KR100247167B1 - 증폭형 고체촬상장치 - Google Patents

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KR100247167B1
KR100247167B1 KR1019960061168A KR19960061168A KR100247167B1 KR 100247167 B1 KR100247167 B1 KR 100247167B1 KR 1019960061168 A KR1019960061168 A KR 1019960061168A KR 19960061168 A KR19960061168 A KR 19960061168A KR 100247167 B1 KR100247167 B1 KR 100247167B1
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마찌다 가쯔히꼬
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Abstract

본 발명의 증폭형 고체촬상장치는 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환소자들을 포함한다. 상기 증폭형 광전변환 소자들이 각각: 반도체기판의 표면에 형성되는 트랜지스터로서, 입사되는 광에 의해 발생되는 신호 전하를 상기 반도체기판표면의 트랜지스터 부분상에 축적하고 그 축적된 신호 전하에 대응하는 전기신호의 변화를 포함하는 출력신호를 출력하는 트랜지스터; 상기 트랜지스터에 인접하게 형성되어, 상기 반도체기판의 일부, 상기 반도체기판의 일부상에 형성된 절연막, 및 그 절연막상에 형성된 게이트전극을 포함하며, 상기 축적된 신호전하를 상기 반도체기판의 표면에서 반도체기판의 내부로 이동시키는 게이트영역; 및 상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함한다.

Description

증폭형 고체촬상장치
본 발명은 입사광의 광전변환에 의해 얻어진 신호전하를 축적하고, 이 축적된 신호전하에 대응하는 전기신호를 출력하는 MOSFET 및 접합게이트 FET와 같은 트랜지스터를 갖는 증폭형 고체촬상소자들의 어레이를 포함하는 증폭형 고체촬상장치에 관한 것이다.
종래 고체촬상장치로서는 전하결합소자(CCD)형의 것이 주류로, 여러 분야에 널리 이용되고 있다. 이 CCD형 촬상장치는, 포토다이오드 또는 MOS다이오드에 의해 광전변환 및 축적된 신호전하를 CCD전송채널을 통해 고감도의 전하검출부로 전송하여 전압신호로 변환한다. 그 결과, CCD형 촬상장치는 신호대 잡음비(S/N비)가 높고 출력전압이 높다.
그러나, 촬상장치의 소형화, 다화소화를 충족시키기 위해, 화소사이즈는 작게되고, CCD의 전송가능 전하량도 감소되어야 한다. 따라서, 다이나믹 레인지의 저하가 심각한 문제로 된다. 또한, CCD에서는 소자 전체를 서너 상의 클럭으로 구동하기 때문에, 부하용량이 크고 구동전압도 높기 때문에, 다화소로 될수록 소비전력이 급격히 증가하게 된다.
상기 문제를 해소하기 위해, 각 화소에서 발생한 신호전하를 직접 판독하지않고, 우선 각 화소내에서 신호를 증폭한 후, 주사회로에 의해 독출하는 증폭형 고체촬상장치가 제안되어 있다. 상기 각 화소내에서의 신호증폭에 의해, 독출신호량의 제한이 없어지고, 다이나믹레인지는 CCD보다 유리하게 된다. 또한, 신호가 독출되는 선택된 화소에 대응하는 수평라인 및 수직라인만 구동될 수 있고, 그 구동전압도 낮기 때문에, 소비전력은 CCD보다 적다.
이와 같은 각 화소내에서의 신호증폭에는, 트랜지스터를 사용하는 것이 일반적이나, 이 트랜지스터는 그 종류에 따라 SIT형, 바이폴라형 트랜지스터, FET형(MOS형 또는 접합형 FET) 등으로 분류된다. 신호독출의 주사회로는 통상 MOSFET형 구성이 용이하기 때문에, FET형 화소쪽이 장치 전체의 구성상 유리(SIT형이나 바이폴라형 에서는 깊이 방향으로 트랜지스터구조를 형성 하나, FET형에서는 평면방향으로 트랜지스터 구조를 형성하기 때문에 제조가 용이) 하다.
도 11a는 상기 증폭형 고체촬상장치의 부분 평면도로, 소위 트윈 게이트 MOS 이미지 센서(TGMIS)형의 증폭형 고체촬상소자들의 화소들을 보인 것이다. 이 형태의 화소는 본 출원인에 의한 일본국 특허출원 6-303953호로, 1996년 3월 22일에 8-78653호로 공개된 일본 특허공개공보에 제안되어 있다. 도 11b는 도 11a의 A-A'선 단면도이다.
도 11b를 참조하면, p형 반도체 기판(1)에 절연막을 통해 제1 게이트 전극(2) 및 제2 게이트 전극(3)이 형성되어 있다. 상기 제1 게이트 전극(2)의 바로 아래에 위치된 반도체기판(1)의 표면영역에는 웰층(4)이 형성된다. 상기 웰층(4)의 표면영역에는 n+확산층으로 이루어진 소스영역(5)과 드레인영역(6)이 형성되어 게이트로서 상기 대응하는 제1 게이트 전극(2)과 함께 각각의 MOS형 트랜지스터를 구성한다.
도 11a를 참조하면, 각 제1 게이트 전극(2)은 각각의 MOS형 트랜지스터를 포위하여 화소를 형성한다. 이 화소는 수평 및 수직방향으로 배열된다. 수평으로 인접한 화소들의 제1 게이트 전극(3)은 수평 접속부(2a)를 통해 서로 접속되어 있다. 제2 게이트 전극(3)은 상기 수평 접속부(2a)의 바로 아래에 형성되어 있다. 각 드레인 영역은 각 화소의 제1 게이트 전극(2)과 제2 게이트 전극(3)을 둘러싼다.
상기 드레인영역(6)에는 드레인단자 VD가 접속되고, 소스영역(5)에는 수직방향의 화소마다 접속된 신호라인(컬럼라인)을 통해 신호검출단자 VS가 접속되어 있다. 또한, 제1 게이트전극(2)에는 제어단자 VGA가 접속되고, 제2 게이트전극(3)에는 제어단자 VGB가 접속되어 있다.
상기 구성에 의해, 우선, 제1 게이트전극(2)을 투과하여 입사한 광에너지(hv)는 광전변화에 의해 전자-정공쌍을 발생시키나, 그중의 전자는 드레인영역(6)으로 유출한다. 또한, 정공은 상기 n형 웰 층의 중앙에 형성된 배리어 및 상기 제2 게이트전극(3) 아래에 형성된 배리어에 의해 구속되어 상기 n형 웰 층(4)의 반도체/절연막 인터페이스에 축적된 신호전하로 된다. 상기 n형 웰 층(4)의 전위는 상기 축적된 신호전하의 양에 따라 변화한다. 이 전위의 변화량은 소스전위의 변화가 화소신호의 변화로서 신호독출단자 VS를 통해 독출되고 화소신호로서 출력된다.
상기 신호전하는 상기 신호독출동작후 리세트동작으로 배출된다. 이는 제2 게이트전극(3) 아래의 전위 배리어를 저하시켜 축적된 신호전하가 상기 제2 게이트전극(3) 하방에 위치된 영역을 향해 횡방향으로 흐른 다음 도 11b에 화살표 7로 보인 바와 같이 p형 반도체 기판(1)을 행해 수직으로 흐르도록 할수 있다.
도 12a는 다른 증폭형 고체촬상장치의 부분 평면도로, 상기 TGMIS형을 개량시켜 얻어진 소위 표면 리세트형의 증폭형 고체촬상소자들의 화소를 보인 것이다. 이 형태의 화소는 본 출원인에 의한 일본국 특허출원 8-19199호에 제안되어 있다.
도 12b는 도 12a의 A-A'선 단면도이다.
도 12a 및 12b를 참조하면, p형 반도체 기판(1)의 표면영역에 n형 반도체 웰 층(4)이 형성되어 있다. 제1 게이트영역의 일부로 되는 제1 게이트 전극(2)은 n형 반도체 웰 층(4)상에 형성되고, 제2 게이트영역의 일부로 되는 제2 게이트 전극(3)은 n형 반도체 웰 층(4)에 인접하여 배치된 p형 반도체 기판(1)의 노출부분에 형성되어 있다. 상기 제2 게이트전극(3)의 형성전에 상기 인접한 n형 반도체 웰 층(4) 들간에는 p형 저저항 표면 리세트 드레인(8)이 형성되어 있어, 상기 제2 게이트전극(3)에 의해 전위 배리어가 형성된 영역을 고정시킨다. 그 후, 게이트로서 상기 대응하는 제1 게이트전극(2)과 함께 각각의 MOS형 트랜지스터를 구성하는 소스(5) 및 드레인을 위해 n+형 확산층이 형성된다. 상기 리세트드레인(8)은 제2 게이트전극(3) 하방의 반도체 기판(1)의 표면영역에 형성된다.
상기 구성에 따라, 각 제1 게이트전극(2)을 통해 입사하는 광에너지 hv는 전자와 정공쌍이, 광전변환에 의해 상기 n형 반도체 웰 층(4)의 광전변환영역에 생성되도록 한다. 전자가 드레인영역으로 흐르는 동안, 정공은 상기 n형 웰 층의 중앙에 형성된 배리어 및 상기 제2 게이트전극(3) 아래에 형성된 배리어에 의해 구속되어 상기 제1 게이트 영역의 반도체/절연막 인터페이스에 축적된 신호전하로 된다. 상기 n형 웰 층(4)의 전위는 상기 축적된 신호전하의 양에 따라 변화한다. 이 전위의 변화량은 소스(5)의 전위 변화로서 독출되고 화소신호로서 출력된다.
상기 신호전하는, 축적된 신호전하가 제12도에 화살표 7로 보인 루트를 통해 리세트 드레인(8)으로 흐르도록, 제2 게이트전극(3) 아래의 전위 배리어를 저하시켜 리세트 동작에서 용이하게 배출된다. 이 촬상장치에서, 축적된 전하는 상기 제2게이트영역의 반도체 표면과 상기 p형 반도체 기판(1)간의 중앙부에 형성된 포텐셜 리지(107)의 영향을 받지 않고 완전히 배출될 수 있다. 상기 포텐셜 리지(107)에 대해서는 상기 특허출원을 참조하기 바란다.
도 12a를 참조하면, 각각의 제1 게이트전극(2)은 각 MOS형 트랜지스터의 소스영역(5)을 포위하며, 화소를 형성한다. 이와 같은 화소는 수평 및 수직 방향으로 배치되며, 수평으로 인접한 화소들의 제1 게이트전극(2)은 수평 접속부(2a)를 통해 서로 연결되어 있다. 상기 수평 접속부(2a)의 하방에는 제2 게이트전극(3)이 직접 형성되어 있다. 각각의 드레인 영역(6)은 각 화소의 제1 게이트전극(2) 및 제2 게이트전극(3)을 포위한다.
드레인 단자 VD는 드레인 영역(6)에 접속되며, 신호독출단자 VS는 수직 방향으로 정렬된 각 화소열에 접속된 신호라인(컬럼 라인)을 통해 소스영역(5)에 접속된다. 제어단자 VGA는 제1 게이트전극(2)에 접속되고, 제어단자 VGB는 제2 게이트 전극(3)에 접속되어 있다.
도 13a는 또 다른 증폭형 고체촬상장치의 부분 평면도로, 다른 양태로 상기 TGMIS형을 개량시켜 얻어진 소위 트렌치형의 증폭형 고체촬상소자들의 화소를 보인것이다. 이 형태의 화소는 본 출원인에 의한 일본국 특허출원 8-19200호에 기재되어 있다. 이 증폭형 고체촬상장치의 구성은, 상기 각각의 제2 게이트영역과 상기인접한 드레인 영역간의 일부에 트레치 구조의 형성을 제외하고 도 11a 및 11b에 도시한 것과 동일하기 때문에 그의 설명을 생략했다. 도 13b는 도 13a의 A-A'선 단면도이다.
도 13a 및 13b를 참조하면, p형 반도체 기판(1)의 표면영역에 n형 반도체 웰 층(4)이 형성되어 있다. 제1 게이트영역의 일부로 되는 제1 게이트 전극(2)은 n형 반도체 웰 층(4)상에 형성되고, 제2 게이트영역의 일부로 되는 제2 게이트 전극(3)은 n형 반도체 웰 층(4)에 인접하여 배치된 p형 반도체 기판(1)의 노출부분에 형성되어 있다. 다음, 게이트로서 상기 대응하는 제1 게이트전극(2)과 함께 각각의 MOS형 트랜지스터를 구성하는 소스(5) 및 드레인(6)을 위해 n+형 확산층이 형성된다.
도 11a 및 11b에 보인 상기 TGMIS형 증폭형 고체촬상장치는, 제2 게이트전극이 화소크기의 감소에 따라 작아지기 때문에, 소스와 드레인에 인가되는 전위로 인해 축적된 전하의 배출을 위한 루트에 3차원 포텐셜 리지가 형성되는 문제가 있다. 이 포텐셜 리지는, 축적된 전하가 반도체 기판내로 완전히 배출되지 않도록 한다.
상기 트렌치형 장치에 있어서, 트렌치 구조(9)는 이와같은 포텐셜 리지의 형성을 억제하기 위해 제2 게이트 영역에 인접하여 형성된다. 이는 소스(5)와 드레인(6)에 인가되는 전위를 저하시킬 수 있어, 축적된 전하가 반도체 기판(1)내로 흐르는 채널을 고정시킨다.
이 트렌치 구조는 제2 게이트 영역에 인접한 영역 전체에 형성될 필요는 없으며, 제2 게이트 영역 하방의 리세트 드레인으로 형성된 부분을 고정시킴으로써 축적된 전하가 완전히 배출될수 있기 때문에 상기 영역의 일부에만 형성되어도 좋다.
리세트 동작에 있어서, 예컨대 신호전하가 축적될때 인가되는 것과 동일한 고전압 VGA(H)이 제1 게이트전극(2)에 먼저 인가된다. 예컨대 신호전하가 축적될때 인가되는 것과 동일한 중간전압 VGA(M)이 제2 게이트전극(2)에 인가된다. 이때, 제2 게이트전극(3) 하방의 표면전위는 신호가 없을 때 얻어지는 n형 반도체 웰 층(4)의 표면전위보다 충분히 낮다. 이는 n형 반도체 웰 층(4)의 표면영역의 모든 신호전하(정공)가 제2 게이트전극(3) 하방의 포텐셜 배리어 게이트를 통해 p형 반도체 기판(1)내로 흐르도록 한다. 즉, 리세트 동작이 행해진다.
이 때, 트렌치 구조의 존재에 따라, 제2 게이트전극(3) 하방 영역의 중앙부에 포텐셜 리지가 형성되지 않게 되어 축적된 전하가 배출되지 않도록 된다.
도 14a는 또 다른 증폭형 고체촬상장치의 평면도로, 소위 벌크 드레인 MOS 이미지 센서(BDMIS)형의 증폭형 고체촬상소자들의 화소를 도시한 것이다. 이 형태의 화소는 본 출원인에 의한 일본국 특허출원 7-51641호에 기재되어 있다. 제14b도는 도 14a의 A-A'선 단면의 일부이다.
도 14b를 참조하면, p형 반도체 기판(1)의 표면영역에 n형 웰(4)이 형성되어 그의 표면이 p형 반도체 기판(1)의 주면(11)과 동일한 레벨로 된다. 각 웰(4)의 표면영역에는 p+형 웰(4)이 형성되어 그의 표면이 상기 주면(11)과 동일한 레벨로 된다. 절연막을 통해 상기 반도체 영역(5)이 형성된 영역을 제외하고 상기 웰(4)에 제1 게이트전극(2)이 형성된다. 절연막을 통해 상기 웰(4)에 인접한 반도체 기판(1)의 노출된 표면에 제2 게이트전극(3)이 형성된다. 상기 웰(4)의 표면영역, 절연막, 및 상기 제1 게이트전극(2)은 제1 게이트 영역을 형성한다. 이와 마찬가지로, 상기 반도체 기판(1)의 노출면, 절연막, 및 상기 제2 게이트전극(3)은 제2 게이트 영역을 형성한다.
제1 게이트전극(2)에 적절한 전압이 인가되면, 소수 캐리어인 정공의 흐름을 위해 제1 게이트 영역의 표면영역에 p채널이 형성된다. 제2 게이트전극(3)에 적절한 전압이 인가되면, 제2 게이트 영역의 표면영역 및 제2 게이트전극(3) 하방에 위치된 반도체 기판(1)의 전체면이 p채널을 형성한다. 이와 같은 상태하에, 반도체 기판(1)에 전압 VD가 인가되고 반도체 영역(5)에 전압 Vs가 인가되면, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(1)간에 정공에 의한 전류가 흐르기 위한 채널이 형성된다. 이에 따라 도 14b에 실선의 화살표로 표시한 바와 같이 상기 채널을 통해 전류가 흐른다.
상기 구성에 따라, 제1 게이트전극(2)을 통해 입사하는 광에너지 hv는 전자와 정공쌍이, 광전변환에 의해 제1 게이트전극(2) 하방에 위치된 반도체 기판(1) 및 웰(4) 부분에 생성되도록 한다. 정공은 반도체 영역으로 흐르며, 전자들은 신호 전하로서 웰(4)의 중앙부에 형성된 포텐셜웰에 축적된다. 신호전하로 사용되는 상기 전자들은 웰(4)에 있어서의 다수 캐리어이다. 웰(4)의 전위 및 이에 따른 제1 게이트영역의 표면영역은 축적된 신호전하의 양에 따라 변화한다.
따라서, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(5)간에 흐르는 전류는 축적된 전하의 양에 따라 변한다. 따라서, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(5)간에 소정 전류의 흐름을 유지함으로써, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(5)간의 전위가 축적된 신호전하의 양에 따라 변한다. 그러나, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(5)간에 소정 전위를 유지함으로써, 반도체 기판(1)과 반도체 영역(5)간에 흐르는 전류는 축적된 신호전하의 양에 따라 변한다. 이와 같이, 제1 능동소자는, 제1 게이트영역과 제2 게이트영역의 표면영역으로 구성되는 채널을 갖는 반도체 영역(5)과 반도체 기판(1)간에 형성된다. 이 능동소자의 전기적 특성은 축적된 신호전하의 양에 따라 변한다.
리세트 드레인 영역(10)도 반도체 기판(1)의 표면영역에 형성되어 그의 표면이 주면(11)과 동일 레벨로 된다. 이 리세트 드레인 영역(10)은 제1 게이트 영역과 반대측상의 제2 게이트영역의 표면영역과 접하고 있다. 상기 제2 게이트전극(3)에는 제2 게이트영역의 표면영역에 있어서의 포텐셜 배리어를 낮추기 위해 적절한 전압이 인가된다. 다음, 웰(4)에 축적된 신호전하가 제14b도에 점선의 화살표로 표시한 루트를 통해 리세트 드레인 영역(10)내로 흐른다. 이와 같이, 제2 게이트영역의 표면영역으로 구성되는 채널을 갖는 리세트 드레인 영역(10)과 웰(4)간에는 제2 능등소자가 형성되어, 신호전하의 배출을 실현한다.
도 14b에 보인 바와 같이 복수의 증폭형 고체촬상소자들은 도 14a에 보인 바와 같이 매트릭스 형태로 배치된다. 수평방향으로 정렬된 제1 게이트전극(2)의 행은 각각의 클럭신호 VGA(i), VGA(i+1), ...에 공통으로 접속되어 있다. 이와 마찬가지로, 수평방향으로 정렬된 제2 게이트전극(3)의 행은 각각의 클럭신호 VGB(i), VGB(i+1), ...에 공통으로 접속되어 있다.
소스로 작용하는 반도체, 영역(5)은 각 증폭형 고체촬상장치의 웰(4)의 제1 게이트 영역의 중앙에 형성된다. 수직방향으로 정렬된 반도체 영역(5)의 열은 각각의 신호라인 VS(j), VS(j+1), ...에 공통으로 접속되어 있다. 반도체 기판(1) 그 자체는 각 트랜지스터의 드레인으로 사용되며, 도 14a에는 도시되어 있지 않다.
도 15는 도 11a 및 11b에 보인 TGMIS형 증폭형 고체촬상소자들을 사용하는 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도이다.
도 15를 참조하면, 증폭형 고체촬상소자(화소) 11-11, 11-12, ...11-1n, 11-21, ..., 11-mn은 수평(X) 방향 및 수직(Y) 방향으로 배열되어 매트릭스를 형성한다. X 방향으로 정렬된 증폭형 고체촬상소자들의 행의 제1 게이트전극(2)의 단자들은 각각의 제1 주사선 12-1, 12-2, ..., 12-m을 통해 제1 수직 주사회로(13)에 접속된다. X 방향으로 정렬된 증폭형 고체촬상소자들의 행방향의 제2 게이트전극(3)의 단자들은 각각의 제2 주사선 14-1, 14-2, ..., 14-m을 통해 제2 수직 주사회로(15)에 접속된다. 이 신호독출동작 및 리세트 동작은 상기 제1 및 제2 주사회로(13, 15)를 통해 각각의 수평 행의 화소를 순차적으로 선택함으로써 각 수평 행의 화소마다 행해진다.
Y 방향으로 정렬된 증폭형 고체촬상소자들의 열방향의 소스영역(5)의 단자들은 각각의 컬럼 라인 16-1, 16-2, ..., 16-n에 접속된다. 이 컬럼 라인 16-1, 16-2, ..., 16-n은 각각의 열 선택 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n을 통해 비디오 라인(18)에 공통으로 접속된다. 상기 비디오 라인(18)은 신호 출력 단자(20)에 접속되면서 정전류원 부하(19)를 통해 접지된다. 상기 열 선택 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n의 제어단자는 수평 주사회로(21)에 접속되어 각각의 열 선택 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n가 수평 주사회로(21)로 부터의 제어신호에 따라 순차적으로 선택되어 구동되도록 한다. 상기 증폭형 고체촬상소자 11-11 내지 11-mn의 드레인 영역(6)은 공통접속되며, 소정 전압이 이 드레인 영역(6)에 인가된다.
이에 따라, 상기 증폭형 고체촬상소자는 소스/게이트 선택법을 채용하며, 상기 화소 11-11 내지 11-mn의 열이 화소행의 선택마다 순차적으로 선택되고, 각각의 선택된 화소들의 출력신호가 비디오 라인(18)을 통해 신호출력단자(20)로 부터 순차적으로 독출된다.
상기 고체촬상장치의 동작을 도 16을 참조하여 설명한다.
도 16은 증폭형 고체촬상장치에 사용되는 신호들의 파형을 보인 타이밍차트이다. 제1 수직 주사회로(13)는 제1 주사 펄스 φGIi를 i번째 제1 주사선 12-i에 출력한다. 제2 수직 주사회로(15)는 제2 주사 펄스 φGIIi를 i번째 제2 주사선 14-i에 출력한다. 수평 주사회로(21)는 신호독출 제어 펄스 φSj를 j번째 컬럼 라인 16-j에 출력한다.
우선, 상기 제1 수직 주사회로(13)는 대응하는 제1 주사선 12-1, 12-2, ... 12-m을 통해 각각의 수평 행의 화소의 제1 게이트 전극(2)에 이 순서로 로우 레벨VG(L) 또는 하이 레벨 VG(H)의 제1 주사 펄스 φGIi, φGI2, ... φGIM을 출력한다. 동시에, 제2 수직 주사회로(13)는 대응하는 제2 주사선 14-1, 14-2, ... 14-m을 통해 각각의 수평 행의 화소의 제2 게이트 전극(3)에 이 순서로 로우 레벨 VRG(L) 또는 하이 레벨 VRG(H)의 제2 주사 펄스 φGIIi, φGII2, ... φGIIm을 순차적으로 출력한다. 이 때, 제1 주사 펄스 φGIi의 VG(H)와 제2 주사 펄스 φGIIi의 VRG(H)의 조합은 i번째 수평 화소행에 대해 신호독출주사기간 τH로 설정된다. 제1 주사 펄스 τGI(i+1)의 VG(H)와 제2 주사 펄스 φGII(i+1)의 VRG(H)의 조합은 i번째 수평 화소행의 주사의 끝에서 시작하여 다음 (i+1)번째 화소행의 주사의 개시에서 끝나는 블랭킹 기간 τBL로 설정된다.
상기 i번째 화소행에 대한 신호독출주사기간 τH 동안, 열 선택용 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n은 신호독출제어펄스 φS1, φS2, ..., φSn이 수평주사회로(21)로 부터 출력됨에 따라 순차적으로 턴온된다. 이 열 선택용 트랜지스터의 순차적 액티브에 따라, 대응하는 컬럼 라인 16-1, 16-2, .... 16-n상에 증폭형 고체촬상소자들로 부터 독출되는 화소가 비디오 라인(18)상에 순차적으로 독출된다. 열 선택용 트랜지스터 17-1, 17-2, .... 17-n의 게이트 단자에 공급되는 수평 주사선으로서의 상기 신호독출 제어펄스 φS1, φS2, ..., φSn은 컬럼 라인을 순차적으로 선택하기 위한 신호들이다. 이들 신호들의 전압치는, 신호레벨이 로우일때, 로우레벨전압을 수신하는 열 선택용 트랜지스터 17-1, 17-2, .... 17-n중의 한 트랜지스터가 오프되고, 신호레벨이 하이일때 하이 레벨전압을 수신하는 트랜지스터가 턴온되도록 설정된다.
상기 i번째 수평행의 증폭형 고체촬상소자들은 제1 주사 펄스 φGIi가 하이레벨 VG(H)로 되고 제2 주사 펄스 φGIIi가 로우 레벨 VRG(L)로 될때 모두 리세트된다. 이 리세트 동작은 블랭킹 기간 τBL 동안 행해진다.
이와 같이, 화소 신호는 각 수평 화소행으로 부터 순차적으로 독출되어 1 필드의 비디오 신호를 얻은 다음, 리세트된다.
이 후, 제1 수평 화소행의 신호 독출동작과 리세트 동작을 1 예로서 설명한다.
도 16을 참조하면, 제1 수직 주사회로(13)로 부터 출력된 제1 주사 펄스 φGIi가 하이 레벨 VG(H)로 되고 제2 수직 주사회로(15)로 부터 출력된 제1 주사 펄스 φGIIi가 하이 레벨 VRG(H)로 될 때, 제1 주사선 12-1 및 제2 주사선 14-1에 접속된 증폭형 고체촬상소자 11-11, 11-12, .... 11-n의 제1 행이 선택되어 상기 제1 화소행의 화소신호가 컬럼 라인 16-1, 16-2, .... 16-n상에 독출되도록 한다. 열 선택용 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n은 신호독출 제어펄스 φSi, φS2, ..., φSn이 수평주사회로(21)로 부터 출력됨에 따라 순차적으로 턴온되기 때문에, 컬럼 라인 16-1, 16-2, .... 16-n상에 증폭형 고체촬상소자들로 부터 독출되는 화소가 열 선택용 트랜지스터 17-1, 17-2, ..., 17-n을 통해 비디오 라인(18)의 신호독출단자(20)로 부터 순차적으로 출력된다. 이 증폭형 고체촬상소자들의 제1 행은 제1 주사 펄스 φGIi가 하이 레벨 VG(H)를 유지하고 제2 주사 펄스 φGIIi가 로우 레벨 VRG(L)로 될때 모두 리세트된다. 상기 신호독출동작 및 리세트 동작은 1 필드의 비디오 신호가 얻어질 때까지 제2의 후속 화소행에 대해 반복된다.
상기 증폭형 고체촬상장치에 의하면, 각 증폭형 고체촬상장치의 제1 게이트 전극(2) 하방의 영역에서 광전변환에 의해 발생된 신호전하량에 대응하는 전위 변화가 소스 전위로서 대응하는 컬럼 라인(16)상에 독출된다. 이 소스 전위는 불변으로 정전류원(19)에 의해 비디오 라인(18)과 컬럼 라인(16)상에 기생 용량을 충전시킴으로써 화소신호로서 고정되며, 대응하는 열 선택용 트랜지스터(17)를 통해 비디오 라인(18)에 출력된다. 각 증폭형 고체촬상장치의 용량은 작기 때문에, 제1 게이트전극(2) 하방 영역의 정확한 전위를 화소신호로서 컬럼 라인(16)에 출력하기 위해, 정전류원 부하(19)로 부터 공급된 전류는 100nA 이하로 작아야 한다. 즉, 정전류원 부하(19)로 부터 공급된 전류가 큰 경우, 컬럼 라인(16) 및 비디오 라인(18)상의 기생 용량은 충분히 충전되어 신호 독출의 지연을 방지한다. 그러나, 이는 제1 게이트전극(2) 하방 영역의 정확한 전위를 증가시켜 정확한 전위가 화소신호로서 컬럼 라인(16)에 출력되지 않도록 한다. 반대로, 정전류원 부하(19)로 부터 공급된 전류가 너무 적은 경우, 컬럼 라인(16) 및 비디오 라인(18)상의 기생 용량은 충분히 충전되지 않는다. 이는 기생용량의 시정수에 의해 신호파형을 무디게하여 신호독출의 지연을 야기한다.
상기 증폭형 고체촬상장치에 있어서, 매트릭스 형태로 형성된 증폭형 고체촬상소자들을 모두 커버하도록 비디오 라인(18)에 접속된 정전류원 부하(19)만 제공된다. 그러나, 이는 모든 컬럼 라인(16) 및 비디오 라인(18)의 기생 용량에 대한 전하 공급이 불충분하게 되어, 비디오 신호 독출 응답을 지연시킨다. 또한, 비디오 라인의 후단에 전기회로가 접속될 경우, 증폭형 고체촬상소자들로 부터 얻어진 비디오 신호가 고속으로 출력되는 것을 방해한다.
상기 TGMIS형의 증폭형 고체촬상소자들을 사용한 증폭형 고체촬상장치는 상기한 바와 같다. 이와 동일한 문제가 TGMIS형 대신 표면 리세트형, 트렌치형, 및 BDMIS형의 증폭형 고체촬상소자들은 사용했을 때에도 발생한다.
본 발명의 증폭형 고체촬상장치는 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함한다. 상기 증폭형 광전변환 소자들이 각각: 반도체기판의 표면에 형성되는 트랜지스터로서, 입사되는 광에 의해 발생되는 신호 전하를 상기 반도체기판표면의 트랜지스터 부분상에 축적하고 그 축적된 신호 전하에 대응하는 전기신호의 변화를 포함하는 출력신호를 출력하는 트랜지스터; 상기 트랜지스터에 인접하게 형성되어, 상기 반도체기판의 일부, 상기 반도체기판의 일부상에 형성된 절연막, 및 그 절연막상에 형성된 게이트전극을 포함하며, 상기 축적된 신호전하를 상기 반도체기판의 표면에서 반도체기판의 내부로 이동시키는 게이트영역; 및 상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함한다.
또는, 본 발명의 증폭형 고체촬상장치는 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함한다. 상기 증폭형 광전변환 소자들이 각각: 광전 변환에 의해 발생된 신호전하를 축적하여 그 신호전하에 대응하는 출력신호를 출력하는 반도체기판 표면부분과 그 반도체기판의 제1 게이트 영역 표면부분상에 형성된 제1 게이트전극을 가진 제1 게이트영역, 각각 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되어 그 반도체기판의 불순물농도보다 높은 불순물농도를 갖는 불순물층을 갖는 소스, 및 드레인을 포함하는 트랜지스터; 상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 표면부분과 상기 반도체기판의 제2 게이트영역 표면부분상에 절연막을 통해 형성되어 일부분이 상기 제1 게이트전극에 인접해 있는 제2 게이트전극을 가진 제2 게이트영역, 및 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되며, 상기 제1 게이트전극과 제2 게이트전극이 서로 인접하게 형성된 부분에서 반도체기판 표면 방향을 따라 소정 거리를 두고 떨어져 있으며, 상기 반도체기판의 불순물농도보다 고농도로 된 불순물층으로 형성되며, 상기 축적된 신호전하가 배출되는 전하 배출용 드레인을 포함하는 전하배출부; 및 상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함한다.
또는, 본 발명의 증폭형 고체촬상장치는 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 가진 화소부분을 포함한다. 상기 증폭형 광전변환 소자들이 각각: 광전 변환에 의해 발생된 신호전하를 축적하여 그 신호전하에 대응하는 출력신호를 출력하는 반도체기판 표면부분과 그 반도체기판의 제1 게이트 표면부분상에 형성된 제1 게이트전극을 가진 제1 게이트영역, 각각 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되어 그 반도체기판의 불순물농도보다 높은 불순물농도를 갖는 불순물층으로 형성되는 소스, 및 드레인을 포함하는 트랜지스터; 상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 표면부분과 상기 반도체기판의 제2 게이트 표면부분상에 절연막을 통해 형성되어 일부분이 상기 제1 게이트전극에 인접해 있는 제2 게이트전극을 가진 제2 게이트영역을 포함하며, 상기 제1 게이트영역에 축적된 신호전하를 제2 게이트영역을 통해 반도체기판으로 배출하는 전하배출부; 특정 광전변환소자의 전하배출부와 그 특정 광전변환소자에 인접한 광전 변환소자의 트랜지스터 사이의 적어도 일부분상에 형성된 전계차단부; 및 상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함한다.
또는, 본 발명의 증폭형 고체촬상장치는 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함한다. 상기 증폭형 광전변환 소자들이 각각: 반도체기판의 표면영역에 형성된 반도체영역; 광전변환에 의해 발생된 신호전하가 축적되는 상기 반도체기판의 제1 표면부분 및 상기 반도체기판의 표면부분상에 형성된 제1 게이트전극을 포함하는 제1 게이트영역; 상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 제2 표면부분 및 상기 제2 표면부분상에 절연막을 통해 형성된 제2 게이트전극을 포함하는 제2 게이트영역; 상기 반도체영역과 반도체기판 사이에서 상기 제1 게이트영역의 표면부분을 채널로 하여 형성된 능동소자로서, 상기 신호전하에 의해 발생되는 능동소자의 특성변화가 출력신호로서 이용되는 능동소자; 및 상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 증폭형 고체촬상장치는 출력임피던스 변환부에 접속되며 일방향으로 배열된 다수의 증폭형 광전변환 소자들이 접속되는 각 신호라인에 대해 배치된 정전류 부하부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 증폭형 고체촬상장치는 각 증폭형 광전변환소자가 상기 출력신호들을 출력하여 그 출력신호가 상기 출력임피던스 변환부로 차례로 안내되도록 하는 주사부를 더 포함하며, 상기 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터의 임계전압이 상기 주사부에 이용되는 트랜지스터의 임계전압보다 작다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터는 디플레션형이다.
따라서, 본 발명의 증폭형 고체촬상장치에 따르면, 구동 트랜지스터와 부하트랜지스터를 포함하는 출력임피던스 변환부가 각 증폭형 고체촬상소자에서의 전기신호 출력을 차례로 수신하는 비디오 라인에 접속된다. 구동 트랜지스터는 비디오라인에 의해 차례로 수신된 전기신호에 의해 구동된다. 이러한 출력임피던스 변환부의 배치에 의해 출력 임피던스가 크게 감소된다. 따라서, 출력임피던스 변환부의 출력단자에 전기회로가 접속되더라도, 결과적인 화소신호상의 비디오 라인 및 신호라인에서의 기생용량의 영향이 억제될 수 있다. 그 결과, 화소신호가 둔화되지 않고 고속으로 출력될 수 있다.
각 신호라인상에 제공된 정전류원 부하부에 의해, 기생용량으로 공급될 전하가 개별 신호라인에 대해 확보될 수 있다. 따라서, 고속 구동시에도 정확한 영상신호가 얻어질 수 있다.
출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터의 임계전압이 증폭형 고체촬상장치를 구동시키는 각 주사회로를 구성하는 트랜지스터 소자의 임계전압보다 작게 설정된다. 또는, 구동 트랜지스터로서 디플레션형 트랜지스터를 이용할 수 있다. 두가지 경우 모두, 소스/게이트 선택법에 의해 얻어진 소스전압을 보다 확실하게 출력할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 더 많은 갯수의 화소들이 더욱 고밀도로 배열되고, 고 S/N비가 얻어지며, 고속 신호 독출이 실현되는 증폭형 고체촬상장치를 제공하는 장점이 있다.
제1도는 본 발명에 의한 실시예 1, 4 및 5에 있어서의 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제2도는 제1도의 증폭형 고체촬상장치의 동작을 설명하기 위한 각 신호파형을 보인 타이밍도.
제3도는 본 발명에 의한 증폭형 고체촬상장치에 의해 출력되는 전압신호출력의 변동과 출력임피던스 변환부의 입출력특성을 보인 도면.
제4a도는 제1도의 출력임피던스 변환부를 사용하지 않고 증폭형 고체촬상장치의 비디오 라인을 직접 외부 전기회로에 접속한 경우의 화소신호 출력파형도.
제4b도는 상기 출력임피던스 변환부의 후단에 전기회로를 접속한 경우의 화소신호 출력파형도.
제5도는 본 발명에 의한 실시예 2에 있어서의 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제6도는 본 발명에 의한 실시예 3에 있어서의 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제7도는 제3도의 입/출력 전압 특성을 좌측으로 시프트시킨 경우의 도면.
제8도는 본 발명에 의한 실시예 6에 있어서의 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제9도는 본 발명에 의한 실시예 6에 있어서의 다른 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제10도는 본 발명에 의한 실시예 6에 있어서의 또 다른 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제11a도는 증폭형 고체촬상장치를 구성하는 TGMIS형의 증폭형 고체촬상소자들의 평면도.
제11b도는 제11a도의 A-A'선 단면도.
제12a도는 증폭형 고체촬상장치를 구성하는 TGMIS 표면리세트형의 증폭형 고체촬상소자들의 평면도.
제12b도는 제12a도의 A-A'선 단면도.
제13a도는 증폭형 고체촬상장치를 구성하는 TGMIS 트렌치형의 증폭형 고체촬상소자들의 평면도.
제13b도는 제13a도의 A-A'선 단면도.
제14a도는 증폭형 고체촬상장치를 구성하는 BDMIS형의 증폭형 고체촬상소자들의 평면도.
제14b도는 제12a도의 A-A'선 부분 단면도.
제15도는 제11a도 및 11b의 증폭형 고체촬상소자들을 사용하는 증폭형 고체촬상장치의 구성을 등가회로도와 블럭도를 조합하여 보인 개략도.
제16도는 제15도의 증폭형 고체촬상장치의 동작을 설명하기 위한 신호파형을 보인 타이밍도.
본 발명을 첨부도면들을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 증폭형 고체촬상장치의 등가회로 및 블럭다이어그램을 조합하여 나타낸 개략도이다. 이 실시예의 증폭형 고체촬상장치는 도11a 및 11b에 도시된 증폭형 고체촬상소자를 이용한다. 도 15에 도시된 바와 동일기능 및 효과를 갖는 부재는 동일한 참조부호로 나타내고, 그의 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 구동 트랜지스터(31) 및 부하 트랜지스터(32)의 직렬회로로 구성된 출력 임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(33)는 각 화소(증폭형 고체촬상소자) (11-11, 11-12, ..., 11-mn)에서 독출된 영상신호로서의 화소신호를 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)을 통해 수신하는 비디오 라인(18)에 접속된다. 구동 트랜지스터(31)는 화소신호로써 구동된다. 구동 트랜지스터(31) 및 부하 트랜지스터(32)의 접속점에 신호출력단자(34)가 제공된다. 또한, 부하 트렌지스터(32)의 게이트단자에는 전류치를 제어하는 제어단자(35)가 접속된다.
상기 구성에 의한 증폭형 고체촬상장치의 동작을 설명한다.
도 2는 이 실시예의 증폭형 고체촬상장치의 동작을 나타내는 신호파형의 타이밍 챠트이다. 제1 수직 주사회로(13)는 i번째 제1 주사라인(12-i)에 제1 주사펄스(φGIi)를 출력한다. 제2 수직 주사회로(15)는 i번째 제2 주사라인(14-i)에 제2주사펄스(φGIIi)를 출력한다. 수평주사회로(21)는 j번째 컬럼라인(16-j)에 신호 독출 제어 펄스(φSj)를 출력한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와같이, 제1수직 주사회로(13)에서 증폭형 고체촬상소자의 제1 행의 제1 게이트전극(2)에 출력된 제1 주사펄스(φGIi)가 하이레벨VG(H)로 되고 제2 수직 주사회로(15)에서 증폭형 고체촬상소자의 제1 행의 제2 게이트전극(3)에 출력된 제2 주사펄스(φGIIi)가 하이레벨 VRG(H)로 되면, 제1 주사선(12-1)및 제2 주사선(14-1)을 통해 제1 행의 소자들(11-11, 11-12, ...., 11-1n)이 선택되고, 제1 행의 소자들의 화소신호가 컬럼선들(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에 독출된다. 이어서, 수평주사회로(21)에서 출력된 신호독출제어펄스(φS1, φS2, ..., φSn)에 의해 열선택 트랜지스터(17-1, 17-2, ..., 17-n)가 차례로 ON되면, 컬럼선(16-1, 16-2, ..., 16-n)상의 화소신호가 영상신호로서 비디오 라인(18)에 차례로 출력된다.
그 후, 제1 행의 증폭형 고체촬상소자는 제1 주사 펄스(φGIi)가 하이레벨 VG(H)을 유지하고 제2 주사펄스(φGII1)가 로우레벨 VRG(L)로 될때 모두 리세트된다. 또한, 컬럼선(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에 독출된 화소신호도 리세트된다.
다음, 제1 수직 주사회로(13)에서 증폭형 고체촬상소자의 제2 행의 제1 게이트전극(2)으로 출력된 제1 주사펄스(φGI2)가 하이레벨 VG(H)로 되고 제2 수직 주사회로(15)에서 증폭형 고체촬상소자의 제2 행의 제2 게이트전극(3)으로 출력된 제2주사펄스(φGII2)가 하이레벨 VRG(H)로 되면, 제1 주사선(12-2) 및 제2 주사선(14-2)을 통해 제2 행의 소자들(11-21, 11-22, ..., 11-2n)이 선택되어, 상기 소자들의 제2 행의 화소신호가 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에 독출된다. 이어서, 수평주사회로(21)에서 출력된 신호독출제어펄스(φS1, φS2, ..., φSn)에 의해 열선택 트랜지스터(17-1, 17-2, ..., 17-n)가 그 순서대로 차례로 ON되면, 컬럼선(16-1, 16-2, ..., 16-n)상의 화소신호가 영상신호로서 비디오 라인(18)에 차례로 출력된다.
그후, 제2 행의 증폭형 고체촬상소자는 제1 주사 펄스(φGI2)가 하이레벨 VG(H)을 유지하고 제2 주사펄스(φGII2)가 로우레벨 VRG(L)로 될때 모두 리세트된다. 또한, 컬럼선(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에 독출된 화소신호도 리세트된다.
마찬가지로, 화소신호들도 각 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)을 통해 비디오라인(18)에 차례로 독출되어 1필드(1화면)의 비디오 신호가 얻어진다.
비디오 라인(18)에 출력된 화소신호의 출력은 구동 트랜지스터(31)와 부하트랜지스터(32)로 구성된 출력 임피던스 변환부(33)의 구동 트랜지스터(31)의 게이트단자로 입력되어, 출력임피던스 변환, 즉 전류 증폭이 실행된다. 그 결과의 신호가 신호 출력 단자(34)로부터 출력된다.
출력 임피던스 변환부(33)에서는, 구동 트랜지스터(31)로서, 예컨대 NMOS 트랜지스터(L=3㎛, W=30㎛)가 이용되고 부하 트랜지스터(32)로서, 예컨대 NMOS 트랜지스터(L=5㎛, W=100㎛)가 이용된다. 부하 트랜지스터(32)의 게이트 단자에 소정 전압이 인가되면 부하 트랜지스터(32)에 의한 정전류량은 1mA로 된다.
도 3은 부하 트랜지스터(32)에 의한 정전류량이 약 1mA로 되도록 부하 트랜지스터(32)의 게이트 단자에 소정 전압이 인가될때 얻어지는, 증폭형 고체촬상장치에 의해 출력된 전압신호출력변동, 및 출력 임피던스 변환부(33)의 입력/출력 특성을 나타낸다. 화소신호들의 출력 임피던스는 출력 임피던스 변환 전에 최대 약 7kΩ으로 높은 반면, 출력 임피던스 변환부(33)에 의한 출력 임피던스 변환후에는 최대 약 400Ω으로 감소된다.
도 4a 및 4b를 참조하여 비디오 라인(18)상에서 얻어진 화소신호의 출력파형에 대해 설명한다.
도 4a는 비디오 라인(18)이 도 1에 도시된 출력 임피던스 변환부(33)없이 외부 전기회로에 직접 접속될때 얻어진 화소신호의 출력파형을 나타낸다. 도 4b는 출력 임피던스 변환부(33)의 하류에 전기회로가 접속될 때 얻어진 화소신호의 출력파형을 나타낸다.
접속된 전기회로의 부하 용량은 최대 수 pF이고 수평 주사 회로(21)의 구동주파수는 10MHz로 한다. 증폭형 고체촬상소자에서의 화소신호출력은 신호 독출 제어 펄스(φS1, φS2, φS3)가 상기한 바와같이 하이레벨 V(H)일때 선택적으로 출력된다. 증폭형 고체촬상장치가 출력 임피던스 변환부없이 외부 전기 회로에 직접 접속될 때, 도 4a에 도시된 바와같이 화소신호의 소망하는 출력전압을 얻기 위해서는 더 긴 기립 시간을 필요로 한다. 그 이유는, 출력 임피던스가 크게되어, 외부 부하용량에 충분한 전하가 공급될 수 없기 때문이다. 이로써 화소 신호의 출력 파형의 왜곡이 발생되어, 정확한 신호 독출을 고속으로 실행할 수 없게 된다.
이와 반대로, 전기회로가 출력 임피던스 변환부(33)의 하류에 접속될때, 수평 주사 회로(21)의 구동 주파수가 최대 10MHz로 되는 한 도 4b에 도시된 바와같이 어떠한 문제없이 화소신호의 정확한 출력 전압을 고속으로 얻을 수 있다. 그 이유는, 출력 임피던스가 작게되어, 외부 부하 용량에 충분한 전하가 공급될 수 있기 때문이다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명에 따른 실시예 2의 증폭형 고체촬상장치의 등가회로 및 블럭다이어그램을 조합하여 나타낸 개략도이다. 이 실시예의 증폭형 고체촬상장치 역시 도 11a 및 11b에 도시된 증폭형 고체촬상소자를 이용한다. 도 15에 도시된 바와 동일한 기능 및 효과를 가진 부재들은 동일 참조부호로 나타내며, 그의 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 비디오 라인(18)에 열선택 트랜지스터(17-1, 17-2, ..., 17-n)를 통해 접속되며 또한 수직 방향으로 배열된 증폭형 고체촬상소자의 각 열에 접속된 각 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)에 대한 정전류원 부하부(41-1, 41-2, ..., 41-n)이 제공된다.
상기 구성에 의해, 비디오 라인(18)상에 독출되는 화소신호는 부하 트랜지스터(32)와 함께 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(33)을 구성하는 구동 트랜지스터(31)의 게이트단자로 입력된다. 상기 출력임피던스 변환부(33)은 임피던스변환, 즉 전류증폭을 실행하여 신호 출력 단자(34)에서 상기 결과의 신호를 영상신호로서 출력한다. 이 실시예에서, 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에 정전류원 부하부(41-1, 41-2, ..., 41-n)이 제공되어 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)상에서 발생되는 기생용량으로 공급될 전하 공급원으로서 작용한다. 상기 구성에 의해, 기생용량으로 공급되는 전하가 증가되므로, 실시예 1의 경우보다 더 빠른 고속동작시에도 더 정확하고 더 고속으로 신호독출이 실헹될 수 있다.
[실시예 3]
도 6 은 본 발명에 따른 실시예 3의 증폭형 고체촬상장치의 등가회로 및 블럭 다이어그램을 조합하여 나타낸 개략도이다. 이 실시예의 증폭형 고체촬상장치도 도 11a 및 11b에 도시된 증폭형 고체촬상소자를 이용한다. 도 15에 도시된 바와 동일한 기능 및 효과를 가진 부재들은 동일 참조부호로 나타내며, 그의 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 구동 트랜지스터(51) 및 부하 트랜지스터(32)의 직렬회로로 구성된 출력임피던스 변환부(52)은 화소(증폭형 고체촬상소자) (11-11, 11-12, ..., 11-mn)에서 독출된 영상신호로서의 화소신호를 컬럼라인(16-1, 16-2, ... 16-n)을 통해 수신하는 비디오 라인(18)에 접속된다. 구동 트랜지스터(51)는 화소신호로써 구동된다. 구동 트랜지스터(51)의 임계전압은 제1 수직 주사회로(13), 제2 수직 주사회로(15) 및 수평 주사 회로(21)에 이용된 트랜지스터의 임계전압보다 작게 된다. 이와다르게, 구동 트랜지스터(51)가 디플레션형으로 될 수 있다.
상기 구성에 따르면, 비디오 라인(18)상에 독출된 화소신호는 부하 트랜지스터(32)와 함께 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(52)을 구성하는 구동 트랜지스터(51)의 게이트단자로 입력된다. 상기 출력임피던스 변환부(52)은 출력 임피던스 변환, 즉 전류증폭을 실행하여 신호 출력 단자(34)에서 상기 결과의 신호를 영상신호로서 출력한다.
상기 출력임피던스 변환부(52)은, 부하 트랜지스터(32)에 의한 정전류량을 약 1mA로 한 상태에서, 증폭형 고체촬상장치로부터 출력된 전압 신호 출력 변동을 유지하면서 전류 증폭을 할수 있다. 전압 증폭 이득(α)은 부하 트랜지스터(32)에 의한 정전류량에 따라 다르지만, 최대 약 0.8이다.
실시예 3에서, 증폭형 고체촬상소자에서 출력된 전압 신호 출력의 진폭의 암시(dark-time)의 출력레벨 및 포화 출력레벨은 제1 게이트전극하에 배치된 반도체기판의 표면 영역에 형성된 웰층의 캐리어 농도와 깊이, 및 구동전압에 따라 임의로 설정될 수 있다.
상기한 바를 실현하도록, 일반적으로, 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(52)을 구성하는 구동 트랜지스터(51)와 부하 트랜지스터(32)는 증폭형 고체촬상장치의 주사회로들을 구성하는 트랜지스터들과 함께 동일 공정에서 형성될 수 있다. 그러나, 증폭형 고체촬상장치의 다이나믹 레인지를 크게 확보하기 위해서, 출력신호진폭은 최소 0(V)에서 최대 5(V)의 범위내로 되도록 최적화될 수 있다. 상기 범위의 진폭에서는, 도 3에 도시된 출력 임피던스 변환회로의 입력/출력 전압 특성에 따른 출력 신호에 의해 0(V)-1(V) 범위내의 입력신호는 반영되지 않는다. 상기 입력/출력 전압 특성은 출력임피던스 변환부(52)의 구동 트랜지스터(51)의 임계전압 및 소스-드레인 전류치에 의해 규정된다. 주사회로를 구성하는 트랜지스터들에 있어서는, 임계전압(Vth)의 절대치가 최대 약 0.8(V)로 되도록 임계전압(Vth)이 설정된다. 따라서, 구동 트랜지스터(51)의 임계치는 증폭형 고체촬상장치의 모든 주사회로를 구성하는 트랜지스터들의 임계전압보다 작게되거나, 또는 구동 트랜지스터(51)가 디플레션형으로 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 도 3에 도시된 입력/출력 전압 특성이 도 7에 도시된 바와같이 좌측으로 시프트됨으로씨 동작점이 증폭형 고체촬상소자에서 출력된 전압신호출력의 진폭에 대응하게 된다.
더 구체적으로, 증폭형 고체촬상소자에서의 전압 신호 출력의 진폭이 0-4.5V 이고 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(52)의 부하 트랜지스터(32)에 의한 정전류량이 1mA일때, 구동 트랜지스터(51)의 전압 변환 이득(α)은 최대 0.6이다. 구동 트랜지스터(51)의 임계전압(Vth)을 최대 -0.7 V로 설정함에 의해, 증폭형 고체촬상소자에서의 전압 신호 출력의 진폭이 정확하게 반영되는 상태로 출력 임피던스변환이 실행된다.
따라서, 소스/게이트 선택법에 의해 얻어지는 소스 전압은, 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)(52)의 구동 트랜지스터(51)의 임계 전압을 증폭형 고체촬상장치의 모든 주사회로들을 구성하는 트랜지스터들의 임계 전압보다 작게 설정하거나, 또는 구동 트랜지스터(51)로서 디플레션형 트랜지스터를 이용함에 의해 확실하게 출력될 수 있다.
상기한 바와같이, 실시예 1-3의 증폭형 고체촬상장치에서는 증폭형 고체촬상소자가 매트릭스형태로 배열되어 있고, 반도체기판상에 형성된 MOS 트랜지스터의 게이트영역에서 광전변환이 실행되고, 그 게이트영역에 축적된 신호전하에 대응하는 MOS 트랜지스터의 포텐셜변화가 센서 출력으로서 얻어진다. 상기 증폭형 고체촬상장치에 있어서, 반도체기판상에 형성된 각 MOS 트랜지스터는 광전 변환이 실행되는 제1 게이트영역, 소스영역, 및 드레인영역으로 구성된다. 제1 게이트영역에 인접하게 제2 게이트영역이 형성된다. 상기 트랜지스터에는 반도체기판의 표면영역에 배치된 그 트랜지스터의 제1 게이트영역을 통해 입사되는 광에너지를 이용한 광전변환에 의해 발생되는 신호 전하를 축적하여, 그 축적된 신호전하에 대응하는 전기신호를 출력한다. 상기 증폭형 고체촬상장치에는 제1 게이트영역에 축적된 신호전하가 상기 트랜지스터에 인접한 제2 게이트영역을 통해 반도체기판의 중간 부분으로 이동되는 리세트 기능이 제공된다. 또한, 증폭형 고체촬상장치는 각각 제1 게이트영역 및 제2 게이트영역을 동기화하여 구동시키기 위한 제1 및 제2 수직 주사 회로들, 및 컬럼라인들에 접속된 소스영역을 순차선택하는 수평주사회로를 포함한다. 드레인영역들에 소정 전압이 공급된다. 수직 주사회로 및 수평 주사회로에 의해 증폭형 고체촬상소자를 순차 선택함으로써 화소 신호가 비디오 라인상에 독출된다. 비디오 라인상에서 독출된 화소신호는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터의 직렬회로로 구성된 전류증폭 출력부로서의 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)으로 공급되어, 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)의 출력단자에서 영상신호로서 출력된다. 상기 구성에 의해, 전기회로가 출력 단자에 접속되더라도, 각 증폭형 고체촬상소자에서 얻어진 영상신호는 더 정확하고 더 빠르게 출력될 수 있다.
실시예 1-3에서, MOSFET는 증폭형 고체촬상소자용 트랜지스터로서 이용된다. 또한, 제어게이트가 제공된 FET 및 접합 게이트형 FET를 이용하더라도 동일한 기능 및 효과가 얻어질 수 있다.
[실시예 4]
실시예 4의 증폭형 고체촬상장치는 도 1을 참조하여 설명한다. 실시예 4에서 실시예 1-3과 달리, 도 12a 및 12b에 도시된 표면 리세트형 증폭형 고체촬상소자들이 이용된다. 실시예 4에 사용되는 TGMIS 표면 리세트형 등가 회로는 실시예 1-3에 사용된 TGMIS형 등가회로와 동일하므로, 실시예 1에서 이용된 동일 도면이 실시예 4에서도 사용된다.
등가회로가 실시예 1의 것과 동일하므로, 실시예 4의 증폭형 고체촬상장치는 실시예 1에 기술된 것과 동일한 효과를 가진다.
실시예 4에서도, 실시예 2에서와 같이 각 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)에 대해 정전류부하부(41-1, 41-2, ..., 41-n)이 제공될 수 있다.
또한, 실시예 3에서와 같이, 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터(51)의 임계전압은 제1 수직 주사회로(13), 제2 수직 주사 회로(15), 및 수평주사회로(21)를 구성하는 트랜지스터의 임계전압보다 작다. 또는, 구동 트랜지스터(51)는 디플레션형으로 될수 있다.
상기한 구성에 의해, 실시예 2 및 3에서와 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
[실시예 5]
실시예 5의 증폭형 고체촬상장치를 도 1을 참조하여 설명한다. 실시예 5에서 실시예 1-3과 달리, 트렌치형 증폭형 고체촬상소자들이 이용된다. 실시예 5에 사용되는 TGMIS 트렌치형 등가 회로는 실시예 1-3에 사용된 TGMIS형 등가회로와 동일하므로, 실시예 1에서 이용된 것과 동일한 도면이 실시예 4에서도 사용된다.
등가회로가 실시예 1의 것과 동일하므로, 실시예 5의 증폭형 고체촬상장치는 실시예 1에 기술된 것과 동일한 효과를 가진다.
실시예 5에서도, 실시예 2와 같이 각 컬럼라인(16-1, 16-2, ..., 16-n)에 대해 정전류부하부(41-1, 41-2, ..., 41-n)이 제공될 수 있다.
또한, 실시예 3에서와 같이, 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터(51)의 임계전압이 제1 수직 주사회로(13), 제2 수직 주사 회로(15), 및 수평주사회로(21)를 구성하는 트랜지스터의 임계전압보다 작다. 또한, 구동 트랜지스터(51)는 디플레션형으로 될 수 있다.
상기한 구성에 의해, 실시예 2 및 3에서와 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
[실시예 6]
도 8은 본 발명에 따른 실시예 6의 증폭형 고체촬상장치를 나타낸다. 실시예 6에서는 실시예1-3과 달리, BDMIS형 증폭형 고체촬상소자가 이용된다. 도 1에 도시된 바와 동일한 기능 및 효과를 가진 부재들은 동일 참조부호로 나타내며, 그의 설명은 생략한다. 이 실시예의 등가회로는 화소 구조가 다음과 같이 다른 것을 제외하면 도 1의 등가회로와 동일하다.
BDMIS형에서는, TGMIS형과 달리, 신호전하로서 전자가 사용된다. 따라서, 열선택 트랜지스터들(17-1, 17-2, ...)이 n채널 트랜지스터가 아닌, p채널 트랜지스터로 구성된다.
회로동작이 도 1에 도시된 것과 동일하기 때문에, 실시예 1과 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
도 9에 도시된 바와같이, 실시예 2에서와 같이 각 컬럼라인(16-1, 16-2, 16-n)에 대해 정전류부하부(41-1, 41-2, ..., 41-n)이 제공될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와같이, 실시예 3과 동일하게, 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터(51)의 임계전압이 제1 수직 주사회로(13), 제2 수직 주사 회로(15), 및 수평주사회로(21)를 구성하는 트랜지스터의 임계전압보다 작다. 또는, 구동 트랜지스터(51)는 디플레션형으로 될 수 있다.
상기한 구성에 의해, 실시예 2 및 3에서와 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
실시예 1-6에서, 1단의 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)에 대해 설명하였다. 또한, 다단 출력임피던스 변환부(소스 폴로워 회로)을 이용함에 의해서도 동일 효과가 얻어질 수 있다. 다단 출력임피던스 변환부가 사용될때, 부하 트랜지스터의 정전류량은 초단에서 최종단으로 점차 증가되어 최종 이득을 조정할 수 있다. 이 경우, 비디오 라인의 출력 단자는 초단의 구동 트랜지스터(52)의 게이트 단자에 접속되고, 초단의 구동 트랜지스터(52) 및 부하 트랜지스터(32)의 접속단자는 제2 단의 구동 트랜지스터의 게이트단자에 접속된다. 이는 다음 단들에도 적용된다. 즉, 출력임피던스 변환부의 일단에서의 구동 트랜지스터 및 부하 트랜지스터의 접속단자는 다음 단의 구동 트랜지스터의 게이트 단자에 접속되어, 상기 다음 단의 구동 트랜지스터 및 부하 트랜지스터의 접속단자에서 영상신호를 출력한다.
상기한 바와같이, 본 발명에 따른 증폭형 고체촬상장치에서는, 출력임피던스 변환부가 제공된다. 이러한 구성에 따르면, 매트릭스형태로 형성된 증폭형 고체촬상소자가 소스/게이트 선택법에 의해 순차 선택될 때, 장치의 소형화 및 다화소화에 의해 발생되기 쉬운, 기생용량의 영향을 무시할 수 없는 경우에도, 출력전압파형이 둔화되지 않는 출력신호를 얻을 수 있다. 이에 따라, 각 증폭형 고체촬상소자에서의 출력신호를 정확하게 고속으로 독출할 수 있다.
각 신호라인에 정전류원 부하부를 설치함에 의해, 기생용량에 공급될 전하를 개별의 신호라인에 대해 확보할 수 있어, 정확한 영상신호를 고속으로 독출할 수 있다.
출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터의 임계전압이 증폭형 고체촬상장치를 구동하는 주사회로를 구성하는 트랜지스터들의 임계전압보다 작다. 또는, 디플레션형 트랜지스터가 구동 트랜지스터로서 이용될 수 있다. 두 가지 경우 모두, 소스/게이트 선택법에 의해 얻어진 소스전압이 더욱 확실하게 출력될 수 있다.
당업자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 여러가지의 다른 개조예들을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 특허 청구의 범위는 본 명세서의 설명내용으로 제한되지 않고, 더 넓게 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함하는 증폭형 고체촬상 장치에 있어서, 상기 각 증폭형 광전변환 소자는,
    반도체기판의 표면에 형성되고, 입사되는 광에 의해 발생되는 신호 전하를 상기 반도체기판 표면의 트랜지스터의 일부에 축적하고 그 축적된 신호 전하에 대응하는 전기신호의 변화를 포함하는 출력신호를 출력하는 트랜지스터;
    상기 트랜지스터에 인접하게 형성되고, 상기 반도체기판의 일부에 형성된 절연막 및 이 절연막상에 형성된 게이트전극을 포함하며, 상기 축적된 신호전하를 상기 반도체기판의 표면에서 반도체기판의 내부로 이동시키는 게이트영역; 및
    상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 이 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부;를 포함하는 증폭형 고체촬상장치.
  2. 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함하는 증폭형 고체촬상 장치에 있어서, 상기 각 증폭형 광전변환 소자들은,
    광전 변환에 의해 발생된 신호전하를 축적하여 그 신호전하에 대응하는 출력 신호를 출력하는 반도체기판 표면부와 이 반도체기판의 제1 게이트 영역 표면부 위에 형성된 제1 게이트전극을 가진 제1 게이트영역, 각각 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되어 그 반도체기판의 불순물농도보다 높은 불순물농도를 갖는 불순물층을 갖는 소스 및 드레인을 포함하는 트랜지스터;
    상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 표면부와 상기 반도체기판의 제2 게이트영역 표면부 위에 절연막을 통해 형성되어 일부분이 상기 제1 게이트전극에 인접해 있는 제2 게이트전극을 가진 제2 게이트영역, 및 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되며, 상기 제1 게이트전극과 제2 게이트전극이 서로 인접하게 형성된 부분에서 반도체기판 표면 방향을 따라 소정 거리를 두고 떨어져 있으며, 상기 반도체기판의 불순물농도보다 고농도로 된 불순물층으로 형성되며, 상기 축적된 신호전하가 배출되는 전하 배출용 드레인을 포함하는 전하배출부; 및
    상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함하는 증폭형 고체촬상장치.
  3. 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 갖는 화소 부분을 포함하는 증폭형 고체촬상장치에 있어서, 상기 각 증폭형 광전변환 소자들은,
    광전 변환에 의해 발생된 신호전하를 축적하여 그 신호전하에 대응하는 출력신호를 출력하는 반도체기판 표면부분과 그 반도체기판의 제1 게이트 표면부 위에 형성된 제1 게이트전극을 가진 제1 게이트영역, 각각 상기 반도체기판의 표면영역에 형성되어 그 반도체기판의 불순물농도보다 높은 불순물농도를 갖는 불순물층으로 형성되는 소스 및 드레인을 포함하는 트랜지스터;
    상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 표면부분과 상기 반도체기판의 제2 게이트 표면부 위에 절연막을 통해 형성되어, 그의 일부가 상기 제1 게이트전극에 인접한 제2 게이트전극을 가진 제2 게이트영역을 포함하며, 상기 제1 게이트영역에 축적된 신호전하를 제2 게이트영역을 통해 반도체기판으로 배출하는 전하배출부;
    특정 광전변환소자의 전하배출부와 그 특정 광전변환소자에 인접한 광전 변환소자의 트랜지스터 사이의 적어도 일부 위에 형성된 전계차단부; 및
    상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함하는 증폭형 고체촬상장치.
  4. 매트릭스형태로 배열된 증폭형 광전변환 소자들을 포함하는 증폭형 고체촬상장치에 있어서, 상기 각 증폭형 광전변환 소자들은,
    반도체기판의 표면영역에 형성된 반도체영역;
    광전변환에 의해 발생된 신호전하가 축적되는 상기 반도체기판의 제1 표면부및 상기 반도체기판의 표면부 위에 형성된 제1 게이트전극을 포함하는 제1 게이트영역;
    상기 제1 게이트영역에 인접한 반도체기판의 제2 표면부분 및 상기 제2 표면부 위에 절연막을 통해 형성된 제2 게이트전극을 포함하는 제2 게이트영역;
    상기 반도체영역과 반도체기판 사이에서 상기 제1 게이트영역의 표면부분을 채널로 하여 형성되며, 상기 신호전하에 의해 발생되는 능동소자의 특성변화가 출력신호로서 이용되는, 능동소자; 및
    상기 증폭형 광전변환소자들에 접속되어 그 광전변환 소자에서의 출력신호를 차례로 수신하며, 상기 출력신호에 의해 구동되는 구동 트랜지스터와 부하 트랜지스터를 가진 출력임피던스 변환부를 포함하는 증폭형 고체촬상장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출력임피던스 변환부에 접속되며 일방향으로 배열된 다수의 증폭형 광전변환 소자들이 접속되는 각 신호라인에 대해 배치된 정전류 부하부를 더 포함하는 증폭형 고체촬상장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각 증폭형 광전변환소자가 상기 출력신호를 출력하여 그 출력신호가 출력임피던스 변환부로 차례로 안내되도록 하는 주사부를 더 포함하며, 상기 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터의 임계전압이 상기 주사부에 사용되는 트랜지스터의 임계전압보다 작은 증폭형 고체촬상장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 출력임피던스 변환부의 구동 트랜지스터가 디플레션형인 증폭형 고체촬상장치.
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