JPS6353968A - image sensor - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
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- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は、蓄積B量を変化させて入射光量に対し電荷
蓄積■を可変制御することによりダイナミックレンジを
拡大するようにした1次元或いは2次元イメージセンサ
に関する。Detailed Description of the Invention (Industrial Field of Application) This invention is a one-dimensional or two-dimensional battery that expands the dynamic range by varying the amount of accumulated B and variably controlling charge accumulation according to the amount of incident light. Regarding dimensional image sensors.
(従来の技術)
従来のこの種のMO3形イメージセンサとしては、例え
ば第2図(a)、(b)に示すようなものが知られてい
る。(Prior Art) As a conventional MO3 type image sensor of this type, the one shown in FIGS. 2(a) and 2(b), for example, is known.
第2図(a)において、9はP形基板であり、このP形
基板9にN 拡散層7を形成してフォトダイオードを構
成し、同様にN 拡散層を形成してスイッチングMOS
トランジスタのソース8を構成し、また、P形基板9の
表面にはS!02よりなる酸化膜5を形成し、更に酸化
膜5上に形成された信号取り出し用のソース電極3をソ
ース8に接続すると共に、酸化膜5上のフォトダイオー
ドを構成する拡散層7とソース8との間にスイッチング
MOSトランジスタのゲート電極2を形成している。2
0はゲート端子、30はソース端子である。また、第2
図(a)中、4は閑化膜5、ゲート電極2およびソース
電極3を覆うように形成した遮光膜4であり、この遮光
膜4には開孔部4Aが形成されている。したがって、入
射光は開孔部4Aを介してフォトダイオードにのみ入射
ざれる。In FIG. 2(a), numeral 9 is a P-type substrate, and an N diffusion layer 7 is formed on this P-type substrate 9 to form a photodiode, and a switching MOS is formed by similarly forming an N diffusion layer.
It constitutes the source 8 of the transistor, and the surface of the P-type substrate 9 has S! Further, the source electrode 3 for signal extraction formed on the oxide film 5 is connected to the source 8, and the diffusion layer 7 and the source 8 forming the photodiode on the oxide film 5 are formed. A gate electrode 2 of a switching MOS transistor is formed between the two. 2
0 is a gate terminal, and 30 is a source terminal. Also, the second
In Figure (a), 4 is a light shielding film 4 formed so as to cover the thinning film 5, the gate electrode 2, and the source electrode 3, and this light shielding film 4 has an opening 4A formed therein. Therefore, the incident light is incident only on the photodiode through the aperture 4A.
第2図(b)は、第2図(a)に示した構造の等何回路
を示しており、第2図(a>の)tトダイオードは接合
ダイオード11と接合容量12との並列回路で示され、
全体としてスイッチングMOSトランジスタ13を構成
している。FIG. 2(b) shows a similar circuit having the structure shown in FIG. 2(a), and the diode shown in FIG. 2(a) is a parallel circuit of a junction diode 11 and a junction capacitor 12. It is indicated by
The switching MOS transistor 13 is configured as a whole.
このように構成された従来例は以下のような動作を行な
う。The conventional example configured in this manner operates as follows.
まず、出力端子30を所定のプリチャージ電圧vpに保
持し、スイッチングMOSトランジスタ13をオン状態
にすることによりフォトダイオードの接合部量12をプ
リチャージ電圧Vpまでプリチャージした後、スイッチ
ングMOSトランジスタ13をオフ状態にする。First, the output terminal 30 is held at a predetermined precharge voltage vp, and the switching MOS transistor 13 is turned on to precharge the junction portion 12 of the photodiode to the precharge voltage Vp. Turn off.
この状態で放置すると、フォトダイオードの接合容量1
2に蓄積された電荷は入射光量に応じて放電するため、
フォトダイオードの接合部量12の充電電圧は■は前記
電圧Vpから減少していく。If left in this state, the junction capacitance of the photodiode will decrease by 1
Since the charge accumulated in 2 is discharged according to the amount of incident light,
The charging voltage of the photodiode junction portion 12 decreases from the voltage Vp.
一定時間、入射光による放電を行なわせた後、スイッチ
ングMOSトランジスタ]3をオン状態にして、出力端
子3からフォトダイオードの接合部量12の蓄積電荷の
放電量や充電電圧Vを読出す。After discharging due to the incident light for a certain period of time, the switching MOS transistor] 3 is turned on, and the amount of discharge of the accumulated charge in the junction portion 12 of the photodiode and the charging voltage V are read out from the output terminal 3.
以上の動作を各画素について繰り返すことにより、イメ
ージセンサとして機能する。By repeating the above operations for each pixel, it functions as an image sensor.
(この発明が解決しようとする問題点)しかしながら、
このような従来のイメージセンサにあっては、フォトダ
イオードの接合容量12に蓄積された電荷の入射光によ
る放電量あるいは充電量を順次読み出すことにより、入
射光量を電気信号に変換して外部に出力するようになっ
ているため、強い入射光により蓄積電荷が完全に放電し
てしまうと、出力は飽和状態となり、正常な出力信号は
得られなくなる。(Problem to be solved by this invention) However,
In such conventional image sensors, the amount of incident light is converted into an electrical signal and output to the outside by sequentially reading out the amount of discharge or charge due to incident light of the charge accumulated in the junction capacitor 12 of the photodiode. Therefore, if the accumulated charge is completely discharged by strong incident light, the output will reach a saturated state and a normal output signal will no longer be obtained.
そこで、強い入射光に対しても飽和状態にならない出力
信号を得るためには、フォトダイオードの接合部ff1
12の容(イ)を大きくして蓄積電荷量を増加させる必
要がある。Therefore, in order to obtain an output signal that does not become saturated even with strong incident light, the junction ff1 of the photodiode must be
It is necessary to increase the amount of stored charge by increasing the capacitance (a) of 12.
フォトダイオードの接合容量12の容量を増加させるに
は、フォトダイオードを構成する拡散層7の拡散面積を
大きくしたり、シリコン基板9の不純物濃度を高くする
などの方法がある。しかし、このような方法を用いて接
合容量12を増加させると、接合部に流れる暗電流が増
加したり、素子の動作速度が低下する。また、接合容量
12の充電電圧を読出す方式では、弱い入射光に対して
充電電圧Vの変化が小さくなり、感度が低下する。In order to increase the capacitance of the junction capacitance 12 of the photodiode, there are methods such as increasing the diffusion area of the diffusion layer 7 constituting the photodiode or increasing the impurity concentration of the silicon substrate 9. However, if such a method is used to increase the junction capacitance 12, the dark current flowing through the junction increases and the operating speed of the device decreases. Further, in the method of reading out the charging voltage of the junction capacitor 12, the change in the charging voltage V becomes small with respect to weak incident light, and the sensitivity decreases.
このように強い入射光に対応できるように接合容量12
を増加させると、暗電流が増加し、動作速度が低下し、
また充電電圧■の読出し方式では感度が低下するため、
弱い入射光に対する特性が犠牲になるという問題点があ
った。In order to cope with such strong incident light, the junction capacitance is 12
Increasing the dark current increases the operating speed,
In addition, since the sensitivity decreases in the charging voltage readout method,
There was a problem in that the characteristics against weak incident light were sacrificed.
(問題点を解決するための手段〉
この発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので
あって、蓄積容量を可変とすることにより、ダイナミッ
クレンジを拡大させたイメージセンサを提供することを
目的としている。(Means for Solving the Problems) The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an image sensor whose dynamic range is expanded by making the storage capacity variable. It is an object.
この目的を達成するために、この発明は、半導体基板上
に複数個のフォトダイオードを配列し、各フォトダイオ
ードの接合容瓜の蓄積電荷の入射光による放電量あるい
は充電量を順次読出すイメージセンサにおいて、前記フ
ォトダイオードの接合容量に並列接続して拡散層による
補助蓄積容量と両容量の間に制す11用電極とを設け、
該制御用の電極の電位を任意に設定することにより蓄積
容量を変化させて入躬光狙に対し電荷蓄積量を可変制御
するようにしている。In order to achieve this object, the present invention provides an image sensor in which a plurality of photodiodes are arranged on a semiconductor substrate, and the amount of discharge or charge of the accumulated charge of the junction capacitor of each photodiode is sequentially read out by incident light. , an electrode for 11 is provided which is connected in parallel to the junction capacitance of the photodiode and interposed between the auxiliary storage capacitance formed by the diffusion layer and both capacitances;
By arbitrarily setting the potential of the control electrode, the storage capacitance is changed to variably control the amount of charge storage with respect to the incident light.
(作用)
このような構成を有するこの発明においては、フォトダ
イオードに隣接して補助蓄積容量を設け、制御電極の電
位を変えることにより、弱い入射光に対してはフォトダ
イオードの接合容量のみの小さな容量で対応することが
でき、強い入射光に対しては接合容量と補助蓄積容量の
2つの大きな容量で対応することができる。すなわち、
蓄積容量を増減することができ、ダイナミックレンジを
拡大させることができる。(Function) In the present invention having such a configuration, by providing an auxiliary storage capacitor adjacent to the photodiode and changing the potential of the control electrode, only the junction capacitance of the photodiode is reduced in response to weak incident light. Capacitance can be used to cope with strong incident light, and two large capacitances, a junction capacitance and an auxiliary storage capacitance, can be used to cope with strong incident light. That is,
The storage capacity can be increased or decreased, and the dynamic range can be expanded.
(実施例) 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.
第1図(a>、(b)は、この発明の一実施例を示す図
である。なお、従来例と同一構成部分については同一番
号を付してその説明を省略する。1(a) and 1(b) are diagrams showing an embodiment of the present invention.The same components as those of the conventional example are given the same numbers and the explanation thereof will be omitted.
まず、構成を説明すると、第1図(a)において、6は
P形基板9にN 拡散で形成された拡散層であり、この
拡散層6はフォトダイオードの拡散層7に隣接して設け
られる。また、1は酸化膜5上に形成された制御電極で
あり、この制御電極1は前記拡散層6とフォトダイオー
ドの拡散層7との間に設けられ、前記拡散層6と制御電
極1とは全体としてスイッチングMOSトランジスタ1
4を構成している。したがって、制御電極1の電位を任
意に設定することにより、両拡散層6,7を接断自在と
することにより蓄積容量を変化させることができる。First, to explain the structure, in FIG. 1(a), 6 is a diffusion layer formed by N2 diffusion on a P-type substrate 9, and this diffusion layer 6 is provided adjacent to the diffusion layer 7 of the photodiode. . Further, 1 is a control electrode formed on the oxide film 5, and this control electrode 1 is provided between the diffusion layer 6 and the diffusion layer 7 of the photodiode, and the diffusion layer 6 and the control electrode 1 are different from each other. Switching MOS transistor 1 as a whole
4. Therefore, by arbitrarily setting the potential of the control electrode 1, the storage capacitance can be changed by making both the diffusion layers 6 and 7 freely disconnectable.
尚、該拡散層6とP形基板9とでフォトダイオードが構
成されるが、遮光膜4で遮光することにより接合容量の
みが機能する。10は制御電極1に接続される制御端子
である。Although a photodiode is constituted by the diffusion layer 6 and the P-type substrate 9, only the junction capacitance functions by blocking light with the light-shielding film 4. 10 is a control terminal connected to the control electrode 1.
第1図(b)は第1図(a>に示した構造の等両回路で
あり、前記拡散層6は補助蓄積容量15として示され、
この補助蓄積容量15は、接合ダイオード11と接合容
量12とからなる並列回路に並列接続される。FIG. 1(b) shows an equal circuit having the structure shown in FIG. 1(a), in which the diffusion layer 6 is shown as an auxiliary storage capacitor 15,
This auxiliary storage capacitor 15 is connected in parallel to a parallel circuit consisting of a junction diode 11 and a junction capacitor 12.
次に、動作を説明する。Next, the operation will be explained.
まず、制御電極1の電位をOとした第1の場合から説明
する。First, a first case in which the potential of the control electrode 1 is set to O will be explained.
この場合には、スイッチングMOSトランジスタ14が
オフ状態になるので、補助蓄積容量15はフォトダイオ
ードに常に接続されない状態となる。すなわち、電荷を
蓄積するための容量はフォトダイオードの接合容量12
のみとなり、従来の構造と同じになる。これを露光ff
1Eと充電圧Vの関係を示す第3図に基づいて説明する
と、図において制御電極1の電位をOとした場合は、a
の破線で示した放電特性となる。プリチャージ電圧Vp
から露光量Eの増加とともに充電電圧は減少し、露光量
EがEaになると充電電圧V +、t Oとなり、出力
信号は飽和状態になる。このようにフォトダイオードの
接合容量のみの場合は蓄積容■が小さくなるため、感度
は高くなるが、飽和露光量ECが小さくなる。In this case, since the switching MOS transistor 14 is turned off, the auxiliary storage capacitor 15 is not always connected to the photodiode. In other words, the capacitance for storing charge is the junction capacitance 12 of the photodiode.
The structure is the same as the conventional one. Expose this ff
To explain based on FIG. 3 showing the relationship between 1E and charging voltage V, if the potential of control electrode 1 is O in the figure, a
The discharge characteristics are shown by the broken line. Precharge voltage Vp
As the exposure amount E increases, the charging voltage decreases, and when the exposure amount E reaches Ea, the charging voltage becomes V +,t O and the output signal becomes saturated. In this way, when only the junction capacitance of the photodiode is used, the storage capacity (2) becomes small, so the sensitivity becomes high, but the saturation exposure amount EC becomes small.
次に、制御電極1の電位をVpとした第2の場合を説明
すると、MOSトランジスタ14は常にオン状態となり
、補助蓄積容量15はフォトダイオードに常に接続され
た状態となる。このため、電荷を蓄積するための容量は
フォトダイオードの接合容量12と補助蓄積容量15を
合せたものと−なる。この状態での放電特性は第3図の
Cの破線で示したようになる。このように蓄積容量を大
きくしたことで飽和露光ff1ECは高くなるが、感度
は低くなる。Next, a second case in which the potential of the control electrode 1 is set to Vp will be described. The MOS transistor 14 is always on, and the auxiliary storage capacitor 15 is always connected to the photodiode. Therefore, the capacitance for storing charges is the sum of the junction capacitance 12 of the photodiode and the auxiliary storage capacitor 15. The discharge characteristics in this state are as shown by the broken line C in FIG. By increasing the storage capacity in this way, the saturation exposure ff1EC becomes higher, but the sensitivity becomes lower.
更に、制御電極1の電位を○とVpの間のVxとした第
3の場合を説明すると、この場合にはプリチャージを行
なうと、電圧がVXになるまではMOSトランジスタ1
4はオンになり、補助蓄積容量15はフォトダイオード
に接続された状態になるため、補助蓄積容量15とフォ
トダイオードの接合容量12はVxまで充電される。し
かし、充電電圧がVx以上になるとMOS トランジス
タ14はオフになり、補助蓄積容量15はフォトダイオ
ードに接続されない状態となり、フォトダイオードの接
合容量12のみvpまで充電される。Furthermore, a third case will be explained in which the potential of the control electrode 1 is set to Vx between ○ and Vp.
4 is turned on and the auxiliary storage capacitor 15 is connected to the photodiode, so that the junction capacitance 12 between the auxiliary storage capacitor 15 and the photodiode is charged to Vx. However, when the charging voltage exceeds Vx, the MOS transistor 14 is turned off, the auxiliary storage capacitor 15 is not connected to the photodiode, and only the junction capacitance 12 of the photodiode is charged to vp.
このように充電電圧は補助蓄積容量15がVx、)汁ト
ダイオードの接合容量12がVpとなる。In this way, the charging voltage is Vx for the auxiliary storage capacitor 15 and Vp for the junction capacitance 12 of the diode.
プリチャージ終了後、入射光による放電が開始されるが
、フォトダイオードの接合容量12の放電特性は第3図
のbで示したような特性となる。After the precharging is completed, a discharge due to the incident light is started, and the discharge characteristic of the junction capacitance 12 of the photodiode becomes the characteristic shown by b in FIG. 3.
すなわち、充電電圧がVXになる露光量をEXとすれば
、露光量がEXになるまではMOSトランジスタ14が
オフで補助蓄積容量15は接続されないため、フォトダ
イオードの接合容♀12のみの第1の場合と同じ放電特
性となる。ところが、露光量がEX以上になり、フォト
ダイオードの接合容量12の充電電圧がVX以下になる
と、MOSトランジスタ14がオンになり、補助蓄積容
量15が接続されるため、放電特性の傾きは第2の場合
と同じになる。したがって、露光量に応じて自動的に蓄
積容量の切換えが行なわれる。That is, if the exposure amount at which the charging voltage becomes VX is EX, the MOS transistor 14 is off and the auxiliary storage capacitor 15 is not connected until the exposure amount reaches EX. The discharge characteristics are the same as in the case of . However, when the exposure amount exceeds EX and the charging voltage of the photodiode junction capacitor 12 becomes below VX, the MOS transistor 14 is turned on and the auxiliary storage capacitor 15 is connected, so that the slope of the discharge characteristic becomes second. It will be the same as in the case of Therefore, storage capacity is automatically switched according to the amount of exposure.
以上のように、補助蓄積容量15とその1り御電極1を
設け、制御電極1の電位を変えることにより、蓄積容量
を減少、増大させることができ、その結果、ダイナミッ
クレンジの拡大が可能となる。As described above, by providing the auxiliary storage capacitor 15 and its single control electrode 1 and changing the potential of the control electrode 1, the storage capacitance can be decreased or increased, and as a result, the dynamic range can be expanded. Become.
尚、実施例ではMO3形イメージセンサを例に説明した
が、本発明はこれに限られるものでなく、例えばCOD
イメージセンサにも適用できるものであり、その場合は
各フォトダイオードの接合容量の入射光による充電量を
順次読み出すことになる。Although the embodiments have been explained using an MO3 type image sensor as an example, the present invention is not limited to this, and for example, COD
This method can also be applied to image sensors, in which case the amount of charge of the junction capacitance of each photodiode due to incident light is sequentially read out.
本発明は1次元イメージセンサのみならず2次元イメー
ジセンサにも適用できる。The present invention can be applied not only to one-dimensional image sensors but also to two-dimensional image sensors.
1次元イメージセンサの場合は画素の並/υでいる方向
と直交する方向に補助蓄積容量を設けるようにすれば、
画素密度を低下させることなく構成することができる。In the case of a one-dimensional image sensor, if an auxiliary storage capacitor is provided in a direction perpendicular to the direction of pixel parallelism/υ,
It can be configured without reducing pixel density.
(発明の効果)
以上説明してきたように、この発明によれば、入射光量
に応じて蓄積容量を任意に選ぶことができるので、弱い
入射光に対して蓄積容量を小さくして、暗電流を小さく
したり、動作速度を向上さぜ、強い入0=1光に対して
は蓄積容量を大きくして飽和露光量を高くすることによ
り、弱い入q4光に対する1“jt性を犠牲にすること
なく、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, the storage capacitance can be arbitrarily selected according to the amount of incident light, so the storage capacitance can be made small for weak incident light and the dark current can be reduced. By increasing the storage capacity and increasing the saturation exposure amount for strong incident 0=1 light, sacrifice the 1"jt property for weak incident q4 light. Therefore, the dynamic range can be expanded.
また、接合容量の充電電圧を読出す方式のイメージセン
サに応用すれば、弱い入射光に対しては高感度、強い入
射光に対しては高い飽和露光量というすぐれた特性をも
たせることができる。Furthermore, if applied to an image sensor that reads the charging voltage of a junction capacitance, it can provide excellent characteristics such as high sensitivity to weak incident light and high saturation exposure amount to strong incident light.
第1図(a>はこの発明の一実施例を示す断面構造図、
第1図(b>はその等価回路図、第2図(a>は従来例
を示す断面構造図、第2図(b)はその等価回路図、第
3図tよこの発明の一実施例の動作を説明するための説
明図である。
1・・・制御電極、
2・・・スイッチングMOSトランジスタのゲート電極
3・・・ソース電極、
4・・・遮光膜、
5・・・シリコン酸化膜、
6・・・補助蓄積容量の拡散層、
7・・・フォトダイオードの拡散層、
8・・・スイッチングMO3トランジスタのソース、9
・・・シリコン基板、
10・・・制御端子、
11・・・接合ダイオード、
12・・・フォトダイオードの接合容量、13・・・ス
イッチングMO3)−ランジスタ、14・・・MOSト
ランジスタ、
15:補助蓄積容量。FIG. 1 (a> is a cross-sectional structural diagram showing an embodiment of the present invention,
Fig. 1 (b> is an equivalent circuit diagram thereof, Fig. 2 (a> is a sectional structural diagram showing a conventional example, Fig. 2 (b) is an equivalent circuit diagram thereof, and Fig. 3 t is an embodiment of the present invention. It is an explanatory diagram for explaining the operation. 1... Control electrode, 2... Gate electrode of switching MOS transistor 3... Source electrode, 4... Light shielding film, 5... Silicon oxide film , 6... Diffusion layer of auxiliary storage capacitor, 7... Diffusion layer of photodiode, 8... Source of switching MO3 transistor, 9
... Silicon substrate, 10 ... Control terminal, 11 ... Junction diode, 12 ... Junction capacitance of photodiode, 13 ... Switching MO3) - transistor, 14 ... MOS transistor, 15: Auxiliary Storage capacity.
Claims (1)
フォトダイオードの接合容量の蓄積電荷の入射光による
放電量あるいは充電量を順次読出すイメージセンサにお
いて、前記フォトダイオードの接合容量に隣接して拡散
層による補助蓄積容量を設け、前記両容量の間にスイッ
チング素子を設け、該スイッチング素子により前記フォ
トダイオードの接合容量に前記補助蓄積容量を並列接続
可能として入射光量に対し電荷蓄積量を可変制御するよ
うにしたことを特徴とするイメージセンサ。In an image sensor in which a plurality of photodiodes are arranged on a semiconductor substrate and the amount of charge accumulated in the junction capacitance of each photodiode is sequentially read out due to incident light, the amount of charge accumulated in the junction capacitance of each photodiode is sequentially read out. A layer-based auxiliary storage capacitor is provided, a switching element is provided between the two capacitors, and the switching element enables the auxiliary storage capacitor to be connected in parallel to the junction capacitance of the photodiode, thereby variably controlling the amount of charge storage with respect to the amount of incident light. An image sensor characterized by:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61196683A JPS6353968A (en) | 1986-08-22 | 1986-08-22 | image sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61196683A JPS6353968A (en) | 1986-08-22 | 1986-08-22 | image sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPS6353968A true JPS6353968A (en) | 1988-03-08 |
Family
ID=16361857
Family Applications (1)
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JP61196683A Pending JPS6353968A (en) | 1986-08-22 | 1986-08-22 | image sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPS6353968A (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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