JPH01214157A - Ultra-high sensitivity mos solid-state image sensing device - Google Patents
Ultra-high sensitivity mos solid-state image sensing deviceInfo
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、超高感度MOS固体撮像素子、更に詳細には
、ビデオカメラ等の固体撮像素子として有用な超高感度
MOS固体撮像素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultra-high sensitivity MOS solid-state image sensor, and more particularly to an ultra-high-sensitivity MOS solid-state image sensor useful as a solid-state image sensor for video cameras and the like.
(従来の技術)
第9図は、従来の固体撮像素子の一例を示す等価回路図
である。図において、1は受光素子としてのフォトダイ
オード、2はMOSトランジスター、3はドレイン配線
、4はゲート配線を示す、第1図に示すように、この固
体撮像素子は、フォトダイオードlとMOSトランジス
ター2のドレイン・ソースとを直列に接続し、ソース配
線3及びゲート配線4を配設したもので、固体撮像素子
の基本的構成を有している。(Prior Art) FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing an example of a conventional solid-state image sensor. In the figure, 1 is a photodiode as a light receiving element, 2 is a MOS transistor, 3 is a drain wiring, and 4 is a gate wiring.As shown in FIG. A drain and a source are connected in series, and a source wiring 3 and a gate wiring 4 are arranged, and has the basic structure of a solid-state image sensor.
第10図は、第9図に示した等何回路に相当する具体例
の構造を示す断面図である0図において、11はN型基
板、12はP型ウェル、13は受光部N型領域、14は
酸化膜よりなる受光部保護膜、15はアイソレイト酸化
膜、16はトランスファーゲート、17は続出部ドレイ
ン、18は続出部電極、19はゲート配線であるトラン
スファーゲート駆動電極、20はドレイン配線であるド
レイン駆動電極である。この固体撮像素子は、N型基板
11上に形成されたP型ウェル12と受光部N型領域1
3によるPN接合よりなるフォトダイオード1及び受光
部N型領域13(ソース)、続出部ドレイン17とアイ
ソレイト酸化膜15中に形設されたトランスファーゲー
ト16よりなるMOSトランジスター2と、トランスフ
ァーケート駆動電極19及び読出部電極18を介して接
続されたドレイン駆動電極20よりなっている。そして
、前記PN接合に光が入射すると、PN接合域に電荷が
発生し、この電荷をMOS)−ランシスター2によって
制御することにより画像を録画、再生することができる
。FIG. 10 is a sectional view showing the structure of a specific example corresponding to the circuit shown in FIG. 9. In FIG. , 14 is a light-receiving part protection film made of an oxide film, 15 is an isolated oxide film, 16 is a transfer gate, 17 is a continuous part drain, 18 is a continuous part electrode, 19 is a transfer gate drive electrode which is a gate wiring, and 20 is a drain wiring. is the drain drive electrode. This solid-state image sensor includes a P-type well 12 formed on an N-type substrate 11 and a light-receiving N-type region 1.
3, a photodiode 1 consisting of a PN junction, a light receiving part N-type region 13 (source), a MOS transistor 2 consisting of a continuous part drain 17, a transfer gate 16 formed in an isolated oxide film 15, and a transfer gate drive electrode 19. and a drain drive electrode 20 connected via a readout electrode 18. When light enters the PN junction, a charge is generated in the PN junction region, and by controlling this charge by the MOS)-run sister 2, images can be recorded and reproduced.
ところで、高画質テレビ時代に対応して、固体撮像素子
も高解像度が要求され始めている。Incidentally, in response to the era of high-definition television, high resolution is also being required for solid-state image sensors.
固体撮像素子の高解像度を上げるためには、素子当たり
の画素数を増やす必要があり、画素の占める面積を更に
縮小しなければならない。しかし、単に画素面積を小さ
くすると、画素の感度が低下し、S/N比が低下する。In order to increase the resolution of a solid-state image sensor, it is necessary to increase the number of pixels per element, and the area occupied by the pixels must be further reduced. However, simply reducing the pixel area lowers the sensitivity of the pixel and lowers the S/N ratio.
ところが、雑音レベルの低減には限界があるので、第9
図あるいは第10図に示す固体撮像素子では、高解像度
を実現することは困難であった。そこで、画素部に増幅
機能を付与した固体撮像素子が考えられ提案されるに至
った。However, since there is a limit to reducing the noise level,
It has been difficult to achieve high resolution with the solid-state imaging device shown in FIG. Therefore, a solid-state image sensor in which a pixel section is provided with an amplification function has been considered and proposed.
増幅機能を有する固体撮像素子としては、例えば等価回
路が第11図〜第13図に示されるものが知られている
。すなわち、従来の固体撮像素子のフォトダイオードの
後段にMOSトランジスターを追加した構成のもの(第
11図)、MOSトランジスターのゲート部の電荷の蓄
積効果を利用したもので増幅作用を持たせたもの(第1
2図)[「日経エレクトロニクス」428巻、第106
頁(1987年)]、5IT(static 1ndu
ction transistor)方式で増幅作用を
持たせたものが挙げられる。As a solid-state image sensor having an amplification function, for example, those whose equivalent circuits are shown in FIGS. 11 to 13 are known. In other words, a structure in which a MOS transistor is added after the photodiode of a conventional solid-state image sensor (Fig. 11), and a structure in which a MOS transistor has an amplification effect by utilizing the charge accumulation effect at the gate part (Fig. 11). 1st
Figure 2) [Nikkei Electronics, Vol. 428, No. 106
Page (1987)], 5IT (static 1ndu
Examples include those that have an amplification effect using the ction transistor system.
(発明が解決しようとする課題)
しかしながら、従来の画素部に増幅機能を付与した固体
撮像素子(以下、増幅型撮像素子ということがある)は
、画素ごとの利得にバラツキがあること、S/N比が良
くない等の欠点があると言われている。(Problems to be Solved by the Invention) However, conventional solid-state image sensors (hereinafter sometimes referred to as amplification type image sensors) in which an amplification function is added to the pixel section have variations in gain for each pixel, and S/ It is said to have drawbacks such as poor N ratio.
本発明は、従来の増幅型撮像素子とは異なる方法により
増幅機能を付与した増幅型撮像素子を提供することを目
的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an amplification type image sensor that is provided with an amplification function using a method different from that of conventional amplification type image sensors.
(課題を解決するための手段)
本発明は、受光素子とMOS )−ランシスターのドレ
イン・ソースを直列に接続しドレイン配線及びゲート配
線とを配設してなるMOS固体撮像素子において、受光
素子がフォトトランジスターであることを特徴とする超
高感度MOS固体撮像素子(以下、本発明撮像素子とい
うことがある)である。(Means for Solving the Problems) The present invention provides a MOS solid-state image sensor in which a light receiving element and a MOS (MOS)-Ransistor drain and source are connected in series and a drain wiring and a gate wiring are arranged. This is an ultra-high-sensitivity MOS solid-state imaging device (hereinafter sometimes referred to as the imaging device of the present invention) characterized in that the device is a phototransistor.
(作用)
本発明撮像素子に使用される受光素子は、フォトトラン
ジスターであって、増幅作用を有する。(Function) The light-receiving element used in the image sensor of the present invention is a phototransistor and has an amplification effect.
(実施例) 以下、本発明を実施例を示す図面と共に説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be explained with reference to drawings showing embodiments.
第1図は、本発明撮像素子の等価回路を示す図面である
。図において、21は受光素子としてのフォトトランジ
スター、22はMOSトランジスター、23はドレイン
配線、24はゲート配線である。本発明撮像素子は、第
2図に示すように、前出の第9図に示した従来の固体撮
像素子のフォトダイオードをエミッター接地のフォトト
ランジスター21に置き替えたと同様の構成になってい
る。FIG. 1 is a diagram showing an equivalent circuit of an image sensor according to the present invention. In the figure, 21 is a phototransistor as a light receiving element, 22 is a MOS transistor, 23 is a drain wiring, and 24 is a gate wiring. As shown in FIG. 2, the image sensor of the present invention has a configuration similar to that of the conventional solid-state image sensor shown in FIG. 9, in which the photodiode is replaced with a phototransistor 21 with a common emitter.
本発明撮像素子のフォトトランジスターは、通常、ベー
スオーブンの2端子素子として使用される。The phototransistor of the image sensor of the present invention is usually used as a two-terminal element in a base oven.
次に、本発明撮像素子の実施例を図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the image sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.
第2図は、本発明撮像素子の一実施例(以下、接地型と
いう)の構造を示す断面図である。図において、31は
N型基板、32はP型ウェル、33aはコレクタ一部に
相当するN型領域、33bはベース部に相当するP壁領
域、33cはエミッタ一部に相当するN型領域、34は
酸化膜よりなる受光部保護膜、35はアイソレイト酸化
膜、36はトランスファーゲート、37は続出部ドレイ
ン、38は続出部電極、39はゲート配線であるトラン
スファーゲート駆動電極、40はドレイン配線であるド
レイン駆動電極、41はエミッタ一部に相当するN型領
域33cとP型ウェル32を結ぶオーミックコンタクト
である。第2図に示す本発明撮像素子では、P型ウェル
32上に形成した33a〜33cにより構成されるNP
N接合をトランジスターとして動作させるため、N型領
域33cとP型ウェル32をオーミックコンタクト41
により接続してこれらが同電圧になるようにしである。FIG. 2 is a sectional view showing the structure of an embodiment of the image sensor of the present invention (hereinafter referred to as a ground type). In the figure, 31 is an N-type substrate, 32 is a P-type well, 33a is an N-type region corresponding to a part of the collector, 33b is a P-wall region corresponding to a base part, 33c is an N-type region corresponding to a part of an emitter, 34 is a light-receiving part protection film made of an oxide film, 35 is an isolated oxide film, 36 is a transfer gate, 37 is a continuous part drain, 38 is a continuous part electrode, 39 is a transfer gate drive electrode which is a gate wiring, and 40 is a drain wiring. A certain drain drive electrode 41 is an ohmic contact that connects the N type region 33c corresponding to a part of the emitter and the P type well 32. In the image sensor of the present invention shown in FIG.
In order to operate the N junction as a transistor, an ohmic contact 41 is made between the N type region 33c and the P type well 32.
Connect them so that they have the same voltage.
そして、コレクタ一部に相当するN型領域33aはMO
S トランジスター22のソースをも兼ね、これと続出
部ドレイン37、アイソレイト酸化膜35及びトランス
ファーゲート36によってMOSトランジスター22が
構成される。配線の取り方は、受光素子としてフォトダ
イオードを用いた従来の固体撮像素子と同様である。な
お、第3図は、第2図に対応する斜視図を示すものであ
る。The N type region 33a corresponding to a part of the collector is MO
It also serves as the source of the S transistor 22, and the MOS transistor 22 is constituted by this, the continuous portion drain 37, the isolated oxide film 35, and the transfer gate 36. The wiring arrangement is similar to that of a conventional solid-state image sensor that uses a photodiode as a light receiving element. Note that FIG. 3 shows a perspective view corresponding to FIG. 2.
第4図は、本発明撮像素子の他の実施例(以下、バイア
ス型という)の構造を示す断面図である。図において、
42はバイアス印加用のエミッター電極であり、他の各
部位を示す番号は第2図と同様である。第4図に示す本
発明撮像素子は、N型領域33cとP型ウェル32とを
ショートしないで、バイアス印加用のエミッター電極4
2を設け、エミッター電極42を全素子共通として一律
にバイアスを掛けられるようになっている。なお、第5
図は、第4図に対応する斜視図を示すものである。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of another embodiment (hereinafter referred to as bias type) of the image sensor of the present invention. In the figure,
42 is an emitter electrode for bias application, and the numbers indicating other parts are the same as in FIG. 2. In the image sensor of the present invention shown in FIG. 4, the emitter electrode 4 for bias application is
2 is provided, and the emitter electrode 42 is shared by all elements so that a uniform bias can be applied. Furthermore, the fifth
The figure shows a perspective view corresponding to FIG. 4.
次に、本発明撮像素子の動作を説明する。Next, the operation of the image sensor of the present invention will be explained.
第6図〜第8図の(a)図は、いずれも本発明撮像素子
の伝導体エネルギーレベル図であって、第6図(a)は
フォトトランジスター21のエミッター、MOSトラン
ジスター22のゲート及びドレインの全て同電圧の場合
のもの、第7図(a)は前記接地型(又は前記バイアス
型でバイアスOとしたもの)で前記ゲートとドレインに
正電圧を印加した場合のもの、第8図(a)は前記バイ
アス型でフォトトランジスター21のエミッターを負電
圧に、また前記ゲートとドレインに正電圧を印加した場
合のものである。また、第6図〜第8図の(b)は、い
ずれも(a)図に対応する等価回路を示す。6 to 8 (a) are conductor energy level diagrams of the image sensor of the present invention, and FIG. 6 (a) shows the emitter of the phototransistor 21, the gate and drain of the MOS transistor 22, and FIG. Figure 7(a) shows the case where all the voltages are the same; Figure 7(a) shows the case of the grounded type (or the bias type with bias O) and positive voltage applied to the gate and drain; A) is the case where a negative voltage is applied to the emitter of the phototransistor 21 and a positive voltage is applied to the gate and drain of the bias type. Moreover, (b) of FIGS. 6 to 8 all show equivalent circuits corresponding to FIG. 6 (a).
第6図(b)に示す条件では、N型領域の伝導帯エネル
ギーレベル(以下、エネルギーレベルという)は、P壁
領域のエネルギーレベルよりやや低位に位置している[
第6図(a)]、次に、第7図(b)に示すように、エ
ミッターを接地した状態で、ゲートを正電圧、ドレイン
を更に高電圧にすると、フォトトランジスター21のコ
レクター接合が逆バイアスされ、ドレイン37及びコレ
クタ一部に相当するN型領域(ソース)33aのエネル
ギーレベルが低下する[第7図(a)]。そして、フォ
トトランジスター21のコレクター接合が逆バイアスさ
れた状態で光を受光すると、電子とホールの対が形成さ
れ、例えば電子はコレクタ一部に相当するN型領域33
aに移動し、MOSトランジスターがOFF状態にあれ
ば電荷が蓄積され、画像が記録される。また、ON状態
であれば、電荷はMOS トランジスター22のチャン
ネルを通ってドレインへと流れて画像の再生を行なうこ
とができる。Under the conditions shown in FIG. 6(b), the conduction band energy level (hereinafter referred to as energy level) of the N-type region is located slightly lower than the energy level of the P-wall region.
6(a)], then, as shown in FIG. 7(b), when the emitter is grounded, the gate is made to have a positive voltage, and the drain is made to a higher voltage, the collector junction of the phototransistor 21 is reversed. It is biased, and the energy level of the N-type region (source) 33a corresponding to the drain 37 and part of the collector is lowered [FIG. 7(a)]. When the collector junction of the phototransistor 21 receives light in a reverse biased state, pairs of electrons and holes are formed.
a, and if the MOS transistor is in the OFF state, charges are accumulated and an image is recorded. In addition, if the MOS transistor 22 is in the ON state, the charge flows to the drain through the channel of the MOS transistor 22, and an image can be reproduced.
また、第8図(b)に示すように、エミッターを負電圧
に落とした状態でゲート及びドレインを共に正電圧にす
ると、第6図に比べN型領域、特に読出部ドレイン37
はより低く、P壁領域、特にベース部に相当するP領域
33bはより高くなる[第8図(a)]。この場合にも
、フォトトランジスター21のコレクター接合が逆バイ
アスされているので、光を受光すると光電流が流れる。Furthermore, as shown in FIG. 8(b), when both the gate and drain are set to positive voltage while the emitter is set to a negative voltage, the N-type region, especially the readout region drain 37
is lower, and the P wall region, especially the P region 33b corresponding to the base portion, is higher [FIG. 8(a)]. In this case as well, since the collector junction of the phototransistor 21 is reverse biased, a photocurrent flows when light is received.
この第8図(b)の条件では、エミッターを負電圧にし
であるので、続出電圧は従来の受光素子としてフォトダ
イオードを用いたものと同様にして動作させることがで
きる。また、第7図(a)と第8図(b)の比較により
視覚的にも理解できるように、信号伝送時の続出電圧が
小さくても信号の読み残しが少なくて済むという利点を
有する。Under the conditions shown in FIG. 8(b), since the emitter is set to a negative voltage, the output voltage can be operated in the same manner as in a conventional photodiode using a photodiode as a light receiving element. Further, as can be visually understood by comparing FIG. 7(a) and FIG. 8(b), there is an advantage that even if the continuous voltage during signal transmission is small, there is less unread signal.
(発明の効果)
以上詳細に説明したように、本発明の超高感度MOS固
体撮像素子は、その画素の受光部をトランジスター構造
(バイポーラ型)にし、このトランジスターがエミッタ
ー接地になるように構成されているので、本発明によれ
ば画素に増幅作用を付与することができ固体撮像素子の
受光感度を大巾に向上させることができる。(Effects of the Invention) As explained in detail above, the ultra-high sensitivity MOS solid-state image sensor of the present invention has a light receiving section of a pixel having a transistor structure (bipolar type), and this transistor is configured so that its emitter is grounded. Therefore, according to the present invention, it is possible to impart an amplification effect to the pixel, and the light receiving sensitivity of the solid-state image sensor can be greatly improved.
第1図は本発明撮像素子の等価回路を示す図面、第2図
は本発明の一実施例の構造を示す断面図、第3図は第2
図の斜視図、第4図は本発明の他の実施例の構造を示す
断面図、第5図は第4図の斜視図、第6図〜第8図(a
)は半導体エネルギーレベル図、同(b)図は夫々に対
応する等価回路図、第9図は従来の固体撮像素子の一例
を示す等価回路図、第10図は従来の固体撮像素子の構
造を示す断面図、第11図〜第13図は従来の増幅型撮
像素子の等価回路図である。
21・・・フォトトランジスター、22・−MOS)−
ランシスター、23・・・ドレイン配線、24・・・ゲ
ート配線。
第4図
第5図FIG. 1 is a diagram showing an equivalent circuit of the image sensor of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an embodiment of the present invention, and FIG.
4 is a sectional view showing the structure of another embodiment of the present invention, FIG. 5 is a perspective view of FIG. 4, and FIGS. 6 to 8 (a)
) is a semiconductor energy level diagram, FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing an example of a conventional solid-state image sensor, and FIG. The cross-sectional views shown in FIGS. 11 to 13 are equivalent circuit diagrams of a conventional amplification type image sensor. 21...Phototransistor, 22.-MOS)-
Run sister, 23...drain wiring, 24... gate wiring. Figure 4 Figure 5
Claims (1)
を直列に接続しドレイン配線及びゲート配線とを配設し
てなるMOS固体撮像素子において、受光素子がフォト
トランジスターであることを特徴とする超高感度MOS
固体撮像素子。An ultra-high-sensitivity MOS in which the light-receiving element is a phototransistor, in a MOS solid-state image sensor in which a light-receiving element and the drain and source of a MOS transistor are connected in series and a drain wiring and a gate wiring are arranged.
Solid-state image sensor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63039938A JPH01214157A (en) | 1988-02-23 | 1988-02-23 | Ultra-high sensitivity mos solid-state image sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP63039938A JPH01214157A (en) | 1988-02-23 | 1988-02-23 | Ultra-high sensitivity mos solid-state image sensing device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01214157A true JPH01214157A (en) | 1989-08-28 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63039938A Pending JPH01214157A (en) | 1988-02-23 | 1988-02-23 | Ultra-high sensitivity mos solid-state image sensing device |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH01214157A (en) |
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1988
- 1988-02-23 JP JP63039938A patent/JPH01214157A/en active Pending
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