JPS59117377A - Solid-state image pickup element - Google Patents

Solid-state image pickup element

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Publication number
JPS59117377A
JPS59117377A JP57226157A JP22615782A JPS59117377A JP S59117377 A JPS59117377 A JP S59117377A JP 57226157 A JP57226157 A JP 57226157A JP 22615782 A JP22615782 A JP 22615782A JP S59117377 A JPS59117377 A JP S59117377A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mos
vertical
transistor
gate
photoconductive film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP57226157A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiki Suzuki
鈴木 敏樹
Toshio Miyazawa
敏夫 宮沢
Shigeki Nishizawa
西沢 重喜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP57226157A priority Critical patent/JPS59117377A/en
Publication of JPS59117377A publication Critical patent/JPS59117377A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve the dynamic range and the sensitivity by connecting a photoconductive film to a gate of a vertical switch MOS transistor (TR) and providing an MOS TR resetting a voltage of the former MOS TR. CONSTITUTION:A transparent electrode 13 and a photoconductive film 14 are conected in series with a gate section of the vertical MOS TR3 constituting each picture element 4 and an MOS TR16 is connected. Further, an MOS TR17 reading a signal charge outputted from the picture element 4 to a vertical signal line 290a corresponding to an output pulse of a vertical shift register 6 is connected to a drain section of the MOS TR3. When a vertical gate line 6a is at H level and a horizontal switch MOS TR9 is at H level, a saturated current flows from a video bias 7 via a load resistor 8 by positive holes stored on the photoconductive film 14 and a signal is detected at a point A.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の利用分野〕 本発明は固体撮像素子に係わり、特に入射光の強弱によ
って発生するフォトダイオードのダイナミックレンジ幅
を拡大させたフォトダイオード方式MO8形固体撮像素
子に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a solid-state image sensor, and particularly to a photodiode-type MO8 type solid-state image sensor that expands the dynamic range of the photodiode generated by the intensity of incident light. It is.

〔従来技術〕[Prior art]

第1図は従来より用いられているMOS 形固体掃像素
子の一例を説明するだめの要部回路構成図である。同図
において、固体撮像素子1は、フォトダイオード2と垂
直スイッチMO8)ランジスタ3とによって構成される
画素4が行および列方向に複数配列されており、水平シ
フトレジスタ5および垂直シフトレジスタ6によって選
択された画素にビデオバイアスTがら負荷抵抗8.水平
スイッチMO8)ランジスタ9を通して充電電流が流れ
、負荷抵抗8による電圧降下分を光信号として検出し、
コンデンサ1oを介してビデオアンプ11で増幅され、
出力端子12がら信号電流が出力される。
FIG. 1 is a circuit diagram of a main part of an example of a conventionally used MOS type solid-state imaging device. In the figure, a solid-state image sensor 1 has a plurality of pixels 4 arranged in the row and column directions, each composed of a photodiode 2 and a vertical switch MO8) transistor 3, selected by a horizontal shift register 5 and a vertical shift register 6. Load resistor 8. A charging current flows through the horizontal switch MO8) transistor 9, and the voltage drop due to the load resistor 8 is detected as an optical signal.
Amplified by video amplifier 11 via capacitor 1o,
A signal current is output from the output terminal 12.

第2図は第1図の基本構成?もつ固体撮像素子上に光導
電iを用いた固体撮像素子の断面構造を示す図である。
Is Figure 2 the basic configuration of Figure 1? 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a solid-state image sensor using photoconductive i on a solid-state image sensor.

同図において、P形シリコン基板21上KU、’)−ス
(”n+拡散/W)22.ゲート28およびドレイン(
n+拡散層)24がそれぞれ形成されて第1図に示す垂
直スイッチMO8)ランジスタ3に相当する垂直スイッ
チMO8)ランジスタ25が構成され、さらに前記ソー
ス(n+拡散層)22とP形シリコン基板21とで第1
図に示すフォトダイオード2に相当するフォトダイオー
ド26が構成されている。なお、27は画素分離用酸化
膜、28は層間絶縁膜、29は垂直信号線、30はAt
電極、31は光導電膜、32は透明電極でちるOこの場
合、前記MO8トランジスタ25はフォトダイオード2
6に蓄積された信号電荷を垂直信号線29を介して外部
へ読み出すスイッチとして用いられている。
In the same figure, on a P-type silicon substrate 21 KU, ') - source ("n+ diffusion/W) 22. gate 28 and drain (
n+ diffusion layers) 24 are respectively formed to constitute a vertical switch MO8) transistor 25 corresponding to the vertical switch MO8) transistor 3 shown in FIG. 1st
A photodiode 26 corresponding to the photodiode 2 shown in the figure is configured. In addition, 27 is an oxide film for pixel isolation, 28 is an interlayer insulating film, 29 is a vertical signal line, and 30 is an At
31 is a photoconductive film, and 32 is a transparent electrode. In this case, the MO8 transistor 25 is the photodiode 2.
It is used as a switch to read out the signal charges accumulated in the vertical signal line 29 to the outside via the vertical signal line 29.

このように構成された画素において、透明電極32の上
方から外部光りが入射された場合、Al電極30は走査
直後ではビデオバイアス電圧vvが印加されているので
、外部光りの入射光量に対応して光導電膜31内には電
子−正孔対が発生し、透明電極32に印加されている電
圧VTおよびAl−電極30のビデオバイアス電圧■7
の電界(vT>VVの時)により、電子は透明電極32
側へ、正孔はAt電極30側へそれぞれ移動する。この
とき、At電極30はフローティング状態にあるため、
正孔の数により、At電極30の電圧はビデオバイアス
電圧■7よりも高い電位v7′に上昇する。そして、こ
のvv′がフォトダイオード26のp −n接合の耐圧
電位VB  まで上昇すると、フォトダイオード26の
p −n接合はブレークダウンし、正孔をそれ以上貯え
ることができない。
In a pixel configured in this manner, when external light is incident from above the transparent electrode 32, the video bias voltage vv is applied to the Al electrode 30 immediately after scanning, so that the Al electrode 30 will not respond in response to the amount of incident external light. Electron-hole pairs are generated in the photoconductive film 31, and the voltage VT applied to the transparent electrode 32 and the video bias voltage 7 of the Al-electrode 30 are
Due to the electric field (when vT>VV), electrons are transferred to the transparent electrode 32
The holes move toward the At electrode 30 side. At this time, since the At electrode 30 is in a floating state,
Due to the number of holes, the voltage of the At electrode 30 rises to a potential v7' higher than the video bias voltage 7. Then, when this vv' rises to the withstand voltage VB of the p-n junction of the photodiode 26, the p-n junction of the photodiode 26 breaks down and no more holes can be stored.

つまりブレークダウンすると、多大な電流がこのフォト
ダイオード26のp −n +’fR合に流れ、その一
部がドレイン24に対してプルーミングと称される疑似
信号を発生させ、画質を著しく劣化させる。すなわち、
光信号電荷はAt電極30の電位Vv′からフォトダイ
オード26の電位VBまでの電圧変化分に対してのみ得
られ、したがってダイナミックレンジが小さく、感度も
低いという問題があったC1 〔発明の目的〕 したがって本発明は、前述した問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、ダイナミックレ
ンジおよび感度を同時に向上させた固体撮像素子を提供
することにある。
In other words, when breakdown occurs, a large amount of current flows through the p -n +'fR of the photodiode 26, and a portion of it generates a pseudo signal called pluming to the drain 24, significantly degrading the image quality. That is,
The optical signal charge is obtained only for the voltage change from the potential Vv' of the At electrode 30 to the potential VB of the photodiode 26, and therefore the problem with C1 is that the dynamic range is small and the sensitivity is low. [Object of the Invention] Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a solid-state image sensor that simultaneously improves the dynamic range and sensitivity.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

このような目的を達成するために本発明は、光導電膜を
垂直スイッチMO8)ランジスタのゲートに接続すると
ともに、この垂直スイッチMOSトランジスタの電圧を
リセットするMOS)ランジスタを設けることによって
p −n接合耐圧以上に耐圧電位を向上させ、さらに微
少光に対する信号電流の変化分を拡大させたものである
In order to achieve such an object, the present invention connects a photoconductive film to the gate of a vertical switch MOS transistor, and also provides a MOS transistor for resetting the voltage of this vertical switch MOS transistor. The withstand voltage potential is improved to a level higher than the withstand voltage, and the amount of change in signal current with respect to minute light is further expanded.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

次に図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail using the drawings.

第3図は本発明による固体撮像素子に係わる画素部分の
前記第2図に相当する要部断面図であり、第2図と同記
号は同一要素となるのでその説明は省略する。第3図に
おいて、垂直スイッチMOSトランジスタ25のゲート
23には、AL IK不り30が接続されており、ソー
ス22には接続されていない。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a pixel portion of a solid-state image sensing device according to the present invention, which corresponds to FIG. In FIG. 3, an AL IK circuit 30 is connected to the gate 23 of the vertical switch MOS transistor 25, but not connected to the source 22. In FIG.

このような構成において、通常、垂直スイッチMO8)
ランジスタ25のドレイン24とソース22との間に流
れる電流IDは飽和状態では、ここで、βは定数、VG
はゲート電圧、Vthはしきい値電圧である。
In such a configuration, typically the vertical switch MO8)
When the current ID flowing between the drain 24 and the source 22 of the transistor 25 is in a saturated state, β is a constant, and VG
is the gate voltage, and Vth is the threshold voltage.

で衣わされ、VGに依存し、V c >> V t h
のとき、 β ID=   VG”  ・・・・・・・・・(2)とな
る。したがって、外部光りの入射で光導電膜31内に発
生した正孔がAt電極30を介してゲート23に移ルり
し、ゲート23の電圧を上昇させ、その変化分の2乗が
電流の変化として読み出される。したがって微少な外部
光りでも大きな信号変化分として検出することができる
。1だ、画素分割用の酸化膜27の耐圧は約50V以上
あるので、ゲート23の面積を最適設計することにより
、p−n接合方向の耐圧よりもその耐圧を向上させるこ
とができる。
and depends on VG, V c >> V th
When , β ID=VG” (2). Therefore, holes generated in the photoconductive film 31 due to the incidence of external light enter the gate 23 via the At electrode 30. The voltage of the gate 23 is increased, and the square of the change is read out as a change in current.Therefore, even a small amount of external light can be detected as a large signal change.1, for pixel division Since the breakdown voltage of the oxide film 27 is about 50 V or more, by optimally designing the area of the gate 23, the breakdown voltage can be improved more than the breakdown voltage in the pn junction direction.

実際には第4図で示した回路構成にすれば良い。Actually, the circuit configuration shown in FIG. 4 may be used.

ここで第1図と同記号は同一要素となるのでその説明は
省略する0すなわち、第4図において、各画素4を構成
する垂直スイッチMO8)ランジスタ3のゲート部には
、前述したように透明電極13と光導電膜14が直列接
続され、また、この垂直スイッチMO8)ランジスタ3
のゲート部には、垂直シフトレジスタ6の出カッくルス
に対応させて外部からのリセットバイアス15で垂直ス
インfMO8)ランジスタ3をリセットさせるMOSト
ランジスタ16が接続され、また、この垂直スイッチM
O8)ランジスタ3のドレイン部には画素4から出力さ
れる信号電荷全垂直シフトレジスタ6の出力パルスに対
応させて垂直信号線29mへ読み出すMoS)ランジス
タ17が接続されている。
Here, the same symbols as in FIG. 1 are the same elements, so their explanation will be omitted. In other words, in FIG. The electrode 13 and the photoconductive film 14 are connected in series, and this vertical switch MO8) transistor 3
A MOS transistor 16 is connected to the gate of the vertical shift register 6 to reset the vertical swing transistor 3 with an external reset bias 15 in response to the output current of the vertical shift register 6.
A MoS) transistor 17 is connected to the drain portion of the O8) transistor 3, which reads the signal charges outputted from the pixel 4 to the vertical signal line 29m in correspondence with the output pulse of the vertical shift register 6.

このように構成された固体撮像素子において、垂直シフ
トレジスタ6の垂直ゲート綜6aがHレベルとなり、さ
らに水平スイッチMO8)ランジスタ9がHレベルとな
ると、光導電膜14に貯えられた正孔により、ビデオノ
(イアスTから負荷抵抗8を介して前記第(1)式で示
した飽和電流工。が流れるので、A点での電圧降下分を
信号として検出すれば良い。次に垂直ゲート線6bを■
(レベルにし、MoS トランジスタ16をオン状態に
させ、垂直スイッチMO8)ランジスタ3のゲート(第
3図のA、を電極30と共通)をリセットバイアス15
でリセットし、再び信号電荷の蓄積を行なう。
In the solid-state imaging device configured in this manner, when the vertical gate helix 6a of the vertical shift register 6 goes to H level and the horizontal switch MO8) transistor 9 goes to H level, the holes stored in the photoconductive film 14 cause Since the saturation current shown in the above equation (1) flows from the video node (IAS T through the load resistor 8), it is sufficient to detect the voltage drop at point A as a signal.Next, the vertical gate line 6b is ■
(level, turn on the MoS transistor 16, and vertical switch MO8) reset the gate of the transistor 3 (A in FIG. 3 is common with the electrode 30) to the reset bias 15.
to reset and accumulate signal charges again.

以下この動作?操り返せば良い。Is this behavior below? All you have to do is manipulate it back.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、微少光に対して信
号電流の変化分が大きく得られるので、高感度化をはか
ることができるとともに、光電子の正孔による耐圧電位
を向上できるので、ダイナミックレンジを大幅に向上さ
せることができるという極めて優れた効果が得られる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to obtain a large change in signal current with respect to very small amounts of light, so it is possible to achieve high sensitivity, and it is also possible to improve the withstand voltage due to holes of photoelectrons, so dynamic An extremely excellent effect can be obtained in that the range can be significantly improved.

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

第1図は従来の固体撮像素子の一例を示す要部回路構成
図、第2図は光導電膜を用いた同体撮像素子を示す要部
断面図、第3図は本発明による固体撮像素子の画素部分
を示す要部断面図、第4図は本発明による固体撮像素子
の一例を示す要部回路構成図である。 2・拳・・フォトダイオード、3・・・・垂直スイッチ
MO8)ランジスタ、4・・・・画素、5・・・・水平
シフトレジスタ、6・・魯・垂直シフトレジスタ、61
 r 6b・・・・垂直ゲート線、7・Φ・・ビデオバ
イアス、8・拳・・負荷抵抗、9・・・・水平スイッチ
MO8)ランジスタ、1゜・・・・コンデンサ、11・
・・・ビデオアンプ、12・・・・出力端子、13・・
・・透明電極、14・・・・光導電膜、15・・・・リ
セットバイアス、16.17−・・・MoS トランジ
スタ、21・・・・P形シリコン基板、22・・・・ソ
ース(n+拡散層)、23・・・・ゲート、24・・・
・ドレイン(n+拡散層)、25・・・・垂直スイッチ
MO8)ランジスタ、26・・・・フォトダイオード、
27・・・・画素分離用酸化膜、28・・・・層間絶縁
膜、29,29a  ・・・・垂直信号線、30・・・
・At電極、31・・・・光導電膜、32・・・・透明
電極。 第1区 どD 莞3図 ψ   ψ
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an essential part of an example of a conventional solid-state image sensor, FIG. 2 is a sectional view of an essential part of an all-in-one image sensor using a photoconductive film, and FIG. 3 is a diagram of a solid-state image sensor according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view of a main part showing a pixel portion, and a circuit configuration diagram of a main part showing an example of a solid-state image sensor according to the present invention. 2. Fist: Photodiode, 3: Vertical switch MO8) transistor, 4: Pixel, 5: Horizontal shift register, 6: Vertical shift register, 61
r 6b...Vertical gate line, 7.Φ...Video bias, 8.Fist...Load resistance, 9...Horizontal switch MO8) transistor, 1゜...Capacitor, 11.
...Video amplifier, 12...Output terminal, 13...
...Transparent electrode, 14...Photoconductive film, 15...Reset bias, 16.17-...MoS transistor, 21...P-type silicon substrate, 22...Source (n+ diffusion layer), 23...gate, 24...
・Drain (n+ diffusion layer), 25...vertical switch MO8) transistor, 26...photodiode,
27... Oxide film for pixel isolation, 28... Interlayer insulating film, 29, 29a... Vertical signal line, 30...
- At electrode, 31... photoconductive film, 32... transparent electrode. 1st Ward DoD Guan 3 ψ ψ

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 受光面側に設けられた透明電極、光導電膜と光信号を蓄
積するホトダイオードと垂直スイッチMO8)ランジス
タとにより形成された画素が行および列方向に多数配列
され、前記画素を水平シフトレジスタおよび垂直シフト
レジスタにより選択させて水平スイッチMO8)ランジ
スタで信号電流を外部へ取り出すように構成された固体
撮像素子において、前記光導電膜を前記垂直スイッチM
O8)ランジスタのゲートに接続させかつ該垂直スイッ
チMO8)ランジスタの電圧をリセットするMOS )
ランジスタを設けたことを特徴とする固体撮像素子。
A large number of pixels formed by a transparent electrode provided on the light receiving surface side, a photoconductive film, a photodiode for accumulating optical signals, and a vertical switch MO8) transistor are arranged in the row and column directions, and the pixels are connected to a horizontal shift register and a vertical shift register. 8) In a solid-state imaging device configured to take out a signal current to the outside by a transistor selected by a shift register, the photoconductive film is connected to the vertical switch M.
O8) A MOS connected to the gate of the transistor and the vertical switch MO8) MOS that resets the voltage of the transistor.
A solid-state image sensor characterized by being provided with a transistor.
JP57226157A 1982-12-24 1982-12-24 Solid-state image pickup element Pending JPS59117377A (en)

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