JP2545469B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
Photoelectric conversion deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、センサーノイズの低減を目的とした光電変
換装置に関する。The present invention relates to a photoelectric conversion device for reducing sensor noise.
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題] 固体撮像装置等に用いられるセンサには、出力信号レ
ベルを上げる等のために、増幅型センサが好適に用いら
れる。[Problems to be Solved by the Related Art and Invention] An amplification type sensor is preferably used for a sensor used in a solid-state imaging device or the like in order to increase an output signal level.
増幅型センサーは、MOS型,SIT型,FET型,バイポーラ
型などのトランジスタから構成されていて、それらの制
御電極に蓄積した電荷を電荷増幅あるいは電流増幅し
て、主電極から出力するものである。例えば特公昭55−
28456号公報に増幅型センサーの一例が開示されてい
る。このような増幅型センサーの問題点の1つにセンサ
ーノイズが大きいことがあげられる。The amplification type sensor is composed of transistors of MOS type, SIT type, FET type, bipolar type, etc., and amplifies the electric charge accumulated in those control electrodes and outputs it from the main electrode. . For example, Japanese Patent Publication Sho 55-
28456 discloses an example of an amplification type sensor. One of the problems of such an amplification type sensor is that the sensor noise is large.
センサーノイズは、一般に固定的に現われる固定パタ
ーンノイズ(以後FPNと呼ぶ)と、制御電極をリセット
した時に制御電極にとりこまれるランダムノイズ(リセ
ット毎に振幅が変化するノイズ)がある。There are two types of sensor noise: fixed pattern noise that generally appears fixedly (hereinafter referred to as FPN), and random noise (noise whose amplitude changes with each reset) that is taken into the control electrode when the control electrode is reset.
センサーノイズのなかで、FPNは固定的に現われるの
でセンサーの光信号出力からセンサーの暗時出力を減算
すれば、完全に除去することができる。なお、暗時出力
は蓄積時間をほとんどゼロ、即ちセンサーをリセットし
た直後に読み出す事によって得ることができる。Of the sensor noise, the FPN appears statically, so it can be completely removed by subtracting the dark output of the sensor from the optical signal output of the sensor. The dark output can be obtained by reading the accumulation time to almost zero, that is, immediately after the sensor is reset.
これに対し制御電極にとりこまれたランダムノイズを
も除去するためには、蓄積開始直後のセンサー出力(セ
ンサーノイズ)から蓄積後のセンサー出力(光信号)を
減算すればよい。このような減算処理が可能な光電変換
装置としては、本出願人が先に出願した特願昭63−4749
2号に開示したものがある。この光電変換装置は光信号
を格納する手段とセンサーノイズを格納する格納手段と
を設け、両格納手段に格納された光信号とセンサーノイ
ズとの差を取るものである。On the other hand, in order to remove the random noise introduced into the control electrode, the sensor output (optical signal) after the accumulation may be subtracted from the sensor output (sensor noise) immediately after the accumulation starts. As a photoelectric conversion device capable of such subtraction processing, Japanese Patent Application No. Sho 63-4749 filed previously by the present applicant has been proposed.
There is one disclosed in No. 2. This photoelectric conversion device is provided with a means for storing an optical signal and a storage means for storing sensor noise, and takes the difference between the optical signal stored in both storage means and the sensor noise.
かかる光電変換装置は、ラインセンサーに用いる場合
には非常に実用的であるが、エリアセンサーに用いる場
合には、センサーノイズを格納する格納手段のチップ面
積が大きくなってしまう。格納手段を、撮像素子の外部
に設けた場合においても、フィールドメモリあるいはフ
レームメモリが必要となり、コスト的に問題であって、
実用化は困難である。Such a photoelectric conversion device is very practical when used for a line sensor, but when used for an area sensor, the chip area of the storage means for storing the sensor noise becomes large. Even when the storage means is provided outside the image sensor, a field memory or frame memory is required, which is a cost problem.
Practical application is difficult.
また、センサーの感度を大きくし、センサノイズの影
響を相対的に小さくするために、光電変換領域を増幅用
トランジスタの上部に積層化したものがある。このよう
な固体撮像装置としては、本出願人が先に出願した特願
平1−9089号に開示したものがある。Further, there is one in which a photoelectric conversion region is laminated on an amplification transistor in order to increase the sensitivity of the sensor and relatively reduce the influence of sensor noise. As such a solid-state imaging device, there is one disclosed in Japanese Patent Application No. 1-9089 filed by the present applicant earlier.
この固体撮像装置は、光導電膜を積層すると光電変換
領域の受口開口率が非常に大きくなるので、センサー出
力(S)も同様に大きくなる。しかし、さらに高S/N比
を達成するためには、センサーノイズ(N)を小さくす
る必要がある。In this solid-state imaging device, when the photoconductive film is laminated, the aperture ratio of the photoelectric conversion region becomes very large, so that the sensor output (S) also becomes large. However, in order to achieve a higher S / N ratio, it is necessary to reduce the sensor noise (N).
本発明の目的は上記の課題に鑑み、センサーノイズを
除去するのに適した光電変換装置を提供することにあ
る。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device suitable for removing sensor noise.
[課題を解決するための手段] 本発明の光電変換装置は、光励起された電荷を蓄積す
る蓄積手段と、制御電極の電荷を増幅する増幅手段と、
前記蓄積手段と前記制御電極とを接続する転送素子を有
し、前記蓄積手段の電荷を前記増幅手段に転送する前に
前記制御電極をリセットするリセット手段と、リセット
後、前記増幅手段の出力を第1の信号として読み出す第
1の読み出し手段と、前記転送素子を導通させ、前記蓄
積手段の電荷を前記制御電極に転送する転送手段と、電
荷の転送後に前記増幅手段の出力を第2の信号として読
み出す第2の読み出し手段と、前記第1の信号と前記第
2の信号との減算処理を行う減算処理手段と、 を備えたことを特徴とする。[Means for Solving the Problems] A photoelectric conversion device of the present invention includes a storage unit that stores photoexcited charges, an amplification unit that amplifies charges of a control electrode,
A reset element for resetting the control electrode before transferring the charge of the storage means to the amplification means; and a reset element for resetting the output of the amplification means after resetting. A first read-out means for reading out as a first signal, a transfer means for electrically connecting the transfer element to transfer the charge of the storage means to the control electrode, and an output of the amplifying means after transfer of the charge for a second signal. And a subtraction processing unit that performs a subtraction process between the first signal and the second signal.
[作用] 本発明者は、既に特願平1−136125号において、光励
起された電荷を蓄積する蓄積手段と、制御電極の電荷を
増幅する増幅手段と、前記蓄積手段と前記制御電極とを
接続するスイッチ手段と、このスイッチ手段の、非導通
時の増幅手段の出力を第1の信号として読み出す第1の
読み出し手段と、前記スイッチ手段を導通させ、前記蓄
積手段の電荷を前記制御電極に転送する転送手段と、電
荷の転送後に前記増幅手段の出力を第2の信号として読
み出す第2読み出し手段と、前記第1の信号と前記第2
の信号との減算処理を行う減算処理手段と、 を備えたことを特徴とする光電変換装置を提案した。[Operation] The present inventor has already disclosed in Japanese Patent Application No. 1-136125 that the storage means for storing the photoexcited charge, the amplification means for amplifying the charge of the control electrode, and the storage means and the control electrode are connected. And a first read-out means for reading the output of the amplifying means of the switch means when the switch means is not conducting as a first signal, and the switch means for conducting the electric charge of the accumulating means to the control electrode. Transferring means, second reading means for reading the output of the amplifying means as a second signal after transfer of electric charge, the first signal and the second signal
And a subtraction processing unit that performs a subtraction processing with the signal of 1.
上記特願平1−136125号の光電変換装置は、光励起さ
れた電荷を蓄積する蓄積手段と制御電極の電荷を増幅す
る増幅手段との間にスイッチ手段を設けることで、蓄積
手段の動作に関係なく、センサノイズを独立して読み出
すことを可能とするものであり、FPNばかりではなく増
幅素子の暗電流成分やランダムノイズを除去することを
可能とするものである。The photoelectric conversion device of Japanese Patent Application No. 1-136125 is related to the operation of the accumulating means by providing the switch means between the accumulating means for accumulating the photoexcited electric charge and the amplifying means for amplifying the electric charge of the control electrode. However, the sensor noise can be read out independently, and the dark current component and random noise of the amplifying element as well as the FPN can be removed.
本発明は上記特願平1−136125号の光電変換装置の特
性を向上させるものであり、蓄積手段の電荷を増幅手段
に転送する前に増幅手段の制御電極をリセットするリセ
ット手段を設け、リセット後に、増幅手段の出力を第1
の信号として読み出し、またスイッチ素子を導通させ、
前記蓄積手段の電荷を前記制御電極に転送した後に前記
増幅手段の出力を第2の信号として読み出すことによ
り、増幅手段の暗電流成分を光電荷の転送前に除去し、
蓄積手段の蓄積電位よりも増幅手段の制御電極の電位を
低く設定することで、蓄積手段から増幅手段へ光電荷の
転送を完全に行うことを可能とするものである。The present invention is to improve the characteristics of the photoelectric conversion device of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 1-136125, and is provided with reset means for resetting the control electrode of the amplifying means before transferring the charge of the accumulating means to the amplifying means. Later, the output of the amplification means
Read out as a signal of
After the charge of the storage means is transferred to the control electrode, the output of the amplifying means is read out as a second signal, whereby the dark current component of the amplifying means is removed before the transfer of the photocharge,
By setting the potential of the control electrode of the amplification means lower than the storage potential of the storage means, it is possible to completely transfer the photocharges from the storage means to the amplification means.
なお、基体上に蓄積手段となる蓄積領域及び増幅手段
となる増幅領域を形成し、その上に光電変換領域を積層
し、この光電変換領域と増幅領域とを接続させれば、受
口開口率を大きくできS/N比を大きくすることができ
る。It is to be noted that when a storage area serving as storage means and an amplification area serving as amplification means are formed on a substrate, a photoelectric conversion area is stacked on the storage area, and the photoelectric conversion area and the amplification area are connected to each other, the aperture ratio of the socket Can be increased and the S / N ratio can be increased.
[実施例] 以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図は、本発明の光電変換装置の第1実施例の部分
回路図である。FIG. 1 is a partial circuit diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention.
第2図は、上記光電変換装置の画素の概略的平面図で
ある。FIG. 2 is a schematic plan view of a pixel of the photoelectric conversion device.
第3図は、第2図の光電変換装置のX−X′線断面図
である。FIG. 3 is a sectional view taken along line XX ′ of the photoelectric conversion device of FIG.
第4図は、第2図の光電変換装置のY−Y′線断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of FIG. 2 taken along the line YY ′.
第1図に示すように、1つの画素は、画素をリセット
するためのPMOSトランジスタTrA、画素の過渡リセット
及び信号の蓄積・読み出しを制御するための容量CoX、
光励起された電荷を蓄積する蓄積手段であるフォト・ダ
イオードD、このフォト・ダイオードDからの信号を増
幅する増幅用トランジスタTrC、フォト・ダイオードD
の光電変換部で発生した電荷を増幅用トランジスタTrC
の制御電極であるベースへ転送制御するための転送素子
TrBから構成される。φVR、φTBはそれぞれPMOSトラン
ジスタTrA、転送素子TrBの制御を行うパルスである。As shown in FIG. 1, one pixel includes a PMOS transistor Tr A for resetting the pixel, a capacitance Co X for controlling transient reset of the pixel and signal accumulation / reading,
A photo diode D which is a storage means for accumulating the photoexcited electric charge, an amplifying transistor Tr C for amplifying a signal from the photo diode D, and a photo diode D.
Transistor Tr C for amplifying charges generated in the photoelectric conversion portion
Element for controlling transfer to the base, which is the control electrode of the
Composed of Tr B. φ VR and φ TB are pulses for controlling the PMOS transistor Tr A and the transfer element Tr B , respectively.
増幅用トランジスタTrCエミッタはMOSトランジスタ
T1、T2を介して蓄積容量C1,C2に接続される。φT1、φ
T2はそれぞれMOSトランジスタT1、T2の制御を行うパル
スである。TVCは垂直信号線のリセットを行うMOSトラン
ジスタであり、パルスφVCの制御により電位VVCに設定
される。Amplifying transistor Tr C Emitter is a MOS transistor
It is connected to the storage capacitors C 1 and C 2 via T 1 and T 2 . φ T1 , φ
T2 is a pulse for controlling the MOS transistors T 1 and T 2 , respectively. T VC is a MOS transistor that resets the vertical signal line, and is set to the potential V VC by controlling the pulse φ VC .
第2図及び第3図に示すように、各画素はP基板の上
に形成されるがN基板上であっても良い。本実施例の各
画素はPMOSトランジスタTrAで分離され(第3図中破線
で図示)、また、増幅用トランジスタTrCのベースBの
一部にはSiO2上に設けられたpoly層L1により容量CoXを
形成している。エミッタEはAl層L2により、画素分離上
を垂直出力線として配線接続されている。第2図及び第
4図に示すように、光電変換部であるフォト・ダイオー
ドDと増幅用トランジスタTrCのベースBは、転送素子T
rB(第4図中破線で図示)により分離されている。n′
はチャネルドープ領域を示す。なお、フォト・ダイオー
ドD以外は通常遮光されるが、第2図〜第4図では省略
している。As shown in FIGS. 2 and 3, each pixel is formed on the P substrate, but may be on the N substrate. Each pixel of this embodiment is separated by a PMOS transistor Tr A (shown by a broken line in FIG. 3), and a part of the base B of the amplifying transistor Tr C is a poly layer L 1 provided on SiO 2. Thereby forming a capacitance Co X. The emitter E is connected by the Al layer L 2 as a vertical output line above the pixel separation. As shown in FIGS. 2 and 4, the photodiode D, which is a photoelectric conversion unit, and the base B of the amplification transistor Tr C are the transfer element T.
They are separated by r B (shown by the broken line in FIG. 4). n '
Indicates a channel dope region. It should be noted that, except for the photodiode D, it is normally shielded from light, but is omitted in FIGS. 2 to 4.
以下、第1図〜第4図を参照しながら、上記光電変換
装置の動作について説明する。The operation of the photoelectric conversion device will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.
第5図は、上記光電変換装置の動作を説明するための
タイミングチャートである。FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device.
第5図において、まず、期間T1は水平方向増幅用トラ
ンジスタTrCの完全リセット期間であり、また後述の蓄
積容量C1,C2からの信号及びセンサノイズの出力期間で
もある。完全リセットは、パルスφVRを負電位(図示
VL)にして、PMOSトランジスタTrAをON状態としてなさ
れる。In FIG. 5, first, the period T 1 is a complete reset period of the horizontal amplification transistor Tr C , and is also a period of outputting signals and sensor noise from the storage capacitors C 1 and C 2 described later. For complete reset, pulse φ VR is set to a negative potential (illustration
V L ), and the PMOS transistor Tr A is turned on.
この完全リセットによりベース電位はGNDにクランプ
される。This complete reset clamps the base potential to GND.
期間T2では、期間T1の完全リセットに引き続いて、過
渡リセットが行われる。パルスφVRを正電位(図示VH)
にすると、PMOSトランジスタTrAはOFF状態となり、容量
COXを介して増幅用トランジスタTrCのベース電位は上昇
する。同時にパルスφVCをハイレベルとしてMOSトラン
ジスタTVCをON状態として、増幅用トランジスタTrCのエ
ミッタを所定の電位VVCとする。この時、増幅用トラン
ジスタTrCのベース電荷はエミッタ電流との再結晶によ
り急激に低下する。また、パルスφT1をハイレベルとし
て、MOSトランジスタT1をON状態とし蓄積容量C1を所定
の電位VVCとする。In the period T 2, following the complete reset period T 1, the transient reset is performed. Positive potential of pulse φ VR (V H shown)
When set to, the PMOS transistor Tr A is turned off and the capacitance
The base potential of the amplifying transistor Tr C rises via C OX . At the same time, the pulse φ VC is set to the high level to turn on the MOS transistor T VC, and the emitter of the amplifying transistor Tr C is set to the predetermined potential V VC . At this time, the base charge of the amplifying transistor Tr C sharply drops due to recrystallization with the emitter current. Further, the pulse φ T1 is set to the high level, the MOS transistor T 1 is turned on, and the storage capacitor C 1 is set to the predetermined potential V VC .
期間T3は、センサノイズの読み出し期間であり、パル
スφVRを正電位VHとしたまま、パルスφVCをロウレベル
として、MOSトランジスタTVCをOFF状態とし、増幅用ト
ランジスタTrCのエミッタをフローティング状態にする
と、エミッタ端子の電圧はベース電圧を反映した電位に
なる。The period T 3 is a period for reading out the sensor noise. The pulse φ VR is kept at the positive potential V H , the pulse φ VC is set to the low level, the MOS transistor T VC is turned off, and the emitter of the amplification transistor Tr C is floated. In this state, the voltage at the emitter terminal becomes a potential that reflects the base voltage.
この時のベース電位は暗時出力電位であり、エミッタ
には増幅用トランジスタTrCの特性に依存した出力電圧
が現われる。これは一般的にオフセット電圧と呼ばれ、
複数の増幅用トランジスタ間ではそのパラメータが少し
づつ異なるのでエミッタ出力電圧、即ちオフセット電圧
も異なっている。ここではそれらのオフセット電位の差
異をセンサーノイズと呼ぶ。このセンサーノイズは蓄積
容量C1に蓄積される。The base potential at this time is the output potential in the dark, and the output voltage that depends on the characteristics of the amplifying transistor Tr C appears at the emitter. This is commonly called the offset voltage,
Since a plurality of amplifying transistors have slightly different parameters, the emitter output voltage, that is, the offset voltage also differs. Here, the difference between these offset potentials is called sensor noise. This sensor noise is stored in the storage capacitor C 1 .
センサノイズの読み出しが終了すると、パルスφVRは
高電圧VHから中間電圧VMに変化する。この電位変化によ
り、増幅用トランジスタTrCのベースは、容量COXを通じ
て逆バイアスされる。When the reading of the sensor noise is completed, the pulse φ VR changes from the high voltage V H to the intermediate voltage V M. Due to this potential change, the base of the amplifying transistor Tr C is reverse-biased through the capacitor C OX .
期間T4は、フォト・ダイオードDの光電荷を増幅用ト
ランジスタTrCのベースへの転送するための期間であ
り、パルスφTBを立ち下げて負電位(VL)とすると、転
送素子TrBがON状態となり、フォト・ダイオードDに蓄
積された光電荷は増幅用トランジスタTrCのベースに転
送される。The period T 4 is a period for transferring the photocharge of the photodiode D to the base of the amplifying transistor Tr C , and when the pulse φ TB is lowered to a negative potential (V L ), the transfer element Tr B Is turned on, and the photocharges accumulated in the photodiode D are transferred to the base of the amplifying transistor Tr C.
フォト・ダイオードDの電位に対し、増幅用トランジ
スタTrCのベース電位は低く設定されているので、フォ
ト・ダイオードDから増幅用トランジスタTrCへの光電
荷の転送は完全に行われる。Since the base potential of the amplifying transistor Tr C is set lower than the potential of the photo diode D, the transfer of photocharges from the photo diode D to the amplifying transistor Tr C is completed.
期間T4の後、パルスφVCハイレベルとしてMOSトラン
ジスタTVCをON状態とし、パルスφT2をハイレベルとし
て、MOSトランジスタT2をON状態として、蓄積容量C2を
所定の電位VVCとする。After the period T 4 , the pulse φ VC is set to the high level to turn on the MOS transistor T VC , the pulse φ T 2 is set to the high level to turn on the MOS transistor T 2 , and the storage capacitor C 2 is set to the predetermined potential V VC . .
期間T5は、光信号の読み出し期間であり、パルスφVR
を正電位(VH)とすると、容量CoXを介して増幅用トラ
ンジスタTrCのベースの電位が上昇し、増幅用トランジ
スタTrCから光信号出力が読み出される。この光信号に
は上述のセンサーノイズが含まれており、蓄積容量C2に
蓄積される。The period T 5 is a read period of the optical signal, and the pulse φ VR
The When a positive potential (V H), the potential of the base of the amplifying transistor Tr C rises through the capacitor Co X, the optical signal output is read from the amplifying transistor Tr C. This optical signal contains the sensor noise described above and is stored in the storage capacitor C 2 .
センサーノイズを蓄積している蓄積容量C1の列と光信
号を蓄積している蓄積容量C2の列は、不図示の水平シフ
トレジスタにより駆動選択された不図示の水平転送スイ
ッチから水平出力線に転送される。水平出力線の出力端
子は差動アンプに接続されているので、結果的に、光信
号よりセンサーノイズが減算されて、光信号のみを得る
ことができる。The column of the storage capacitor C 1 that stores the sensor noise and the column of the storage capacitor C 2 that stores the optical signal are driven by the horizontal shift register (not shown), and the horizontal output line from the horizontal transfer switch (not shown) is selected. Transferred to. Since the output terminal of the horizontal output line is connected to the differential amplifier, as a result, the sensor noise is subtracted from the optical signal, and only the optical signal can be obtained.
以下、センサーノイズの減算処理について詳細に説明
する。The sensor noise subtraction process will be described in detail below.
我々の実験結果によれば、過渡リセット後のFPNは、
増幅用トランジスタTrCのhFEなどのパラメータの差異に
より異なり、過渡リセット終了後ベース電位VBΔVのバ
ラツキが発生する。このバラツキΔVは読み出し動作に
より、エミッタ出力では される。ここでCBはベース・コレクタ間容量CbC、ベー
ス・エミッタ間容量Cbe、および容量COXの合成容量であ
る。According to our experimental results, the FPN after transient reset is
Depending on the difference in parameters such as h FE of the amplifying transistor Tr C, the base potential V B ΔV varies after the transient reset. This variation ΔV is due to the read operation and Is done. Here, C B is a combined capacitance of the base-collector capacitance C bC , the base-emitter capacitance C be , and the capacitance C OX .
また、ランダムノイズ成分は、期間T2における合成容
量CBに依存するリセット時のkTCノイズ、センサートラ
ンジスタ読み出し動作時のランダムノイズである。リセ
ット時のkTCノイズは、過渡リセットにより少し小さく
なり、 をかけた値となるが、上述の減算処理により除去され
る。Further, the random noise components are kTC noise at the time of resetting which depends on the combined capacitance C B in the period T 2 , and random noise at the time of the sensor transistor reading operation. The kTC noise at reset is a little smaller due to the transient reset, However, it is removed by the above subtraction processing.
さらに、読み出し動作時のランダムノイズはベース容
量CB,エミッタから見た負荷容量CVと蓄積容量CT,電流増
幅率hFEなどに依存するが、電流増幅率hFEを大きくして
非破壊度を大きくすれば前記リセット時のランダムノイ
ズよりも、非常に小さくできることが分かった。このこ
とは、センサーのFPNとリセット時の残留kTCノイズは、
光信号とセンサーノイズとの減算処理により、S/N比を
非常に改善できることを意味する。CCDでは、電荷・電
圧変換出力アンプ後相関二重サンプリング法によって、
リセットトランジスタによるkTCノイズを除去している
が、高速駆動のためアンプノイズが支配的である。Further, random noise in a read operation base capacitance C B, the load capacitance C V and the storage capacitor C T as viewed from the emitter, although depends on the current amplification factor h FE, non-destructive to increase the current amplification factor h FE It was found that if the degree is increased, it can be made much smaller than the random noise at the time of reset. This means that the sensor's FPN and the residual kTC noise at reset are
This means that the S / N ratio can be greatly improved by the subtraction process of the optical signal and the sensor noise. In CCD, by charge / voltage conversion output amplifier post-correlation double sampling method,
Although the kTC noise caused by the reset transistor is removed, the amplifier noise is dominant because of the high speed driving.
本発明のような各画素が増幅素子から構成されたもの
は、1H毎の低速走査であるため、アンプノイズ、即ち読
み出しノイズは極めて小さい。The one in which each pixel is composed of the amplifying element as in the present invention is a low speed scan for every 1H, and therefore the amplifier noise, that is, the read noise is extremely small.
また、増幅用トランジスタの暗電流成分は光電荷の転
送前にベースをリセットするので問題はない。Further, since the dark current component of the amplifying transistor resets the base before the transfer of the photocharge, there is no problem.
第5図に示した実施例のタイミングでは期間T2におい
て、過渡リセットをおこなっているが、過渡リセットは
必須条件ではない。例えば、増幅用トランジスタがバイ
ポーラトランジスタの場合は、過渡リセットを行うこと
が可能であるが、MOSトランジスタの場合は不可能であ
る。Although the transient reset is performed in the period T 2 at the timing of the embodiment shown in FIG. 5, the transient reset is not an essential condition. For example, when the amplifying transistor is a bipolar transistor, transient reset can be performed, but when the amplifying transistor is a MOS transistor, it is impossible.
第6図は、本発明の光電変換装置の第2実施例の部分
回路図である。FIG. 6 is a partial circuit diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
本実施例の特徴部分は、増幅素子をMOSトランジスタ
としたことである。The characteristic part of this embodiment is that the amplifying element is a MOS transistor.
同図において、MOSトランジスタTrA′は、MOSトラン
ジスタTrC′の制御電極であるゲート領域の残留電荷を
クリアするためのリセット用MOSトランジスタである。
第1実施例においては増幅素子がバイポーラトランジス
タで構成されていたので過渡リセットを行なったが、本
実施例は増幅素子がMOSトランジスタであるため過渡リ
セット動作は不要である。フォト・ダイオードDに蓄積
された光電荷をゲートに転送し、増幅素子のMOSトラン
ジスタから光信号を読み出すときのランダムノイズはセ
ンサーMOSの増幅素子にMOSやFETを使用すれば読み出し
時制御電極であるゲート電荷は破壊されないので、セン
サーノイズと光信号出力に含まれるセンサーノイズの相
関性は非常に高くなり、結果的に高S/Nセンサーとする
ことができる。In the figure, the MOS transistor Tr A ′ is a reset MOS transistor for clearing the residual charge in the gate region which is the control electrode of the MOS transistor Tr C ′.
In the first embodiment, since the amplifying element is composed of the bipolar transistor, the transient reset is performed. However, in this embodiment, since the amplifying element is the MOS transistor, the transient reset operation is unnecessary. Random noise when transferring the photocharge accumulated in the photo diode D to the gate and reading the optical signal from the MOS transistor of the amplifying element is the control electrode at the time of reading if MOS or FET is used as the amplifying element of the sensor MOS. Since the gate charge is not destroyed, the correlation between the sensor noise and the sensor noise included in the optical signal output becomes very high, and as a result, a high S / N sensor can be obtained.
第7図は、本発明の第3実施例におけるセンサー断面
図である。FIG. 7 is a sectional view of a sensor according to the third embodiment of the present invention.
本実施例は、光電変換領域で積層による光導電膜とし
たものである。In this embodiment, a photoconductive film formed by stacking layers in the photoelectric conversion region is used.
同図に示すように、光電変換装置の第1実施例である
第4図のフォト・ダイオード部に光導電膜からの画素電
極を接続したものである。As shown in the figure, a pixel electrode made of a photoconductive film is connected to the photodiode portion of FIG. 4 which is the first embodiment of the photoelectric conversion device.
図中、1は光電電膜、2は透明電極、3ほ画素電極、
4は絶縁層であり、光導電膜1は画素電極3を通して、
フォト・ダイオード部を構成するp型半導体領域に接続
される。In the figure, 1 is a photoelectric film, 2 is a transparent electrode, 3 is a pixel electrode,
4 is an insulating layer, the photoconductive film 1 is through the pixel electrode 3,
It is connected to the p-type semiconductor region that constitutes the photodiode portion.
本実施例によれば、増幅素子部上にも光導電膜を設け
ることができるので、受口開口率を大きくし、S/N比を
大きくすることができる。According to the present embodiment, the photoconductive film can be provided also on the amplification element portion, so that the aperture ratio of the receptacle and the S / N ratio can be increased.
第8図は、本発明の適用した固体撮像装置の概略的構
成図である。FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device to which the present invention is applied.
同図において、光センサがエリア状に配列された撮像
素子201は、垂直走査部202及び水平走査部203によって
テレビジョン走査が行なわれる。In the figure, the vertical scanning unit 202 and the horizontal scanning unit 203 perform television scanning on the image sensor 201 in which optical sensors are arranged in an area.
水平走査部203から出力された信号は、処理回路204を
通して標準テレビジョン信号として出力される。The signal output from the horizontal scanning unit 203 is output as a standard television signal through the processing circuit 204.
垂直および水平走査部202及び203の駆動パルスφHS,
φH1,φH2,φVS,φV1,φV2等はドライバ205によって供
給される。またドライバ205はコントローラ206によって
制限される。Driving pulse φ HS for the vertical and horizontal scanning units 202 and 203,
φ H1 , φ H2 , φ VS , φ V1 , φ V2, etc. are supplied by the driver 205. The driver 205 is also limited by the controller 206.
[発明の効果] 以上詳細に説明したように、本発明の光電変換装置に
よれば、光励起された電荷を蓄積する蓄積手段と制御電
極の電荷を増幅する増幅手段との間にスイッチ手段を設
けることで、増幅素子のセンサーノイズを蓄積手段の動
作に関係なく、独立して読み出すことができ、FPNばか
りでなく増幅素子の暗電流成分やランダムノイズを除去
でき、また増幅用素子を低速駆動とし、読み出し時のノ
イズを非常に小さく、高S/N比の撮像素子を実現するこ
とができる。[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the photoelectric conversion device of the present invention, the switch means is provided between the storage means for accumulating the photoexcited charge and the amplification means for amplifying the charge of the control electrode. As a result, the sensor noise of the amplification element can be independently read regardless of the operation of the storage unit, and not only the FPN but also the dark current component and random noise of the amplification element can be removed, and the amplification element can be driven at low speed. It is possible to realize an image pickup device with a high S / N ratio, with very small noise during reading.
また本発明によれば、蓄積手段の電荷を増幅手段に転
送する前に増幅手段の制御電極をリセットするリセット
手段を設け、リセット後に、増幅手段の出力を第1の信
号として読み出し、また転送素子を導通させ、前記蓄積
手段の電荷を前記制御電極に転送した後に前記増幅手段
の出力を第2の信号として読み出すことにより、増幅手
段の暗電流成分を光電荷の転送前に除去でき、蓄積手段
の蓄積電位よりも増幅手段の制御電極の電位を低く設定
し、蓄積手段から増幅手段へ光電荷の転送を完全に行う
ことが可能となる。Further, according to the present invention, reset means for resetting the control electrode of the amplifying means is provided before the charge of the accumulating means is transferred to the amplifying means, and after the reset, the output of the amplifying means is read as the first signal and the transfer element And the charge of the accumulating means is transferred to the control electrode and then the output of the amplifying means is read out as a second signal, whereby the dark current component of the amplifying means can be removed before the transfer of the photocharges. It is possible to set the potential of the control electrode of the amplifying means lower than the accumulated potential, and to completely transfer the photocharges from the accumulating means to the amplifying means.
なお、基体上に蓄積手段となる蓄積領域及び増幅手段
となる増幅領域を形成し、その上に光電変換領域を積層
し、この光電変換領域と増幅領域とを接続させれば、受
口開口率を大きくでき、S/N比を大きくすることができ
る。It is to be noted that when a storage area serving as storage means and an amplification area serving as amplification means are formed on a substrate, a photoelectric conversion area is stacked on the storage area, and the photoelectric conversion area and the amplification area are connected to each other, the aperture ratio of the socket And the S / N ratio can be increased.
第1図は、本発明の光電変換装置の第1実施例の部分回
路図である。 第2図は、上記光電変換装置の画素の概略的平面図であ
る。 第3図は、第2図の光電変換装置のX−X′線断面図で
ある。 第4図は、第2図の光電変換装置のY−Y′線断面図で
ある。 第5図は、上記光電変換装置のタイミングチャートであ
る。 の部分回路図である。 第6図は、本発明の光電変換装置の第2実施例の部分回
路図である。 第7図は、本発明の第3実施例におけるセンサー断面図
である。 第8図は、本発明を適用した固体撮像装置の概略的構成
図である。 TrA:PMOSトランジスタ、TrB:転送素子、CoX:容量、D:フ
ォト・ダイオードD、TrC:増幅用トランジスタ、φVR,
φTB,φT1,φT2,φVC:パルス、TVC,T1,T2:MOSトランジ
スタ、C1,C2:コンデンサ。FIG. 1 is a partial circuit diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of a pixel of the photoelectric conversion device. FIG. 3 is a sectional view taken along line XX ′ of the photoelectric conversion device of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of FIG. 2 taken along the line YY ′. FIG. 5 is a timing chart of the photoelectric conversion device. 3 is a partial circuit diagram of FIG. FIG. 6 is a partial circuit diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 7 is a sectional view of a sensor according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device to which the present invention has been applied. Tr A : PMOS transistor, Tr B : transfer element, Co X : capacitance, D: photo diode D, Tr C : amplification transistor, φ VR ,
φ TB , φ T1 , φ T2 , φ VC : pulse, T VC , T 1 , T 2 : MOS transistors, C 1 , C 2 : capacitors.
Claims (2)
制御電極の電荷を増幅する増幅手段と、前記蓄積手段と
前記制御電極とを接続する転送素子を有し、前記蓄積手
段の電荷を前記増幅手段に転送する前に前記制御電極を
リセットするリセット手段と、リセット後、前記増幅手
段の出力を第1の信号として読み出す第1の読み出し手
段と、前記転送素子を導通させ、前記蓄積手段の電荷を
前記制御電極に転送する転送手段と、電荷の転送後に前
記増幅手段の出力を第2の信号として読み出す第2の読
み出し手段と、前記第1の信号と前記第2の信号との減
算処理を行う減算処理手段と、 を備えたことを特徴とする光電変換装置。1. Storage means for storing photoexcited charges,
A reset means for resetting the control electrode before transferring the charge of the storage means to the amplification means, and an amplification means for amplifying the charge of the control electrode, and a transfer element for connecting the storage means and the control electrode. And, after resetting, first reading means for reading the output of the amplifying means as a first signal, transfer means for electrically connecting the transfer element, and transferring the charge of the accumulating means to the control electrode, and transfer of the charge. Second read means for reading the output of the amplifying means as a second signal later, and subtraction processing means for performing subtraction processing of the first signal and the second signal. Photoelectric conversion device.
前記増幅手段となる増幅領域を形成し、その上に光電変
換領域を積層し、この光電変換領域と前記増幅領域とを
電気的に接続させたことを特徴とする請求項1記載の光
電変換装置。2. A storage region serving as the storage unit and an amplification region serving as the amplification unit are formed on a substrate, and a photoelectric conversion region is stacked on the storage region, and the photoelectric conversion region and the amplification region are electrically connected to each other. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is connected.
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