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JP2586307B2 - Charge transfer device - Google Patents

Charge transfer device

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Publication number
JP2586307B2
JP2586307B2 JP5253785A JP25378593A JP2586307B2 JP 2586307 B2 JP2586307 B2 JP 2586307B2 JP 5253785 A JP5253785 A JP 5253785A JP 25378593 A JP25378593 A JP 25378593A JP 2586307 B2 JP2586307 B2 JP 2586307B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
charge transfer
source
conductivity type
transfer device
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.)
Expired - Lifetime
Application number
JP5253785A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0786569A (en
Inventor
智浩 川村
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.)
NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
Priority to JP5253785A priority Critical patent/JP2586307B2/en
Publication of JPH0786569A publication Critical patent/JPH0786569A/en
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電荷転送装置に関し、
特に、転送信号電荷を1段以上のソースフォロワを用い
て検出する出力回路を備えた電荷転送装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge transfer device,
In particular, the present invention relates to a charge transfer device including an output circuit that detects transfer signal charges using one or more source followers.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、電荷転送装置の出力回路とし
てはFDA(Floating Diffusion Amplifier)増幅器、
またはFGA(Floating Gate Amplifier )増幅器を適
用したものが知られているが、いずれの増幅器において
も1段以上のソースフォロワが用いられている。このう
ち、FDA増幅器は、電荷転送領域の後段に設けられた
浮遊状態の拡散層に信号電荷を導きその電位変化をソー
スフォロワで検出するものであり、FGA増幅器は、電
荷転送領域上にこの領域と容量結合されたゲート電極を
設けておき、通過信号電荷によるゲート電極の電位変化
をソースフォロワにて検出するものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an output circuit of a charge transfer device, an FDA (Floating Diffusion Amplifier) amplifier,
Alternatively, an FGA (Floating Gate Amplifier) amplifier is known, but one or more source followers are used in each amplifier. Among them, the FDA amplifier guides a signal charge to a floating diffusion layer provided at the subsequent stage of the charge transfer region and detects a potential change by a source follower. The FGA amplifier places the signal transfer region on the charge transfer region. A gate electrode capacitively coupled to the gate electrode is provided, and a potential change of the gate electrode due to a passing signal charge is detected by a source follower.

【0003】ここでは、上記2つの方法のうち、FDA
増幅器について図面を参照して説明する。図3は、FD
A増幅器を用いた従来の出力回路の等価回路図である。
同図において、Cfjは浮遊拡散層の接合容量、Tr0
は、浮遊拡散層の電位をリセット電位VRDにリセットす
るためのリセットトランジスタ、Tr1、Tr2は、1
段目のソースフォロワを構成する駆動用のMOSトラン
ジスタと負荷用のMOSトランジスタ、Tr3、Tr4
は、2段目のソースフォロワを構成する駆動用のMOS
トランジスタと負荷用のMOSトランジスタである。
Here, of the above two methods, FDA
The amplifier will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows the FD
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a conventional output circuit using an A amplifier.
In the figure, Cfj is the junction capacitance of the floating diffusion layer, Tr0
Is a reset transistor for resetting the potential of the floating diffusion layer to the reset potential V RD ;
Driving MOS transistors and load MOS transistors constituting the source follower of the stage, Tr3, Tr4
Is a driving MOS constituting a second-stage source follower
A transistor and a load MOS transistor.

【0004】転送信号電荷の電荷量を検出するのに先立
ってA点の電位がリセットされる。リセット動作は、リ
セットトランジスタTr0のゲートに印加されるリセッ
トパルスφR をハイレベルとしリセットトランジスタを
導通させることにより行う。これによりA点の電位、す
なわち浮遊拡散層の電位がリセット電位VRDに設定され
る。その後、リセットパルスφR をローレベルとし、浮
遊拡散層をフローティング状態としてリセット動作を完
了する。この状態で電荷転送路より浮遊拡散層に信号電
荷が注入されると、浮遊拡散層の接合容量Cfjにより
A点の電位はその電荷量に応じて変化する。その電位変
化を図3においてVinにて示す。この電位変化をMO
SトランジスタTr1のゲートに導き、1段目および2
段目のソースフォロワにより低出力インピーダンスの検
出信号Voutに変換して出力する。
Prior to detecting the amount of transfer signal charge, the potential at point A is reset. Reset operation is carried out by conducting the reset transistor and the reset pulse phi R to be applied to the gate of the reset transistor Tr0 high. As a result, the potential at the point A, that is, the potential of the floating diffusion layer is set to the reset potential V RD . Thereafter, the reset pulse phi R to the low level, to complete the reset operation floating diffusion layer in a floating state. In this state, when signal charges are injected from the charge transfer path into the floating diffusion layer, the potential at point A changes according to the charge amount due to the junction capacitance Cfj of the floating diffusion layer. The potential change is indicated by Vin in FIG. This potential change is
The first stage and the second stage are led to the gate of the S transistor Tr1.
The signal is converted into a low output impedance detection signal Vout by the source follower at the stage and output.

【0005】なお、ソースフォロワを構成するMOSト
ランジスタのうち、駆動トランジスタのTr1およびT
r3はエンハンスメント型であり、負荷トランジスタの
Tr2およびTr4はディプリーション型である。そし
て、Tr1およびTr3のドレインは電源電圧VDDに設
定され、Tr2およびTr4のソースおよびゲートは接
地されている。図3に示す回路において、電源電圧VDD
が例えば15Vの場合、B点は例えば10V、C点は例
えば8Vとなっている。
Among the MOS transistors constituting the source follower, the driving transistors Tr1 and T1
r3 is an enhancement type, and the load transistors Tr2 and Tr4 are of a depletion type. The drains of Tr1 and Tr3 are set to the power supply voltage V DD , and the sources and gates of Tr2 and Tr4 are grounded. In the circuit shown in FIG. 3, the power supply voltage V DD
Is 15 V, for example, point B is at 10 V, for example, and point C is at 8 V, for example.

【0006】図4は、上述のMOSトランジスタTr2
およびTr4の形成領域の断面図である。同図に示すよ
うに、n型半導体基板1内に埋設されたpウェル層2の
表面領域内にソース領域、ドレイン領域となるn+ 型不
純物領域5、チャネルを構成するn型不純物領域4およ
びn- 型不純物領域3が形成されている。チャネル領域
上にはシリコン酸化膜7を介してゲート電極8が設けら
れている。このMOSトランジスタは素子分離領域とな
るp+ 型不純物領域によって囲まれて他の領域から分離
されている。n型半導体基板1とpウェル層2との間に
は電源Vsub9により逆バイアスが印加されている。
FIG. 4 shows the above-mentioned MOS transistor Tr2.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a region where Tr4 is formed. As shown in FIG. 1, an n + -type impurity region 5 serving as a source region and a drain region in a surface region of a p-well layer 2 buried in an n-type semiconductor substrate 1, an n-type impurity region 4 forming a channel, and An n -type impurity region 3 is formed. A gate electrode 8 is provided on the channel region via a silicon oxide film 7. This MOS transistor is isolated from other regions by being surrounded by ap + -type impurity region serving as an element isolation region. A reverse bias is applied between the n-type semiconductor substrate 1 and the p-well layer 2 by the power supply Vsub9.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】図5は、図4に示した
MOSトランジスタのチャネルポテンシャルを示す図で
ある。同図に示されるように、ドレイン領域には高電圧
が印加されているためドレイン寄りのチャネルでは基板
の深いところにポテンシャルの谷が形成されるが接地電
位のソース領域に近づくほどチャネルポテンシャルは浅
くなる。その結果、ソース寄りのチャネルではキャリア
は、基板表面近くを流れ、シリコン−酸化膜界面に存在
する界面トラップ準位に電荷がトラップされるようにな
り、界面トラップ電荷eが発生する。このため、S/N
が劣化し、また、図6に示すように、界面トラップ電荷
に起因する出力負荷容量Ctrがついて出力回路の帯域
が低下する。
FIG. 5 is a diagram showing the channel potential of the MOS transistor shown in FIG. As shown in the figure, since a high voltage is applied to the drain region, a potential valley is formed deep in the substrate in the channel near the drain, but the channel potential becomes shallower as it approaches the source region at the ground potential. Become. As a result, in the channel closer to the source, carriers flow near the substrate surface, and charges are trapped at the interface trap level existing at the silicon-oxide film interface, thereby generating an interface trap charge e. Therefore, S / N
Are deteriorated, and as shown in FIG. 6, the output load capacitance Ctr caused by the interface trap charge reduces the bandwidth of the output circuit.

【0008】また、上述した従来の出力回路では、MO
SトランジスタTr2およびTr4のゲート電位が接地
電位に固定されていたため、負荷トランジスタの電流調
整を行うことができず、プロセスにおけるばらつきによ
り、不純物濃度やゲート酸化膜あるいはゲート電極にば
らつきが生じた場合、それがそのまま出力回路のゲイ
ン、動作速度のばらつきの原因を与えることになり、特
性の均一化を図ることがが困難であった。
In the conventional output circuit described above, the MO
Since the gate potentials of the S transistors Tr2 and Tr4 were fixed to the ground potential, the current of the load transistor could not be adjusted. If the impurity concentration, the gate oxide film, or the gate electrode varied due to process variations, This directly causes variations in the gain and operating speed of the output circuit, making it difficult to achieve uniform characteristics.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明によれば、第1導電型半導体層の表面領域内
に第2導電型の電荷転送領域が設けられ、該電荷転送領
域を転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換し、該電
圧信号を前記第1導電型半導体層上に形成された1段ま
たは複数段のソースフォロワによって増幅するものであ
って、前記ソースフォロワの負荷抵抗は、第2導電型の
ソース・ドレイン領域およびチャネル領域を有し、チャ
ネル領域のソース領域よりの部分の表面に第1導電型領
域が設けられたディプリーション型MOSトランジスタ
によって構成されていることを特徴とする電荷転送装置
が提供される。そして、好ましくは、前記ディプリーシ
ョン型MOSトランジスタのゲート電極には、調整可能
なバイアス電圧が印加される。
According to the present invention, a charge transfer region of a second conductivity type is provided in a surface region of a semiconductor layer of a first conductivity type. Is converted into a voltage signal, and the voltage signal is amplified by one or more source followers formed on the first conductivity type semiconductor layer, and the voltage of the source follower is increased. The load resistance is constituted by a depletion type MOS transistor having a source / drain region of the second conductivity type and a channel region, wherein the first conductivity type region is provided on the surface of a portion of the channel region from the source region. A charge transfer device is provided. Preferably, an adjustable bias voltage is applied to a gate electrode of the depletion type MOS transistor.

【0010】[0010]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明の一実施例のソースフォロ
ワの負荷側MOSトランジスタの断面図である。図1に
おいて、図4に示す従来例の部分と共通する部分には、
同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省
略するが、本実施例においては、チャネル部において、
チャネル領域を構成するn型不純物領域4のソース領域
寄りの表面にフローティング状態のp+ 型領域9が形成
されており、そしてゲート電極8は、p+ 型不純物領域
9の形成されていないチャネル領域上にのみ形成されて
いる。ゲート電極8にはソースフォロワの定電流を調整
できるように可変電圧電源Vsが接続されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a load-side MOS transistor of a source follower according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, parts common to those of the conventional example shown in FIG.
Since the same reference numbers are given, duplicate description is omitted, but in the present embodiment, in the channel unit,
A floating p + -type region 9 is formed on the surface of the n-type impurity region 4 constituting the channel region near the source region, and the gate electrode 8 is formed of a channel region where the p + -type impurity region 9 is not formed. Only formed on top. A variable voltage power supply Vs is connected to the gate electrode 8 so that the constant current of the source follower can be adjusted.

【0011】図2は、この負荷用MOSトランジスタを
用いたFDA増幅器の回路図である。同図に示されるよ
うに、本実施例の負荷用MOSトランジスタは、等価回
路としては、ディプリーション型のMOSトランジスタ
Tr2、Tr4と、ゲートをフローティング状態とした
接合型FETTr5、Tr6とをそれぞれ接続した構成
で表せられる。このように構成された負荷トランジスタ
では、ソース寄りの領域でチャネルポテンシャルが浅く
なってもキャリアは基板内部を通過するため、酸化膜界
面での界面トラップ準位によるキャリアのトラップは生
じない。したがって、出力負荷容量の増加がなくなり、
出力アンプ帯域の劣化を防止することができる。また、
S/Nの低下を抑えることができる。
FIG. 2 is a circuit diagram of an FDA amplifier using this load MOS transistor. As shown in the figure, the load MOS transistor of this embodiment has an equivalent circuit in which depletion type MOS transistors Tr2 and Tr4 are connected to junction type FETs Tr5 and Tr6 whose gates are in a floating state, respectively. It can be represented by the following configuration. In the load transistor configured as described above, even if the channel potential becomes shallow in the region near the source, carriers pass through the inside of the substrate, so that carrier trapping due to the interface trap level at the oxide film interface does not occur. Therefore, the output load capacity does not increase,
The deterioration of the output amplifier band can be prevented. Also,
The reduction in S / N can be suppressed.

【0012】また、ゲート電極8に可変電圧電源Vsを
接続しているので、ソースフォロワの定電流を所定の値
に設定することができるようになる。したがって、各ソ
ースフォロワにおいて動作点の補正が可能となり、プロ
セスのばらつきに起因する特性のばらつきを補償するこ
とができる。
Further, since the variable voltage power supply Vs is connected to the gate electrode 8, the constant current of the source follower can be set to a predetermined value. Therefore, it is possible to correct the operating point in each source follower, and it is possible to compensate for variations in characteristics due to process variations.

【0013】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明は上記実施例に限定されるされるものではなく、
特許請求の範囲に記載された本願発明の要旨内において
各種の変更が可能である。例えば、実施例では、負荷ト
ランジスタのチャネル領域上のp+ 型不純物領域をフロ
ーティング状態としていたがこれを接地電位等の固定電
位に設定するように変更してもよい。また、本願発明に
よる負荷トランジスタは、FDA増幅器ばかりでなく、
FGA増幅器において適用することができるものであ
る。また、実施例では、2段構成のソースフォロワにつ
いて説明したが、本発明の出力回路は、特にこの段数に
限定されるものではない。
While the preferred embodiment has been described,
The present invention is not limited to the above embodiments,
Various modifications are possible within the gist of the present invention described in the claims. For example, in the embodiment, the p + -type impurity region on the channel region of the load transistor is in a floating state, but may be changed to a fixed potential such as a ground potential. Further, the load transistor according to the present invention is not only an FDA amplifier but also a load transistor.
It can be applied in an FGA amplifier. Further, in the embodiment, the source follower having the two-stage configuration has been described, but the output circuit of the present invention is not particularly limited to this number of stages.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電荷転送
装置は、出力回路におけるソースフォロワの負荷用MO
Sトランジスタのソース寄りのチャネル領域上をp+
不純物領域によって覆ったものであるので、チャネル電
流を界面トラップ準位からはなれた基板内を通過させる
ことが可能となり、界面トラップ電荷に起因するS/N
の劣化や帯域の低下を防止することができる。さらに、
負荷トランジスタのゲート電圧を調節可能としたので、
プロセスのばらつきに基づく電流のばらつきを補償する
ことが可能となり出力回路の特性を均一化することがで
きる。
As described above, the charge transfer device of the present invention provides a load follower MO for a source follower in an output circuit.
Since the channel region near the source of the S transistor is covered with the p + -type impurity region, the channel current can pass through the substrate separated from the interface trap level. / N
Degradation and bandwidth reduction can be prevented. further,
Since the gate voltage of the load transistor can be adjusted,
Current variations due to process variations can be compensated, and the characteristics of the output circuit can be made uniform.

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

【図1】本発明の一実施例における出力回路の負荷用M
OSトランジスタの断面図。
FIG. 1 shows a load M of an output circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of an OS transistor.

【図2】本発明の一実施例の出力回路の等価回路図。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of an output circuit according to one embodiment of the present invention.

【図3】従来例の出力回路の等価回路図。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a conventional output circuit.

【図4】従来例の出力回路における負荷用MOSトラン
ジスタの断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a load MOS transistor in a conventional output circuit.

【図5】従来例の問題点を説明するためのポテンシャル
図。
FIG. 5 is a potential diagram for explaining a problem of the conventional example.

【図6】従来例の問題点を説明するための等価回路図。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram for explaining a problem of the conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型半導体基板 2 pウェル層 3 n- 型不純物領域 4 n型不純物領域 5 n+ 型不純物領域 6 p+ 型不純物領域 7 シリコン酸化膜 8 ゲート電極 9 p+ 型不純物領域Reference Signs List 1 n-type semiconductor substrate 2 p-well layer 3 n - type impurity region 4 n-type impurity region 5 n + -type impurity region 6 p + -type impurity region 7 silicon oxide film 8 gate electrode 9 p + -type impurity region

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1導電型半導体層の表面領域内に第2
導電型の電荷転送領域が設けられ、該電荷転送領域を転
送されてきた信号電荷を電圧信号に変換し、該電圧信号
を前記第1導電型半導体層上に形成された1段または複
数段のソースフォロワによって増幅する電荷転送装置に
おいて、 前記ソースフォロワの負荷抵抗は、第2導電型のソース
・ドレイン領域および第2導電型のチャネル領域を有
し、前記チャネル領域のソース領域寄りの部分の表面に
第1導電型領域が設けられたMOSトランジスタによっ
て構成されていることを特徴とする電荷転送装置。
A first conductive type semiconductor layer in a surface region of the first conductive type semiconductor layer;
A charge transfer region of a conductivity type is provided, the signal charge transferred through the charge transfer region is converted into a voltage signal, and the voltage signal is converted into one or more stages formed on the first conductivity type semiconductor layer. In a charge transfer device amplifying by a source follower, a load resistance of the source follower has a source / drain region of a second conductivity type and a channel region of a second conductivity type, and a surface of a portion of the channel region near the source region. A MOS transistor provided with a first conductivity type region.
【請求項2】 前記MOSトランジスタのゲート電極に
は可調整のバイアス電圧が印加されていることを特徴と
する請求項1記載の電荷転送装置。
2. The charge transfer device according to claim 1, wherein an adjustable bias voltage is applied to a gate electrode of said MOS transistor.
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