JPH11196331A - Photoelectric converted - Google Patents

Photoelectric converted

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JPH11196331A
JPH11196331A JP9361089A JP36108997A JPH11196331A JP H11196331 A JPH11196331 A JP H11196331A JP 9361089 A JP9361089 A JP 9361089A JP 36108997 A JP36108997 A JP 36108997A JP H11196331 A JPH11196331 A JP H11196331A
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photoelectric conversion
field effect
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conversion device
reset switch
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拓己 樋山
Tetsunobu Kouchi
哲伸 光地
Toshitake Ueno
勇武 上野
Toru Koizumi
徹 小泉
Katsuhisa Ogawa
勝久 小川
Katsuto Sakurai
克仁 桜井
Shigetoshi Sugawa
成利 須川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase dynamic range and to reduce dispersion due to manufacturing process by making each threshold of a transfer switching means and a reset switching means equal and making each threshold of the transfer switching means and the reset switching means different from the threshold of a field- effect transistor of a reading circuit. SOLUTION: The threshold voltage of each transistor can easily be made different by adjusting the concentration of a channel part 4 that is formed in a channel region of the transistor. A first channel doping forms the part 4 in channel regions of all transistors and a second channel doping further performs channel doping only to the channel region of a desired transistor and form a channel doped part 4' which has different concentration. The amounts and directions of dispersion of threshold production of a transfer switch and a reset switch become equal and a dynamic range is stabilized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、多数の光電変換素
子を有する光電変換装置に関し、特に光電変換素子の電
荷を読み出すトランジスタやMOSスイッチ回路により
ダイナミックレンジを拡大し、高S/Nを可能とする光
電変換装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device having a large number of photoelectric conversion elements, and more particularly to a transistor and a MOS switch circuit for reading out charges of the photoelectric conversion elements, which can expand the dynamic range and enable high S / N. And a photoelectric conversion device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、固体撮像装置としては、CCD型
光電変換素子を用いる例が多かったが最近、MOS型光
電変換素子を製品化する動きが出てきている。MOS型
光電変換装置は、CCD型に比較して画質が劣るといわ
れてきたが、雑音を減少して、CCD型よりも低消費電
力で、単一電源で動作させ、受光部と周辺回路とを同じ
MOSプロセスで製造できて集積しやすいというメリッ
トにより、見直されている。ここで、MOS型固体撮像
装置の画質を向上するため、ランダム雑音や固定パター
ン雑音を削減することが可能なってきているが、高S/
Nの画像信号を得るために光電変換素子のダイナミック
レンジを拡大することが求められている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a solid-state imaging device, there have been many examples using a CCD photoelectric conversion element, but recently, there has been a movement to commercialize a MOS photoelectric conversion element. It has been said that the MOS type photoelectric conversion device has inferior image quality as compared with the CCD type, but it reduces noise, operates with a single power supply with lower power consumption than the CCD type, and has a light receiving unit and peripheral circuits. Has been reviewed due to the merit that it can be manufactured in the same MOS process and is easy to integrate. Here, in order to improve the image quality of the MOS solid-state imaging device, it is possible to reduce random noise and fixed pattern noise.
In order to obtain N image signals, it is required to expand the dynamic range of the photoelectric conversion element.

【0003】図5に従来のCMOS型エリアセンサの構
成図を示す。図5は2×2画素の2次元センサの構成図
であるが、画素数はこれに限ったものではない。
FIG. 5 shows a configuration diagram of a conventional CMOS area sensor. FIG. 5 is a configuration diagram of a 2 × 2 pixel two-dimensional sensor, but the number of pixels is not limited to this.

【0004】図5に示すCMOS型エリアセンサの画素
部回路を説明する。画素内にはフォトダイオード90
1、転送スイッチ911、リセットスイッチ902、画
素アンプ903、行選択スイッチ904が設けてあり、
転送スイッチ911のゲートは垂直走査回路910から
のΦTX(n,n+1)に接続され、リセットスイッチ
902のゲートは垂直走査回路910からのΦRES
(n,n+1)に接続され、行選択スイッチ904のゲ
ートは垂直走査回路910からのΦSEL(n,n+
1)に接続されている。
[0004] A pixel circuit of the CMOS area sensor shown in FIG. 5 will be described. A photodiode 90 is provided in the pixel.
1, a transfer switch 911, a reset switch 902, a pixel amplifier 903, and a row selection switch 904 are provided.
The gate of the transfer switch 911 is connected to ΦTX (n, n + 1) from the vertical scanning circuit 910, and the gate of the reset switch 902 is connected to ΦRES from the vertical scanning circuit 910.
(N, n + 1), and the gate of the row selection switch 904 is connected to the ΦSEL (n, n +) from the vertical scanning circuit 910.
1).

【0005】光電変換は該フォトダイオード901でお
こなわれ、光量電荷の蓄積期間中は転送スイッチ911
はオフ状態であり、画素アンプを構成するソースフォロ
ア903のゲートにはこのフォトダイオード901で光
電変換された電荷は転送されない。該画素アンプを構成
するソースフォロア903のゲートは、蓄積開始前に該
リセットスイッチ902がオンし、適当な電圧に初期化
されている。すなわちこれがダークレベルとなる。次に
又は同時に行選択スイッチ904がオンになると、負荷
電流源905と該画素アンプ903で構成されるソース
・フォロワー回路が動作状態になり、ここで該転送スイ
ッチ911をオンさせることで該フォトダイオード90
1に蓄積されていた電荷は、該画素アンプを構成するソ
ースフォロア903のゲートに転送される。
[0005] The photoelectric conversion is performed by the photodiode 901, and the transfer switch 911 during the accumulation period of the light quantity charge.
Is in an off state, and the electric charge photoelectrically converted by the photodiode 901 is not transferred to the gate of the source follower 903 constituting the pixel amplifier. Before the start of accumulation, the reset switch 902 of the gate of the source follower 903 constituting the pixel amplifier is turned on and initialized to an appropriate voltage. That is, this is the dark level. Next or simultaneously, when the row selection switch 904 is turned on, the source / follower circuit composed of the load current source 905 and the pixel amplifier 903 is in an operating state, and the transfer switch 911 is turned on. 90
The charge accumulated in 1 is transferred to the gate of the source follower 903 constituting the pixel amplifier.

【0006】ここで、選択行の出力が垂直出力線906
上に発生する。この出力は転送ゲート909a,909
bを介して、信号蓄積部907に蓄積される。信号蓄積
部907に一時記憶された出力は水平走査回路908に
よって順次出力部V0へ読み出される。
Here, the output of the selected row is the vertical output line 906
Occurs above. This output is transmitted to transfer gates 909a and 909.
The signal is stored in the signal storage unit 907 via b. The output temporarily stored in the signal storage unit 907 is sequentially read out to the output unit V0 by the horizontal scanning circuit 908.

【0007】図6が図5のCMOS型エリアセンサの動
作タイミング図である。全画素リセット期間T1のタイ
ミングで、ΦTX(n),ΦTX(n+1)がアクティ
ブになり、全画素の該フォトダイオード901の電荷
は、該転送スイッチ911を介して該ソースフォロア9
03のゲートに転送され、該フォトダイオード901は
リセットされる。この状態はフォトダイオード901の
カソード電荷がソースフォロア903のゲートに移って
平均化された状態であるが、ソースフォロア903のゲ
ートのキャパシタCFD913成分を大きくすることで、
フォトダイオード901のカソードをリセットしたレベ
ルと同様になる。
FIG. 6 is an operation timing chart of the CMOS area sensor of FIG. At the timing of the all-pixel reset period T1, ΦTX (n) and ΦTX (n + 1) become active, and the charges of the photodiodes 901 of all the pixels are transferred to the source follower 9 via the transfer switch 911.
03, and the photodiode 901 is reset. This state is a state in which the cathode charge of the photodiode 901 is transferred to the gate of the source follower 903 and is averaged. By increasing the component of the capacitor CFD913 of the gate of the source follower 903,
The level is the same as the level at which the cathode of the photodiode 901 is reset.

【0008】この時、対象画像の光量を導光する不図示
のメカシャッター11は開いており時間T1の終了と同
時に、全画素同時に蓄積を開始する。該メカシャッター
11はT3の期間を開いたままで、この間がフォトダイ
オード901の蓄積期間となる。
At this time, a mechanical shutter 11 (not shown) for guiding the amount of light of the target image is open, and the accumulation of all pixels starts simultaneously with the end of the time T1. The mechanical shutter 11 keeps the period T3 open, and this period is the accumulation period of the photodiode 901.

【0009】T3時間経過後、T4のタイミングでメカ
シャッターは閉じ、該フォトダイオード901の光電荷
の蓄積が終了する。この状態では該フォトダイオード9
01に電荷が蓄積されている。次に各ライン毎に読み出
しがスタートする。すなわち、N−1行目を読み出して
からN行目を読み出す。
After the elapse of the time T3, the mechanical shutter closes at the timing of T4, and the accumulation of the photoelectric charge of the photodiode 901 ends. In this state, the photodiode 9
01 stores electric charge. Next, reading starts for each line. In other words, the N-th row is read after the (N-1) -th row is read.

【0010】時間T5の期間ΦSEL(n)がアクティ
ブになり該行選択スイッチ904がオンし、n行目につ
ながっている全ての画素の該画素アンプ903で構成さ
れるソース・フォロワー回路が動作状態になる。ここ
で、該画素アンプ903で構成されるソース・フォロワ
ーのゲートはT2期間でΦRES(n)がアクティブに
なり、リセットスイッチ902がオンとなり、該ソース
フォロア903のゲートは初期化される。すなわち、該
垂直出力線906にはこのダークレベルの信号が出力さ
れる。
During the period of time T5, ΦSEL (n) is activated, the row selection switch 904 is turned on, and the source / follower circuit composed of the pixel amplifiers 903 of all the pixels connected to the n-th row operates. become. Here, in the gate of the source / follower constituted by the pixel amplifier 903, ΦRES (n) becomes active in the period T2, the reset switch 902 is turned on, and the gate of the source follower 903 is initialized. That is, this dark level signal is output to the vertical output line 906.

【0011】次にΦTN(n)がアクティブになり、転
送ゲート909bがオンし、該信号蓄積部907に保持
される。この動作は、N行につながっている全ての画素
に対して同時並列に実行される。ダークレベルの該信号
蓄積部907の転送が終了した時点で、該ホトダイオー
ド901に蓄積されていた信号電荷をΦTX(n)をア
クティブとすることで、転送スイッチ911をオンと
し、該画素アンプ903で構成されるソース・フォロワ
ーのゲートに転送する。この時、該画素アンプ903で
構成されるソース・フォロワーのゲートは転送されてき
た信号電荷に見合う分だけリセットレベルから電位が変
動し信号レベルが確定する。
Next, ΦTN (n) becomes active, the transfer gate 909b turns on, and the signal is stored in the signal storage unit 907. This operation is performed simultaneously and in parallel for all the pixels connected to the N rows. When the transfer of the dark-level signal to the signal storage unit 907 is completed, the signal charge stored in the photodiode 901 is activated by ΦTX (n), so that the transfer switch 911 is turned on. Forward to configured source follower gate. At this time, the potential of the gate of the source / follower constituted by the pixel amplifier 903 fluctuates from the reset level by an amount corresponding to the transferred signal charge, and the signal level is determined.

【0012】ここで、ΦTSがアクティブになり、転送
ゲート909aがオンし、信号レベルが該信号蓄積部9
07に保持される。この動作は、N行につながっている
全ての画素に対して同時並列に実行される。ここで該信
号蓄積部907には、N行につながっている全ての画素
のダークレベルと信号レベルを保持しており、各画素間
でのダークレベルと信号レベルの差をとることでソース
・フォロワーのスレシホールド電圧Vthバラツキによ
る固定パターンノイズ(FPN)や該リセットスイッチ
902がリセット時に発生するKTCノイズをキャンセ
ルし、S/Nの高いノイズ成分を除去された信号が得ら
れる。
Here, .phi.TS becomes active, the transfer gate 909a is turned on, and the signal level becomes
07. This operation is performed simultaneously and in parallel for all the pixels connected to the N rows. Here, the signal accumulation unit 907 holds the dark level and the signal level of all the pixels connected to the N rows, and obtains the difference between the dark level and the signal level between each pixel to obtain the source / follower. Of the fixed pattern noise (FPN) due to the variation of the threshold voltage Vth and the KTC noise generated when the reset switch 902 is reset, and a signal from which a noise component having a high S / N is removed can be obtained.

【0013】この信号を該水平走査回路908によっ
て、該信号蓄積部907に蓄積されたダークレベルと信
号レベルの差信号を水平走査し、時系列的に、T7のタ
イミングで出力される。これでN行の出力は終了であ
る。同様に、ΦSEL(n+1),ΦRES(n+
1),ΦTX(n+1),ΦTN,ΦTSを図5に示す
様にN行目と同様に駆動することで、N+1行目の信号
を読み出すことができる。
This signal is horizontally scanned by the horizontal scanning circuit 908 with the difference signal between the dark level and the signal level accumulated in the signal accumulation section 907, and is output in a time series at the timing of T7. This completes the output of the Nth row. Similarly, ΦSEL (n + 1), ΦRES (n +
By driving 1), .PHI.TX (n + 1), .PHI.TN, and .PHI.TS in the same manner as in the N-th row as shown in FIG. 5, the signal in the N + 1-th row can be read.

【0014】上記従来例では、ダークレベルと信号レベ
ルの差を出力とする為、高S/N化が実現でき、高画質
の画像信号を得ることができる。また本実施形態の固体
撮像素子はCMOSコンパチブルなプロセスで実現でき
る為、周辺回路とのワンチップ化が可能であるため、低
コスト化、高機能化が実現できる。
In the above conventional example, since the difference between the dark level and the signal level is output, a high S / N ratio can be realized, and a high quality image signal can be obtained. In addition, since the solid-state imaging device according to the present embodiment can be realized by a CMOS-compatible process, it can be integrated with peripheral circuits on a single chip, so that cost reduction and high functionality can be realized.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ノイズ
成分が削減されたとしても、画像読み出しのダイナミッ
クレンジが小さければ、実質的に高S/Nを得ることは
できない。
However, even if the noise component is reduced, a substantially high S / N cannot be obtained if the dynamic range of image reading is small.

【0016】ここで、画像読み出しのダイナミックレン
ジについて考察すると、図7に示すグラフから、 Vmax=VG(RES)−Vth(RES) ……(1) (ただし、VG(RES)はリセットスイッチのゲート電位、
Vth(RES)はリセットスイッチのしきい値である)であ
り、リセットスイッチRESのゲート電位ΦRES
(n)からゲート・ソースのスレシホールドの差とな
り、 Vmin=VG(TX)−Vth(TX) ……(2) (ただし、VG(TX)は転送スイッチのゲート電位、Vth
(TX)は転送スイッチのしきい値である)であり、転送ス
イッチTXのゲート電位ΦTX(n)からゲート・ソー
スのスレシホールドの差となり、画像読み出しのダイナ
ミックレンジDyは、 Dy(gate)=Vmax−Vmin=VG(RES)−VG(TX)+Vth(TX)−Vth(RES) …(3 ) となる。このダイナミックレンジDyの式(3)中、Vt
h(TX)−Vth(RES)は、製造上のばらつきがあり、ダイナ
ミックレンジDyの安定性をすこぶるあやふやとしてし
まう。
Here, considering the dynamic range of image reading, from the graph shown in FIG. 7, Vmax = VG (RES) -Vth (RES) (1) (where VG (RES) is the gate of the reset switch) potential,
Vth (RES) is the threshold value of the reset switch), and the gate potential ΦRES of the reset switch RES.
From (n), the difference between the threshold of the gate and the source is obtained. Vmin = VG (TX) −Vth (TX) (2) (where VG (TX) is the gate potential of the transfer switch, Vth
(TX) is the threshold value of the transfer switch), which is the difference between the gate potential ΦTX (n) of the transfer switch TX and the threshold value of the gate and source, and the dynamic range Dy for image reading is Dy (gate) = Vmax-Vmin = VG (RES) -VG (TX) + Vth (TX) -Vth (RES) (3) In equation (3) of this dynamic range Dy, Vt
h (TX) -Vth (RES) has a variation in manufacturing, and makes the stability of the dynamic range Dy extremely fuzzy.

【0017】次に、画素部のMOSトランジスタのしき
い値について考察してみると、これらのMOSトランジ
スタを単一しきい値で構成した場合、特に選択スイッチ
のスイッチング特性の安定性を確保するために、ある程
度高いしきい値に設定することが必要である。しかし、
リセットスイッチのしきい値Vth(RES)は、低く設定し
たほうがダイナミックレンジの確保という点で有利であ
る。なぜなら、(1)式で設定されるリセット電位Vma
xが高くなり、ソースフォロワ回路の線形領域を最大限
に利用することが可能になるからである。したがって、
単一のしきい値設定ではダイナミックレンジに制約が発
生してしまう。
Next, considering the threshold value of the MOS transistor in the pixel portion, when these MOS transistors are constituted by a single threshold value, in particular, in order to secure the stability of the switching characteristics of the selection switch. In addition, it is necessary to set the threshold value to some extent. But,
Setting the threshold value Vth (RES) of the reset switch low is advantageous in that the dynamic range is ensured. This is because the reset potential Vma set by the equation (1)
This is because x increases, and the linear region of the source follower circuit can be used to the maximum. Therefore,
With a single threshold setting, the dynamic range is restricted.

【0018】この点を改善する方法として、リセットス
イッチのしきい値を他のMOSトランジスタのしきい値
より低く設定する方法が提案されている。しかしこの場
合、転送スイッチとリセットスイッチのしきい値が異な
り、製造プロセスによるしきい値の変動が両者で独立に
ばらつくため、結果的に(3)式で示したダイナミック
レンジDyがばらつくという問題が発生していた。
As a method for improving this point, a method has been proposed in which the threshold value of the reset switch is set lower than the threshold values of other MOS transistors. However, in this case, the threshold of the transfer switch is different from the threshold of the reset switch, and the fluctuation of the threshold due to the manufacturing process varies independently of each other. As a result, the dynamic range Dy represented by the equation (3) varies. Had occurred.

【0019】本発明は、異常の問題点に鑑みて、ダイナ
ミックレンジの拡大と、製造プロセスによるバラツキの
低減を共に実現することを目的としている。さらに、光
電変換素子のリセットを完全に行うことをさらなる目的
としている。
An object of the present invention is to realize both the expansion of the dynamic range and the reduction of variations due to the manufacturing process in view of the problem of abnormalities. Still another object is to completely reset the photoelectric conversion element.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的達成
のため、光電変換素子と、前記光電変換素子に発生した
信号電荷を転送する転送スイッチ手段と、転送された信
号電荷をゲートで受けて読み出す読み出し回路と、該読
み出し回路のゲートをリセットするリセットスイッチ手
段と、を有する光電変換装置において、前記転送スイッ
チ手段と前記リセットスイッチ手段の各しきい値が等し
く、前記転送スイッチ手段と前記リセットスイッチ手段
の各しきい値が前記読み出し回路の電界効果トランジス
タのしきい値と異なることを特徴とする光電変換装置を
提供するものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides a photoelectric conversion element, transfer switch means for transferring signal charges generated in the photoelectric conversion element, and a gate for receiving the transferred signal charges at a gate. And a reset switch for resetting a gate of the read circuit, wherein the transfer switch and the reset switch have equal thresholds, and the transfer switch and the reset are reset. It is another object of the present invention to provide a photoelectric conversion device, wherein each threshold value of the switch means is different from the threshold value of the field effect transistor of the readout circuit.

【0021】また、本発明は、光電変換素子と、前記光
電変換素子に発生した信号電荷を転送する転送スイッチ
と、該転送スイッチから信号電荷を受けるゲート領域お
よび該ゲートに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み
出すためのソース・ドレインを含む電界効果トランジス
タと、前記電界効果トランジスタに電源を供給する電源
供給手段と、前記電界効果トランジスタと前記電源供給
手段の間に接続された選択スイッチ手段と前記ゲート領
域をリセットするリセット手段とからなる画素セルを複
数配列して成る光電変換装置において、前記選択スイッ
チ手段、および前記リセットスイッチ手段が電界効果ト
ランジスタから成り、それぞれのしきい値が互いに異な
ることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a photoelectric conversion element, a transfer switch for transferring a signal charge generated in the photoelectric conversion element, a gate region receiving the signal charge from the transfer switch, and a signal charge stored in the gate. A field effect transistor including a source and a drain for reading a corresponding signal, power supply means for supplying power to the field effect transistor, and selection switch means connected between the field effect transistor and the power supply means. In a photoelectric conversion device in which a plurality of pixel cells each including a reset unit for resetting the gate region are arranged, the selection switch unit and the reset switch unit include a field effect transistor, and respective threshold values are different from each other. It is characterized by.

【0022】さらに、本発明は、光電変換素子と、前記
光電変換素子に発生した信号電荷を転送する転送スイッ
チと、該転送スイッチから信号電荷を受けるゲート領域
および該ゲートに蓄積された信号電荷に応じた信号を読
み出すためのソース・ドレイン路を含む電界効果トラン
ジスタと、前記電界効果トランジスタに電源を供給する
電源供給手段と、前記ゲート領域をリセットするリセッ
トスイッチとからなる画素セルを複数配列して成る光電
変換装置において、前記電界効果トランジスタと、前記
リセットスイッチ及び前記転送スイッチとが異なるしき
い値を有し、前記電界効果トランジスタのしきい値が大
きいことを特徴とする。
Further, the present invention provides a photoelectric conversion element, a transfer switch for transferring a signal charge generated in the photoelectric conversion element, a gate region receiving the signal charge from the transfer switch, and a signal charge stored in the gate. A plurality of pixel cells each including a field effect transistor including a source / drain path for reading a corresponding signal, power supply means for supplying power to the field effect transistor, and a reset switch for resetting the gate region are arranged. In the photoelectric conversion device, the field effect transistor, the reset switch, and the transfer switch have different threshold values, and the threshold value of the field effect transistor is large.

【0023】[0023]

【発明の実施の態様】本発明による実施の形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下に説明する
光電変換装置の全体構成は、図5に示すような構成であ
り、各光電変換装置の個々について、詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The overall configuration of the photoelectric conversion device described below has a configuration as illustrated in FIG. 5, and each of the photoelectric conversion devices will be described in detail.

【0024】[第1の実施形態]図1に本発明の実施形
態の光電変換装置の断面図を示す。図において、1は半
導体基板であり、同図ではP型半導体の例を示してい
る。2は半導体基板1の上にゲート酸化膜を介して形成
されたゲート電極であり、たとえばポリシリコンやポリ
サイドなどで形成される。3,3’は半導体基板1中に
イオン注入などにより形成された半導体基板1とは反対
導電型のソース電極、およびドレイン電極であり、以上
により電界効果トランジスタが構成される。また、4,
4’はMOS型電解効果トランジスタのドレイン/ソー
ス間のチャネル領域であり、5,5’はゲート電極と半
導体基板間の絶縁酸化膜層である。
[First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view of a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention. In the drawing, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate, and the drawing shows an example of a P-type semiconductor. Reference numeral 2 denotes a gate electrode formed on the semiconductor substrate 1 via a gate oxide film, and is formed of, for example, polysilicon or polycide. Reference numerals 3 and 3 'denote a source electrode and a drain electrode of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate 1 formed in the semiconductor substrate 1 by ion implantation or the like. Also, 4,
4 'is a channel region between the drain and source of the MOS field effect transistor, and 5 and 5' are insulating oxide layers between the gate electrode and the semiconductor substrate.

【0025】ここで、トランジスタのチャネル領域に形
成するチャネルドープ層4の濃度を調整することで、個
々のトランジスタのしきい値電圧を容易に異ならせるこ
とができる。即ち、1回目のチャネルドープにより全て
のトランジスタのチャネル領域にチャネルドープ層4を
形成し、2回目のチャネルドープにより所望のトランジ
スタのチャネル領域のみにさらにチャネルドープを行う
ことで、濃度の異なるチャネルドープ層4’を形成する
ことができる。たとえば、図1の例でチャネルドープ層
4として2回目のN型のイオン種をドープすればドープ
しないものに比べしきい値電圧を下げることができ、逆
にP型のイオン種をドープすればしきい値電圧をあげる
ことができる。その変化量は、2回目のチャネルドープ
層4’の濃度を制御することで、精度良く決めることが
できる。
Here, the threshold voltage of each transistor can be easily varied by adjusting the concentration of the channel dope layer 4 formed in the channel region of the transistor. That is, the channel doping layer 4 is formed in the channel regions of all the transistors by the first channel doping, and the channel doping is further performed only in the channel regions of the desired transistors by the second channel doping, so that the channel doping having different concentrations is performed. Layer 4 'can be formed. For example, in the example of FIG. 1, if the channel dope layer 4 is doped with the second N-type ion species for the second time, the threshold voltage can be reduced as compared with the case where the N-type ion species is not doped. The threshold voltage can be increased. The amount of the change can be accurately determined by controlling the concentration of the second channel doping layer 4 '.

【0026】そこで、転送スイッチとリセットスイッチ
は1回目だけのチャネルドープとし、ソースホロワと選
択スイッチの読み出し系は1回目と2回目のチャネルド
ープを実行した構造とすることで、上述の転送スイッチ
とリセットスイッチのしきい値電圧を決定する工程が同
一となるため、上述の転送スイッチとリセットスイッチ
のしきい値Vth(TX),Vth(RES)との製造ばらつきの
量、及び方向が等しくなり、式(3)中Vth(TX)−Vth
(RES)の値が安定化して、ダイナミックレンジそのもの
が安定する。
Therefore, the transfer switch and the reset switch have the first channel doping, and the readout system of the source follower and the selection switch has a structure in which the first and second channel dopings are performed. Since the process of determining the threshold voltage of the switch is the same, the amount and direction of the manufacturing variation between the threshold values Vth (TX) and Vth (RES) of the transfer switch and the reset switch are equal, and (3) Medium Vth (TX) -Vth
The value of (RES) is stabilized, and the dynamic range itself is stabilized.

【0027】また、転送スイッチとリセットスイッチの
チャネルドープが少ないことから、ソースホロワと選択
スイッチのしきい値が転送スイッチとリセットスイッチ
のしきい値よりも大きくなり、式(1)のリセット電圧
が高くなることから、この点もダイナミックレンジの拡
大を達成できる。
Further, since the channel doping of the transfer switch and the reset switch is small, the thresholds of the source follower and the selection switch become larger than the thresholds of the transfer switch and the reset switch, and the reset voltage of the equation (1) becomes high. Therefore, this point can also achieve the expansion of the dynamic range.

【0028】上記実施形態では、チャネルドープの注入
回数を、転送スイッチとリセットスイッチに対してソー
スホロワと選択スイッチの場合を多くした例を示した
が、各スイッチのMOSトランジスタのゲート幅とゲー
ト長とを区別して設けてもよい。即ち、狭チャネル効果
及び/又は短チャネル効果により、MOSトランジスタ
のゲート幅を小さくすれば、そのしきい値が大きくな
り、チャネル長を小さくすれば、そのしきい値が小さく
なるので、式(5)及び式(6)を満足するように、選
択スイッチのチャネル幅をリセットスイッチのチャネル
幅より小さくし、且つソースホロワのチャネル幅より小
さくする。または、選択スイッチのチャネル長をリセッ
トスイッチのチャネル長より大きくし、且つソースホロ
ワのチャネル長より大きくすることにより、線形の動作
範囲を大きくすることができる。この点は、上述のチャ
ネルドープの注入回数に差を設ける場合と共に設定する
ことで、ダイナミックレンジの拡大が望まれる。
In the above embodiment, the number of times of channel doping is increased in the case of the source follower and the selection switch with respect to the transfer switch and the reset switch. However, the gate width and the gate length of the MOS transistor of each switch are described. May be provided separately. That is, if the gate width of a MOS transistor is reduced due to the narrow channel effect and / or the short channel effect, the threshold value is increased, and if the channel length is reduced, the threshold value is reduced. ) And Expression (6), the channel width of the selection switch is made smaller than the channel width of the reset switch and smaller than the channel width of the source follower. Alternatively, by setting the channel length of the selection switch larger than the channel length of the reset switch and larger than the channel length of the source follower, the linear operation range can be increased. It is desired that the dynamic range be expanded by setting this point together with the case where a difference is provided in the number of times of channel doping described above.

【0029】また、上記の2つの例の他に、転送スイッ
チとリセットスイッチのゲート酸化膜5に対して、ソー
ス・フォロワと選択スイッチ(読み出し回路)のゲート
酸化膜5’を厚くするという手法をとってもよい。さら
に、これらの手法の複数を同時に採用することで、ダイ
ナミックレンジの拡大及び安定化の効果を更に高めるこ
とが可能である。
In addition to the above two examples, a method of increasing the thickness of the gate oxide film 5 'of the source follower and the selection switch (readout circuit) with respect to the gate oxide film 5 of the transfer switch and the reset switch. You may take it. Furthermore, by simultaneously employing a plurality of these methods, it is possible to further enhance the effect of expanding and stabilizing the dynamic range.

【0030】[第2の実施形態]本発明の第2の実施形
態では、図5に示した選択スイッチを設けない場合につ
いて説明する。その光電変換素子の回路構成図を図2に
示す。図2はフォトダイオード901に蓄積された光電
荷は転送スイッチ911によりソースホロワ903のゲ
ートに供給され、選択パルスΦSELのハイと共にソー
スホロワ903が活性化され、電流源905の負荷によ
り、垂直出力線906に読み出されて、ΦTSのハイに
より信号蓄積部907にフォトダイオード901の光電
荷に応じた光電荷が蓄積される。一方、ソースホロワ9
03のゲートのリセットには、転送スイッチ911のオ
ンの前に、ΦRESをハイとすることでハイレベルにリ
セットされ、その直後選択パルスΦSELのハイと共に
ソースホロワ903を活性化して垂直出力線906を介
して転送ゲート909bをオンして信号蓄積部907に
ノイズ成分を蓄積する。
[Second Embodiment] In a second embodiment of the present invention, a case where the selection switch shown in FIG. 5 is not provided will be described. FIG. 2 shows a circuit configuration diagram of the photoelectric conversion element. FIG. 2 shows that the photocharge accumulated in the photodiode 901 is supplied to the gate of the source follower 903 by the transfer switch 911, the source follower 903 is activated together with the selection pulse ΦSEL being high, and the vertical output line 906 is supplied by the load of the current source 905. The signal is read out, and a photocharge corresponding to the photocharge of the photodiode 901 is stored in the signal storage unit 907 when ΦTS is high. On the other hand, source follower 9
In resetting the gate of 03, by turning ΦRES high before turning on the transfer switch 911, the gate is reset to a high level. Immediately after that, the source follower 903 is activated together with the high level of the selection pulse ΦSEL, and the vertical line Then, the transfer gate 909b is turned on to accumulate a noise component in the signal accumulation unit 907.

【0031】かかる構成の光電変換素子の構成で、選択
スイッチがないために、ソースホロワ903が線形動作
する範囲の上限がなくなる。従って、リセット電位を高
く設定することにより、自ずとソースホロワ903の線
形動作する範囲を広げることができる。さらに、リセッ
ト電位VG(SF)はリセットスイッチ902のしきい値を
低くすることで、リセットゲート電位VG(RST)−Vth(R
ST)=VG(SF)であることからリセット電位VG(SF)を上
げることができる。
In the configuration of the photoelectric conversion element having such a configuration, since there is no selection switch, the upper limit of the range in which the source follower 903 operates linearly is eliminated. Therefore, by setting the reset potential high, the range in which the source follower 903 operates linearly can be naturally increased. Further, the reset potential VG (SF) is reduced by lowering the threshold value of the reset switch 902 so that the reset gate potential VG (RST) −Vth (R
Since ST) = VG (SF), the reset potential VG (SF) can be increased.

【0032】一方、ソースホロワ903のMOSトラン
ジスタのしきい値Vth(SF)は、バラツキなく安定化する
ため、あまり低くはできない。従って、 Vth(SF) > Vth(RES) ……(4) とすることが条件となる。
On the other hand, the threshold value Vth (SF) of the MOS transistor of the source follower 903 cannot be reduced very much because it is stabilized without variation. Therefore, the condition is Vth (SF)> Vth (RES) (4).

【0033】この条件は、図1を参照しつつ第1の実施
形態で説明したように、リセットスイッチのチャネルド
ープが少ないことから、ソースホロワとのしきい値がリ
セットスイッチのしきい値よりも大きくなり、且つ式
(4)を満足することから、ダイナミックレンジの拡大
を達成できるとともに、製造上のバラツキをも小さくす
ることができる。
As described in the first embodiment with reference to FIG. 1, since the channel doping of the reset switch is small, the threshold value with the source follower is larger than the threshold value of the reset switch. In addition, since Expression (4) is satisfied, it is possible to achieve an increase in the dynamic range and reduce variations in manufacturing.

【0034】[第3の実施形態]本発明の第3の実施形
態について、図3を参照しつつ説明する。図3は図5に
示す光電変換装置の1画素の平面図である。光電変換装
置は、開口を広くするフォトダイオード901と、その
光電荷を転送する転送スイッチ911と、フローティン
グ拡散部を有するソースホロワ903と、フローティン
グ拡散部をリセットするリセットスイッチ902と、ソ
ースホロワ903のドレインに接続された選択スイッチ
904とから構成され、電源線VDDと垂直出力線90
6とが形成されている。
Third Embodiment A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a plan view of one pixel of the photoelectric conversion device shown in FIG. The photoelectric conversion device includes a photodiode 901 having a wide opening, a transfer switch 911 for transferring the photoelectric charge, a source follower 903 having a floating diffusion portion, a reset switch 902 for resetting the floating diffusion portion, and a drain of the source follower 903. And a power supply line VDD and a vertical output line 90.
6 are formed.

【0035】かかる構成の製造時に、第1回目のチャネ
ルドープの際、全面的にチャネルドープを行い、次に第
2回目のチャネルドープの際、フォトダイオード901
と転送スイッチ911とリセットスイッチ902とを、
図の点線枠のCD2のインプラ時のレジストで示すよう
に、レジストで覆い、チャネルドープのイオン注入を行
う。
At the time of manufacturing such a configuration, channel doping is performed entirely during the first channel doping, and then the photodiode 901 is performed during the second channel doping.
And the transfer switch 911 and the reset switch 902,
As shown by the resist at the time of implantation of CD2 in the dotted frame in the figure, the resist is covered and channel-doped ion implantation is performed.

【0036】またここで、平面図的には、ゲート長は転
送スイッチ911とリセットスイッチ902とで短くし
ておき、ソースホロワ903と選択スイッチ904とで
長くしている。このことから、選択スイッチ904のチ
ャネル長をリセットスイッチ902のチャネル長より大
きくし、且つソースホロワ903のチャネル長より大き
くすることにより、線形の動作範囲を大きくすることが
できる。
Here, in plan view, the gate length is made shorter by the transfer switch 911 and the reset switch 902, and made longer by the source follower 903 and the selection switch 904. Thus, by setting the channel length of the selection switch 904 larger than the channel length of the reset switch 902 and larger than the channel length of the source follower 903, the linear operation range can be increased.

【0037】図4には、図3を更に具体的に表した平面
図を示している。図によれば、転送スイッチ911のチ
ャネル長を0.6μmとし、フローティング拡散部をリ
セットするリセットスイッチ902のチャネル長を0.
6μmとし、ソースホロワ903のチャネル長を1.0
μmとし、選択スイッチ904のチャネル長を1.0μ
mとしている。
FIG. 4 is a plan view more specifically showing FIG. According to the drawing, the channel length of the transfer switch 911 is set to 0.6 μm, and the channel length of the reset switch 902 for resetting the floating diffusion portion is set to 0.
6 μm, and the channel length of the source follower 903 is 1.0
μm, and the channel length of the selection switch 904 is set to 1.0 μm.
m.

【0038】これにより、ソースホロワのダイナミック
レンジを広げると共に、製造段階のバラツキによるダイ
ナミックレンジの変動を小さくすることができる。
As a result, the dynamic range of the source follower can be expanded, and the fluctuation of the dynamic range due to the variation in the manufacturing stage can be reduced.

【0039】上記実施形態による光電変換装置は光電変
換素子はフォトダイオードの構造を有するけれども、製
造上はCMOSプロセスにより走査回路のシフトレジス
タ等とともに形成できるので、いわゆるCMOSセンサ
として上記特性を向上して汎用的に使用できる。
Although the photoelectric conversion device according to the above-described embodiment has a photoelectric conversion element having a photodiode structure, it can be formed together with a shift register of a scanning circuit by a CMOS process in manufacturing. Can be used for general purposes.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光電変換装置のダイナミックレンジを広げると共に、製
造段階のバラツキを極力抑えることができる。また、ソ
ースホロワの線形動作範囲を広げると共に、その製造上
のバラツキを小さくすることができる。
As described above, according to the present invention,
The dynamic range of the photoelectric conversion device can be expanded, and variations in the manufacturing stage can be suppressed as much as possible. In addition, the linear operation range of the source follower can be widened, and the variation in its manufacture can be reduced.

【0041】とくに、近年のCMOS型の光電変換装置
が、デジタルスチルカメラやビデオカムコーダーなど
の、より高精細(多画素)、低消費電力(低電圧)が要
求される用途へと拡大していく際に、高精細化(多画素
化)による駆動ダイナミックレンジの拡大、線形動作範
囲の拡大、低消費電力化(低電圧化)が望まれている場
合に、トータル的にダイナミックレンジを広げ、高S/
Nの画像信号を得ることができる。
In particular, CMOS type photoelectric conversion devices in recent years are expanding to applications requiring higher definition (multiple pixels) and lower power consumption (low voltage), such as digital still cameras and video camcorders. In such a case, if it is desired to expand the drive dynamic range by increasing the definition (multiple pixels), expand the linear operation range, and reduce the power consumption (lower voltage), the dynamic range is increased as a whole. S /
N image signals can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光電変換装置の模式説明図である。FIG. 1 is a schematic explanatory view of a photoelectric conversion device of the present invention.

【図2】本発明の固体撮像装置の模式回路図である。FIG. 2 is a schematic circuit diagram of a solid-state imaging device according to the present invention.

【図3】本発明による光電変換装置の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a photoelectric conversion device according to the present invention.

【図4】本発明による光電変換装置の具体的平面図であ
る。
FIG. 4 is a specific plan view of the photoelectric conversion device according to the present invention.

【図5】従来の固体撮像装置の模式回路図である。FIG. 5 is a schematic circuit diagram of a conventional solid-state imaging device.

【図6】従来の固体撮像装置の動作タイミングチャート
である。
FIG. 6 is an operation timing chart of a conventional solid-state imaging device.

【図7】固体撮像装置の動作説明図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of the solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 ゲート電極 3 ソース/ドレイン電極 4 チャネルドープ部 901 フォトダイオード 902 リセットスイッチ 903 ソースホロワ 905 電流源 906 垂直出力線 907 信号蓄積部 908 水平走査回路 910 垂直走査回路 911 転送スイッチ 913 キャパシタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Gate electrode 3 Source / drain electrode 4 Channel doping part 901 Photodiode 902 Reset switch 903 Source follower 905 Current source 906 Vertical output line 907 Signal storage part 908 Horizontal scanning circuit 910 Vertical scanning circuit 911 Transfer switch 913 Capacitor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小泉 徹 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 小川 勝久 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 桜井 克仁 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 須川 成利 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tohru Koizumi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Katsuhisa 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon (72) Inventor Katsuhito Sakurai 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Narutoshi Sugawa 3-30-2, Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光電変換素子と、前記光電変換素子に発
生した信号電荷を転送する転送スイッチ手段と、転送さ
れた信号電荷をゲートで受けて読み出す読み出し回路
と、該読み出し回路のゲートをリセットするリセットス
イッチ手段と、を有する光電変換装置において、 前記転送スイッチ手段と前記リセットスイッチ手段の各
しきい値が等しく、前記転送スイッチ手段と前記リセッ
トスイッチ手段の各しきい値が前記読み出し回路の電界
効果トランジスタのしきい値と異なることを特徴とする
光電変換装置。
1. A photoelectric conversion element, transfer switch means for transferring a signal charge generated in the photoelectric conversion element, a read circuit for receiving and reading the transferred signal charge at a gate, and resetting a gate of the read circuit. A reset switch means, wherein each threshold value of the transfer switch means and the reset switch means is equal, and each threshold value of the transfer switch means and the reset switch means is the electric field effect of the read circuit. A photoelectric conversion device, which is different from a threshold value of a transistor.
【請求項2】 前記読み出し回路は、前記転送スイッチ
を介してソースホロワ型で増幅するソースホロワと、前
記ソースホロワにシリーズに接続されて活性化する選択
スイッチとからなることを特徴とする請求項1に記載の
光電変換装置。
2. The read-out circuit according to claim 1, wherein the read-out circuit includes a source follower that amplifies in a source follower type via the transfer switch, and a selection switch that is connected to the source follower in series and activated. Photoelectric conversion device.
【請求項3】 前記読み出し回路および前記リセットス
イッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞれ
のトランジスタのチャネル領域の不純物濃度が互いに異
なることをを特徴とする請求項1に記載の光電変換装
置。
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means are comprised of field effect transistors, and the respective transistor regions have different impurity concentrations in channel regions.
【請求項4】 前記転送スイッチ手段と、前記リセット
スイッチ手段と、前記読み出し回路には第1回目のチャ
ネルドープを行い、前記読み出し回路には更に第2回目
のチャネルドープを行うことを特徴とする請求項3に記
載の光電変換装置。
4. The transfer switch means, the reset switch means, and the readout circuit are subjected to a first channel doping, and the readout circuit is further subjected to a second channel doping. The photoelectric conversion device according to claim 3.
【請求項5】 前記読み出し回路、および前記リセット
スイッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞ
れのトランジスタのウエル領域の不純物濃度が互いに異
なることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means comprise field effect transistors, and the well regions of each transistor have different impurity concentrations.
【請求項6】 前記読み出し回路、および前記リセット
スイッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞ
れのトランジスタのゲートのチャネル長が互いに異なる
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
6. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means are composed of field effect transistors, and the gate lengths of the respective transistors are different from each other.
【請求項7】 前記読み出し回路、および前記リセット
スイッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞ
れのトランジスタのゲートのチャネル幅が互いに異なる
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
7. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means comprise field effect transistors, and the gate widths of the respective transistors are different from each other.
【請求項8】 前記読み出し回路、および前記リセット
スイッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞ
れのトランジスタのゲートのチャネル長及びチャネル幅
が互いに異なることを特徴とする請求項1に記載の光電
変換装置。
8. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means comprise field effect transistors, and the gate lengths and channel widths of the respective transistors are different from each other.
【請求項9】 前記読み出し回路、および前記リセット
スイッチ手段が電界効果トランジスタからなり、それぞ
れのトランジスタのゲートの酸化膜の厚さが互いに異な
ることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
9. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said readout circuit and said reset switch means comprise field effect transistors, and the thicknesses of oxide films of gates of respective transistors are different from each other.
【請求項10】 光電変換素子と、前記光電変換素子に
発生した信号電荷を転送する転送スイッチと、該転送ス
イッチから信号電荷を受けるゲート領域および該ゲート
に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すためのソ
ース・ドレインを含む電界効果トランジスタと、前記電
界効果トランジスタに電源を供給する電源供給手段と、
前記電界効果トランジスタと前記電源供給手段の間に接
続された選択スイッチ手段と前記ゲート領域をリセット
するリセット手段とからなる画素セルを複数配列して成
る光電変換装置において、 前記選択スイッチ手段、および前記リセットスイッチ手
段が電界効果トランジスタから成り、それぞれのしきい
値が互いに異なることを特徴とする光電変換装置。
10. A photoelectric conversion element, a transfer switch for transferring a signal charge generated in the photoelectric conversion element, a gate region receiving the signal charge from the transfer switch, and a signal corresponding to the signal charge stored in the gate. A field effect transistor including a source and a drain for reading, and power supply means for supplying power to the field effect transistor;
A photoelectric conversion device comprising a plurality of pixel cells arranged in a plurality of pixel cells each including a selection switch unit connected between the field effect transistor and the power supply unit and a reset unit for resetting the gate region, wherein the selection switch unit; A photoelectric conversion device, wherein the reset switch means comprises a field effect transistor, and respective threshold values are different from each other.
【請求項11】 光電変換素子と、前記光電変換素子に
発生した信号電荷を転送する転送スイッチと、該転送ス
イッチから信号電荷を受けるゲート領域および該ゲート
に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すためのソ
ース・ドレイン路を含む電界効果トランジスタと、前記
電界効果トランジスタに電源を供給する電源供給手段
と、前記ゲート領域をリセットするリセットスイッチと
からなる画素セルを複数配列して成る光電変換装置にお
いて、 前記電界効果トランジスタと、前記リセットスイッチ及
び前記転送スイッチとが異なるしきい値を有し、前記電
界効果トランジスタのしきい値が大きいことを特徴とす
る光電変換装置。
11. A photoelectric conversion element, a transfer switch for transferring a signal charge generated in the photoelectric conversion element, a gate region receiving the signal charge from the transfer switch, and a signal corresponding to the signal charge stored in the gate. A photoelectric conversion device in which a plurality of pixel cells including a field effect transistor including a source / drain path for reading, power supply means for supplying power to the field effect transistor, and a reset switch for resetting the gate region are arranged. 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the field effect transistor, the reset switch, and the transfer switch have different threshold values, and the threshold value of the field effect transistor is large.
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