JP2551658B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
Photoelectric conversion deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、センサーノイズの低減を目的とした光電変
換装置に関する。The present invention relates to a photoelectric conversion device for reducing sensor noise.
[従来の技術及び発明が解決しようとする課題] 固体撮像装置等に用いられるセンサには、出力信号レ
ベルを上げる等のために、増幅型センサが好適に用いら
れる。[Problems to be Solved by the Related Art and Invention] An amplification type sensor is preferably used for a sensor used in a solid-state imaging device or the like in order to increase an output signal level.
増幅型センサーは、MOS型,SIT型,FET型,バイポーラ
型などのトランジスタから構成されていて、それらの制
御電極に蓄積した電荷を電荷増幅あるいは電流増幅し
て、主電極から出力するものである。例えば特公昭55−
28456号公報に増幅型センサーの一例が開示されてい
る。このような増幅型センサーの問題点の1つにセンサ
ーノイズが大きいことがあげられる。The amplification type sensor is composed of transistors of MOS type, SIT type, FET type, bipolar type, etc., and amplifies the electric charge accumulated in those control electrodes and outputs it from the main electrode. . For example, Japanese Patent Publication Sho 55-
28456 discloses an example of an amplification type sensor. One of the problems of such an amplification type sensor is that the sensor noise is large.
センサーノイズは、一般に固定的に現われる固定パタ
ーンノイズ(以後FPNと呼ぶ)と、制御電極をリセット
した時に制御電極にとりこまれるランダムノイズがあ
る。There are two types of sensor noise: fixed pattern noise that appears in a fixed manner (hereinafter referred to as FPN), and random noise that is introduced into the control electrode when the control electrode is reset.
センサーノイズのなかで、FPNは固定的に現われるの
でセンサーの光信号出力からセンサーの暗時出力を減算
すれば、完全に除去することができる。なお、暗時出力
は蓄積時間をほとんどゼロ、即ちセンサーをリセットし
た直後に読み出す事によって得ることができる。Of the sensor noise, the FPN appears statically, so it can be completely removed by subtracting the dark output of the sensor from the optical signal output of the sensor. The dark output can be obtained by reading the accumulation time to almost zero, that is, immediately after the sensor is reset.
これに対し制御電極にとりこまれたランダムノイズを
も除去するためには、蓄積開始直後のセンサー出力(セ
ンサーノイズ)から蓄積後のセンサー出力(光信号)を
減算すればよい。このような減算処理が可能な光電変換
装置としては、本出願人が先に出願した特願昭63−4749
2号に開示したものがある。この光電変換装置は光信号
を格納する手段とセンサーノイズを格納する格納手段と
を設け、両格納手段に格納された光信号とセンサーノイ
ズとの差を取るものである。On the other hand, in order to remove the random noise introduced into the control electrode, the sensor output (optical signal) after the accumulation may be subtracted from the sensor output (sensor noise) immediately after the accumulation starts. As a photoelectric conversion device capable of such subtraction processing, Japanese Patent Application No. Sho 63-4749 filed previously by the present applicant has been proposed.
There is one disclosed in No. 2. This photoelectric conversion device is provided with a means for storing an optical signal and a storage means for storing sensor noise, and takes the difference between the optical signal stored in both storage means and the sensor noise.
かかる光電変換装置は、ラインセンサーに用いる場合
には非常に実用的であるが、エリアセンサーに用いる場
合には、センサーノイズを格納する格納手段のチップ面
積が大きくなってしまう。格納手段を、撮像素子の外部
に設けた場合においても、フィールドメモリあるいはフ
レームメモリが必要となり、コスト的に問題であって、
実用化は困難である。Such a photoelectric conversion device is very practical when used for a line sensor, but when used for an area sensor, the chip area of the storage means for storing the sensor noise becomes large. Even when the storage means is provided outside the image sensor, a field memory or frame memory is required, which is a cost problem.
Practical application is difficult.
また、センサーの感度を大きくし、センサノイズの影
響を相対的に小さくするために、光電変換領域を増幅用
トランジスタの上部に積層化したものがある。このよう
な固体撮像装置としては、本出願人が先に出願した特願
平1−9089号に開示したものがある。Further, there is one in which a photoelectric conversion region is laminated on an amplification transistor in order to increase the sensitivity of the sensor and relatively reduce the influence of sensor noise. As such a solid-state imaging device, there is one disclosed in Japanese Patent Application No. 1-9089 filed by the present applicant earlier.
この固体撮像装置は、光導電膜を積層すると光電変換
領域の受口開口率が非常に大きくなるので、センサー出
力(S)も同様に大きくなる。しかし、さらに高S/N比
を達成するためには、センサーノイズ(N)を小さくす
る必要がある。In this solid-state imaging device, when the photoconductive film is laminated, the aperture ratio of the photoelectric conversion region becomes very large, so that the sensor output (S) also becomes large. However, in order to achieve a higher S / N ratio, it is necessary to reduce the sensor noise (N).
本発明の目的は上記の課題に鑑み、センサーノイズを
除去するのに適した光電変換装置を提供することにあ
る。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device suitable for removing sensor noise.
[課題を解決するための手段] 本発明の光電変換装置は、光励起された電荷を蓄積す
る蓄積手段と、制御電極の電荷を増幅する増幅手段と、
前記蓄積手段と前記制御電極とを接続するスイッチ手段
と、このスイッチ手段の、非導通時の増幅手段の出力を
第1の信号として読み出す第1の読み出し手段と、前記
スイッチ手段を導通させ、前記蓄積手段の電荷を前記制
御電極に転送する転送手段と、電荷の転送後に前記増幅
手段の出力を第2の信号として読み出す第2の読み出し
手段と、前記第1の信号と前記第2の信号との減算処理
を行う減算処理手段と、を備えたことを特徴とする。[Means for Solving the Problems] A photoelectric conversion device of the present invention includes a storage unit that stores photoexcited charges, an amplification unit that amplifies charges of a control electrode,
Switch means for connecting the storage means and the control electrode, a first read means for reading the output of the amplifying means as a first signal when the switch means is not conducting, and a switch means for conducting the switch means. Transfer means for transferring the charge of the storage means to the control electrode, second read means for reading the output of the amplifying means as a second signal after the transfer of the charge, the first signal and the second signal And subtraction processing means for performing the subtraction processing of.
[作用] 本発明の光電変換装置は、光励起された電荷を蓄積す
る蓄積手段と制御電極の電荷を増幅する増幅手段との間
にスイッチ手段を設けることで、蓄積手段の動作に関係
なく、センサノイズを独立して読み出すことを可能とす
るものであり、FPNばかりではなく増幅素子の暗電流成
分やランダムノイズを除去することを可能とするもので
ある。[Operation] In the photoelectric conversion device of the present invention, the switch means is provided between the accumulating means for accumulating the photoexcited electric charge and the amplifying means for amplifying the electric charge of the control electrode. The noise can be read out independently, and it is possible to remove not only the FPN but also the dark current component of the amplification element and random noise.
なお、基体上に蓄積手段となる蓄積領域及び増幅手段
となる増幅領域を形成し、その上に光電変換領域を積層
し、この光電変換領域と増幅領域とを接続させれば、受
口開口率を大きくできS/N比を大きくすることができ
る。It is to be noted that when a storage area serving as storage means and an amplification area serving as amplification means are formed on a substrate, a photoelectric conversion area is stacked on the storage area, and the photoelectric conversion area and the amplification area are connected to each other, the aperture ratio of the socket Can be increased and the S / N ratio can be increased.
[実施例] 以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説
明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図は、本発明の光電変換装置の第1実施例の部分
回路図である。FIG. 1 is a partial circuit diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention.
第2図は、上記光電変換装置の画素の概略的平面図で
ある。FIG. 2 is a schematic plan view of a pixel of the photoelectric conversion device.
第3図は、第2図の光電変換装置のX−X′線断面図
である。FIG. 3 is a sectional view taken along line XX ′ of the photoelectric conversion device of FIG.
第4図は、第2図の光電変換装置のY−Y′線断面図
である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of FIG. 2 taken along the line YY ′.
第1図に示すように、1つの画素は、画素をリセット
するためのPMOSトランジスタTrA、画素の過渡リセット
及び信号の蓄積・読み出しを制御するための容量CoX、
光励起された電荷を蓄積する蓄積手段であるフォト・ダ
イオードD、このフォト・ダイオードDからの信号を増
幅する増幅用トランジスタTrC、フォト・ダイオードD
の光電変換部で発生した電荷を増幅用トランジスタTrC
の制御電極であるベースへ転送制御するためのスイッチ
素子たるPMOSトランジスタTrBから構成される。φVR、
φTBはそれぞれPMOSトランジスタTrA、TrBの制御を行う
パルスである。As shown in FIG. 1, one pixel includes a PMOS transistor Tr A for resetting the pixel, a capacitance Co X for controlling transient reset of the pixel and signal accumulation / reading,
A photo diode D which is a storage means for accumulating the photoexcited electric charge, an amplifying transistor Tr C for amplifying a signal from the photo diode D, and a photo diode D.
Transistor Tr C for amplifying charges generated in the photoelectric conversion portion
It is composed of a PMOS transistor Tr B which is a switch element for controlling transfer to a base which is a control electrode of the. φ VR ,
φ TB is a pulse for controlling the PMOS transistors Tr A and Tr B , respectively.
増幅用トランジスタTrCのエミッタはMOSトランジスタ
T1、T2を介して蓄積容量C1,C2に接続される。φT1、φ
T2はそれぞれMOSトランジスタT1、T2の制御を行うパル
スである。TVCは垂直信号線のリセットを行うMOSトラン
ジスタであり、パルスφVCの制御により電位VVCに設定
される。The emitter of the amplifying transistor Tr C is a MOS transistor
It is connected to the storage capacitors C 1 and C 2 via T 1 and T 2 . φ T1 , φ
T2 is a pulse for controlling the MOS transistors T 1 and T 2 , respectively. T VC is a MOS transistor that resets the vertical signal line, and is set to the potential V VC by controlling the pulse φ VC .
第2図及び第3図に示すように、各画素はPMOSトラン
ジスタTrAで分離され(第3図中破線で図示)、また、
増幅用トランジスタTrCのベースBの一部にはSiO2上に
設けられたpoly層L1により容量CoXを形成している。エ
ミッタEはAl層L2により、画素分離上を垂直出力線とし
て配線接続されている。第2図及び第4図に示すよう
に、光電変換部であるフォト・ダイオードDと増幅用ト
ランジスタTrCのベースBは、PMOSトランジスタTrB(第
4図中破線で図示)からなるスイッチ素子により分離さ
れている。なお、フォト・ダイオードD以外は通常遮光
されるが第2図〜第4図では省略している。As shown in FIGS. 2 and 3, each pixel is separated by a PMOS transistor Tr A (shown by a broken line in FIG. 3).
On a part of the base B of the amplifying transistor Tr C, a capacitor Co X is formed by the poly layer L 1 provided on SiO 2 . The emitter E is connected by the Al layer L 2 as a vertical output line above the pixel separation. As shown in FIGS. 2 and 4, the photodiode D, which is a photoelectric conversion unit, and the base B of the amplification transistor Tr C are formed by a switch element composed of a PMOS transistor Tr B (shown by a broken line in FIG. 4). It is separated. It should be noted that, except for the photodiode D, it is normally shielded from light, but is omitted in FIGS.
以下、第1図〜第4図を参照しながら、上記光電変換
装置の動作について説明する。The operation of the photoelectric conversion device will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.
第5図は、上記光電変換装置の動作を説明するための
タイミングチャートである。FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the photoelectric conversion device.
第5図において、まず、期間T1は水平方向画素列のリ
セット期間(f0)であり、パルスφVR及びパルスφTBを
負電位(−V)にして、PMOSトランジスタTrA及びスイ
ッチ素子TrBをON状態として、読み出しが完了した水平
画素列のリセットが行なわれる。In FIG. 5, first, a period T 1 is a reset period (f 0 ) of the horizontal pixel column, and the pulse φ VR and the pulse φ TB are set to a negative potential (−V) to set the PMOS transistor Tr A and the switching element Tr. With B turned on, the horizontal pixel column for which reading has been completed is reset.
期間T2は水平方向画素列の過渡リセット期間であり、
パルスφVRを正電位(+V)にすると、PMOSトランジス
タTrAはOFF状態となり、容量CoXを介して増幅用トラン
ジスタTrCのベースの電位およびフォト・ダイオードD
の電位は低下する。同時にパルスφVCをハイレベルとし
てMOSトランジスタTVCをON状態として、増幅用トランジ
スタTrCのエミッタを所定の電位VVCとする。この時、フ
ォト・ダイオードDと増幅用トランジスタTrCのベース
の残留電荷はエミッタ電流との再結合により除去される
(これを過渡リセットと呼ぶ)。その後、パルスφVCを
ロウレベルとしてMOSトランジスタTVCをOFF状態とし、
パルスφVRを正電位から接地電位(GND)にすると、容
量CoXを介して増幅用トランジスタTrCのベースの電位お
よびフォト・ダイオードDの電位も低下する。さらに、
パルスφTBを立ち上げて接地電位(GND)とすると、PMO
SトランジスタTrBがOFF状態となり、フォト・ダイオー
ドDは蓄積を開始する。Period T 2 is a horizontal pixel row transient reset period,
When the pulse φ VR is set to a positive potential (+ V), the PMOS transistor Tr A is turned off, and the potential of the base of the amplifying transistor Tr C and the photodiode D via the capacitance Co X.
The electric potential of is decreased. At the same time, the pulse φ VC is set to the high level to turn on the MOS transistor T VC, and the emitter of the amplifying transistor Tr C is set to the predetermined potential V VC . At this time, the residual charges at the base of the photodiode D and the base of the amplifying transistor Tr C are removed by recombination with the emitter current (this is called transient reset). After that, the pulse φ VC is set to the low level to turn off the MOS transistor T VC ,
When the pulse φ VR is changed from the positive potential to the ground potential (GND), the potential of the base of the amplifying transistor Tr C and the potential of the photodiode D also decrease via the capacitance Co X. further,
When the pulse φTB is raised to the ground potential (GND), PMO
The S-transistor Tr B is turned off, and the photodiode D starts accumulating.
期間T3は、垂直走査切換え期間(f0→f1)であり、不
図示の垂直シフトレジスタにより垂直走査が行なわれ、
パルスφV1,φV2の制御により次の水平画素列が選択さ
れる。A period T 3 is a vertical scanning switching period (f 0 → f 1 ) and vertical scanning is performed by a vertical shift register (not shown).
The next horizontal pixel column is selected by controlling the pulses φ V1 and φ V2 .
期間T4は、蓄積容量C1の残留電荷クリア期間であり、
パルスφVC及びパルスφT1をハイレベルとすると、MOS
トランジスタTVC及びMOSトランジスタTT1はON状態とな
り、蓄積容量C1上の残留電荷はクリアされる。その後パ
ルスφVCをロウレベルとして、MOSトランジスタTVCをOF
F状態とする。The period T 4 is a residual charge clearing period of the storage capacitor C 1 ,
When pulse φ VC and pulse φ T1 are set to high level, MOS
The transistor T VC and the MOS transistor T T1 are turned on, and the residual charge on the storage capacitor C 1 is cleared. After that, the pulse φ VC is set to the low level, and the MOS transistor T VC is OF
Set to F state.
期間T5は、センサーノイズの読み出し期間であり、パ
ルスφVRを正電位(+V)として、増幅用トランジスタ
TrCのベースを上昇させて、増幅用トランジスタTrCから
読み出し駆動が行なわれる。The period T 5 is a period for reading out the sensor noise, and the pulse φ VR is set to a positive potential (+ V), and the amplification transistor is used.
The base of Tr C is raised, and reading drive is performed from the amplifying transistor Tr C.
この時のベース電位は暗時出力電位であり、エミッタ
には増幅用トランジスタTrCの特性に依存した出力電圧
が現われる。これは一般的にオフセット電圧と呼ばれ、
複数の増幅用トランジスタ間ではそのパラメータが少し
づつ異なるのでエミッタ出力電圧、即ちオフセット電圧
も異なっている。ここではそれらのオフセット電位の差
異をセンサーノイズと呼ぶ。このセンサーノイズは蓄積
容量C1に蓄積される。The base potential at this time is the output potential in the dark, and the output voltage that depends on the characteristics of the amplifying transistor Tr C appears at the emitter. This is commonly called the offset voltage,
Since a plurality of amplifying transistors have slightly different parameters, the emitter output voltage, that is, the offset voltage also differs. Here, the difference between these offset potentials is called sensor noise. This sensor noise is stored in the storage capacitor C 1 .
期間T6は、蓄積容量C2の残留電荷クリア期間であり、
パルスφVC及びパルスφT2をハイレベルとすると、MOS
トランジスタTVC及びMOSトランジスタTT2はON状態とな
り、蓄積容量C2上の残留電荷はクリアされる。その後パ
ルスφVCをロウレベルとして、MOSトランジスタTVCをOF
F状態とする。The period T 6 is a period for clearing the residual charge of the storage capacitor C 2 ,
When pulse φ VC and pulse φ T2 are set to high level, MOS
The transistor T VC and the MOS transistor T T2 are turned on, and the residual charge on the storage capacitor C 2 is cleared. After that, the pulse φ VC is set to the low level, and the MOS transistor T VC is OF
Set to F state.
期間T7は、フォト・ダイオードDの光電荷を増幅用ト
ランジスタTrCのベースへの転送するための期間であ
り、パルスφTBを立ち下げて負電位(−V)とすると、
PMOSトランジスタTrBがON状態となり、フォト・ダイオ
ードDに蓄積された光電荷は増幅用トランジスタTrCの
ベースに転送される。The period T 7 is a period for transferring the photocharge of the photodiode D to the base of the amplifying transistor Tr C , and when the pulse φ TB is lowered to a negative potential (−V),
The PMOS transistor Tr B is turned on, and the photocharges accumulated in the photo diode D are transferred to the base of the amplifying transistor Tr C.
期間T8は、光信号の読み出し期間であり、パルスφVR
を正電位(+V)とすると、容量CoXを介して増幅用ト
ランジスタTrCのベースの電位が上昇し、増幅用トラン
ジスタTrCから光信号出力が読み出される。この光信号
には上述のセンサーノイズが含まれており、蓄積容量C2
に蓄積される。The period T 8 is a read period of the optical signal, and the pulse φ VR
The When a positive potential (+ V), the potential of the base of the amplifying transistor Tr C rises through the capacitor Co X, the optical signal output is read from the amplifying transistor Tr C. This optical signal contains the sensor noise described above, and the storage capacitance C 2
Is accumulated in
センサーノイズを蓄積している蓄積容量C1の列と光信
号を蓄積している蓄積容量C2の列は、不図示の水平シフ
トレジスタにより駆動選択された不図示の水平転送スイ
ッチから水平出力線に転送される。水平出力線の出力端
子は差動アンプに接続されているので、結果的に、光信
号よりセンサーノイズが減算されて、光信号のみを得る
ことができる。The column of the storage capacitor C 1 that stores the sensor noise and the column of the storage capacitor C 2 that stores the optical signal are driven by the horizontal shift register (not shown), and the horizontal output line from the horizontal transfer switch (not shown) is selected. Transferred to. Since the output terminal of the horizontal output line is connected to the differential amplifier, as a result, the sensor noise is subtracted from the optical signal, and only the optical signal can be obtained.
以下、センサーノイズの減算処理について詳細に説明
する。The sensor noise subtraction process will be described in detail below.
我々の実験結果によれば、過渡リセット後のFPNは、
増幅用トランジスタTrCのhFEなどのパラメータの差異に
より異なり、過渡リセット終了後ベース電位VBはΔVの
バラツキが発生する。このバラツキΔVは読み出し動作
により、エミッタ出力では される。ここでCBはベース・コレクタ間容量CbC、ベー
ス・エミッタ間容量Cbe、および容量COXの合成容量であ
る。According to our experimental results, the FPN after transient reset is
The base potential V B varies by ΔV after the end of the transient reset, depending on the difference in parameters such as h FE of the amplifying transistor Tr C. This variation ΔV is due to the read operation and Is done. Here, C B is a combined capacitance of the base-collector capacitance C bC , the base-emitter capacitance C be , and the capacitance C OX .
また、ランダムノイズ成分は、期間T1における合成容
量CBに依存するリセット時のkTCノイズ、センサートラ
ンジスタ読み出し動作時のランダムノイズ及び期間T7,T
8におけるフォト・ダイオードDの光電荷転送時のラン
ダムノイズである。リセット時のkTCノイズは過渡リセ
ットにより少し小さくなり をかけた値となるが、上述の減算処理により除去され
る。Random noise components include kTC noise at the time of reset, which depends on the combined capacitance C B in the period T 1 , random noise during the read operation of the sensor transistor, and periods T 7 , T
8 is random noise at the time of transferring the photocharge of the photodiode D in FIG. KTC noise at reset is a little smaller due to transient reset However, it is removed by the above subtraction processing.
また光電荷転送時のランダムノイズはベース入力時定
数により帯域制限され、無視できる程小さい。Random noise during photocharge transfer is band-limited by the base input time constant and is small enough to be ignored.
さらに、読み出し動作時のランダムノイズはベース容
量CB,エミッタから見た負荷容量CVと蓄積容量CT,電流増
幅率hFEなどに依存するが、電流増幅率hFEを大きくして
非破壊度を大きくすれば前記リセット時のランダムノイ
ズよりも、非常に小さくできることが分かった。このこ
とは、センサーのFPNとkTCノイズは、光信号とセンサー
ノイズとの減算処理により、S/N比を非常に改善できる
ことを意味する。CCDでは、電荷・電圧変換出力アンプ
後相関二重サンプリング法によって、リセットトランジ
スタによるkTCノイズを除去しているが、高速駆動のた
めアンプノイズが支配的である。Further, random noise in a read operation base capacitance C B, the load capacitance C V and the storage capacitor C T as viewed from the emitter, although depends on the current amplification factor h FE, non-destructive to increase the current amplification factor h FE It was found that if the degree is increased, it can be made much smaller than the random noise at the time of reset. This means that the FPN and kTC noise of the sensor can greatly improve the S / N ratio by the subtraction processing of the optical signal and the sensor noise. In CCD, the kTC noise due to the reset transistor is removed by the correlated double sampling method after the charge / voltage conversion output amplifier, but the amplifier noise is dominant because of the high speed driving.
本発明のような各画素が増幅素子から構成されたもの
は、1H毎の低速走査であるため、アンプノイズ、即ち読
み出しノイズは極めて小さい。The one in which each pixel is composed of the amplifying element as in the present invention is a low speed scan for every 1H, and therefore the amplifier noise, that is, the read noise is extremely small.
また、増幅用トランジスタの暗電流成分もセンサーノ
イズと光信号の減算時除去される。Further, the dark current component of the amplifying transistor is also removed when the sensor noise and the optical signal are subtracted.
第6図は、本発明の光電変換装置の第2実施例の部分
回路図である。FIG. 6 is a partial circuit diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
本実施例の特徴部分は、PMOSトランジスタTrA,TrBを
直列に接続し、その接続点にフォト・ダイオードDを配
置したことにある。このような配置は、水平画素サイズ
が、垂直画素サイズよりも大きい場合に好適に用いられ
る。The characteristic part of this embodiment is that the PMOS transistors Tr A and Tr B are connected in series, and the photodiode D is arranged at the connection point. Such an arrangement is preferably used when the horizontal pixel size is larger than the vertical pixel size.
画素のリセットは、パルスφVR1,φVR2を負電位にし
てPMOSトランジスタTrA,TrBをON状態とすることによっ
て行われる。Pixels are reset by setting the pulses φ VR1 and φ VR2 to a negative potential and turning on the PMOS transistors Tr A and Tr B.
過渡リセットは、パルスφVR2を正電位にしてPMOSト
ランジスタTrBをOFF状態とするとともに、容量COXを介
して増幅用トランジスタTrCのベースの電位を上昇さ
せ、増幅用トランジスタTrCのエミッタを所定の電位に
することで行われる。In the transient reset, the pulse φ VR2 is set to a positive potential to turn off the PMOS transistor Tr B , the potential of the base of the amplifying transistor Tr C is raised via the capacitance C OX, and the emitter of the amplifying transistor Tr C is switched on. It is performed by setting a predetermined potential.
電荷の蓄積は、パルスφVR1,φVR2を接地電位(GND)
にして、PMOSトランジスタTrA,TrBをOFF状態とし、フォ
ト・ダイオードDに電荷を蓄積することで行われる。To store the charge, connect the pulses φ VR1 and φ VR2 to the ground potential (GND).
Then, the PMOS transistors Tr A and Tr B are turned off, and charges are accumulated in the photodiode D.
センサーノイズの読み出しは、蓄積終了後、パルスφ
VR2を正電位にしてPMOSトランジスタTrBをOFF状態とす
るとともに、容量COXを介して増幅用トランジスタTrCの
ベースの電位を上昇させ、増幅用トランジスタTrCのエ
ミッタからセンサーノイズを読み出すことで行われる。After reading the sensor noise, pulse φ
By making VR2 a positive potential and turning off the PMOS transistor Tr B , raising the base potential of the amplifying transistor Tr C via the capacitance C OX , and reading the sensor noise from the emitter of the amplifying transistor Tr C. Done.
光信号の読み出しは、パルスφVR2を接地電位(GND)
にし、PMOSトランジスタTrBをOFF状態とし、パルスφ
VR1を負電位にし、PMOSトランジスタTrAをON状態とし
て、フォト・ダイオードDの光電荷を増幅用トランジス
タTrCのベースに転送し、パルスφVR1を接地電位(GN
D)にしてPMOSトランジスタTrAをOFF状態にし、パルス
φVR2を正電位にしてPMOSトランジスタTrBをOFF状態と
するとともに、容量COXを介して増幅用のMOSトランジス
タTrCのベースの電位を上昇させ、増幅用のMOSトランジ
スタTrCのエミッタから光信号を読み出す。To read the optical signal, pulse φ VR2 to ground potential (GND)
To turn off the PMOS transistor Tr B and turn on the pulse φ
VR1 is set to a negative potential, the PMOS transistor Tr A is turned on, the photocharge of the photodiode D is transferred to the base of the amplification transistor Tr C , and the pulse φ VR1 is set to the ground potential (GN
D) to turn off the PMOS transistor Tr A , set the pulse φ VR2 to a positive potential to turn off the PMOS transistor Tr B , and turn on the potential of the base of the amplification MOS transistor Tr C via the capacitor C OX. Then, the light signal is read out from the emitter of the MOS transistor Tr C for amplification.
本実施例は第1実施例と多少動作方法は異なるが、第
1実施例と同様にセンサーノイズを除去することができ
る。Although the operation method of this embodiment is slightly different from that of the first embodiment, the sensor noise can be removed similarly to the first embodiment.
第7図は、本発明の光電変換装置の第3実施例の部分
回路図である。FIG. 7 is a partial circuit diagram of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention.
本実施例の特徴部分は、増幅素子をMOSトランジスタ
としたことである。The characteristic part of this embodiment is that the amplifying element is a MOS transistor.
同図において、MOSトランジスタTrA′は、MOSトラン
ジスタTrC′の制御電極であるゲート領域の残留電荷を
クリアするためのリセット用MOSトランジスタである。
第1実施例においては増幅素子がバイポーラトランジス
タで構成されていたので過渡リセットを行なったが、本
実施例は増幅素子がMOSトランジスタであるため過渡リ
セット動作は不要である。フォト・ダイオードDに蓄積
された光電荷をゲートに転送し、増幅素子のMOSトラン
ジスタから光信号を読み出すときのランダムノイズはセ
ンサーMOSの増幅素子にMOSやFETを使用すれば読み出し
時制御電極であるゲート電荷は破壊されないので、セン
サーノイズと光信号出力に含まれるセンサーノイズの相
関性は非常に高くなり、結果的に高S/Nセンサーとする
ことができる。In the figure, the MOS transistor Tr A ′ is a reset MOS transistor for clearing the residual charge in the gate region which is the control electrode of the MOS transistor Tr C ′.
In the first embodiment, since the amplifying element is composed of the bipolar transistor, the transient reset is performed. However, in this embodiment, since the amplifying element is the MOS transistor, the transient reset operation is unnecessary. Random noise when transferring the photocharge accumulated in the photo diode D to the gate and reading the optical signal from the MOS transistor of the amplifying element is the control electrode at the time of reading if MOS or FET is used as the amplifying element of the sensor MOS. Since the gate charge is not destroyed, the correlation between the sensor noise and the sensor noise included in the optical signal output becomes very high, and as a result, a high S / N sensor can be obtained.
第8図は、本発明の第4実施例におけるセンサー断面
図である。FIG. 8 is a sectional view of a sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
本実施例は、光電変換領域を積層による光導電膜とし
たものである。In this embodiment, the photoelectric conversion region is a laminated photoconductive film.
同図に示すように、光電変換装置の第1実施例である
第4図のフォト・ダイオード部に光導電膜からの画素電
極を接続したものである。As shown in the figure, a pixel electrode made of a photoconductive film is connected to the photodiode portion of FIG. 4 which is the first embodiment of the photoelectric conversion device.
図中、1は光導電膜、2は透明電極、3は画素電極、
4は絶縁層であり、光導電膜1は画素電極3を通して、
フォト・ダイオード部を構成するp型半導体領域に接続
される。In the figure, 1 is a photoconductive film, 2 is a transparent electrode, 3 is a pixel electrode,
4 is an insulating layer, the photoconductive film 1 is through the pixel electrode 3,
It is connected to the p-type semiconductor region that constitutes the photodiode portion.
本実施例によれば、増幅素子部上にも光導電膜を設け
ることができるので、受口開口率を大きくし、S/N比を
大きくすることができる。According to the present embodiment, the photoconductive film can be provided also on the amplification element portion, so that the aperture ratio of the receptacle and the S / N ratio can be increased.
第9図は、本発明を適用した固体撮像装置の概略的構
成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device to which the present invention is applied.
同図において、光センサがエリア状に配列された撮像
素子201は、垂直走査部202及び水平走査部203によって
テレビジョン走査が行なわれる。In the figure, the vertical scanning unit 202 and the horizontal scanning unit 203 perform television scanning on the image sensor 201 in which optical sensors are arranged in an area.
水平走査部203から出力された信号は、処理回路204を
通して標準テレビジョン信号として出力される。The signal output from the horizontal scanning unit 203 is output as a standard television signal through the processing circuit 204.
垂直および水平走査部202及び203の駆動パルスφHS,
φH1,φH2,φVS,φV1,φV2等はドライバ205によって供
給される。またドライバ205はコントローラ206によって
制限される。Driving pulse φ HS for the vertical and horizontal scanning units 202 and 203,
φ H1 , φ H2 , φ VS , φ V1 , φ V2, etc. are supplied by the driver 205. The driver 205 is also limited by the controller 206.
[発明の効果] 以上詳細に説明したように、本発明の光電変換装置に
よれば、光励起された電荷を蓄積する蓄積手段と制御電
極の電荷を増幅する増幅手段との間にスイッチ手段を設
けることで、増幅素子のセンサーノイズを蓄積手段の動
作に関係なく、独立して読み出すことができ、FPNばか
りではなく増幅素子の暗電流成分やランダムノイズを除
去でき、また増幅用素子を低速駆動とし、読み出し時の
ノイズを非常に小さく、高S/N比の撮像素子を実現する
ことができる。[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the photoelectric conversion device of the present invention, the switch means is provided between the storage means for accumulating the photoexcited charge and the amplification means for amplifying the charge of the control electrode. As a result, the sensor noise of the amplification element can be independently read regardless of the operation of the storage unit, and not only the FPN but also the dark current component and random noise of the amplification element can be removed, and the amplification element can be driven at low speed. It is possible to realize an image pickup device with a high S / N ratio, with very small noise during reading.
なお、基体上に蓄積手段となる蓄積領域及び増幅手段
となる増幅領域を形成し、その上に光電変換領域を蓄積
し、この光電変換領域と増幅領域とを接続させれば、受
口開口率を大きくでき、S/N比を大きくすることができ
る。If a storage area serving as storage means and an amplification area serving as amplification means are formed on the substrate, and a photoelectric conversion area is stored thereon, and the photoelectric conversion area and the amplification area are connected to each other, the aperture ratio of the socket And the S / N ratio can be increased.
第1図は、本発明の光電変換装置の第1実施例の部分回
路図である。 第2図は、上記光電変換装置の画素の概略的平面図であ
る。 第3図は、第2図の光電変換装置のX−X′線断面図で
ある。 第4図は、第2図の光電変換装置のY−Y′線断面図で
ある。 第5図は、上記光電変換装置のタイミングチャートであ
る。 第6図は、本発明の光電変換装置の第2実施例の部分回
路図である。 第7図は、本発明の光電変換装置の第3実施例の部分回
路図である。 第8図は、本発明の第4実施例におけるセンサー断面図
である。 第9図は、本発明を適用した固体撮像装置の概略的構成
図である。 TrA,TrB:PMOSトランジスタ、CoX:容量、D:フォト・ダイ
オードD、TrC:増幅用トランジスタ、φVR,φTB,φT1,
φT2,φVC:パルス、TVC,T1,T2:MOSトランジスタ、C1,
C2:コンデンサ。FIG. 1 is a partial circuit diagram of a first embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of a pixel of the photoelectric conversion device. FIG. 3 is a sectional view taken along line XX ′ of the photoelectric conversion device of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of FIG. 2 taken along the line YY ′. FIG. 5 is a timing chart of the photoelectric conversion device. FIG. 6 is a partial circuit diagram of a second embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 7 is a partial circuit diagram of a third embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 8 is a sectional view of a sensor according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging device to which the present invention is applied. Tr A , Tr B : PMOS transistor, Co X : Capacitance, D: Photo diode D, Tr C : Transistor for amplification, φ VR , φ TB , φ T1 ,
φ T2 , φ VC : pulse, T VC , T 1 , T 2 : MOS transistor, C 1 ,
C 2: capacitor.
Claims (2)
制御電極の電荷を増幅する増幅手段と、前記蓄積手段と
前記制御電極とを接続するスイッチ手段と、このスイッ
チ手段の、非導通時の増幅手段の出力を第1の信号とし
て読み出す第1の読み出し手段と、前記スイッチ手段を
導通させ、前記蓄積手段の電荷を前記制御電極に転送す
る転送手段と、電荷の転送後に前記増幅手段の出力を第
2の信号として読み出す第2の読み出し手段と、前記第
1の信号と前記第2の信号との減算処理を行う減算処理
手段と、 を備えたことを特徴とする光電変換装置。1. Storage means for storing photoexcited charges,
Amplifying means for amplifying the electric charge of the control electrode, a switch means for connecting the accumulating means and the control electrode, and a first readout for reading out the output of the amplifying means of the switch means as a first signal. Means, a transfer means for electrically connecting the switch means to transfer the charge of the storage means to the control electrode, a second read means for reading the output of the amplifying means as a second signal after the transfer of the charge, A subtraction processing unit that performs a subtraction process between a first signal and the second signal, and a photoelectric conversion device.
前記増幅手段となる増幅領域を形成し、その上に光電変
換領域を積層し、この光電変換領域と前記増幅領域とを
電気的に接続させたことを特徴とする請求項1記載の光
電変換装置。2. A storage region serving as the storage unit and an amplification region serving as the amplification unit are formed on a substrate, and a photoelectric conversion region is stacked on the storage region, and the photoelectric conversion region and the amplification region are electrically connected to each other. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is connected.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP1136125A JP2551658B2 (en) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | Photoelectric conversion device |
| EP90305874A EP0400985B1 (en) | 1989-05-31 | 1990-05-30 | Photoelectric converting apparatus |
| DE69033613T DE69033613T2 (en) | 1989-05-31 | 1990-05-30 | Photoelectric converter |
| US07/530,801 US5172249A (en) | 1989-05-31 | 1990-05-30 | Photoelectric converting apparatus with improved switching to reduce sensor noises |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP1136125A JP2551658B2 (en) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | Photoelectric conversion device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH033486A JPH033486A (en) | 1991-01-09 |
| JP2551658B2 true JP2551658B2 (en) | 1996-11-06 |
Family
ID=15167891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6801256B1 (en) | 1998-06-02 | 2004-10-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High-speed solid-state imaging device capable of suppressing image noise |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2533876B2 (en) * | 1987-05-22 | 1996-09-11 | キヤノン株式会社 | Photoelectric conversion device |
| JPH01154678A (en) * | 1987-12-11 | 1989-06-16 | Hitachi Ltd | solid state imaging device |
| JP2708455B2 (en) * | 1988-03-25 | 1998-02-04 | 株式会社日立製作所 | Solid-state imaging device |
-
1989
- 1989-05-31 JP JP1136125A patent/JP2551658B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| US6801256B1 (en) | 1998-06-02 | 2004-10-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High-speed solid-state imaging device capable of suppressing image noise |
| US7292276B2 (en) | 1998-06-02 | 2007-11-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High-speed solid-state imaging device capable of suppressing image noise |
| US7362366B2 (en) | 1998-06-02 | 2008-04-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High-speed solid-state imaging device capable of suppressing image noise |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH033486A (en) | 1991-01-09 |
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