ST1 and S.
Including T2, ... An insulating film is formed on the surfaces of these semiconductor charge storage regions, and electrodes are further formed thereon to form capacitors C1, C2, .... The insulating electrode on the semiconductor surface that forms this capacitance can perform various functions, but is referred to herein as the storage gate electrode. The plurality of storage gate electrodes are commonly connected.
【0047】すなわち、容量C1、C2、…は、並列に
接続される。この並列接続された蓄積ゲート電極の電圧
をVSTで表す。That is, the capacitors C1, C2, ... Are connected in parallel. The voltage of the storage gate electrodes connected in parallel is represented by VST.
【0048】蓄積ゲート電極は、配線9に共通に接続さ
れ、図1(A)に示すAGCモニタ回路4に電圧VST
を供給する。配線9は、AGCモニタ回路4内におい
て、MOSトランジスタM1のゲート電極に接続され
る。したがって、電圧VSTによってMOSトランジス
タM1の導通度を変化させる。The storage gate electrode is commonly connected to the wiring 9 and is supplied to the AGC monitor circuit 4 shown in FIG.
To supply. The wiring 9 is connected to the gate electrode of the MOS transistor M1 in the AGC monitor circuit 4. Therefore, the conductivity of the MOS transistor M1 is changed by the voltage VST.
【0049】また、配線9には、アナログスイッチ7、
8が接続されており、制御信号SETA、SETBによ
って電圧VSTFGまたは接地電圧を選択的に容量C
1、C2、…に印加する。電圧VSTFGは、たとえば
電子を吸引する所定の正極性の電圧である。The wiring 9 has analog switches 7,
8 is connected, and the voltage VSTFG or the ground voltage is selectively supplied to the capacitance C by the control signals SETA and SETB.
, C2, ... The voltage VSTFG is, for example, a predetermined positive voltage that attracts electrons.
【0050】MOSトランジスタM1は、他のMOSト
ランジスタM2と直列に接続され、電源電圧VDDと接
地電圧との間に接続される。他のMOSトランジスタM
2のゲートには、基準電圧VBが印加される。MOSト
ランジスタM1とM2との相互接続点は、電圧V1を発
生し、比較器CMPの反転入力端子に接続される。The MOS transistor M1 is connected in series with another MOS transistor M2 and is connected between the power supply voltage VDD and the ground voltage. Other MOS transistor M
The reference voltage VB is applied to the second gate. The interconnection point between the MOS transistors M1 and M2 generates the voltage V1 and is connected to the inverting input terminal of the comparator CMP.
【0051】MOSトランジスタM1とM2と同等な他
のMOSトランジスタM3とM4とが直列に接続され、
同様、電源電圧VDDと接地電圧との間に接続される。
MOSトランジスタM4のゲートには、上述の基準電圧
と同等の基準電圧VBが印加され、他のMOSトランジ
スタM3のゲート電極には、参照電圧VCMPが印加さ
れる。MOSトランジスタM3とM4との相互接続点に
形成される電圧V2は、比較器CMPの非反転入力端子
に印加される。Other MOS transistors M3 and M4 equivalent to the MOS transistors M1 and M2 are connected in series,
Similarly, it is connected between the power supply voltage VDD and the ground voltage.
A reference voltage VB equivalent to the above reference voltage is applied to the gate of the MOS transistor M4, and a reference voltage VCMP is applied to the gate electrode of the other MOS transistor M3. The voltage V2 formed at the interconnection point between the MOS transistors M3 and M4 is applied to the non-inverting input terminal of the comparator CMP.
【0052】比較器CMPの出力は、共通接続された蓄
積ゲート電極の電圧VSTと、参照電圧VCMPとの大
小関係を表す信号となる。すなわち、参照電圧VCMP
を適当な値に設定しておくことにより、半導体電荷蓄積
領域STに電荷が蓄積されるにしたがい、電圧VSTが
次第に変化し、所定の値に達したときに比較器CMPの
出力AGCCMPが変化する。The output of the comparator CMP is a signal representing the magnitude relationship between the voltage VST of the commonly connected storage gate electrodes and the reference voltage VCMP. That is, the reference voltage VCMP
Is set to an appropriate value, the voltage VST gradually changes as the charge is stored in the semiconductor charge storage region ST, and the output AGCCMP of the comparator CMP changes when the voltage VST reaches a predetermined value. ..
【0053】このような構成とすることにより、複数の
半導体電荷蓄積領域ST全体に蓄積された電荷の総量を
的確に検出することができる。With such a structure, the total amount of charges accumulated in the entire plurality of semiconductor charge accumulation regions ST can be accurately detected.
【0054】図2は、CCDイメージセンサの構成例を
概略的に示す。図中上部に半導体CCDイメージセンサ
の構成を概略断面図で示し、図中下部に各部分のポテン
シャルをグラフで示す。FIG. 2 schematically shows a configuration example of the CCD image sensor. The configuration of the semiconductor CCD image sensor is shown in a schematic sectional view in the upper part of the figure, and the potential of each part is shown in a graph in the lower part of the figure.
【0055】たとえば、p- 型半導体基板11の表面
に、n+ 型領域12、13およびn- 型領域14、15
が、図に示すように互いに接して形成される。半導体基
板11の表面上には、絶縁膜が形成され、さらにその上
に多結晶シリコン等により、所定のゲート電極が形成さ
れる。たとえば、2層の多結晶シリコン電極が形成され
る。For example, on the surface of the p − type semiconductor substrate 11, n + type regions 12 and 13 and n − type regions 14 and 15 are formed.
Are formed in contact with each other as shown in the figure. An insulating film is formed on the surface of the semiconductor substrate 11, and a predetermined gate electrode is formed on the insulating film by using polycrystalline silicon or the like. For example, a two-layer polycrystalline silicon electrode is formed.
【0056】n+ 型領域12は、オーバフロードレイン
OFDとして機能し、電圧OFDを印加される。このn
+ 型領域12に隣接した領域上には、オーバフローゲー
ト電極22が形成され、電圧OFGを印加される。オー
バフローゲート電極22に隣接した領域は、ホトダイオ
ードPDを形成する。The n + type region 12 functions as an overflow drain OFD and is applied with a voltage OFD. This n
An overflow gate electrode 22 is formed on a region adjacent to the + type region 12, and a voltage OFG is applied. The region adjacent to the overflow gate electrode 22 forms a photodiode PD.
【0057】ホトダイオードPDの他の側には、バリア
ゲート電極23が形成されており、電圧BGを印加され
る。バリアゲート電極23と隣接して、蓄積ゲート電極
24が形成され、電圧STを与えられる。蓄積ゲート電
極24の一部に接して、フローティング蓄積ゲート電極
25が形成され、その電圧はVSTで示される。A barrier gate electrode 23 is formed on the other side of the photodiode PD, and a voltage BG is applied to it. A storage gate electrode 24 is formed adjacent to the barrier gate electrode 23 and supplied with a voltage ST. Floating storage gate electrode 25 is formed in contact with a part of storage gate electrode 24, and its voltage is indicated by VST.
【0058】フローティング蓄積ゲート電極25が蓄積
領域の一部にのみ形成されるので、容量が小さくなり、
高速動作を容易にする。また、フローティング蓄積ゲー
ト電極25に電圧を印加してその下の領域を図示のよう
に深いポテンシャルとすると、キャリアはこの領域に優
先的に蓄積される。蓄積電荷がこの領域からあふれるよ
うになると、挌段に広い領域にキャリアが蓄積される。
この動作は感度曲線の変化に相当し、高強度のスポット
光に対しては感度が低下することになる。Since the floating storage gate electrode 25 is formed only in a part of the storage region, the capacitance becomes small,
Facilitates high speed operation. Further, if a voltage is applied to the floating accumulation gate electrode 25 and the region below it has a deep potential as shown, carriers are preferentially accumulated in this region. When the accumulated charge overflows from this area, carriers are accumulated in a wide area.
This operation corresponds to the change of the sensitivity curve, and the sensitivity is lowered for the high intensity spot light.
【0059】また、蓄積ゲート電極24の他の一部に隣
接して、クリアゲート電極26が形成され、電圧CLG
が与えられる。n+ 型領域13は、クリアドレイン領域
として機能し、電圧CLDが与えられる。すなわち、蓄
積領域とクリアゲート領域とクリアドレイン領域とはF
ET構造を構成する。A clear gate electrode 26 is formed adjacent to another part of the storage gate electrode 24, and the voltage CLG
Is given. The n + type region 13 functions as a clear drain region and is supplied with the voltage CLD. That is, the accumulation region, the clear gate region and the clear drain region are F
Configure the ET structure.
【0060】また、蓄積ゲート電極24の他の一部に隣
接して、トランスファゲート電極27が形成され、電圧
TGが与えられる。トランスファゲート電極27の他の
側は、転送レジスタの1つの電極28に隣接し、蓄積領
域から転送レジスタへ電荷を転送する。転送レジスタ領
域のゲート電極28には、位相信号φ1が与えられる。A transfer gate electrode 27 is formed adjacent to another part of the storage gate electrode 24, and a voltage TG is applied thereto. The other side of the transfer gate electrode 27 is adjacent to one electrode 28 of the transfer register and transfers charges from the storage region to the transfer register. The phase signal φ1 is applied to the gate electrode 28 in the transfer register area.
【0061】なお、図2に示した構成は、2次元的に分
布形成されたCCDイメージセンサを、ある経路に沿っ
て切り取った断面構造であり、図中離れた位置に示され
た領域が、実際には隣接する領域となることもある。The structure shown in FIG. 2 is a sectional structure in which a CCD image sensor formed in a two-dimensional distribution is cut along a certain path, and regions shown at distant positions in the drawing are Actually, it may be an adjacent area.
【0062】たとえば、クリアゲートおよびクリアドレ
インは、蓄積領域の側部に突出して形成された領域であ
り、蓄積領域の他の部分では一方にバリアゲート23が
配置され、他方にトランスファゲート電極27が配置さ
れている。For example, the clear gate and the clear drain are regions formed so as to project to the side of the storage region. In the other part of the storage region, the barrier gate 23 is arranged on one side and the transfer gate electrode 27 is formed on the other side. It is arranged.
【0063】ゲート電極22、23、24、26、2
7、28に所定の電圧を印加した状態のポテンシャルが
図中下部に示されている。ホトダイオードPDは、入射
光に応じて電子・正孔対を発生させ、その内電子を蓄積
する。Gate electrodes 22, 23, 24, 26, 2
The potentials when a predetermined voltage is applied to 7 and 28 are shown in the lower part of the figure. The photodiode PD generates electron-hole pairs according to incident light and accumulates electrons therein.
【0064】図中下部のポテンシャルは、電子に対する
ものであり、たとえば正極性の電圧を印加すると、ポテ
ンシャルは図中下方に移動する。図示の構成において、
フローティング蓄積ゲート電極25の下部が最も低い電
位にバイアスされている。The potential in the lower part of the figure is for electrons, and for example, when a positive voltage is applied, the potential moves downward in the figure. In the configuration shown,
The lower part of the floating storage gate electrode 25 is biased to the lowest potential.
【0065】蓄積ゲート電極24下の領域は、ホトダイ
オードPDの電位よりも低く、フローティング蓄積ゲー
ト電極25下の領域よりも高いポテンシャルにバイアス
されている。ホトダイオードPD、バリアゲート23、
蓄積ゲート電極24で示される領域の周囲は、オーバフ
ローゲート電極22、クリアゲート電極26、酸化膜等
により、高い電位に設定され、キャリアである電子に対
し、電位障壁を形成している。The region below the storage gate electrode 24 is biased to a potential lower than the potential of the photodiode PD and higher than the region below the floating storage gate electrode 25. Photodiode PD, barrier gate 23,
The periphery of the region indicated by the storage gate electrode 24 is set to a high potential by the overflow gate electrode 22, the clear gate electrode 26, an oxide film, etc., and forms a potential barrier against electrons that are carriers.
【0066】したがって、ホトダイオードPDに光が入
射し、電荷が発生したときは、発生した電子はホトダイ
オードPDの部分から蓄積領域に移動し、そこで電位障
壁に囲まれて蓄積される。ホトダイオードPD、蓄積部
を囲む電位障壁の一部、たとえばクリアゲート電極26
の電位を調整することにより、電位障壁高さを低減さ
せ、蓄積された電荷をクリアドレイン領域13に引き出
すことができる。Therefore, when light is incident on the photodiode PD and electric charges are generated, the generated electrons move from the portion of the photodiode PD to the accumulation region where they are accumulated while being surrounded by the potential barrier. The photodiode PD, a part of the potential barrier surrounding the storage portion, for example, the clear gate electrode 26.
By adjusting the potential of (1), the height of the potential barrier can be reduced and the accumulated charge can be extracted to the clear drain region 13.
【0067】また、ホトダイオード部分にまで電荷が蓄
積された状態においては、オーバフローゲート電極22
の電位を調整することにより、オーバフロードレイン領
域12に電荷を引き出すこともできる。Further, when the electric charge is accumulated even in the photodiode portion, the overflow gate electrode 22
It is also possible to draw out charges to the overflow drain region 12 by adjusting the potential of the.
【0068】また、トランスファゲート電極27の電位
を調整することにより、蓄積領域に蓄積された電荷を転
送レジスタ領域に転送させることもできる。By adjusting the potential of the transfer gate electrode 27, it is possible to transfer the charges accumulated in the accumulation region to the transfer register region.
【0069】以上説明した構成は、半導体光電変換装置
の1セル分に対応する構成であり、半導体基板上には多
数のセルが構成されている。これらのセルのフローティ
ング蓄積ゲート電極25は、共通に接続される。The structure described above corresponds to one cell of the semiconductor photoelectric conversion device, and a large number of cells are formed on the semiconductor substrate. The floating storage gate electrodes 25 of these cells are commonly connected.
【0070】図3は、図1(A)に示すAGCモニタ回
路4の要部を示す回路図である。図1(B)に示す蓄積
電荷検出回路の出力電圧AGCCMPは、D型フリップ
フロップDFF1のクロック入力端子に印加される。D
FF1のデータ入力端子Dには、電源電圧VDDが与え
られる。また、そのQ出力端子は、インバータIN3を
介して引き出され、蓄積終了信号EOIを構成する。FIG. 3 is a circuit diagram showing a main part of AGC monitor circuit 4 shown in FIG. The output voltage AGCCMP of the accumulated charge detection circuit shown in FIG. 1B is applied to the clock input terminal of the D-type flip-flop DFF1. D
The power supply voltage VDD is applied to the data input terminal D of the FF1. Further, its Q output terminal is taken out through an inverter IN3 and constitutes an accumulation end signal EOI.
【0071】アンド回路AND1の2入力は、クリア信
号XCLRとクリアゲート信号CLGOをインバータI
N1で反転した信号とを受け、その出力をDFF1のク
リア入力端子に印加する。The two inputs of the AND circuit AND1 outputs the clear signal XCLR and the clear gate signal CLGO to the inverter I.
Upon receiving the inverted signal at N1, its output is applied to the clear input terminal of DFF1.
【0072】また、クリアゲート信号CLGOをインバ
ータIN1で反転した信号は、D型フリップフロップD
FF2のクロック入力端子に印加される。このDFF2
のデータ入力端子には電源電圧VDDが印加される。The signal obtained by inverting the clear gate signal CLGO with the inverter IN1 is the D-type flip-flop D.
It is applied to the clock input terminal of FF2. This DFF2
The power supply voltage VDD is applied to the data input terminal of.
【0073】また、そのQ出力端子は、ノア回路NOR
1の1入力に印加される。このNOR1の他の入力端子
は、トランスファゲート信号TGを受ける。NOR1の
反転出力は、信号SETAを構成する。アンド回路AN
D2は、クリア信号XCLRとトランスファゲート信号
TGをインバータIN2で反転した信号を受け、その出
力信号をDFF2のクリア入力端子に印加する。The Q output terminal has a NOR circuit NOR.
Applied to one input of one. The other input terminal of NOR1 receives the transfer gate signal TG. The inverted output of NOR1 constitutes the signal SETA. AND circuit AN
D2 receives a signal obtained by inverting the clear signal XCLR and the transfer gate signal TG by the inverter IN2, and applies the output signal to the clear input terminal of DFF2.
【0074】また、トランスファゲート信号TGは、必
要に応じてバッファを介し、そのまま信号SETBを構
成する。Further, the transfer gate signal TG constitutes the signal SETB as it is through a buffer if necessary.
【0075】図4は、図1、図3に示す回路における要
部の信号波形を示す。上段より下段に向かってクリア信
号XCLR、クリアゲート信号CLGO、トランスファ
ゲート信号TG=SETB、他のセット信号SETA、
フローティング蓄積ゲート電極の信号VST、比較器出
力AGCCMP、積分終了信号EOIの信号波形を示
す。また、さらに下部に図1(B)に示す検出信号V1
と参照信号V2の波形を示す。FIG. 4 shows the signal waveforms of the main parts in the circuits shown in FIGS. From the top to the bottom, the clear signal XCLR, the clear gate signal CLGO, the transfer gate signal TG = SETB, the other set signal SETA,
The signal waveforms of the signal VST of the floating storage gate electrode, the comparator output AGCCMP, and the integration end signal EOI are shown. In addition, the detection signal V1 shown in FIG.
And the waveform of the reference signal V2.
【0076】クリア信号XCLRが、“1”から“0”
に変化すると、フローティング蓄積ゲート電極の信号V
STは、アナログスイッチ8がオンにされることにした
がい、接地電圧0Vに設定される。また、クリアゲート
信号CLGOは“0”から“1”に変化し、蓄積領域の
蓄積電荷は排出される。The clear signal XCLR changes from "1" to "0".
Signal changes to the floating storage gate electrode signal V
ST is set to the ground voltage 0V when the analog switch 8 is turned on. Further, the clear gate signal CLGO changes from "0" to "1", and the accumulated charges in the accumulation region are discharged.
【0077】やがて、信号SETBが“1”から“0”
に変化し、同時に信号SETAが“0”から“1”に変
化することにしたがい、アナログスイッチ8がオフし、
アナログスイッチ7がオンすることによってフローティ
ング蓄積ゲート電極に電圧VSTFGが印加される。Eventually, the signal SETB changes from "1" to "0".
And at the same time the signal SETA changes from "0" to "1", the analog switch 8 turns off,
When the analog switch 7 is turned on, the voltage VSTFG is applied to the floating storage gate electrode.
【0078】続いて、CLGOが“1”から“0”に変
化することにしたがい、信号SETAも“1”から
“0”に変化し、電荷蓄積作業が開始される。この時、
フローティング蓄積ゲート電極はフローティング状態と
され、電荷が蓄積されるのにしたがってその電位を変化
させることになる。Subsequently, when CLGO changes from "1" to "0", the signal SETA also changes from "1" to "0", and the charge accumulation work is started. At this time,
The floating storage gate electrode is brought into a floating state, and its electric potential changes as electric charges are accumulated.
【0079】したがって、電圧V1は蓄積される電荷量
にしたがって次第に電位を変化させる。一方、参照電圧
V2は一定値に保たれる。Therefore, the voltage V1 gradually changes its potential according to the amount of accumulated charges. On the other hand, the reference voltage V2 is maintained at a constant value.
【0080】蓄積される電荷量が増加し、電圧V1が電
圧V2と等しくなった時に、比較器CMPが出力AGC
CMPを変化させる。この信号電位の変化は、図3に示
す回路の電圧AGCCMPとして表れ、積分終了信号E
OIを発生させる。すなわち、積分終了信号EOIは、
“1”の状態から“0”の状態に変化する。When the amount of accumulated charges increases and the voltage V1 becomes equal to the voltage V2, the comparator CMP outputs the output AGC.
Change CMP. This change in signal potential appears as the voltage AGCCMP of the circuit shown in FIG.
Generate OI. That is, the integration end signal EOI is
The state of "1" changes to the state of "0".
【0081】積分終了信号EOIの発生と共に、蓄積部
への電荷蓄積は終了し、蓄積部に蓄積された電荷は、ト
ランスファゲートTGを介して転送レジスタ部に転送さ
れる。With the generation of the integration end signal EOI, the charge accumulation in the accumulation unit is completed, and the charges accumulated in the accumulation unit are transferred to the transfer register unit via the transfer gate TG.
【0082】電荷転送後、再び信号SETBが“0”と
なり、信号SETAが“0”から“1”となることにし
たがい、フローティング蓄積ゲート電極にはアナログス
イッチ7を介して電圧VSTFGが印加される。After the charge transfer, the signal SETB becomes “0” again, and the signal SETA changes from “0” to “1”, so that the voltage VSTFG is applied to the floating accumulation gate electrode through the analog switch 7. ..
【0083】やがて、信号SETAと信号SETBとが
変化し、フローティング蓄積ゲート電極は再び接地電位
に設定される。再度、信号SETAとSETBが変化
し、フローティング蓄積ゲート電極には電圧VSTFG
が印加され、その後フローティング状態にされて入射光
による電荷蓄積動作を開始する。この繰り返し動作は、
フローティング蓄積電極の電位を的確にVSTFGに設
定するのに役立つ。Eventually, the signal SETA and the signal SETB change, and the floating storage gate electrode is set to the ground potential again. The signals SETA and SETB change again, and the voltage VSTFG is applied to the floating storage gate electrode.
Is applied, and then the floating state is set to start the charge accumulation operation by the incident light. This repeated operation is
This helps to set the potential of the floating storage electrode to VSTFG accurately.
【0084】このようにして、図2に示すようなCCD
イメージセンサの電荷蓄積動作は蓄積領域に蓄積した電
荷量に応答して的確に制御される。In this way, the CCD as shown in FIG.
The charge storage operation of the image sensor is accurately controlled in response to the amount of charge stored in the storage region.
【0085】図5は、半導体チップ上における光センサ
の構成を示す。図5(A)は1セル分の平面図を示し、
図5(B)はフローティング蓄積ゲート電極の接続状態
を示す平面図である。FIG. 5 shows the structure of an optical sensor on a semiconductor chip. FIG. 5A shows a plan view of one cell,
FIG. 5B is a plan view showing the connection state of the floating storage gate electrodes.
【0086】図5(A)において、ホトダイオードPD
は、たとえばp型シリコン表面に形成された薄いn型領
域で構成される。ホトダイオードPDに隣接して、不純
物濃度の低いn- 型領域が形成され、各領域上に電極が
形成されて所定のバイアス電圧を印加される。これによ
り、埋め込みチャネル型CCDが形成される。図中左側
にはn+ 型オーバフロードレインOFDが形成され、n
- 型領域のオーバフローゲートOFGを介してホトダイ
オードPDに接続されている。In FIG. 5A, the photodiode PD
Is composed of a thin n-type region formed on the surface of p-type silicon, for example. Adjacent to the photodiode PD, an n − type region having a low impurity concentration is formed, an electrode is formed on each region, and a predetermined bias voltage is applied. As a result, a buried channel CCD is formed. An n + type overflow drain OFD is formed on the left side of FIG.
- is connected to the photodiode PD via the overflow gate OFG type region.
【0087】ホトダイオードPDの隣に、電位障壁を構
成するバリアゲート領域BGが形成され、蓄積領域ST
に連続する。蓄積領域STの一部は、クリアゲート領域
CLGを介して、クリアドレイン領域CLDに接続さ
れ、他方トランスファゲート領域TGを介してCCD転
送部に連続する。A barrier gate region BG forming a potential barrier is formed next to the photodiode PD, and the storage region ST is formed.
In succession. A part of the storage region ST is connected to the clear drain region CLD via the clear gate region CLG, and continues to the CCD transfer section via the other transfer gate region TG.
【0088】CCD転送部は4段構成の転送段Φ1、Φ
2、Φ3、Φ4を有する。このCCD転送部は、さらに
フローティングゲート領域FGに連続する。フローティ
ングゲート領域は、電荷読みだし領域であり、CCD転
送部の段Φ4の電荷を受け、その上に形成されたフロー
ティングゲートに誘起される電荷を読み出す。The CCD transfer section has four transfer stages Φ1 and Φ.
2, Φ3, Φ4. This CCD transfer section is further continuous to the floating gate region FG. The floating gate region is a charge reading region, receives the charges of the stage Φ4 of the CCD transfer section, and reads the charges induced in the floating gate formed thereon.
【0089】蓄積領域STの一部は、フローティング蓄
積領域STFGとされ、その上にフローティング蓄積ゲ
ート電極が形成される。蓄積領域STの電位は、その上
に容量結合する電極を形成することによってその電圧を
検出することができる。A part of the storage region ST is made into a floating storage region STFG, and a floating storage gate electrode is formed thereon. The potential of the storage region ST can be detected by forming an electrode that capacitively couples the potential on the storage region ST.
【0090】蓄積領域STは比較的大きな面積を占め、
その全面積上にフローティング蓄積ゲート電極を形成す
ると、その容量が大きくなり、動作速度を制限すること
になる。The storage region ST occupies a relatively large area,
Forming the floating storage gate electrode over its entire area increases its capacitance and limits its operating speed.
【0091】したがって、図に示すように蓄積領域ST
の大部分は固定電位とし、その一部にフローティング蓄
積ゲート電極STFGを形成し、その電位を検出した
り、制御電圧を印加することにすれば、より高速動作が
可能となる。フローティング蓄積電極STFGは、たと
えば蓄積領域の20%程度の面積を有する。Therefore, as shown in FIG.
If the floating storage gate electrode STFG is formed in a part of the fixed potential and the potential is detected or a control voltage is applied, a higher speed operation becomes possible. Floating storage electrode STFG has an area of, for example, about 20% of the storage region.
【0092】また、蓄積動作の初期は、狭いフローティ
ング蓄積ゲート電極STFGの下にのみ電荷が蓄積され
るので、蓄積電位が速やかに変化し、高い検出感度を与
える。蓄積動作の後期には、広い領域に電荷が蓄積され
るようになり、オーバーフローは生じにくい。Further, in the initial stage of the accumulation operation, since the charges are accumulated only under the narrow floating accumulation gate electrode STFG, the accumulated potential changes rapidly and high detection sensitivity is provided. In the latter stage of the accumulation operation, charges are accumulated in a wide area, and overflow is unlikely to occur.
【0093】光を検出する際には、まずクリアゲート領
域CLGが導通され、蓄積部STに存在する電荷をクリ
アドレインCLDに抜きだす。このようにして、所定の
初期状態を設定した後、ホトダイオードPDに入射した
光によって発生する電荷をバリアゲートBGを介して蓄
積部STに蓄積する。When detecting light, first, the clear gate region CLG is rendered conductive, and the charge existing in the storage portion ST is extracted to the clear drain CLD. In this way, after setting the predetermined initial state, the charges generated by the light incident on the photodiode PD are stored in the storage portion ST via the barrier gate BG.
【0094】フローティング蓄積ゲート電極STFG
は、多数のセルに共通に接続される。この接続の対応
を、図5(B)に拡大して示す。光センサのセルは、た
とえば2種類の構成を有し、配置上2セルが1単位とな
る。Floating storage gate electrode STFG
Are commonly connected to many cells. The correspondence of this connection is enlarged and shown in FIG. The cells of the optical sensor have, for example, two types of configurations, and two cells form one unit in terms of arrangement.
【0095】図5(B)は、1単位となる2セル分にお
けるフローティング蓄積ゲート電極の接続部を示す。蓄
積領域の一部上に、フローティング蓄積ゲート電極3
1、32が形成される。これらのフローティング蓄積ゲ
ート電極31、32は、たとえば多結晶シリコンによっ
て形成される。FIG. 5B shows the connection portion of the floating accumulation gate electrodes in two cells which are one unit. The floating storage gate electrode 3 is formed on a part of the storage region.
1, 32 are formed. These floating storage gate electrodes 31 and 32 are formed of, for example, polycrystalline silicon.
【0096】さらに、図中縦方向に延在して示すよう
な、たとえばアルミニウム等によって形成された配線3
3が作成され、フローティング蓄積ゲート電極31、3
2を共通に接続する。配線33は、他のセルのフローテ
ィング蓄積ゲート電極も共通に接続する。Further, the wiring 3 formed of, for example, aluminum or the like, which extends in the vertical direction in the figure, is shown.
3, the floating storage gate electrodes 31 and 3 are formed.
Connect 2 in common. The wiring 33 also connects the floating storage gate electrodes of the other cells in common.
【0097】したがって、蓄積領域の一部STFGとそ
の上に形成されたフローティング蓄積ゲート電極31、
32は、多数のセルについて並列に接続され、1つの容
量を構成する。Therefore, a part of the storage region STFG and the floating storage gate electrode 31 formed thereon,
32 is connected in parallel for many cells and constitutes one capacitance.
【0098】図6は、図5(B)の破線で示した経路に
沿って光センサ内の電位を示すグラフである。以下、図
6を参照して光センサの動作を説明する。FIG. 6 is a graph showing the potential inside the photosensor along the path shown by the broken line in FIG. 5B. The operation of the optical sensor will be described below with reference to FIG.
【0099】まず、図6(A)の初期状態においては、
ホトダイオードPDに光が入射し、電荷が発生すること
によって蓄積領域STにある程度の電荷が蓄積されてい
る状態を示す。なお、蓄積領域を囲むオーバフローゲー
トOFG、クリアゲートCLG、トランスファゲートT
Gの領域の電位は全て高く設定され、蓄積電荷に対する
電位障壁を形成している。First, in the initial state of FIG.
Light enters the photodiode PD and charges are generated, so that a certain amount of charges are accumulated in the accumulation region ST. The overflow gate OFG, the clear gate CLG, and the transfer gate T that surround the storage region
The potentials in the G region are all set high, forming a potential barrier against accumulated charges.
【0100】図6(B)は、クリア動作開始状態を示
す。クリア動作が開始されると、クリアゲート領域CL
Gのポテンシャルは低く変化される。また、トランスフ
ァゲート領域TG、転送レジスタ部φ1の領域のポテン
シャルも低く変化される。FIG. 6B shows the clear operation start state. When the clear operation is started, the clear gate area CL
The potential of G is changed low. Further, the potentials of the transfer gate region TG and the region of the transfer register section φ1 are also changed to be low.
【0101】一方、フローティング蓄積ゲート領域ST
FGの電位は高く引き上げられる。これらの電位変化に
応じて、蓄積領域に蓄積されていた電荷は、クリアゲー
トCLGおよびトランスファゲートTGを介してクリア
ドレインCLDおよび転送レジスタφ1の領域に排出さ
れる。蓄積電荷が排出された後、図6(C)に示すクリ
ア完了動作が行われる。On the other hand, the floating accumulation gate region ST
The potential of FG is raised high. In accordance with these potential changes, the charges accumulated in the accumulation region are discharged to the region of clear drain CLD and transfer register φ1 via clear gate CLG and transfer gate TG. After the accumulated charge is discharged, the clear completion operation shown in FIG. 6C is performed.
【0102】図6(C)に示すクリア完了動作において
は、フローティング蓄積ゲート領域STFGの電位は発
生する電子を吸引するために低く変化され、クリアゲー
ト領域CLG、トランスファゲートTGの電位は電子の
通過を遮断するように高く設定される。In the clear completion operation shown in FIG. 6C, the potential of the floating storage gate region STFG is changed to a low level to attract the generated electrons, and the potentials of the clear gate region CLG and the transfer gate TG pass through the electrons. Set high to shut off.
【0103】また、転送レジスタ領域の電位も高く設定
される。その後、フローティング蓄積ゲート領域STF
Gの電位は除去されるが、フローティング蓄積ゲート電
極はフローティング状態にされるため、フローティング
蓄積ゲート領域STFGの電位はそのままに保たれ、深
いポテンシャル井戸を形成する。Also, the potential of the transfer register area is set high. After that, the floating storage gate region STF
Although the potential of G is removed, since the floating storage gate electrode is brought into a floating state, the potential of the floating storage gate region STFG is kept as it is, and a deep potential well is formed.
【0104】図6(D)は、電荷蓄積状態のポテンシャ
ル分布を示す。ホトダイオードPDに光が入射すること
により、電子・正孔対が発生し、そのうちの電子はホト
ダイオードPDから蓄積領域STに流入する。FIG. 6D shows the potential distribution in the charge storage state. When light is incident on the photodiode PD, an electron-hole pair is generated, and an electron of the electron-hole pair flows into the storage region ST from the photodiode PD.
【0105】蓄積される電子は、まず、ポテンシャルの
低いフローティング蓄積ゲート領域STFGの部分に蓄
積される。蓄積電荷が次第に増加すると、蓄積された電
荷は、フローティング蓄積ゲート領域STFGの領域か
ら次第に蓄積領域STおよびホトダイオードPDの領域
に広がって蓄積される。The accumulated electrons are first accumulated in the floating accumulation gate region STFG having a low potential. When the accumulated charge gradually increases, the accumulated charge gradually spreads from the floating accumulation gate region STFG region to the accumulation region ST and the photodiode PD region and accumulated.
【0106】この蓄積された電荷量は、フローティング
蓄積ゲート電極を介して光センサ内の多数のセルの平均
として検出される。検出された蓄積電荷量が所定値に達
すると、電荷蓄積動作は終了し、読みだし動作が行われ
る。The accumulated charge amount is detected as an average of a large number of cells in the photosensor via the floating accumulation gate electrode. When the detected accumulated charge amount reaches a predetermined value, the charge accumulation operation ends and the reading operation is performed.
【0107】図6(E)は、読みだし動作におけるポテ
ンシャル分布を示す。フローティング蓄積ゲート電極S
TFGの電位が外部より制御され、高く設定される。一
方、トランスファゲート領域TGの電位が低く変化し、
蓄積領域に蓄積された電荷は、トランスファゲート領域
TGを介して転送レジスタ部に転送される。このように
して、所望の蓄積量に達した蓄積電荷は転送レジスタ部
に転送され、信号電荷として読みだされる。FIG. 6E shows the potential distribution in the reading operation. Floating storage gate electrode S
The potential of TFG is controlled from the outside and set high. On the other hand, the potential of the transfer gate region TG changes low,
The charges accumulated in the accumulation region are transferred to the transfer register unit via the transfer gate region TG. In this way, the accumulated charges that have reached the desired accumulation amount are transferred to the transfer register section and read out as signal charges.
【0108】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。The present invention has been described above with reference to the embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations and the like can be made.
【0109】[0109]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光センサの電荷蓄積領域に蓄積されている電荷量を容量
を介して直接読みだすことにより、蓄積電荷の的確な検
出が行える。As described above, according to the present invention,
Accurate detection of the accumulated charge can be performed by directly reading the amount of charge accumulated in the charge accumulation region of the optical sensor via the capacitor.
【0110】たとえば、多数のセルを含む光センサにお
いて、一部に極めて明るい領域があっても全体として蓄
積された電荷を正確に検出することが可能となる。For example, in an optical sensor including a large number of cells, even if there is an extremely bright region in a part, it is possible to accurately detect the accumulated charge as a whole.
【図1】本発明の実施例を示す。図1(A)はイメージ
センサ回路を示すブロック図、図1(B)は蓄積電荷検
出回路の回路図である。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. 1A is a block diagram showing an image sensor circuit, and FIG. 1B is a circuit diagram of an accumulated charge detection circuit.
【図2】CCDイメージセンサの構成例を示す断面図と
ポテンシャル分布を示すグラフである。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of a CCD image sensor and a graph showing a potential distribution.
【図3】制御回路の構成例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a control circuit.
【図4】図1、図3に示す回路の要部における信号波形
を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a signal waveform in a main part of the circuits shown in FIGS. 1 and 3.
【図5】光センサを示す。図5(A)は1セル分の光セ
ンサを示す平面図、図5(B)はフローティング蓄積ゲ
ート電極の接続をより詳細に示す平面図である。FIG. 5 shows an optical sensor. FIG. 5A is a plan view showing the photosensor for one cell, and FIG. 5B is a plan view showing the connection of the floating storage gate electrodes in more detail.
【図6】動作を説明する図である。図6(A)〜(B)
は、光センサ内のポテンシャル分布を示すエネルギバン
ド図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an operation. 6A to 6B
[Fig. 3] is an energy band diagram showing a potential distribution in the optical sensor.
【図7】従来の技術を示す。図7(A)は従来の技術に
よる焦点検出装置の主要部を示すブロック図、図7
(B)は光センサの他の例を示す断面図、図7(C)は
オーバフロー検出部の回路図である。FIG. 7 shows a conventional technique. FIG. 7A is a block diagram showing the main part of a conventional focus detection device, and FIG.
7B is a cross-sectional view showing another example of the optical sensor, and FIG. 7C is a circuit diagram of the overflow detection unit.
1 主制御回路 2 CCD駆動回路 3 CCDイメージセンサ 4 AGCモニタ回路 5 積分時間制御回路 7、8 アナログスイッチ 11 半導体基板(p- 型) 12、13 n+ 型領域(ダイオード) 14、15 n- 型領域 22〜28 絶縁ゲート電極 PD ホトダイオード C 容量 M トランジスタ CMP 比較器 OFG オーバフローゲート BG バリアゲート ST 蓄積部 CLG クリアゲート CLD クリアドレイン TG 転送ゲート1 main control circuit 2 CCD drive circuit 3 CCD image sensor 4 AGC monitor circuit 5 integration time control circuit 7, 8 analog switch 11 semiconductor substrate (p − type) 12, 13 n + type region (diode) 14, 15 n − type Region 22 to 28 Insulated gate electrode PD Photodiode C Capacitance M Transistor CMP Comparator OFG Overflow gate BG Barrier gate ST Storage unit CLG Clear gate CLD Clear drain TG Transfer gate
Claims (8)
の光電変換手段と、 前記光電変換手段で発生した電荷を蓄積するための、周
囲を電位障壁で囲むことのできる半導体電荷蓄積領域
と、 前記半導体電荷蓄積領域と容量結合した蓄積ゲート電極
と、 前記蓄積ゲート電極の電位を検出するための蓄積電位検
出手段と、 前記蓄積ゲート電極の電位に基づき、前記半導体電荷蓄
積領域に蓄積された電荷を制御するための制御信号を発
生するための手段とを含む半導体光電変換装置。1. A photoelectric conversion means for generating charges in response to incident light, and a semiconductor charge storage region for accumulating the charges generated by the photoelectric conversion means, which can be surrounded by a potential barrier. A storage gate electrode capacitively coupled to the semiconductor charge storage region, a storage potential detection unit for detecting the potential of the storage gate electrode, and a storage gate electrode stored in the semiconductor charge storage region based on the potential of the storage gate electrode. And a means for generating a control signal for controlling the electric charge.
積領域の一部表面上にのみ形成された請求項1記載の半
導体光電変換装置。2. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the storage gate electrode is formed only on a partial surface of the semiconductor charge storage region.
成された複数の半導体光電変換セルを含み、前記半導体
電荷蓄積領域は前記複数の半導体光電変換セルのそれぞ
れに対応して前記半導体基板内に形成された複数の半導
体蓄積領域を含む請求項1ないし2記載の半導体光電変
換装置。3. The photoelectric conversion means includes a plurality of semiconductor photoelectric conversion cells formed in a semiconductor substrate, and the semiconductor charge storage region corresponds to each of the plurality of semiconductor photoelectric conversion cells in the semiconductor substrate. 3. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 1, comprising a plurality of semiconductor storage regions formed in.
電荷蓄積領域上にそれぞれ形成され、前記蓄積電位検出
手段はこれらの蓄積ゲート電極に共通に接続された単一
の共通電極を含む請求項3記載の半導体光電変換装置。4. The storage gate electrode is formed on each of the plurality of semiconductor charge storage regions, and the storage potential detecting means includes a single common electrode commonly connected to these storage gate electrodes. The semiconductor photoelectric conversion device described.
蓄積電荷を排除するための電圧を印加する手段を含む請
求項4記載の半導体光電変換装置。5. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 4, further comprising means for selectively applying a voltage to the storage gate electrode for selectively eliminating stored charges.
して、配置され前記電位障壁の一部を制御するための絶
縁転送ゲート電極と、 前記絶縁転送ゲート電極に隣接して配置され、前記半導
体電荷蓄積領域に蓄積された電荷を受け、転送するため
の転送レジスタを含む請求項1〜5のいずれかに記載の
半導体光電変換装置。6. An insulating transfer gate electrode arranged adjacent to the semiconductor charge storage region for controlling a part of the potential barrier, and an insulating transfer gate electrode arranged adjacent to the insulating transfer gate electrode. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a transfer register for receiving and transferring the charges accumulated in the charge accumulation region.
して配置され、前記電位障壁の一部を制御するための絶
縁クリアゲート電極と、 前記絶縁クリアゲート電極に隣接して配置され、前記半
導体電荷蓄積領域に蓄積された電荷を受け、排出するた
めのクリアドレイン領域とを含む請求項1〜6のいずれ
かに記載の半導体光電変換装置。7. An insulating clear gate electrode disposed adjacent to the semiconductor charge storage region for controlling a part of the potential barrier; and an insulating clear gate electrode disposed adjacent to the insulating clear gate electrode. The semiconductor photoelectric conversion device according to claim 1, further comprising a clear drain region for receiving and discharging charges accumulated in the charge accumulation region.
開始前に、蓄積しようとする電荷を吸引する極性の所定
の大きさの電圧を印加し、その後、電荷蓄積中前記蓄積
ゲート電極をフローティングの状態とする制御手段を含
む請求項1〜7のいずれかに記載の半導体光電変換装
置。8. The storage gate electrode is applied with a voltage of a predetermined magnitude with a polarity for attracting the charge to be stored before the charge storage is started, and then the storage gate electrode is floated during the charge storage. The semiconductor photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a control unit for setting a state.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3191630A JPH0595101A (en) | 1991-07-31 | 1991-07-31 | Semiconductor photoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3191630A JPH0595101A (en) | 1991-07-31 | 1991-07-31 | Semiconductor photoelectric conversion device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0595101A true JPH0595101A (en) | 1993-04-16 |
Family
ID=16277848
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3191630A Withdrawn JPH0595101A (en) | 1991-07-31 | 1991-07-31 | Semiconductor photoelectric conversion device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0595101A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1986006418A1 (en) * | 1985-04-25 | 1986-11-06 | Chlorine Engineers Corp., Ltd. | Method of dissolving and recovering noble metals |
-
1991
- 1991-07-31 JP JP3191630A patent/JPH0595101A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1986006418A1 (en) * | 1985-04-25 | 1986-11-06 | Chlorine Engineers Corp., Ltd. | Method of dissolving and recovering noble metals |
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