JPS61157178A - Image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
本発明は、キャパシタを介して電位が制御される光電荷
蓄積領域を有する光電変換素子を用いた;斗撮像装置に
関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field) The present invention relates to a dou imaging device using a photoelectric conversion element having a photocharge storage region whose potential is controlled via a capacitor.
本発明による妻書撮像装置“は、たとえば画像入力装置
、ワークステイシラン、デジタル複写機、ワードプロセ
ッサ、バーコードリーダや、カメラ、ビデオカメラ、8
ミリカメラ等のオートフォーカス用光電変換被写体検出
装置等にも適用可能でおる。The document imaging device according to the present invention includes, for example, an image input device, a workstation, a digital copying machine, a word processor, a barcode reader, a camera, a video camera, an 8
It can also be applied to photoelectric conversion object detection devices for autofocus such as millimeter cameras.
(従来技術)
近年、光電変換装置、特に固体撮像装置に関する研究が
CCD型およびMOS型の2方式を中心に行われている
。(Prior Art) In recent years, research on photoelectric conversion devices, particularly solid-state imaging devices, has been conducted mainly on two types: CCD type and MOS type.
CCDfi撮f象装置は、MO8型キャパシタ電極下に
ポテンシャル井戸を形成し、光入射により発生した電荷
をこの井戸に蓄積し、読出し時には、・こし、うのポテ
ンシャル井戸を、電極にかけるパルスにより順次動かし
て、蓄積された電荷を出力アンプまで転送して読出す、
という原理を用いている。The CCD fi imaging device forms a potential well under an MO8 type capacitor electrode, stores charges generated by incident light in this well, and during readout, the potential wells are sequentially charged by a pulse applied to the electrode. The accumulated charge is transferred to the output amplifier and read out.
This principle is used.
したがって、比較的構造が簡単であり、CCD自体で発
生する雑音が小さく、低照度撮影が可能となる。Therefore, the structure is relatively simple, the noise generated by the CCD itself is small, and low-light photography is possible.
一方、MO8型撮像装置は、受光部を構成するpn接合
より成るフォトダイオードの各々に光の入射により発生
した電荷を蓄積し、読出し時には、それぞれのフォトダ
イオードに接続さねたMOSスイッチングトランジスタ
を順次ONすることにより蓄積された電荷を出力アンプ
に読出す、という原理を用いている。したがって、CC
D型に比較して構造上複雑となるものの、蓄積容量を大
きくとることができ、ダイナミック・レンジを広くする
ことができる。On the other hand, the MO8 type imaging device accumulates charges generated by the incidence of light in each of the photodiodes made of pn junctions that constitute the light receiving section, and during readout, the MOS switching transistors connected to each photodiode are sequentially activated. It uses the principle that when turned on, the accumulated charge is read out to the output amplifier. Therefore, C.C.
Although it is structurally more complex than the D type, it can have a large storage capacity and widen the dynamic range.
しかし、こtら従来方式の虚像装置には、次のような欠
点が存在するために、将来的に高解像度化を進めて行く
上で大きな支障となっていた。However, these conventional virtual image devices have the following drawbacks, which have been a major hindrance to the progress of higher resolution in the future.
CCD型撮像装置では、1)出力アンプとしてMOS型
アンプがオンチップ化されるために、シリコンとシリコ
ン酸化膜の界面がら画i#!1上1.目につきゃすい1
/f雑音が発生する。2)高解像度化を図るために、セ
ル数を増加させて高′&i度化すると、ひとつのポテン
シャル井戸に蓄積できる最大電荷量が減少し、ダイナミ
ツ゛クレンジが取れなくなる。3)蓄積電荷を転送して
行く構造であるだめに、セルに一つでも欠陥が存在する
と、そこで電荷転送がストップしてしまい、製造歩留り
が悪くなる・
MOS型撮像装置では、1)信号読出し時に、各フォト
ダイオードに配線容量が接続されているために、大きな
信号電圧ドロップが発生する。2)配線容量が大きく、
これによるランダム雑音の発生が太きい。3)走査用M
OSスイッチングトランジスタの寄生容量のバラツキに
よる固定パターン雑音の混入がある。このために、低照
度撮像が困難となり、また、高解像度化を図るために各
セルを縮小すると、蓄積電荷は減少するが、配線容量が
あまり小さくならないために、S/N比が小さくなる。In a CCD type imaging device, 1) Since a MOS type amplifier is installed on-chip as an output amplifier, the interface between silicon and silicon oxide film is difficult to image. 1 above 1. Eye-catching 1
/f noise occurs. 2) If the number of cells is increased and the temperature is increased in order to achieve higher resolution, the maximum amount of charge that can be stored in one potential well decreases, making it impossible to achieve a dynamic range. 3) Since the structure is such that the accumulated charge is transferred, if there is even one defect in the cell, the charge transfer will stop there and the manufacturing yield will deteriorate.In the MOS type imaging device, 1) Signal readout Sometimes, a large signal voltage drop occurs because a wiring capacitor is connected to each photodiode. 2) Large wiring capacity;
This generates a lot of random noise. 3) M for scanning
Fixed pattern noise is mixed in due to variations in the parasitic capacitance of the OS switching transistors. This makes low-light imaging difficult, and when each cell is reduced in size to achieve higher resolution, the accumulated charge is reduced, but the wiring capacitance is not reduced so much that the S/N ratio is reduced.
また、CCD型、MOS型撮像装置、共通の欠点として
、空乏層中で熱的に電子・正孔対が発生し、入射光がな
い時でありても出力が現われるという問題を有している
。このいわゆる暗電流は、読出し動作時に光情報信号と
共に読出しているので、この暗電流のバラツキが映像に
悪影響を及ぼしてしまう。In addition, a common drawback of CCD type and MOS type imaging devices is that electron-hole pairs are thermally generated in the depletion layer, resulting in output appearing even when there is no incident light. . Since this so-called dark current is read out together with the optical information signal during the read operation, variations in this dark current adversely affect the image.
このように、CCD型およびMOS型撮像装置は高解像
度化に対して本質的な問題点を有している。これらの撮
像装置に対して、新方式の半導体撮像装置が提案されて
いる(特開昭56−150878号公報、特開昭56−
157073号公報、特開昭56−165473号公報
)。ここで提案されている方式は、光入射によって発生
した電荷を制御電極(例えば、バイポーラトランジスタ
のペース、静電誘導トランジスタSITあるいはMOS
)ランジスタのゲート)に蓄積し、蓄積された電荷を各
セルの増幅機能を利用して電荷増幅全行い読出すもので
ある。この方式では、高出力、広ダイナミック・レンジ
、低雑音および非破壊読出しが可能であり、高解像度化
の可能性を有している。As described above, CCD type and MOS type imaging devices have essential problems in achieving high resolution. A new type of semiconductor imaging device has been proposed for these imaging devices (Japanese Patent Laid-Open No. 150878/1983, Japanese Patent Laid-Open No. 56-150878).
157073, JP-A-56-165473). The method proposed here transfers the charge generated by incident light to a control electrode (e.g., bipolar transistor PACE, static induction transistor SIT or MOS).
), and the accumulated charge is read out by fully amplifying the charge using the amplification function of each cell. This method allows high output, wide dynamic range, low noise, and nondestructive readout, and has the potential for high resolution.
しかしながら、この方式は基本的にX−Yアドレス方式
であり、また各セルは、従来のMOS型セルにバイポー
ラトランジスタ、5IT)ランジスタ等の増幅素子を複
合したものを基本構造としているために、高解像度化に
限界が存在する。However, this method is basically an X-Y addressing method, and each cell has a basic structure that combines a conventional MOS cell with amplification elements such as bipolar transistors and 5IT) transistors, so it has high There are limits to resolution.
又、読み出された信号の中に暗信号のムラが所定の規則
的なパターンで重畳する場合があり、これが画質に悪影
響を与えていた。Further, dark signal irregularities may be superimposed in a predetermined regular pattern in the read signal, which has an adverse effect on image quality.
(目的)
本発明による固体撮像装置は上記従来の問題点を解決し
ようとするものであり、
特に複数の光電変換素子の暗信号ムラを除去し得る撮像
装置を提供する事を目的としている。(Objective) The solid-state imaging device according to the present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, and particularly aims to provide an imaging device that can eliminate dark signal unevenness of a plurality of photoelectric conversion elements.
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図および第2図は、本発明の一実施例に係る光電変
換装置を構成する光センサセルの基不、構造および動作
を説明する図である。FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating the fundamentals, structure, and operation of a photosensor cell that constitutes a photoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
第1図(mlは、光センサセルの平面図、第1図(b)
は、そのA−A’線断面図、第2図は、その等何回路で
ある。なお、各部位において共通するものについては同
一の番号をつけている。Figure 1 (ml is a plan view of the optical sensor cell, Figure 1 (b)
is a cross-sectional view taken along line AA', and FIG. 2 is its circuit. Note that common parts in each part are given the same number.
第1図では、整列配置方式の平面図を示したが、水平方
向解像度を高くするために、画素ずらし方式(補間配置
方式)にも配置できることはもちろんのことである。Although FIG. 1 shows a plan view of the aligned layout method, it goes without saying that the pixel shifting method (interpolation layout method) can also be used to increase the horizontal resolution.
この光センサセルは、次のような構造を有している。This optical sensor cell has the following structure.
第1図(a)、(b)に示すごとく、n型シリコン基板
1の上に、
バシペーシ1ン膜2;
シリコン酸化膜より成る絶縁酸化膜3;となり合う光セ
ンサセルとの間を電気的に絶縁するための絶縁膜又はポ
リシリコン膜等で構成される素子分離領域4;
エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いn
−領域5;
その上に、バイポーラトランジスタのベースとなるp領
域6:
バイポーラトランジスタのエミッタとなるn領域7;
信号を外部へ読出すだめの、例えばア〃ミニウム(AI
)等の導電材料で形成される配線8:p領域6に絶縁膜
3をはさんで対向し、浮遊状態になされたp領域6にパ
ルスを印加するだめのキャパシタ電極9;
キャパシタ電極9に接続された配線10;基板1の裏面
にオーミックコンタクトをとるために形成されたn領域
11:
そして、バイポーラトランジスタのコレクタ電位を与え
るだめの電極12:
がそれぞれ形成され、上記光センサセルを構成している
。As shown in FIGS. 1(a) and 1(b), on an n-type silicon substrate 1, a vacuum film 2; an insulating oxide film 3 made of a silicon oxide film; and electrical connections between adjacent optical sensor cells are formed. Element isolation region 4 composed of an insulating film or polysilicon film for insulation; low impurity concentration n formed by epitaxial technology etc.
- region 5; on top of that, a p region 6 which becomes the base of the bipolar transistor; an n region 7 which becomes the emitter of the bipolar transistor;
) Wiring 8 formed of a conductive material such as a capacitor electrode 9 that faces the p-region 6 with the insulating film 3 in between and applies a pulse to the floating p-region 6; connected to the capacitor electrode 9. A wiring 10 formed on the substrate 1; an n region 11 formed to make ohmic contact on the back surface of the substrate 1; and an electrode 12 for supplying the collector potential of the bipolar transistor are formed, respectively, and constitute the above-mentioned photosensor cell. .
第2図に示す等価回路において、コンデンサCox13
は、電極9、絶縁膜3、p領域6のMO8構造よυ構成
され、又バイポーラトランジスタ14は、エミッタとし
てのn+領域7、ベースとしてのp領域6、コレクタと
してのn−領域5および領域1の各部分より構成されて
いる。これらの図面から明らかなように、p領域6は浮
遊領域になされている。In the equivalent circuit shown in Fig. 2, capacitor Cox13
is composed of an MO8 structure of an electrode 9, an insulating film 3, and a p region 6, and the bipolar transistor 14 has an n+ region 7 as an emitter, a p region 6 as a base, an n- region 5 and a region 1 as a collector. It consists of each part. As is clear from these drawings, p region 6 is made into a floating region.
また、バイポーラトランジスタ14の等何回路ハ、ベー
ス・エミッタの接合容量Cbe 15 、べ−5ス・エ
ミッタのpn接合ダイオードDbe 16 、ベース寺
フレクタの接合容量Cbc 17 、ヘ−、<・;レク
タのpn接合ダイオードDbc18及び電流源19.2
0で表現される。In addition, there are several circuits of the bipolar transistor 14, a base-emitter junction capacitance Cbe 15 , a base-emitter pn junction diode Dbe 16 , a base-flexor junction capacitance Cbc 17 , pn junction diode Dbc18 and current source 19.2
Represented by 0.
次に、このような構成を有する光センサセルの基本動作
を説明する。Next, the basic operation of the optical sensor cell having such a configuration will be explained.
この光センサセルの基本動作は、光入射による電荷蓄積
動作、読出し動作およびリフレッシュ動作より構成され
る。電荷蓄積動作においては、例えばエミッタは、配線
8を通して接地さ−れ、コレクターは配線12を通して
正電位にバイアスされている。またベースは、あらかじ
めエミッタ7に対して逆バイアス状態にされているもの
とする。The basic operation of this photosensor cell consists of a charge accumulation operation by light incidence, a read operation, and a refresh operation. In charge storage operation, for example, the emitter is grounded through wiring 8, and the collector is biased to a positive potential through wiring 12. Further, it is assumed that the base is in a reverse bias state with respect to the emitter 7 in advance.
この状態において、第1図に示す様に光センナセルの表
側から光20が入射してくると、半導体内においてエレ
クトロン・ホール対が発生する。In this state, as shown in FIG. 1, when light 20 enters from the front side of the optical sensor cell, electron-hole pairs are generated within the semiconductor.
この内、エレクトロンは、n領域1が正電位にバイアス
されているのでn領域1側に流れだしていってしまうが
、ホールはp領域6にどんどん蓄積されていく。このホ
ールのp領域への蓄積によりp領域6の電位は次第に正
電位に向かって変化していく。この時、光により励起さ
れたホールがベースに蓄積することにより発生する電位
VpはVp*Q/Cで与えられる。Qは蓄積されるホー
ルの電荷量であり、Cは(be15とCbc17を加算
した接合容量である。Of these, electrons flow toward the n-region 1 because the n-region 1 is biased to a positive potential, but holes are rapidly accumulated in the p-region 6. Due to the accumulation of holes in the p region, the potential of the p region 6 gradually changes toward a positive potential. At this time, the potential Vp generated by the accumulation of holes excited by light in the base is given by Vp*Q/C. Q is the amount of accumulated hole charge, and C is the junction capacitance that is the sum of (be15 and Cbc17).
ここで注目すべきことは、高解像度化され、セルサイズ
が縮小化されていった時に、一つの光センサセルあたり
に入射する光量が減少し、蓄積電荷量Qが共に減少して
いくが、セルの縮小化に伴ない接合容量もセルサイズに
比例して減少していくので、光入射により発生する電位
Vpはほぼ一定にたもたれるということである。これは
本発明における光センサセルが第1図に示すごとく、き
わめて簡単な構造をしており有効受光面がきわめて大き
くとれる可能性を有しているからである。What should be noted here is that as the resolution increases and the cell size decreases, the amount of light incident on each photosensor cell decreases, and the amount of accumulated charge Q decreases as well. As the cell size is reduced, the junction capacitance also decreases in proportion to the cell size, so the potential Vp generated by light incidence remains almost constant. This is because the optical sensor cell according to the present invention has an extremely simple structure, as shown in FIG. 1, and has the possibility of having an extremely large effective light-receiving surface.
以上の様にしてp領域6に蓄積された電荷により発生し
た電圧を外部へ読出す動作について次に説明する。The operation of reading out the voltage generated by the charges accumulated in p region 6 as described above to the outside will be described next.
読出し動作状態では、エミッタ、配線8は浮遊状態に、
コレクターは正電位VCCに保持される。In the read operation state, the emitter and wiring 8 are in a floating state,
The collector is held at a positive potential VCC.
今、光を照射する前に、ベース6を負電位にバイアスし
た時の電位を−vb とし、光照射により発生した蓄積
電圧をVpとすると、ベース電位は、−vb十vpなる
電位になっている。この状態で配線10を通して電極9
に読出し用の正の電圧Vrを印加すると、この正の電位
vrは酸化膜容量Cox13とベース・エミッタ間接合
容11cbe15、ベース・コレクタ間接合容量Cbc
17により容量分割され、ペース電位は、
となる。ここで、ペース電位を次式に示すVbsだけ、
余分に順方向にバイアスすると、ペース電位は、光照射
により発生した蓄積電圧Vpよりさらに順方向にバイア
スされる。そのために、エレクトロンはエミッタからベ
ースに注入され、コレクタ電位が正電位になりているた
めに、ドリフト電界に加速されてコレクタに到達する。Now, if the potential when the base 6 is biased to a negative potential before light irradiation is -vb, and the accumulated voltage generated by light irradiation is Vp, then the base potential becomes -vb + vp. There is. In this state, the wiring 10 is passed through the electrode 9.
When a positive voltage Vr for reading is applied to the oxide film capacitor Cox13, the base-emitter junction capacitance 11cbe15, and the base-collector junction capacitance Cbc.
The capacity is divided by 17, and the pace potential is as follows. Here, the pace potential is expressed by the following formula, Vbs,
By applying an extra forward bias, the pace potential is further biased in the forward direction than the accumulated voltage Vp generated by light irradiation. Therefore, electrons are injected from the emitter to the base, and since the collector potential is positive, they are accelerated by the drift electric field and reach the collector.
第3図(−は、Vbs=0.6V とした場合の蓄積
電圧Vpに対する読出し電圧の関係を示すグラフである
。FIG. 3 (- is a graph showing the relationship between the read voltage and the accumulated voltage Vp when Vbs=0.6V.
同グラフによれば、100 n5ec程度以上の読出し
時間(読出し電圧Vrをキャパシタ電極9に印加してい
る時間)をとれば、蓄積電圧vp と読出し電圧は、4
桁程度の範囲にわたって直線性が確保され、高速読出し
が可能であることを示して、いる。According to the same graph, if a readout time of about 100 n5ec or more (time during which readout voltage Vr is applied to capacitor electrode 9) is taken, the storage voltage vp and readout voltage will be 4
This shows that linearity is ensured over a range of orders of magnitude, and high-speed reading is possible.
上記の計算例では、配線8の容量を49F、接合容。In the above calculation example, the capacitance of the wiring 8 is 49F, and the junction capacitance is 49F.
量Cb e + Cb cを0.014pF とした
場合であり、その容量比は約300倍の異なっているが
、p領域6に発生した蓄積電圧Vpは何らの 衰も受け
ず、且つバイアス電圧Vbsの効果により、きわめて高
速に読出し動作が行われたことを示している。これは、
上記光センサセルのもつ増幅機能が有効にはたらいたか
らである。このように、出力電圧が大きいために、固定
パターン雑音、出方容量に起因するランダム雑音が相対
的に小さくなり、極めて良好なS/N比の信号を得るこ
とができる。This is the case where the amount Cb e + Cb c is 0.014 pF, and the capacitance ratio is about 300 times different, but the accumulated voltage Vp generated in the p region 6 is not attenuated in any way, and the bias voltage Vbs This shows that the read operation was performed at extremely high speed due to the effect of . this is,
This is because the amplification function of the above-mentioned optical sensor cell worked effectively. In this way, since the output voltage is large, fixed pattern noise and random noise caused by the output capacitance are relatively small, and a signal with an extremely good S/N ratio can be obtained.
先に、バイアス電圧Vbsを0.6vに設定した時、4
桁程度の直線性が100 n5ec程度の高速読出し時
間で得られることを示したが、この直線性および読出し
時間とバイアス電圧Vbs との関係を第3図(b)に
示す。First, when the bias voltage Vbs was set to 0.6v, 4
It has been shown that linearity on the order of magnitude can be obtained with a high-speed readout time of about 100 n5 ec, and the relationship between this linearity, readout time, and bias voltage Vbs is shown in FIG. 3(b).
第3図国に示すグラフによれば、バイアス電圧vb−に
よる、読出し電圧が蓄積電圧の所望の割合(%)に達す
るのに必安な読出し時間を知ることができる。したがっ
て、撮像装置の全体の設計から読出し時間および必要な
直線性が決定されると、必要とされるバイアス電圧Vb
sが第3図(b)のグラフを用いることにより決定する
ことができる。According to the graph shown in FIG. 3, it is possible to know the necessary readout time for the readout voltage to reach a desired percentage (%) of the accumulated voltage due to the bias voltage vb-. Therefore, once the readout time and required linearity are determined from the overall design of the imager, the required bias voltage Vb
s can be determined using the graph of FIG. 3(b).
上記構成に係る元センサセルのもう一つの利点は、p領
域6に蓄積されたホールはp領域6におけるエレクトロ
ンとホールの再結合確率がきわめて小さいことから非破
壊的に読出し可能なことである。このことは、上記構成
に係る光センサセルを撮像装置として構成した時に、シ
ステム動作上、新しい機能を提供することができること
を意味する。Another advantage of the original sensor cell having the above configuration is that the holes accumulated in the p region 6 can be read out non-destructively since the probability of recombination of electrons and holes in the p region 6 is extremely small. This means that when the optical sensor cell according to the above configuration is configured as an imaging device, new functions can be provided in terms of system operation.
さらに、p領域6に蓄積電圧Vpを保持できる時間は極
めて長く、最大保持時間は、むしろ接合の空乏層中にお
いて熱的に発生する暗電流によって制限を受ける。しか
し、上記光センサセルにお゛いて、空乏層の広がってい
る領域は、極めて不純物濃度が低いn−領域5であるた
めに、その結晶性が良好であり、熱的に発生するエレク
トロン・ホール対は少ない。Furthermore, the time during which the accumulated voltage Vp can be held in the p region 6 is extremely long, and the maximum holding time is rather limited by the dark current thermally generated in the depletion layer of the junction. However, in the above photosensor cell, the region where the depletion layer spreads is the n-region 5 with extremely low impurity concentration, so its crystallinity is good and thermally generated electron-hole pairs are There are few.
次いでp領域6に蓄積された電荷をリフレッシュする動
作について説明する。Next, the operation of refreshing the charges accumulated in p region 6 will be explained.
上記構成に係る光センサセルでは、すでに述べたごとく
、p領域6に蓄積された電荷は、読出し動作では消滅し
ない。このため新しい光情報を入力するためには、前に
蓄積されていた電荷を消滅させるためのり7レツシ工動
作が必要である。また同時に、浮遊状態になされている
p領域6の電位を所定の負電圧に帯電させておく必要が
ある。In the optical sensor cell having the above configuration, as already mentioned, the charges accumulated in the p region 6 are not eliminated by the read operation. Therefore, in order to input new optical information, seven retrieval operations are required to eliminate the previously accumulated charges. At the same time, it is necessary to charge the potential of p region 6, which is in a floating state, to a predetermined negative voltage.
上記構成に葆る光センサセルでは、リフレッシエ動作も
読出し動作と同様、配線10t−通して電極9に正電圧
を印加することにより行なう。このとき、配線8°を通
してエミッタを接地する。コレクタは、電極12を通し
て接地又は正電位にしておく。第4図(a)にリフレッ
シ−動作の等節回路を示す。但しコレクタ側を接地した
状態の例を示している。In the optical sensor cell having the above configuration, the refresher operation is also performed by applying a positive voltage to the electrode 9 through the wiring 10t, similarly to the readout operation. At this time, the emitter is grounded through the 8° wiring. The collector is grounded or at a positive potential through the electrode 12. FIG. 4(a) shows an isochoric circuit for refresh operation. However, an example is shown in which the collector side is grounded.
この状態で正電圧Vrhなる電圧が電極9に印加される
と、ペース22には、酸化膜容1icox13、ペース
・エミッタ間接合容11cbe i 5、ヘ−、x、・
コレクタ間接合容量cbc17の容量分割により、Co
x+Cbe+Cbc
なる電圧が、前の読出し動作のときと同様瞬時的にかか
る。この電圧により、ペース・エミッタ間接合ダイオー
ドDbe16およびペース・コレクタ間接合ダイオード
Dbc18は順方向バイアスされて導通状態となり、電
流が流れ始め、ペース電位は次第に低下していく。When a positive voltage Vrh is applied to the electrode 9 in this state, the paste 22 has an oxide film capacitance 1icox 13, a paste-emitter junction capacitance 11cbe i 5, h, x, .
Co
A voltage x+Cbe+Cbc is instantaneously applied as in the previous read operation. This voltage causes the pace-emitter junction diode Dbe16 and the pace-collector junction diode Dbc18 to be forward biased and conductive, current begins to flow, and the pace potential gradually decreases.
この時、浮遊状態にあるベースの電位の変化について計
算した結果を、ベース電位の時間依存性の一例として第
4図(b)に示す。横軸は、リフレッシュ電圧Vrhが
電極9に印加された瞬間からの時間経過すなわちリフレ
ッシ五時間を、縦軸は、ベース電位をそれぞれ示し、ベ
ースの初期電位をパラメータにしている。ペースの初期
電位とは、リフレッシュ電圧Vrhが加わった瞬間に、
浮遊状態にあるベースが示す電位であり、Vrh。At this time, the result of calculating the change in the potential of the base in a floating state is shown in FIG. 4(b) as an example of the time dependence of the base potential. The horizontal axis shows the elapse of time from the moment when the refresh voltage Vrh was applied to the electrode 9, that is, five refresh hours, and the vertical axis shows the base potential, with the initial potential of the base being used as a parameter. The initial potential of the pace is the moment when the refresh voltage Vrh is applied.
This is the potential exhibited by the base in a floating state, and is Vrh.
Cow、Cbe、Cbc及びベースに蓄積されている電
荷によってきまる。It depends on Cow, Cbe, Cbc and the charge stored in the base.
この第4図(b)をみれば、ベースの電位は初期電位に
よらず、ある時間経過後には必ず、片対数グツ7上で一
つの直線にしたがって下がりていくことがわかる。Looking at FIG. 4(b), it can be seen that the potential of the base always falls along a straight line on the semi-logarithm 7 after a certain period of time, regardless of the initial potential.
p領域6が、MOSキャパシタCoxを通して正電圧’
t6る時間印加し、その正電圧を除去すると負電位に帯
電する仕方には、2通9の仕方がある。一つは、p領域
6から正電荷を持つホールが、主として接地状態に必る
n領域1に流れ出すことによって、負電荷が蓄積される
動作である。The p region 6 receives a positive voltage ' through the MOS capacitor Cox.
There are two ways to charge the battery to a negative potential when the positive voltage is applied for a period of time t6 and the positive voltage is removed. One is an operation in which holes with positive charges flow from the p region 6 to the n region 1, which is required to be in a grounded state, thereby accumulating negative charges.
一方、n 領域7やn領域1からの電子が、p領域6に
流れ込み、ホールと再結合することによって、p領域6
に負電荷が蓄積する動作も行なえる。On the other hand, electrons from n-region 7 and n-region 1 flow into p-region 6 and recombine with holes.
It is also possible to perform an operation in which negative charges are accumulated in the .
上記構成に係る光センサセルによる固体撮像装置では、
リフレッシュ動作により全てのセンサセルのベース電位
をゼロボルトまで持っていく完全リフレッシュモードと
(このときは第4図(b)の例では10(see)を要
する)、ベース電位にはある一定電圧は残るものの蓄積
電圧Vpによる変動成分が消えてしまう過渡的リフレシ
ュモードの二つが存在するわけである。(このときはw
、4図(b)の例では、10[μsec 3〜10 L
sec ]のリフレツシュノくルストナル)。In the solid-state imaging device using the optical sensor cell according to the above configuration,
There is a complete refresh mode in which the base potential of all sensor cells is brought to zero volts by a refresh operation (in this case, 10 (see) is required in the example of Fig. 4(b)), although a certain constant voltage remains at the base potential. There are two transient refresh modes in which the fluctuation component due to the accumulated voltage Vp disappears. (At this time lol
, 4 In the example of Figure (b), 10 [μsec 3~10 L
sec ]'s reflexology).
完全にリフレッシュモードで動作させるか、過渡的リフ
レッシュモードで動作させるかの選択は撮像装置の使用
目的に−よって決定される。The choice of whether to operate in complete refresh mode or in transient refresh mode is determined by the intended use of the imaging device.
以上が光入射による電荷蓄積動作、読出し動作、リフレ
ッシュ動作よりなる上記構成に係る光センサセルの基本
動作の説明であり、各動作を基本サイクルとして、入射
光の観測又は光情報の読出しを行うことが可能となる。The above is an explanation of the basic operations of the photosensor cell according to the above configuration, which consists of a charge accumulation operation, a readout operation, and a refresh operation due to the incidence of light. Each operation is considered a basic cycle, and it is possible to observe incident light or read out optical information. It becomes possible.
以上説明したごとく、上記構成に係る光センサセルの基
本構造は、すでにあげた特開昭56−150878、特
開昭56−157073、特開昭56−165473の
各公報に記載された撮像装置と比較してきわめて簡単な
構造であり、将来の高解像度化に十分対応できるととも
に、それらのもつ優れた特徴である増幅機能からくる低
雑音、高出力、広ダイナミツクレンジ、非破壊続出し等
のメリットをそのまま保存している。As explained above, the basic structure of the optical sensor cell according to the above configuration is compared with the imaging device described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 56-150878, 1987-157073, and 1980-165473. They have an extremely simple structure and are fully compatible with future higher resolutions, as well as their excellent features such as low noise, high output, wide dynamic range, and non-destructive properties due to their amplification function. is stored as is.
次に、以上説明した光センサセルを用いた固体撮像装置
について説明する。Next, a solid-state imaging device using the optical sensor cell described above will be described.
第5図は、上記光センサセルを2次元的に配列して構成
した本発明による固体撮像装置の一実施例の回路図であ
る。FIG. 5 is a circuit diagram of an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, which is configured by two-dimensionally arranging the above-mentioned optical sensor cells.
すでに説明した点線でかこまれた第1の光電変換素子と
しての基本光センサセル30(この時バイポーラトラン
ジスタのコレクタは基板および基板電極に接続されるこ
とを示している。)、読出しパルスおよびリフレッシエ
パルスを印加するための水平ライン31.31’、 3
1”、読出しパルスを発生させるための読み出し手段を
構成する垂直シフトレジスタ32、垂直シフトレジスタ
32と水平ライン31.31’、31”の間のバッファ
MO8)ランジスタ33.33’、33”、バッファM
O8)ランジスタ33.33’、 33”のゲートにパ
ルスを印加するだめの端子34、リフレッシュパルスを
印加するためのバッファMOSトランジスタ35.35
’、 35” 、それのゲートにパルスを印加するだめ
の端子36、リフレッシュパルスを印加するための端子
37、基本光センサセル30から蓄積′亀圧を読出すた
めの垂直ライン38゜38’、38″、各垂直ラインを
選択するだめのパルスを発生する読み出し手段を構成す
る水平シフトレジスタ39、各垂直ラインを開閉するた
めのゲート用MO8)ランジスタ40.40’、40”
、蓄積電圧をアンプ部に読出すための出力ライン41、
読出し後に、出力ラインに蓄積した電荷をリフレッシュ
するためのM O5)−yレジスタ42、NOSトラン
ジスタ42ヘリフレッシュパルスを印加するための端子
43、
読出し動作において垂直ライン38,38’、38”に
蓄積された′電荷をリフレッシュするだめのMOSトラ
ンジスタ44.44’、44”、MOS ) /Fンジ
スタ44.44’、44”のゲートにパルスを印加する
ための端子45、垂直シフトレジスタ32からAノ等で
遮光されセル30と略同じ光電変換特性を有する第2の
充電変換素子としての元センサセル30′に読出しパル
スを印加するための配線46、遮光された光センサセル
30′に読出しパルス及びリフレッシュパルスを印加す
るだめの水平ライン47、配線46と水平ライン470
間のバッファMO8)ランジスタ48、元センサセル3
0′から蓄積電圧を読出すだめの垂直ライン49.49
’。The basic photosensor cell 30 as the first photoelectric conversion element surrounded by the already explained dotted line (this time indicates that the collector of the bipolar transistor is connected to the substrate and the substrate electrode), the read pulse and the refresher pulse horizontal line 31.31', 3 for applying
1", vertical shift register 32 constituting readout means for generating readout pulses, buffer between vertical shift register 32 and horizontal lines 31.31', 31" MO8) transistors 33.33', 33", buffer M
O8) Terminal 34 for applying pulses to the gates of transistors 33, 33' and 33'', buffer MOS transistor 35, 35 for applying refresh pulses
', 35'', a terminal 36 for applying a pulse to its gate, a terminal 37 for applying a refresh pulse, a vertical line 38 for reading out the accumulated pressure from the elementary photosensor cell 30. ", a horizontal shift register 39 constituting a readout means for generating a pulse to select each vertical line, MO8) transistors 40, 40', 40" for gates to open and close each vertical line.
, an output line 41 for reading out the accumulated voltage to the amplifier section,
M05)-y register 42 for refreshing the charge accumulated on the output line after reading, terminal 43 for applying a refresh pulse to NOS transistor 42, accumulated on vertical lines 38, 38', 38'' during read operation A terminal 45 for applying pulses to the gates of the MOS transistors 44, 44', 44'', MOS) /F transistors 44, 44', 44'', which are used to refresh the electric charge, and a terminal 45 for applying pulses to the gates of the vertical shift register 32 to A wiring 46 for applying a read pulse to the original sensor cell 30' which is shielded from light and has substantially the same photoelectric conversion characteristics as the cell 30, and a read pulse and a refresh pulse to the light-shielded optical sensor cell 30'. Horizontal line 47, wiring 46 and horizontal line 470 for applying
buffer MO8) transistor 48, former sensor cell 3
Vertical line 49.49 for reading the accumulated voltage from 0'
'.
4 ta //、各垂直ラインを開閉するだめのゲート
用MOSトランジスタ50.50’、50”、蓄積電圧
をアンプ部に読出すための出力ライン51.読出し動作
において垂直ライン49.49’、4ta” に蓄積
さハた電荷をリフレッシュするだめのMOS)ランジス
タ52.52’、52”、リフレッシュパルスを印加す
るだめのバッファMOSトランジスタ53、読出し後に
、出力ライン51に蓄積した電荷をリフレッシュするた
めのMOS)ランジスタ54、出力ライン41と出力ラ
イン51に現れた信号電圧の差を出力するための差動ア
ンプ55、出力ライン56により撮像素子が構成されて
おり、更に端子34,36,37,43,45.レジス
タ32.39 に対して駆動パルスを供給するクロッ
クトライバCKD、クロックトライバCKDにタイミン
グパルスを供給するクロックジェネレータCKG1に加
えることによりこの固体撮像装置は構成されている。尚
、クロックトライバCKD、クロックジェネレータCK
Gにより制御手段が構成されている。4ta //, gate MOS transistors 50, 50', 50" for opening and closing each vertical line, output line 51 for reading out the accumulated voltage to the amplifier section. Vertical lines 49, 49', 4ta in read operation MOS transistors 52, 52', 52'' for refreshing the charges accumulated in the output line 51, a buffer MOS transistor 53 for applying a refresh pulse, and a buffer MOS transistor 53 for refreshing the charges accumulated in the output line 51 after reading. An image sensor is constituted by a transistor 54 (MOS), a differential amplifier 55 for outputting the difference between the signal voltages appearing on the output line 41 and the output line 51, and an output line 56, and further includes terminals 34, 36, 37, and 43. , 45. This solid-state imaging device is configured by adding a clock driver CKD that supplies drive pulses to the registers 32 and 39, and a clock generator CKG1 that supplies timing pulses to the clock driver CKD. Driver CKD, clock generator CK
G constitutes a control means.
この固体撮像装置の動作について第5図および、第6図
に示すクロックトライバCKDの出力パルスタイミング
図を用いて説明する。The operation of this solid-state imaging device will be explained using the output pulse timing diagram of the clock driver CKD shown in FIG. 5 and FIG. 6.
第6図において、区間61はリフレッシュ動作、区間6
2は蓄積動作、区間63は読出し動作にそれぞれ対応し
ている。In FIG. 6, section 61 is a refresh operation;
2 corresponds to the storage operation, and section 63 corresponds to the readout operation.
時刻1+において、基板電位、すなわち光センサセル部
のコレクタ電位64は、接地電位または正電位に保たれ
るが、第8図では接地電位に保たれているものを示して
いる。接地電位又は正電位のいずれにしても、すでに説
明した様に、リフレッシュに要する時間が異なってくる
だけであり、基本動作に変化はない。端子45の電位6
5はhigh状態であり、MOS)う、レジスタ44.
44’。At time 1+, the substrate potential, that is, the collector potential 64 of the photosensor cell portion is kept at the ground potential or positive potential, and FIG. 8 shows it kept at the ground potential. Regardless of whether it is a ground potential or a positive potential, as already explained, the only difference is the time required for refreshing, and there is no change in the basic operation. Potential 6 of terminal 45
5 is in a high state, and the register 44.5 is in a high state.
44'.
44”、52,52’、52”は導通状態に保たれ、各
党センサセルは、垂直ライン38.38’、38”。44'', 52, 52', 52'' are kept conductive, and each party sensor cell is connected to a vertical line 38.38', 38''.
49.49’、49”を通して接地されている。また端
子36には、波形66のごとくバッファMOSトランジ
スタが導通する電圧が印加されており、全画面一括りフ
レッシー用バッファMOSトランジスタ35.35’、
35”、53は導通状態となっている。この状態で端子
37に波形 67のごとくパルスが印加されると、水平
ライン31.31’。49, 49', 49''. Also, a voltage is applied to the terminal 36 to make the buffer MOS transistor conductive as shown in the waveform 66, and the buffer MOS transistors 35, 35', 35',
35" and 53 are in a conductive state. In this state, when a pulse as shown in waveform 67 is applied to the terminal 37, the horizontal lines 31 and 31'.
31”、47を通して各党センサセルのベースニ電圧が
かかり、すでに説明した様に、リフレッシュ動作に入り
、それ以前に蓄積されていた電荷が、完全リフし/ツシ
ュモード又は過渡°的すフレシェモードにしたがってリ
フレッシュされる。完全リフレノシーモードになるか又
は過渡的リフレフシーモードになるかは波形67のノく
ルス幅により決定されるわけである。The base voltage of each sensor cell is applied through 31" and 47, and as explained above, a refresh operation is entered, and the previously accumulated charge is refreshed according to the complete refresh/tsch mode or the transient fréchet mode. Whether the mode is complete reflexivity mode or transient reflexivity mode is determined by the pulse width of waveform 67.
t7時刻に分いて、すでに説明したごとく、各光センサ
セルのトランジスタのベースはエミッタに対して逆バイ
アス状態となり、仄の蓄積区間62へ移る。このリフレ
ノツユ区間61においては、図に示すように、他の印加
パルスは全てlow 状態に保たれている。At time t7, as described above, the base of the transistor of each photosensor cell becomes reverse biased with respect to the emitter, and the transition to the other accumulation period 62 occurs. In this reflex period 61, as shown in the figure, all other applied pulses are kept in a low state.
蓄積動作区間62に2いては、基板電圧、すなわちトラ
ンジスタのコレクター位波形 b4は正電位にするっこ
れにより光照射により発生したエレクトロン・ホール対
のうちのエレクトロンを、コレクタ側へ早く流してしま
うことができる。しかし、このコレクタ電位を正電位に
保つことは、ベースをエミッタに対して逆方向ノくイア
ス状態、すなわち負電位にして撮像しているので必須条
件ではなく、接地電位あるいは若干負電位状態にしても
基本的な蓄積動作に変化はない。In the accumulation operation section 62, the substrate voltage, that is, the collector level waveform b4 of the transistor is set to a positive potential.This causes electrons of the electron-hole pairs generated by light irradiation to quickly flow toward the collector side. I can do it. However, keeping this collector potential at a positive potential is not an essential condition because the base is in a negative potential state in the opposite direction to the emitter, that is, the image is taken with a negative potential. However, there is no change in the basic storage operation.
蓄積動作状態においては、MOS)ランジスタ44.4
4’、44”、52.52’、52″のゲート端子45
の電位65は、リフレッシュ区間と同様、highに保
たれ、各MOSトランジスタは導通状態に保たれる。こ
のため、各元センサセルのエミッタは垂直ライン38.
38’、38”、49゜49’、49” を通して接地
されている。強い元の照射により、ベースにホールが蓄
積され、飽和してくると、すなわちベース電位がエミッ
タ電位検地電位)に対して順方向バイアス状態になって
くると、ホールは垂直ライン38.38’、38”。In the storage operation state, the MOS) transistor 44.4
4', 44", 52.52', 52" gate terminal 45
The potential 65 of is kept high as in the refresh period, and each MOS transistor is kept conductive. For this reason, the emitter of each original sensor cell is connected to the vertical line 38.
38', 38'', 49°49', 49'' are grounded. Due to the strong original irradiation, holes are accumulated in the base and when they become saturated, that is, when the base potential becomes forward biased with respect to the emitter potential (sensing potential), the holes become vertical lines 38, 38', 38".
49、.49”、 49”を通して訛れ、そこでベース
電位変化は停止し、はクツリプされることになる。49,. 49'' and 49'', the base potential change stops there, and the signal is clipped.
したがって、垂直方向にとなり合う光センサセルのエミ
ッタが垂直2イア38,38′、38″により共通、に
接続されていても、この様に垂直ライン38.38’、
38”を接地しておくと、ブルーミング現象を生ずるこ
とはない。Therefore, even if the emitters of vertically adjacent photosensor cells are commonly connected by two vertical wires 38, 38', 38'', the vertical lines 38, 38', 38'',
If 38" is grounded, no blooming phenomenon will occur.
このプルーミング現象をさける方法は、MOSトランジ
スタ44.44’、44”を非導通状態にして、垂直ラ
イン38.38’、 38” を浮遊状態にしていて
も、基板電位、すなわちコレクタ電位64を若干負電位
にしておき、ホールの蓄積によりベース電位が正電位方
向に変化してきたとき、エミッタより先にコレクタ側の
方へ流れだす様にすることにより達成することも可能で
ある。To avoid this pluming phenomenon, even if the MOS transistors 44, 44', 44'' are in a non-conductive state and the vertical lines 38, 38', 38'' are in a floating state, the substrate potential, that is, the collector potential 64, is slightly lowered. This can also be achieved by setting the potential to be negative, and when the base potential changes to a positive potential due to accumulation of holes, the potential flows toward the collector side before the emitter.
蓄積区間62に次いで、時刻tsより読出し区間63に
なる。この時刻t、において、MOS)ランジスタ44
,44’、44”、52.52’、52”のゲート端子
45の電位65をlowにし、かつ水平ライン31.3
1’、31”、47のバッファーMOSトランジスタ3
3.33’、33” 、48のゲート端子の電位68を
highにし、それぞれのMO8?ランジスタを導通状
態とする。但し、このゲート端子34の電位68をhi
ghにするタイミングは、時刻t8であることは必須条
件ではなく、それより早い時刻であれば良い。Following the accumulation section 62, a readout section 63 begins at time ts. At this time t, the MOS) transistor 44
, 44', 44", 52.52', 52", the potential 65 of the gate terminal 45 is set to low, and the horizontal line 31.3
1', 31", 47 buffer MOS transistors 3
3. Set the potential 68 of the gate terminals of 33', 33", and 48 to high, and make each MO8? transistor conductive. However, the potential 68 of the gate terminal 34 is set to high.
It is not an essential condition that the timing of setting gh is at time t8, but any earlier time is sufficient.
時刻t4では、垂直シフトレジスター32の出力のうち
、水平ライン31に接続されたものおよび配線46が波
形69のごと(highとなり、このとき、MOS)ラ
ンジスタ33および48が導通状態であるから、この水
平ライン31に接続された3つの各光センサセルと水平
ライン47に接続された3つの各党センサセルの読出し
が行なわれる。この読出し動作はすでに前に説明した通
りであり、各光センサセルのベース領域に蓄積された信
号電荷により発生した信号電圧は、そのまま、垂直ライ
ン38.38’、38“に現われる。一方、このとき同
時に連光された光センサセル30′からは暗電圧に相当
した信号電圧が垂直ライン49゜49’、49”に現わ
れる。このときの垂直シフトレジスター32からのパル
ス電圧のパルス幅は、第3図(、)に示した様に、蓄積
電圧に対する読出し電圧が、十分直線性を保つ関係にな
るパルス幅に設定される。またパルス電圧は先に説明し
た様に、Vias分専はエミッタに対して順方向バイア
スがかかる様調整される。At time t4, among the outputs of the vertical shift register 32, those connected to the horizontal line 31 and the wiring 46 become high according to the waveform 69, and at this time, the MOS transistors 33 and 48 are in a conductive state. The three optical sensor cells connected to the horizontal line 31 and the three party sensor cells connected to the horizontal line 47 are read out. This readout operation is as already explained above, and the signal voltage generated by the signal charge accumulated in the base region of each photosensor cell appears as it is on the vertical lines 38, 38', 38''.On the other hand, at this time At the same time, a signal voltage corresponding to the dark voltage appears on vertical lines 49.degree. 49', 49'' from the light sensor cell 30'. The pulse width of the pulse voltage from the vertical shift register 32 at this time is set to such a pulse width that the read voltage with respect to the accumulated voltage maintains a sufficient linearity, as shown in FIG. Further, as described above, the pulse voltage is adjusted so that a forward bias is applied to the emitter in the Vias section.
次いで、時刻t、において、水平シフトレジスタ39の
出力のうち、垂直ライン38および49に接続されたM
OS)ランジスタ40および50のゲートへの出力だけ
が波形70のごと(highとなり、MOSトランジス
タ40および5.0が導通状態となり、出力信号は出力
ライン41および51を通して、差動アンプ55に入り
、これらの差、すなわち暗電圧を差引いた信号電圧が出
力端子56から出力される。この様に信号が読出された
後、出力ライン41および51には配線容量に起因する
信号電荷が残りているので、時刻t、において、MOS
)ランジスタ42および54のゲート端子43にパルス
波形71のごとくパルスを印加し、MOS)ランジスタ
42および54を導通状態にシテ出カライン41および
51を接地して、この残留した信号電荷をリフレッシュ
してやるわけである。以下同様にして、スイッチングM
O8)ランジスタ4σ、40”、50.50’、50”
を順次 ・導通させて垂直ライン38’、38”、49
.49’。Next, at time t, among the outputs of the horizontal shift register 39, M connected to the vertical lines 38 and 49
OS) Only the output to the gates of transistors 40 and 50 becomes high as per waveform 70, MOS transistors 40 and 5.0 become conductive, and the output signal enters differential amplifier 55 through output lines 41 and 51. The difference between these, that is, the signal voltage after subtracting the dark voltage, is output from the output terminal 56. After the signals are read out in this way, signal charges due to the wiring capacitance remain in the output lines 41 and 51. , at time t, MOS
) A pulse is applied to the gate terminal 43 of the transistors 42 and 54 as shown in the pulse waveform 71, the MOS transistors 42 and 54 are made conductive, and the output lines 41 and 51 are grounded to refresh the remaining signal charge. It is. Similarly, switching M
O8) Transistor 4σ, 40", 50.50', 50"
・Connect vertical lines 38', 38", 49
.. 49'.
49″ の信号出力を読出す。この様にして水平に並ん
だ一ライン分の各党センサセルから信号を読出した後、
垂直ライン38.38’、38”、49゜49’、49
” には、出力ライン41と同様、それの配線容量に起
因する信号t#が残留しているので、各垂直ライン38
.38’、38″、49.49’。49" is read out. After reading out the signals from each party's sensor cells for one line arranged horizontally in this way,
Vertical line 38.38', 38", 49°49', 49
”, as with the output line 41, the signal t# due to its wiring capacitance remains, so each vertical line 38
.. 38', 38'', 49.49'.
49″ に接続されたMOSトランジスタ48゜48’
、48”、52.52’、52”を、それのゲート端子
45に波形65で示される様にhighにして導通させ
、この残留信号電荷をリフレッシ−する。MOS transistor 48°48' connected to 49″
, 48'', 52.52', and 52'' are made conductive by making their gate terminals 45 high as shown by waveform 65 to refresh this residual signal charge.
次いで、時刻taにおいて、垂直シフトレジスター32
の出力のつち、水平ライン31′に接続された出力およ
び配線46が波形69′のどとくhighとなり、水平
ライン31′および47に接続された各党センサセルの
蓄MK!圧が、各垂直ライン38.38’、38”、4
9.49’、49”読出されるわけである。以下、順次
前と同様の動作により、出力端子56から信号が読出さ
れる。Next, at time ta, the vertical shift register 32
Among the outputs, the output and wiring 46 connected to the horizontal line 31' become high at the waveform 69', and the storage MK! of each party sensor cell connected to the horizontal lines 31' and 47 becomes high. pressure is applied to each vertical line 38.38', 38", 4
9.49' and 49'' are read out. Thereafter, signals are sequentially read out from the output terminal 56 by the same operation as before.
本実施例では、遮光された光センサセル30′を設けて
いるが、これを設けた意味を第5図と第6図を用いもう
少し詳しく述べる。In this embodiment, a light-shielded optical sensor cell 30' is provided, and the meaning of providing this will be described in more detail with reference to FIGS. 5 and 6.
垂直シフトレジスタの出力波形69は、水平ライン31
に接続された全ての光センサセルの読出し動作が終るま
で、high状態にあるが、このよ、うにしておくと、
垂直ライン38.38’、38”に読出された信号電圧
を、バッファM、OS )ランジスタ40.40’、4
0”を順次閉いて出力ライン41に転送する際に、垂直
ライン38.38’、 38”と出力ライン41の配線
容量の分割比で電圧が下がる、ことはない。すなわち、
垂直ライン38.38’。The output waveform 69 of the vertical shift register is the horizontal line 31
It remains in the high state until the readout operation of all the optical sensor cells connected to the
The signal voltages read out to the vertical lines 38, 38', 38'' are transferred to buffers M, OS) transistors 40, 40', 4
0'' are sequentially closed and transferred to the output line 41, the voltage will not drop due to the division ratio of the wiring capacitance between the vertical lines 38, 38' and 38'' and the output line 41. That is,
Vertical line 38.38'.
38″ に読出された信号゛電圧は、そのまま出力ライ
ン41に現れる。これは遮光された光センサセル30′
の読出し動作においても、全く、同様である。しかし
、このとき、光センサセル30のうち右側にあるものほ
ど読出しパルスが長い時間かかるので、蓄積時間が同じ
であるにもかかわらず右側にある光センサセルからの出
力はど大きくなりてしまう。この現象は遮光された光セ
ンサセル30’についても同様に起こる。したがって本
実施例の差動アンプ55は、この現象を除去し、かつ、
暗電圧信号をも差引く効果がある。The signal voltage read out at 38'' appears on the output line 41 as it is.
The same holds true for the read operation. However, at this time, since the readout pulse takes a longer time for the photosensor cells 30 on the right side, the output from the photosensor cells on the right side increases even though the storage time is the same. This phenomenon similarly occurs for the light-shielded optical sensor cell 30'. Therefore, the differential amplifier 55 of this embodiment eliminates this phenomenon and
It also has the effect of subtracting dark voltage signals.
また、本実施例では、センサ部に用いられる光センサセ
ル30と同一のものが、遮光された第2の光センサセル
30′に用いられ、かつ、第2の光センサセル30′は
センサ部30と同一基板に設けられる。これによって、
センサ部30の温度変化による暗電流の変化を、近似的
に第2の光センサセル30′の温度変化による暗を流の
変化として検出することができる。Further, in this embodiment, the same optical sensor cell 30 used in the sensor section is used as the light-shielded second optical sensor cell 30', and the second optical sensor cell 30' is the same as the sensor section 30. Provided on the substrate. by this,
A change in dark current due to a temperature change in the sensor section 30 can be approximately detected as a change in dark current due to a temperature change in the second photosensor cell 30'.
従って差動アンプ55の出力は、入射光の強度に比例し
、大出力で、S/N比が大きく、かつ、温度変化に影響
されない光情報信号となる。Therefore, the output of the differential amplifier 55 is proportional to the intensity of the incident light, and becomes an optical information signal that has a large output, a large S/N ratio, and is not affected by temperature changes.
尚、本発明はライセンサについても適用できる事は言う
までもない。It goes without saying that the present invention can also be applied to licensors.
又、演算手段としては単に減算金するだけでなく、第1
、第2の光電変換素子の出力に夫々所定の重みを付加し
てから減算するものであっても良い。In addition, as a calculation means, not only subtraction, but also the first
, a predetermined weight may be added to each of the outputs of the second photoelectric conversion element and then subtracted.
(効果)
以上詳細に説明したように、本発明による撮像装置は一
個のトランジスタで一画素を講成できるために、高密度
化が極めて容易であり、しかもプルーミイグおよびスミ
ア等の現象が少ない。また、高感度であり、ダイナミッ
クレンジを広くとることができる。(Effects) As described in detail above, since the imaging device according to the present invention can form one pixel with one transistor, it is extremely easy to increase the density, and there are fewer phenomena such as pluming and smearing. It also has high sensitivity and can have a wide dynamic range.
また、光センサセル自体が増幅機能を有しているので、
大きな出力電圧を得ることができる。In addition, since the optical sensor cell itself has an amplification function,
A large output voltage can be obtained.
さらに、本発明による撮像装置は、簡単な構成で暗醒流
成分を除去することができる上に、光情報信号の温度変
化の影響も除去することができ、かつS/N比の大きな
信号を得ることができる。Furthermore, the imaging device according to the present invention can not only remove dark current components with a simple configuration, but also remove the influence of temperature changes on optical information signals, and can capture signals with a large S/N ratio. Obtainable.
第1図(a)は、光センサセルの平面図、第1図(b)
はそのA−A’線断面図、
第2図は、上記元センサセルの等価回路図、第3図(a
)は、バイアスを圧Vb8= 0.6 Vとした場合の
蓄積電圧vpに対する読出し電圧の関係を示す図、第3
図(b)は、バイアス電圧Vbs に対する読出し時間
の関係を示す図、
第4図(a)にリフレッシュ動作時の光センサセルの等
価回路図、第4図(b)は、リフレッシ一時間に対する
ペース電位の変化を示す図、
第5図は、上記光センサセルを2次元に配列して構成し
た不発明による・撮影装置の一実施例の回路図、
第6図は、本実施例の動作を説明する為のタイミングチ
ャートである。
6・・・・・・ベース領域
7・・・・・・エミッタ領域。
8・・・・・・エミッタ電極
9・・・・・・キャバ7タ電極
30・・・・・・光センサセル(第1の充電変換素子)
30’・・・・・・元センサセル(第2の光電変換素子
)55・・・・・・差動アンプ
1tち / r≧]と0)
第1口(b)
7Z万ゴ沼7ワEZE−/2 ”
へイヱスtF!L
第4霞め)
質シ40とb)
1r7Figure 1(a) is a plan view of the optical sensor cell, Figure 1(b)
is a sectional view taken along the line A-A', FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the original sensor cell, and FIG.
) is a diagram showing the relationship between the read voltage and the accumulated voltage vp when the bias voltage Vb8 = 0.6 V.
Figure 4(b) is a diagram showing the relationship between readout time and bias voltage Vbs, Figure 4(a) is an equivalent circuit diagram of a photosensor cell during refresh operation, and Figure 4(b) is a diagram showing the pace potential for one refresh hour. FIG. 5 is a circuit diagram of an embodiment of an inventive imaging device configured by arranging the above-mentioned optical sensor cells in two dimensions; FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of this embodiment. This is a timing chart for 6...Base region 7...Emitter region. 8...Emitter electrode 9...Cavata electrode 30...Photo sensor cell (first charging conversion element)
30'...Original sensor cell (second photoelectric conversion element) 55...Differential amplifier 1tchi/r≧] and 0) 1st port (b) 7Z Bankonuma 7wa EZE -/2 ” HeyestF!L 4th Kasumi) Pawnshi 40 and b) 1r7
Claims (1)
を介して制御することにより、前記制御電極領域に光励
起によって発生したキャリアを蓄積する複数の光電変換
素子と、上記光電変換素子と同一特性の遮光した複数の
第2の光電変換素子と、該第2の光電変換素子の信号と
、 第1の光電変換素子の信号とを同じ方向に読み出す読み
出し手段と、 第1、第2の光電変換素子の出力を演算する演算手段と
、を有する撮像装置。[Scope of Claims] A plurality of photoelectric conversion elements that accumulate carriers generated by photoexcitation in the control electrode area by controlling the potential of the control electrode area of a semiconductor transistor through a capacitor, and a plurality of photoelectric conversion elements that are the same as the above photoelectric conversion element. a plurality of second photoelectric conversion elements having light-shielded characteristics, a reading means for reading out signals from the second photoelectric conversion elements and signals from the first photoelectric conversion element in the same direction; and first and second photoelectric conversion elements. An imaging device comprising: calculation means for calculating an output of a conversion element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59276489A JPS61157178A (en) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | Image pickup device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59276489A JPS61157178A (en) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | Image pickup device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61157178A true JPS61157178A (en) | 1986-07-16 |
JPH0562868B2 JPH0562868B2 (en) | 1993-09-09 |
Family
ID=17570165
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59276489A Granted JPS61157178A (en) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | Image pickup device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61157178A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5420634A (en) * | 1991-04-01 | 1995-05-30 | Olympus Optical Co., Ltd. | Solid state imaging device |
-
1984
- 1984-12-28 JP JP59276489A patent/JPS61157178A/en active Granted
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5420634A (en) * | 1991-04-01 | 1995-05-30 | Olympus Optical Co., Ltd. | Solid state imaging device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0562868B2 (en) | 1993-09-09 |
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