JPH05268520A - Solid-state image pickup element - Google Patents
Solid-state image pickup elementInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device.
【0002】[0002]
【従来の技術】固体撮像素子の高解像度化の要求に従っ
て、画素毎に光信号電荷を増幅する内部増幅型固体撮像
素子の研究、開発が進められている。この内部増幅型固
体撮像素子の主なものとしては、静電誘導トランジスタ
(SIT)、増幅型MISイメージャ(AMI)、電荷
変調デバイス(CMD)等の各種撮像デバイス構造が知
られている。2. Description of the Related Art In response to the demand for higher resolution of solid-state image pickup devices, research and development of internal amplification type solid-state image pickup devices for amplifying optical signal charges for each pixel have been advanced. Various types of image pickup device structures such as a static induction transistor (SIT), an amplification type MIS imager (AMI), and a charge modulation device (CMD) are known as main ones of the internal amplification type solid-state image pickup device.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】一方、光電変換により
得られた信号電荷例えばホールを単位画素である例えば
NチャネルMOSトランジスタのP型ウエル領域に蓄積
し、このP型ウエル領域の電位変動、いわゆるバックゲ
ートの電位変化によるチャネル電流の変化を読み出すよ
うにしたFWA(Floating Well Amplifier )型と呼ば
れる増幅型固体撮像素子が開発されている。On the other hand, signal charges such as holes obtained by photoelectric conversion are accumulated in the P-type well region of an N-channel MOS transistor, which is a unit pixel, and the potential fluctuation of this P-type well region, so-called An amplification type solid-state imaging device called an FWA (Floating Well Amplifier) type has been developed that reads out a change in channel current due to a change in potential of a back gate.
【0004】このFWA型増幅型固体撮像素子では、M
OS型固体撮像素子と同様に単位画素を垂直走査回路に
より垂直選択線を通じて選択し、単位画素と画素信号線
の端に接続した負荷MOSトランジスタとで構成された
ソースフォロワ回路から画素信号を得、サンプルホール
ド回路で水平走査線1本分の画素信号をメモリーし、水
平走査回路に接続したスイッチング用MOSトランジス
タを順次オンすることで各画素の信号を出力する。この
動作を選択する垂直選択線を順次変えながら、水平走査
線毎に行うことで固体撮像素子の信号出力を得る。In this FWA type amplification type solid state image pickup device, M
Similar to the OS type solid-state image sensor, a unit pixel is selected by a vertical scanning circuit through a vertical selection line, and a pixel signal is obtained from a source follower circuit composed of a unit pixel and a load MOS transistor connected to the end of the pixel signal line. The pixel signal for one horizontal scanning line is stored in the sample hold circuit, and the signals of each pixel are output by sequentially turning on the switching MOS transistors connected to the horizontal scanning circuit. By performing this operation for each horizontal scanning line while sequentially changing the vertical selection line for selecting, the signal output of the solid-state imaging device is obtained.
【0005】このFWA型増幅型固体撮像素子では、図
10に示すようにソース41、ドレイン42及びゲート
43を有する負荷MOSトランジスタ6が、各単位画素
1に接続した画素信号線4に接続され、撮像領域30の
下部に水平方向に沿って1列に配置されて成る。In this FWA amplification type solid-state imaging device, a load MOS transistor 6 having a source 41, a drain 42 and a gate 43 is connected to a pixel signal line 4 connected to each unit pixel 1 as shown in FIG. It is arranged in a row below the imaging region 30 along the horizontal direction.
【0006】ところで、例えば1/2インチ光学系の高
品位テレビ用を考えた場合、垂直方向に配線された各画
素信号線4に接続された負荷MOSトランジスタ6を1
画素ピッチで形成すると、3.65μmの幅の中に負荷
MOSトランジスタを形成しなければならない。この場
合の負荷MOSトランジスタ6のゲート長(いわゆるチ
ャネル長)L1 は0.5〜0.7μm程度の長さしか取
れず、短チャネル効果が強く作用し、図9のドレイン電
流Ids−ドレイン電圧Vds特性で示すように、負荷MO
Sトランジスタ6の定電流性が大幅に劣化する。この結
果、単位画素(駆動MOSトランジスタ)1と画素信号
線4に接続された負荷MOSトランジスタ6で形成する
ソースフォロワ回路の利得が低下し、FWA型増幅型固
体撮像素子の感度が低下してしまう。By the way, in the case of a high-definition television of 1/2 inch optical system, for example, the load MOS transistor 6 connected to each pixel signal line 4 arranged in the vertical direction is set to 1
If formed with a pixel pitch, the load MOS transistor must be formed within a width of 3.65 μm. The gate length (so-called channel length) L 1 of the load MOS transistor 6 in this case can be only about 0.5 to 0.7 μm, and the short channel effect strongly acts, and the drain current I ds −drain of FIG. As shown by the voltage V ds characteristic, the load MO
The constant current characteristic of the S transistor 6 is significantly deteriorated. As a result, the gain of the source follower circuit formed by the unit pixel (driving MOS transistor) 1 and the load MOS transistor 6 connected to the pixel signal line 4 is lowered, and the sensitivity of the FWA amplification type solid-state imaging device is lowered. ..
【0007】本発明は、上述の点に鑑み、高解像度化し
た場合にも、負荷トランジスタの短チャネル効果を制御
して定電流性を向上し、撮像素子の感度を向上するよう
にした固体撮像素子を提供するものである。In view of the above points, the present invention is to improve the constant current characteristic by controlling the short channel effect of the load transistor and improve the sensitivity of the image pickup device even when the resolution is increased. An element is provided.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、例えばトラン
ジスタによる単位画素1をマトリックス状に配列した撮
像領域30と、垂直方向の単位画素1を選択する垂直走
査回路3と、水平方向の単位画素1を選択する水平走査
回路5と、垂直方向に配線された各画素信号線4と、各
画素信号線4に接続された負荷トランジスタ6を有して
なる固体撮像素子において、水平方向の2画素分の幅内
dH に負荷トランジスタ6を形成して構成する。According to the present invention, for example, an image pickup region 30 in which unit pixels 1 made of transistors are arranged in a matrix, a vertical scanning circuit 3 for selecting unit pixels 1 in the vertical direction, and unit pixels in the horizontal direction are provided. In the solid-state imaging device having the horizontal scanning circuit 5 for selecting 1, the pixel signal lines 4 wired in the vertical direction, and the load transistor 6 connected to each pixel signal line 4, two pixels in the horizontal direction are provided. The load transistor 6 is formed within the width d H of the minute.
【0009】また、1つ置きの画素信号線4に接続され
た負荷トランジスタ6を撮像領域30に近い位置に配置
し、他の1つ置きの画素信号線4に接続された負荷トラ
ンジスタ6を撮像領域30から遠い位置に配置するよう
になす。Further, the load transistors 6 connected to every other pixel signal line 4 are arranged at a position close to the image pickup region 30, and the load transistors 6 connected to the other every other pixel signal line 4 are picked up. It is arranged to be located far from the region 30.
【0010】[0010]
【作用】本発明においては、画素信号線4に接続された
負荷トランジスタ6を2画素分の幅dH 内に形成するこ
とにより、負荷トランジスタ6のチャネル長L2 を長く
できる。In the present invention, the channel length L 2 of the load transistor 6 can be increased by forming the load transistor 6 connected to the pixel signal line 4 within the width d H of two pixels.
【0011】また、1つ置きの画素信号線4O に接続さ
れた負荷トランジスタ6O を撮像領域30に近い位置に
配置し、他の1つ置きの画素信号線4E に接続された負
荷トランジスタ6E を撮像領域30から遠い位置に配置
し、即ち、いわゆる市松模様の配置とすることにより、
負荷トランジスタ6のチャネル長L2 を長くできる。Further, the load transistor 6 O connected to every other pixel signal line 4 O is arranged at a position close to the image pickup region 30, and the load transistor 6 O connected to every other pixel signal line 4 E. By arranging 6 E at a position far from the imaging region 30, that is, by arranging in a so-called checkered pattern,
The channel length L 2 of the load transistor 6 can be increased.
【0012】従って、負荷トランジスタ6〔6O ,
6E 〕における短チャネル効果が制御され、その定電流
性が向上することで、ソースフォロワ回路の利得が上が
り、撮像素子の感度が向上する。Therefore, the load transistor 6 [6 O ,
6 E ], the short channel effect is controlled and its constant current characteristic is improved, so that the gain of the source follower circuit is increased and the sensitivity of the image pickup element is improved.
【0013】[0013]
【実施例】以下、図面を参照して本発明による固体撮像
素子の実施例を説明する。なお、本例はFWA型増幅型
固体撮像素子に適用した場合である。Embodiments of the solid-state image sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that this example is a case where it is applied to an FWA-type amplification type solid-state imaging device.
【0014】図2はFWA型増幅型固体撮像素子の回路
構成例を示す。同図において、1は後述するMOSトラ
ンジスタ素子による単位画素、30はこの単位画素1が
マトリックス状に2次元配列された撮像領域を示す。各
単位画素1のゲートが1水平ラインの画素毎に垂直走査
回路3よりの各対応する垂直選択線2に共通接続され、
各単位画素1のソースが1垂直ラインの画素毎に各対応
する画素信号線4に共通接続される。各画素信号線4の
端には負荷MOSトランジスタ6が接続され、単位画素
1と負荷MOSトランジスタ6とでソースフォロワ回路
が構成される。FIG. 2 shows a circuit configuration example of the FWA type amplification type solid-state image pickup device. In the figure, reference numeral 1 denotes a unit pixel formed by a MOS transistor element, which will be described later, and reference numeral 30 denotes an imaging region in which the unit pixel 1 is two-dimensionally arranged in a matrix. The gate of each unit pixel 1 is commonly connected to each corresponding vertical selection line 2 from the vertical scanning circuit 3 for each pixel of one horizontal line,
The source of each unit pixel 1 is commonly connected to the corresponding pixel signal line 4 for each pixel of one vertical line. A load MOS transistor 6 is connected to the end of each pixel signal line 4, and the unit pixel 1 and the load MOS transistor 6 form a source follower circuit.
【0015】また、各単位画素1のドレインが1垂直ラ
インの画素毎に共通接続されて電源VDDに接続される。
画素信号線4はサンプルホールド回路7及びスイッチン
グ用MOSトランジスタ8を介して水平信号線11に接
続され、各スイッチング用MOSトランジスタ8のゲー
トが水平走査回路5に接続される。電源VDDと信号線4
間にはリセット時のスイッチング用MOSトランジスタ
9が接続される。The drains of the unit pixels 1 are commonly connected to the pixels of one vertical line and connected to the power supply V DD .
The pixel signal line 4 is connected to the horizontal signal line 11 via the sample hold circuit 7 and the switching MOS transistor 8, and the gate of each switching MOS transistor 8 is connected to the horizontal scanning circuit 5. Power supply V DD and signal line 4
A switching MOS transistor 9 for resetting is connected in between.
【0016】このFWA型増幅型固体撮像素子において
は、前述したように、単位画素1を垂直走査回路3によ
り垂直選択線2を通して選択し、単位画素1と負荷MO
Sトランジスタ6とで構成されたソースフォロワ回路か
ら画素信号を得、サンプルホールド回路7で水平走査線
1本分の画素信号をメモリーし、水平走査回路5により
スイッチング用MOSトランジスタ8を順次オンするこ
とで各画素1の信号を水平信号線11より出力する。In the FWA amplification type solid-state image pickup device, as described above, the unit pixel 1 is selected by the vertical scanning circuit 3 through the vertical selection line 2, and the unit pixel 1 and the load MO are selected.
A pixel signal is obtained from a source follower circuit composed of an S transistor 6, a pixel signal for one horizontal scanning line is stored in a sample hold circuit 7, and a switching MOS transistor 8 is sequentially turned on by the horizontal scanning circuit 5. Then, the signal of each pixel 1 is output from the horizontal signal line 11.
【0017】この動作を、選択する垂直選択線2を順次
変えながら、水平走査線毎に行うことで固体撮像素子の
信号出力を得る。ただし、水平ブランキング期間中に2
回選択する垂直選択線を変えて読み出し動作を行い、即
ち垂直方向に隣り合う2つの画素の信号を読み出し、サ
ンプルホールド回路7を通した後、2画素の信号を合成
することでフィールド読み出しを行う。By performing this operation for each horizontal scanning line while sequentially changing the vertical selection line 2 to be selected, the signal output of the solid-state image pickup device is obtained. However, 2 during the horizontal blanking period
The readout operation is performed by changing the vertical selection line that is selected twice, that is, the signals of two pixels that are vertically adjacent to each other are read out, passed through the sample hold circuit 7, and then the signals of the two pixels are combined to perform field readout. ..
【0018】図4は、単位画素1の断面図である。この
単位画素1は、第1導電型であるP型のシリコン基板2
1上に第2導電型であるN型のウエル領域22を形成
し、さらにN型ウエル領域22に第1導電型であるP型
のウエル領域23を形成し、このP型ウエル領域23の
表面にN型のソース領域24及びドレイン領域25を形
成し、ソース領域24及びドレイン領域25間のP型ウ
エル領域23上にゲート絶縁膜26を介してゲート電極
27を形成して構成される。28はソース電極、29は
ドレイン電極である。FIG. 4 is a sectional view of the unit pixel 1. The unit pixel 1 includes a P-type silicon substrate 2 of the first conductivity type.
A first conductivity type P-type well region 23 is formed on the N-type well region 22, and a surface of the P-type well region 23 is formed on the N-type well region 22. Is formed by forming an N-type source region 24 and a drain region 25, and forming a gate electrode 27 on the P-type well region 23 between the source region 24 and the drain region 25 via a gate insulating film 26. 28 is a source electrode and 29 is a drain electrode.
【0019】この単位画素1のゲート電極26が垂直走
査回路3からの垂直選択線2に接続され、ドレイン電極
29が電源VDDに接続され、ソース電極28が画素信号
線4に接続され、図3に示す等価回路を形成している。The gate electrode 26 of the unit pixel 1 is connected to the vertical selection line 2 from the vertical scanning circuit 3, the drain electrode 29 is connected to the power source V DD , the source electrode 28 is connected to the pixel signal line 4, The equivalent circuit shown in FIG. 3 is formed.
【0020】この単位画素1では、受光により光電変換
で生じた信号電荷、本例ではホール31がP型ウエル領
域23に蓄積され、図7のポテンシャル分布図における
蓄積状態(図7A参照)になる。この蓄積したホール3
1が読み出し動作でのチャネル電流32を制御し(図7
Bのポテンシャル分布参照)、即ち、ホール31が多く
蓄積されればチャネル電流が増す方向となり、単位画素
1と負荷MOSトランジスタ6とで構成されたソースフ
ォロワ回路のソースの電位が変化し、この変化が信号出
力として読み出される。In this unit pixel 1, signal charges generated by photoelectric conversion due to light reception, holes 31 in this example, are accumulated in the P-type well region 23, and become the accumulation state in the potential distribution chart of FIG. 7 (see FIG. 7A). .. This accumulated hole 3
1 controls the channel current 32 in the read operation (see FIG.
(See B potential distribution), that is, if a large number of holes 31 are accumulated, the channel current increases, and the potential of the source of the source follower circuit configured by the unit pixel 1 and the load MOS transistor 6 changes. Is read out as a signal output.
【0021】図5及び図6にFWA型増幅型固体撮像素
子の動作タイミングを示す。5 and 6 show the operation timing of the FWA amplification type solid-state image pickup device.
【0022】図5は水平ブランキング期間THBにおける
各印加電圧及び信号出力のタイミングチャートを拡大し
て示す。φVO, φVEは選択され2つの垂直選択線2O ,
2Eに与えられる印加電圧、φVnは非選択の垂直選択線
に与えられる印加電圧、Vsu b は基板の印加電圧、φ1
はスイッチング用MOSトランジスタ9のゲートに与え
られる印加電圧、φVGG は負荷MOSトランジスタ6の
ゲートに与えられる印加電圧、Sは信号出力を夫々に示
す。さらに、φPO, φPEは電子シャッタパルスを示す。FIG. 5 shows an enlarged timing chart of each applied voltage and signal output in the horizontal blanking period T HB . φ VO and φ VE are selected and two vertical selection lines 2 O ,
2 E applied voltage, φ Vn is applied voltage to non-selected vertical selection lines, V su b is substrate applied voltage, φ 1
Is an applied voltage applied to the gate of the switching MOS transistor 9, φ VGG is an applied voltage applied to the gate of the load MOS transistor 6, and S is a signal output. Further, φ PO and φ PE represent electronic shutter pulses.
【0023】1水平走査線に対応した画素行2行が、夫
々垂直選択線の印加電圧φVO, φVEに示すように、水平
ブランキング期間THBの前半および後半に分けて読み出
される。Two pixel rows corresponding to one horizontal scanning line are read separately in the first half and second half of the horizontal blanking period T HB as indicated by the applied voltages φ VO and φ VE of the vertical selection lines, respectively.
【0024】即ち、先ず、受光時は全垂直選択線2の印
加電圧を高レベル(例えば5V)とし、基板電圧Vsub
を例えば0V、負荷MOSトランジスタ6をオフ状態
(φVG G を例えば0V)、スイッチング用MOSトラン
ジスタ9をオン状態(φ1 を例えは5V)にすることに
より、図7Aのポテンシャル分布(蓄積状態)で示すよ
うに、光電変換によって発生したホール31が各単位画
素1のゲート領域下のP型ウエル領域23に蓄積され
る。That is, first, when receiving light, the applied voltage to all the vertical selection lines 2 is set to a high level (for example, 5 V), and the substrate voltage V sub
Is 0 V, the load MOS transistor 6 is in an OFF state (φ VG G is 0 V, for example), and the switching MOS transistor 9 is in an ON state (φ 1 is 5 V, for example). As shown by, the holes 31 generated by photoelectric conversion are accumulated in the P-type well region 23 below the gate region of each unit pixel 1.
【0025】次に、水平ブランキング期間THBの前半に
おいて、選択された隣り合う2つの垂直選択線2
〔2O ,2E 〕のうちの後半で読み出す方の垂直選択線
2E を低レベル(φVEを例えば0V)とし、またスイッ
チング用MOSトランジスタ9をオフ状態(φ1 を例え
ば0V)とする。そして、負荷MOSトランジスタ6を
オン状態(φVGG を例えば5V)とすることによって、
図7Bのポテンシャル分布で示すように、1水平走査線
に対応した画素行2行のうちの1行目の画素1の信号が
画素信号線4に出力される。Next, in the first half of the horizontal blanking period T HB , two adjacent vertical selection lines 2 selected.
The vertical selection line 2 E to be read out in the latter half of [2 O , 2 E ] is set to a low level (φ VE is 0 V, for example), and the switching MOS transistor 9 is off (φ 1 is 0 V, for example). .. Then, by turning on the load MOS transistor 6 (φ VGG is, for example, 5 V),
As shown by the potential distribution in FIG. 7B, the signal of the pixel 1 in the first row of the two pixel rows corresponding to one horizontal scanning line is output to the pixel signal line 4.
【0026】なお、この読み出し動作時、垂直選択線2
E が低レベル(いわゆるオフ状態)である2行目の画素
1では図7Cのポテンシャル分布となり、信号読み出し
はなされない。During the read operation, the vertical selection line 2
In the pixel 1 in the second row in which E is at a low level (so-called off state), the potential distribution shown in FIG. 7C is obtained and no signal is read out.
【0027】次に、スイッチング用MOSトランジスタ
9をオン状態、負荷MOSトランジスタ6をオフ状態と
し、垂直選択線2O をより高レベル(φVOを例えば10
V)にすると共に、基板電位を負(Vsub を例えば−1
5V)とすることにより、図7Dのポテンシャル分布で
示すように、蓄積されていたホール31が基板側に排出
され、1行目の画素1がリセットされる。Next, the switching MOS transistor 9 is turned on, the load MOS transistor 6 is turned off, and the vertical selection line 2 O is set to a higher level (φ VO is, for example, 10).
V) and the substrate potential is negative (V sub is, for example, −1).
5V), the accumulated holes 31 are discharged to the substrate side as shown in the potential distribution of FIG. 7D, and the pixels 1 in the first row are reset.
【0028】このとき、垂直選択線2E が低レベルであ
る2行目の画素1のポテンシャル分布は図7Eの如くな
り、リセットされない。At this time, the potential distribution of the pixel 1 in the second row in which the vertical selection line 2 E is low level is as shown in FIG. 7E and is not reset.
【0029】リセット後、基板電圧Vsub を0V、垂直
選択線2O を高レベル(φVOを例えば5V)にし、且つ
スイッチング用MOSトランジスタ9をオフ状態(φ1
を例えば0V)、負荷MOSトランジスタ6をオン状態
(φVGG を例えば5V)にして暗信号読み出しが行われ
る。このようにして、水平ブランキング期間THBの前半
で1行目の画素の信号出力が得られる。After resetting, the substrate voltage V sub is set to 0 V, the vertical selection line 2 O is set to a high level (φ VO is 5 V, for example), and the switching MOS transistor 9 is turned off (φ 1
Is set to 0 V), the load MOS transistor 6 is turned on (φ VGG is set to 5 V, for example), and dark signal reading is performed. In this way, the signal output of the pixel in the first row is obtained in the first half of the horizontal blanking period THB .
【0030】次いで、水平ブランキング期間THBの後半
で2行目の画素の信号読み出しが同様にして行われる。Next, in the latter half of the horizontal blanking period T HB , signal reading of the pixels in the second row is similarly performed.
【0031】この結果、画素信号線4には出力信号Sが
得られ、信号レベルS1 と暗信号レベルS2 の差が信号
量aとなる。この夫々の信号量aを図2で示した2回路
分有するサンプルホールド回路7で別々にサンプルホー
ルドを行い、1水平走査線と対応した画素信号出力とす
る。なお、図2では水平信号線11を便宜的に1本とし
たが、2回路分のサンプルホールド回路7よりは2本の
水平信号線が導出される。As a result, the output signal S is obtained on the pixel signal line 4, and the difference between the signal level S 1 and the dark signal level S 2 becomes the signal amount a. The respective signal quantities a are sample-held separately by the sample-hold circuit 7 having two circuits shown in FIG. 2, and pixel signal output corresponding to one horizontal scanning line is made. In addition, in FIG. 2, the horizontal signal line 11 is one for convenience, but two horizontal signal lines are derived from the sample hold circuit 7 for two circuits.
【0032】この固体撮像素子では、電子シャッタ機能
を有しており、夫々シャッタパルスφPO, φPEが他の水
平ブランキング期間において垂直選択線2O ,2E に与
えられ、之に同期して基板電圧Vsub もリセット時の電
位と同レベルの電位(例えば−15V)となり、蓄積さ
れたホール31を基板側に排出して電子シャッタ動作が
行われる。This solid-state image pickup device has an electronic shutter function, and shutter pulses φ PO and φ PE are applied to the vertical selection lines 2 O and 2 E in other horizontal blanking periods, respectively, and are synchronized with each other. As a result, the substrate voltage V sub also becomes a potential at the same level as that at the time of resetting (for example, −15 V), the accumulated holes 31 are discharged to the substrate side, and the electronic shutter operation is performed.
【0033】図6は、奇数フィルード及び偶数フィール
ドの読み出しに際して、各垂直選択線2〔21 ,22 ,
‥‥27 ,‥‥〕に与えられる印加電圧φV1, φV2, ‥
‥φ V7, ‥‥を示す。奇数フィールドでは、φV1と
φV2、φV3とφV4、φV5とφV6、‥‥が選択され、偶数
フィールドではφV2とφV3、φV4とφV5、φV6とφV7、
‥‥が選択される。シャッタパルスφPO, φPEは水平ブ
ランキング期間内に与えられ、そのシャッタパルスφ
PO, φPEと信号読み出しまでの時間TSPが電子シャッタ
スピードに相当する。FIG. 6 shows an odd field and an even field.
Read each vertical selection line 2 [21, 22,
... 27, ...] applied voltage φV1,φV2,...
Φ V7,Show ... Φ in odd fieldsV1When
φV2, ΦV3And φV4, ΦV5And φV6, Is selected and is even
Φ in the fieldV2And φV3, ΦV4And φV5, ΦV6And φV7,
... is selected. Shutter pulse φPO,φPEIs horizontal
The shutter pulse φ given within the ranking period
PO,φPEAnd time T until signal readingSPIs an electronic shutter
Equivalent to speed.
【0034】しかして、本例においては、特に図1に示
すように、撮像領域30の下部に各画素信号線4に接続
するソース41、ドレイン42及びゲート43からなる
負荷MOSトランジスタ6を水平方向の2画素ピッチ
内、即ち2画素分の幅dH 内に形成すると共に、1つ置
き(例えば奇数番目)の画素信号線4O に接続する負荷
MOSトランジスタ6O を撮像領域30に近い第1列目
に配置し、他の1つ置き(例えば偶数番目)の画素信号
線4E に接続する負荷MOSトランジスタ6E を撮像領
域30から遠い第2列目に配置する。この場合、接続配
線を考慮して第1列目の負荷MOSトランジスタ6O と
第2列目の負荷MOSトランジスタ6E とは市松模様と
なるように互いに水平方向にずれて配置する。In this embodiment, however, as shown in FIG. 1, a load MOS transistor 6 composed of a source 41, a drain 42 and a gate 43 connected to each pixel signal line 4 is horizontally arranged below the imaging region 30. Of the load MOS transistors 6 O connected to every other pixel signal line 4 O (for example, odd-numbered) while being formed within a 2-pixel pitch of 2 pixels, that is, within a width d H of 2 pixels. The load MOS transistors 6 E, which are arranged in the column and are connected to every other (for example, even-numbered) pixel signal lines 4 E , are arranged in the second column far from the imaging region 30. In this case, in consideration of the connection wiring, the load MOS transistors 6 O in the first column and the load MOS transistors 6 E in the second column are arranged horizontally offset from each other so as to form a checkerboard pattern.
【0035】この構成によれば、各負荷MOSトランジ
スタ6を2画素分の幅dH を使って形成することによ
り、各負荷MOSトランジスタ6のゲート長(チャネル
長)L 2 を長く取ることができる。同時に、1つ置きの
画素信号線4O に接続した負荷MOSトランジスタ6O
と、他の1つ置きの画素信号線4E に接続した負荷MO
Sトランジスタ6E とを夫々第1列目及び第2列目とす
る市松模様の配列とすることで各負荷MOSトランジス
タ6O ,6E を2画素分の幅dH 内に形成することがで
き、チャネル長L2を長くすることができる。According to this structure, each load MOS transistor is
The width of the star 6 is 2 pixelsHBy forming using
The gate length of each load MOS transistor 6 (channel
Length) L 2Can be taken longer. At the same time every other
Pixel signal line 4OLoad MOS transistor 6 connected toO
And every other pixel signal line 4ELoad MO connected to
S transistor 6EAnd the first and second columns, respectively
Each load MOS transistor is arranged in a checkerboard pattern.
Type 6O, 6EIs the width d of 2 pixelsHCan be formed within
Channel length L2Can be lengthened.
【0036】従って、負荷MOSトランジスタの短チャ
ネル効果を抑制することができ、図8のIds−Vds特性
に示すように負荷MOSトランジスタの定電流性が向上
する。例えば、画素ピッチが3.7μm前後の場合、チ
ャネル長L2 は3μm以上取れる。従って、単位画素1
と負荷MOSトランジスタ6とで構成するソースフォロ
ワ回路の利得が1に近づき、FWA型増幅型固体撮像素
子の感度が高くなる。Therefore, the short channel effect of the load MOS transistor can be suppressed, and the constant current characteristic of the load MOS transistor is improved as shown by the I ds -V ds characteristic of FIG. For example, when the pixel pitch is around 3.7 μm, the channel length L 2 can be 3 μm or more. Therefore, the unit pixel 1
The gain of the source follower circuit composed of the load MOS transistor 6 and the load MOS transistor 6 approaches 1, and the sensitivity of the FWA amplification type solid-state imaging device increases.
【0037】図3に示すようなソースフォロワ回路の利
得(小信号時AC利得)は、次の数1によって説明され
る。The gain (AC gain during small signal) of the source follower circuit as shown in FIG. 3 is described by the following equation 1.
【0038】[0038]
【数1】 [Equation 1]
【0039】ただし、gm は単位画素(駆動MOSトラ
ンジスタ)1の相互コンダクタンス、gd は単位画素
(駆動MOSトランジスタ)1のドレインコンダクタン
ス、g b は単位画素(駆動MOSトランジスタ)1のバ
ックゲートコンダクタンスgdlは負荷MOSトランジス
タ6のドレインコンダクタンスである。However, gmIs a unit pixel (driving MOS transistor
Transistor) 1 transconductance, gdIs a unit pixel
(Driving MOS transistor) 1 drain conductance
Su, g bIs the unit pixel (driving MOS transistor) 1
CK gate conductance gdlIs the load MOS transistor
This is the drain conductance of transistor 6.
【0040】負荷MOSトランジスタ6の短チャネル効
果が大きいと、gdlが大きくなりソースフォロワ回路の
利得が低下してしまう。逆に負荷MOSトランジスタ6
のチャネル長Lを長く取り、短チャネル効果を抑える
と、gdlはgm に対して無視できる程に小さくすること
ができ、利得が1に近づく。このMOSトランジスタの
gd,gdlは図9に示すようにgd,gdl=ΔIds/ΔVds
となる。When the short channel effect of the load MOS transistor 6 is large, g dl becomes large and the gain of the source follower circuit is lowered. Conversely, load MOS transistor 6
If the channel length L of is taken long and the short channel effect is suppressed, g dl can be made negligibly small with respect to g m , and the gain approaches 1. As shown in FIG. 9 , g d, g dl of this MOS transistor is g d, g dl = ΔI ds / ΔV ds
Becomes
【0041】従って、本例の構成では、図8のIds−V
ds特性から明らかなように、gdlが無視できる程度に小
さくなるので、負荷MOSトランジスタ6の利得が上が
り、その結果、撮像素子の感度を向上することができ
る。Therefore, in the configuration of this example, I ds -V of FIG.
As is apparent from the ds characteristic, g dl is so small that it can be ignored, so that the gain of the load MOS transistor 6 is increased, and as a result, the sensitivity of the image sensor can be improved.
【0042】尚、上例では単位画素1としてNチャネル
MOSトランジスタを用い、蓄積される信号電荷をホー
ルとしたが、信号電荷をエレクトロンとするPチャネル
MOSトランジスタを単位画素に用いることもできる。In the above example, the N-channel MOS transistor is used as the unit pixel 1 and the accumulated signal charge is a hole. However, a P-channel MOS transistor having the signal charge as an electron may be used in the unit pixel.
【0043】また、上例の図4で示す単位画素となる素
子は、P型ウエル領域の表面にチャネル領域(いわゆる
表面チャネル)を形成する構成としたが、その他、表面
より内部にチャネル領域(いわゆる埋込チャネル)を形
成する素子を単位画素1とすることもできる。In the above example, the element forming the unit pixel shown in FIG. 4 has a structure in which a channel region (so-called surface channel) is formed on the surface of the P-type well region. An element forming a so-called buried channel may be the unit pixel 1.
【0044】さらに、本発明は、上例のFWA型増幅型
固体撮像素子に限らず、単位画素と負荷トランジスタと
で構成されるソースフォロワ回路を通して画素信号を取
り出すような回路構成を有する固体撮像素子にも適用で
きるものである。Furthermore, the present invention is not limited to the FWA-type amplification type solid-state image pickup device of the above example, but a solid-state image pickup device having a circuit configuration in which a pixel signal is taken out through a source follower circuit composed of a unit pixel and a load transistor. Can also be applied to.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明によれば、垂直方向に配線された
各画素信号線に接続された負荷トランジスタのチャネル
長を長くすることができ、短チャネル効果を制御するこ
とができる。この結果、単位画素と負荷トランジスタで
構成されるソースフォロワ回路の利得が上がり、固体撮
像素子の感度を向上することかできる。従って、例えば
高品位テレビ用の固体撮像素子に適用して好適ならしめ
るものである。According to the present invention, the channel length of the load transistor connected to each pixel signal line wired in the vertical direction can be increased and the short channel effect can be controlled. As a result, the gain of the source follower circuit composed of the unit pixel and the load transistor is increased, and the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved. Therefore, it is suitable for application to, for example, a solid-state imaging device for high-definition television.
【図1】本発明の固体撮像素子の要部を示す構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram showing a main part of a solid-state imaging device of the present invention.
【図2】本発明に係るFWA型増幅型固体撮像素子の回
路構成図である。FIG. 2 is a circuit configuration diagram of an FWA type amplification type solid-state imaging device according to the present invention.
【図3】FWA型増幅型固体撮像素子の単位画素の信号
読み出し等価回路図である。FIG. 3 is a signal readout equivalent circuit diagram of a unit pixel of an FWA type amplification type solid-state imaging device.
【図4】FWA型増幅型固体撮像素子の単位画素の断面
図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a unit pixel of an FWA amplification type solid-state imaging device.
【図5】FWA型増幅型固体撮像素子のタイミングチャ
ート図である。FIG. 5 is a timing chart of the FWA amplification type solid-state imaging device.
【図6】FWA型増幅型固体撮像素子のフィールド読み
出しのタイミングチャート図である。FIG. 6 is a timing chart of field reading of the FWA amplification type solid-state imaging device.
【図7】FWA型増幅型固体撮像素子の各動作状態での
ポテンシャル分布図である。FIG. 7 is a potential distribution diagram in each operating state of the FWA amplification type solid-state imaging device.
【図8】本発明に係る負荷MOSトランジスタのドレイ
ン電流−ドレイン電圧特性図である。FIG. 8 is a drain current-drain voltage characteristic diagram of the load MOS transistor according to the present invention.
【図9】比較例に係る負荷MOSトランジスタのドレイ
ン電流−ドレイン電圧特性図である。FIG. 9 is a drain current-drain voltage characteristic diagram of a load MOS transistor according to a comparative example.
【図10】比較例に係る固体撮像素子の要部の構成図で
ある。FIG. 10 is a configuration diagram of a main part of a solid-state imaging device according to a comparative example.
1 単位画素 2 垂直選択線 3 垂直走査回路 4 画素信号線 5 水平走査回路 6,6O ,6E 負荷MOSトランジスタ 7 サンプルホールド回路 8 スイッチング用MOSトランジスタ 9 スイッチング用MOSトランジスタ1 unit pixel 2 vertical selection line 3 vertical scanning circuit 4 pixel signal line 5 horizontal scanning circuit 6, 6 O , 6 E load MOS transistor 7 sample hold circuit 8 switching MOS transistor 9 switching MOS transistor
Claims (2)
像領域と、垂直方向の上記単位画素を選択する垂直走査
回路と、水平方向の上記単位画素を選択する水平走査回
路と、垂直方向に配線された各画素信号線と、該各画素
信号線に接続された負荷トランジスタを有してなる固体
撮像素子において、水平方向の2画素分の幅内に上記負
荷トランジスタを形成して成る固体撮像素子。1. An image pickup area in which unit pixels are arranged in a matrix, a vertical scanning circuit for selecting the unit pixels in the vertical direction, a horizontal scanning circuit for selecting the unit pixels in the horizontal direction, and wirings in the vertical direction. A solid-state imaging device having each pixel signal line and a load transistor connected to each pixel signal line, wherein the load transistor is formed within a width of two pixels in the horizontal direction.
トランジスタを撮像領域に近い位置に配置し、他の1つ
置きの画素信号線に接続された負荷トランジスタを上記
撮像領域から遠い位置に配置して成る請求項1記載の固
体撮像素子。2. A load transistor connected to every other pixel signal line is arranged at a position close to the imaging region, and another load transistor connected to every other pixel signal line is positioned far from the imaging region. The solid-state image pickup device according to claim 1, wherein the solid-state image pickup device is arranged.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4060614A JPH05268520A (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Solid-state image pickup element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4060614A JPH05268520A (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Solid-state image pickup element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05268520A true JPH05268520A (en) | 1993-10-15 |
Family
ID=13147330
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4060614A Pending JPH05268520A (en) | 1992-03-17 | 1992-03-17 | Solid-state image pickup element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05268520A (en) |
-
1992
- 1992-03-17 JP JP4060614A patent/JPH05268520A/en active Pending
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