JP2865663B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP2865663B2
JP2865663B2 JP62153292A JP15329287A JP2865663B2 JP 2865663 B2 JP2865663 B2 JP 2865663B2 JP 62153292 A JP62153292 A JP 62153292A JP 15329287 A JP15329287 A JP 15329287A JP 2865663 B2 JP2865663 B2 JP 2865663B2
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imaging device
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state imaging
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俊文 尾崎
秋元  肇
秀行 小野
正章 中井
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Hitachi Ltd
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高感度,低スメアを実現するのに好適な2
次元固体撮像素子に関するものである。 〔従来の技術〕 従来、2次元固体撮像素子の代表的な一種としてMOS
型固体撮像素子が知られている「アイエスエスシーシー
・ダイジエスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(ISSC
C Digest of Technical Papers),第26頁,1980年2月1
3日」。上記素子は第4図に示すような回路構成によつ
ている。第4図において、1は2次元状に配置された光
電変換を行うホトダイオード、2は各行を選択する垂直
走査回路、3は上記垂直走査回路からの選択信号を各垂
直スイツチに導く垂直ゲート線、4は上記垂直走査回路
からの選択信号により開閉する垂直スイツチ、5は各行
の選択を行う水平走査回路、6は水平走査回路からの選
択信号により開閉する水平スイツチ、7は素子外部の増
幅回路、8は垂直信号線、9は水平信号線である。 上記回路はつぎの動作を行う。まず、水平ブランキン
グ期間中に、垂直走査回路2により選択された行の垂直
ゲート線3の電圧が高くなり、垂直スイツチ4が開き、
信号電荷がホトダイオード1から垂直信号線8に送られ
る。その後、水平走査期間においては、水平走査回路5
が動作し水平スイツチ6が順次開閉し、信号電荷は順次
素子外部の増幅器7により増幅され出力される。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、下記2点について説慮がなされてお
らず、雑音が大きく信号対雑音比(以下S/N比という)
が低いという問題があつた。水平スイツチの熱雑音に
よりKTC雑音が発生する。外部増幅器の入力容量とな
る配線部容量が大きく増幅器入力端での信号電圧振幅が
小さくかつ増幅器の通過帯域が広いために増幅器の雑音
が大きい。また、一水平走査期間に垂直信号線に光信号
が漏れ込む点について配慮がされておらず、明るい被写
体を写したときに再生画の上下に白く尾を引く垂直スメ
ア現像が生じ、高照度における画質劣化の要因となつて
いた。 これに対して各画素毎に増幅器を設けた画素増幅型素
子がある。(例えば、安藤他:テレビジヨン学会、1986
年全国大会予稿集3−4、P51)。本素子では、増幅器
入力容量がホトダイオード容量となり増幅器入力端での
信号電圧振幅が大きいため、増幅器雑音が低減できる。
また、配線での信号電圧振幅が大きくなるため走査途中
で発生するkTC雑音も低減できる。この結果、低雑音化
を達成できる。さらに、同様な理由で垂直スメアも低減
できる。ところが画素増幅型素子においては、少なくと
も各画素ごとに、ホトダイオード,ホトダイオードをリ
セツトするスイツチ、各ホトダイオードを選択するスイ
ツチならびに増幅器を構成するトランジスタの4つの要
素を必要としている。 この結果、集積度を上げることが困難であり、現行TV
方式に適合するだけの画素数を持つ素子を実現できなか
つた。さらに、各画素ごとの増幅器の直流出力レベルな
らびに増幅利得のばらつきにより、再生画像にはまだら
模様の固定パターン雑音が生じた。 これらを解消するために、リセツトゲート領域とフロ
ーテイングゲート領域を半導体表面に配置し、この領域
間をチヤネル領域とする接合ゲート形FET(以下デユア
ルゲート縦型JFET)を各画素に配置した2次元固定撮像
素子が実開昭56−155565号に開示されている。第5図か
ら第7図を用いこの種の固体撮像素子の一例を説明す
る。 第5図は上記固体撮像素子の回路構成図であり、簡単
のため、3×3の場合を示す。第6図(A),(B)は
第5図の各画素のデユアルゲート縦型JFETの断面構造図
と回路モデル図、第7図は第5図の固体撮像素子の駆動
パルスタイミングを示す。なお、第6図ならびに第7図
はnチヤネルの場合を示すが、Pチヤネルの場合は極性
を逆にすれば良い。 第5図において、2,3,5,6,8,9は第4図と同様であ
り、51はインバータのドライバとなるデユアルゲート縦
型JFET,52はインバータ負荷抵抗、53はバイアス電源、O
UTは出力端子である。また、第6図は第5図の一画素を
構成するデユアルゲート縦型JFETの断面図を示す。第6
図(A)において、61はn型基板、62はホトダイオード
となるフローテイングP型不純物層、63はリセツトゲー
トとなるP型不純物層、64はコンタクト用n+不純物層、
65は絶縁層、3,52,OUTは第5図と同様である。また、同
図(B)は、上記断面図の回路モデルを示す。A点は同
図(A)63のP型不純物層に対応するノード、B点は同
図(A)62のフローテイングP型不純物層に対応するノ
ードを示し、VPTは同図(A)63のP型不純物層と62の
フローテイングP型不純物層の間のパンチスルー電圧を
示す。 第7図の駆動パルスタイミング図のHBLは水平ブラン
キング期間、n行とは第5図において上からn番目、m
列とは左からm番目を示し、電圧は図中上方が高い。 本回路の動作は、「アイエスエスシーシー・ダイジエ
スト・オブ・テクニカル・ペーパーズ,第34頁1974年2
月13日」に記載されたセレフセツテイング法をもとにし
ている。その動作は以下の如くである。あるフイールド
のn行の信号読み出しが終了し水平ブランキング期間に
入るとn行のホトダイオードとなるフローテイングP型
不純物層62のリセツトが行なわれる。すなわち、垂直走
査回路2により選択されたn行の垂直ゲート線3の電圧
をP型不純物層62と63のパンチスルー電圧VPTの2倍以
下の低いリセツト電圧VRとする(VPT、VRはともに負
値)。この時n行の各画素のP型不純物層63の電位はVR
となりn行のフローテイングP型不純物層62はパンチス
ルー効果により、VR−VPT(VPT)なる電圧になる。
(第7図t=t1) 次にn行の垂直ゲート線3の電圧をゼロにすると、n
行のゼロ電位となつたP型不純物層63からフローテイン
グP型不純物層62へ電流が流れ、最終的にフローテイン
グP型不純物層62はVPTなる電位にリセツトされ、JFET
はパンチスルー電圧VPTの値にかかわらずしきい値状態
に近くなる。(第7図t=t2) その後、垂直ゲート線3の電圧をパンチスルー電圧V
PTよりやや低い電圧VA(負値)に保つた状態で光蓄積が
行なわれる。すなわち、ホトダイオードとなるフローテ
イングP型不純物層62に光が当たり、光量に応じて放電
が起き、フローテイング不純物層63はVPTより高い電圧
となる。しかし、JFETは導電状態になることはない。さ
らに、今、強い光が当たつた状態を考えると、パンチス
ルー効果により、フローテイングP型不純物層62の電位
はVA−VPTより高くなることはなく、ブルーミング現像
も抑圧される。(第7図t=t3) 次フイールドのn行の水平走査期間になると信号の読
み出しが行なわれる。すなわち、n行の垂直ゲート線3
の電位がゼロとなりP型不純物層63の電圧をゼロとする
と、光量に応じて変化したフローテイングP型不純物層
62の電圧に応じて、JFETは導電状態となる。この状態
で、水平走査回路5により、選択された水平スイツチが
開くと、負荷抵抗52には増幅された光電流が流れ、出力
端子OUTに信号電圧が生じる。 本従来例はホトダイオード,ホトダイオードをリセツ
トするスイツチ、各ホトダイオードを選択するスイツチ
ならびに増幅器を構成するトランジスタを、リセツトゲ
ート領域とフローテイング領域を半導体表面に配置し、
その領域間をチヤネル領域とするデユアルゲートJFET1
つで実現している。このために、画素増幅型素子である
が従来のMOS型素子と同程度の高集積度を実現できる。
さらに、パンチスルー電圧のばらつきによらず、2次元
状に配置されたJFETのリセツトレベルを同様にしきい値
状態に近くでき、固定パターン雑音を低減できる。とこ
ろが、反面各JFETのリセツトレベルがしきい値状態に近
いために、低照度領域における電流利得が大きくなら
ず、低照度領域での撮像が困難であつた。 本発明の目的はデユアルゲート縦型JFETを用いた画素
増幅型素子において低照度域における撮像を困難にする
ことなく、固定パターン雑音を低減し、高感度・低スメ
アで高集積度を持つ二次元固体撮像素子を実現すること
にある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、光電変換された信号電荷を蓄積しかつリ
セット時に空乏化する入力部を有するトランジスタを構
成要素とする複数個の増幅器と、入力部をリセットする
リセット手段と、複数個の増幅器の出力を直列に順次走
査するための水平走査手段とを同一半導体基板上に有す
る固体撮像装置において、入力部に信号電荷が蓄積され
た第1の時刻の増幅器の出力を保持する第1の出力保持
手段と、入力部がリセットされた後の第2の時刻の増幅
器の出力を保持する第2の出力保持手段と、第1の出力
保持手段に保持された第1の出力と第2の出力保持手段
に保持された第2の出力との差分処理を行う差分処理手
段を有し、第1および第2の出力保持手段はトランジス
タの垂直方向の出力端子の各々と水平走査手段との間に
接続されている固体撮像装置により達成される。 ここで、トランジスタがデュアルゲートJFETである場
合には、リセツトゲート領域とホトダイオードを兼ねる
フローテイング領域を配置し、この領域間をチヤネル領
域とするデユアルゲートJFETを各画素に配置した2次元
固体撮像素子において、フローテイング領域を低濃度不
純物層により形成し、まず、信号電荷のある時の各画素
の出力を保持し、その後、ホトダイオードをリセツトし
た後の信号電荷のない時の各画素の出力を保持した後、
二つの出力の差を取る手段を各列ごとに設けることによ
り、達成される。 〔作用〕 低濃度不純物層で形成されたフローテイング領域は、
リセツト時には空乏化しパンチスルー電圧より高い電圧
となることはない。それによつて、信号読み出し時に
は、JFETはしきい状態より充分に高い導電状態にあり、
低照度領域においても撮像が困難になることはない。 また、まずフローテイング領域に信号電荷のある時の
各画素の出力を保持し、その後、フローテイング領域を
リセツトした後の信号電荷のない時の各画素の出力を保
持した後、二つの出力の差を取る手段を設ける。これに
より、JFETの直流出力のばらつきをキヤンセルすること
ができ、固定パターン雑音を低減できる。なお、ホトダ
イオードとなるフローテイング領域は空乏化しているの
で、上記動作により、出力の保持を行ない差を取つても
空乏化していない場合に問題となるリセツト雑音は発生
することはない。 さらに、上記手段を各列ごとに設けることにより、回
路を高速動作させることなく、かつ、画素部の構造を複
雑にすることなく、上記手段を実現できる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第1図から第3図により説
明する。第1図は本発明の一実施例の固体撮像素子の回
路構成図であり、簡単のため、3×3の場合を示す。第
2図(A),(B)は第1図の各画素のデユアルゲート
縦型JFETの断面構造図と回路モデル図、第3図は第1図
の固体撮像素子の駆動パルスタイミングを示す。なお、
第1図〜第3図において、JFETはpチヤネルの場合を示
すが、nチヤネルの場合も同様である。 第1図において2,3,5,6,8,9は第4図と同様であり、1
1,12はホトダイオードの電位変化を検知するソースフオ
ロワーを形成しており、11はドライバとなるpチヤネル
デユアルゲート縦型JFET、12は負荷となるpチヤネルMO
Sトランジスタである。13〜17は「アイイーイーイー・
ソリツド・ステート・サーキツツ,エスシー14、(IEEE
Solid−State Circuits SC14)第961〜969頁,1979年12
月」に記載された、オフセツトキヤンセルされたバツフ
アを構成するものである。すなわち、13はアナログメモ
リ容量15への信号書き込みスイツチ、14は信号読み出し
スイツチ、16はリセツトスイツチ、17はバツフアアン
プ、O1,O2は出力端子、VGは負荷MOS12のバイアス電圧端
子を示す。 第2図(A)において、21はP型基板、22はホトダイ
オードとなるフローテイング低濃度n型不純物層、23は
リセツトゲートとなるn型不純物層、24は垂直ゲート線
3の配線電極、25は垂直信号線8の配線電極、26はコン
タクト用P+不純物層を示し、65は第6図と同様である。 また、上記断面図の回路モデルを示す同図(B)にお
いて、C点は同図(A)のn型不純物層23に対応するノ
ード、D点はフローテイング低濃度n不純物層22に対応
するノード、VPTはn型不純物層23とフローテイング低
濃度n型不純物層22の間のパンチスルー電圧を、VPD
低濃度n型不純物層のP基板21に対する空乏化電圧を示
す。ここに、VPTはVPDより高い電圧に設計されている
(VPT、VPDはともに正値)。 第3図の駆動パルスタイミング図のHBLは水平ブラン
キング期間,「n行」とは第1図において上からn番
目、「m列」とは左からm番目を示し、S1〜S3は第1図
における各端子の記号に対応し、電圧は図中上方が高
い。水平ブランキング期間に入ると、まず信号のある時
の各画素の出力電圧の読み出しが行なわれる。すなわ
ち、垂直ゲート線3の電圧がゼロとなり、n型不純物層
23の電圧もOとなり、光量に応じて変化したフローテイ
ング低濃度n型不純物層22の電圧に応じ、デユアルゲー
ト縦型JFET11をドライバとしPチヤネルMOSトランジス
タ12を負荷とするソースフオロワーの出力電圧が決定さ
れる。一方、リセツトスイツチ16−1,16−2が開き、バ
ツフアアンプ17−1,17−2の入力端の電圧は、各バツフ
アアンプのオフセツト電圧となる。この後、読み出しス
イツチ13−1が開き、メモリ容量15−1に、信号のある
時の各画素の出力電圧が保持される。なお、この時、垂
直信号線電圧は選択されたソースフオロワーの出力電圧
に等しく、垂直信号線に光信号が漏れ込むことにより発
生するスメアは原理的に生じない。(第3図t=t1) つぎに、ホトダイオードとなるフローテイング低濃度
n型不純物層22のリセツトが行なわれる。すなわち、n
行垂直ゲート線の電圧がn型不純物層23と22の間のパン
チスルー電圧VPTにフローテイング低濃度n型不純物層2
2の空乏化電圧VPDを足した値より高いリセツト電圧V
R(正値)となる。この結果、フローテイング低濃度n
型不純物層22は空乏化し、その電圧は空乏化電圧VPD
なる。この際、高いリセツト電圧VRによりn型不純物層
23が空乏化しない様にn型不純物層の不純物濃度を高め
ておくことは言うまでもない。(第3図t=t2)この
後、リセツト後に信号電荷のない時の各画素の出力電圧
が読み出される。すなわち、再び垂直ゲート線3の電圧
がゼロとなると、各画素の信号電荷のない時、すなわ
ち、フローテイング低濃度n型不純物層22が空乏化電圧
VPDの時のソースフオロワー出力電圧が垂直信号線8に
現われ、この電圧を読み出しスイツチ13−2を開き、メ
モリ容量15−2に保持する。(第3図t=t3)以上の動
作において、空乏化電圧VPDはパンチスルー電圧VPTより
低く、信号電荷がフローテイング低濃度n型不純物層22
にない状態でもJFETは充分に伝導状態にある。 この後にリセツトスイツチ16−1,16−2が閑じ、水平
走査期間に入ると、水平走査回路5により、水平スイツ
チ6−1,6−2が順次開き、出力端子O1,O2にそれぞれ信
号のある時とない時の各画素の出力電圧が現われる。こ
の2つの出力端子の差を取ることにより、各画素の直流
出力のばらつきによらず信号電荷による各画素の出力電
圧の変化のみを検知することができる。更に、この出力
電圧の変化は、各画素を構成する増幅器がソースフオロ
ワーであるために、各ホトダイオードの信号電荷による
電圧変化にほぼ等しい。この結果、信号電荷の電圧利得
の各画素のばらつきも小さくできる。一方n行垂直ゲー
ト線3の電圧はパンチスルー電圧VPTよりやや高い電圧V
A(正値)に保たれJFETは導電状態になることなく、フ
ローテイング低濃度n型不純物層22に光蓄積が行なわれ
る。なお、この時強い光が当たつても、パンチスルー効
果によりフローテイング低濃度n型不純物層22の電位は
VA−VPTより低くなることはなく、ブルーミング現像も
抑圧される。(第2図t=t4) 本実施例によれば、スメア,ブルーミング現像は原理
的に発生しない。更に、列ごとにバツフアメモリを設け
ているので、高速動作が必要なく、各ソースフオロワー
帯域を低くし、増幅器雑音を従来の増幅型素子に比べさ
らに低減できる。また、デユアルゲート縦型JFETの使用
により高集積化が可能である。さらに、各画素をソース
フオロワーにより構成しているために、信号電荷の電圧
利得ばらつきも小さい。 なお、まず信号電荷のある時の各画素の出力を保持
し、その後ホトダイオードをリセツトした後の信号電荷
のない時の各画素の出力を保持した後二つの出力の差を
取る手段を設け、増幅器の直流出力のばらつきをキヤン
セルすること、並びに上記手段を各列ごとに設け上記手
段を回路の高速駆動と画素の構造を複雑にすることなく
かつリセット雑音を発生させる事なく実現することは、
増幅器を構成する画素中のトランジスタ(上記実施例で
はデュアルゲート縦型JFET)の入力部が光電変換された
信号電荷を蓄積しかつリセット時に空乏化すれば、入力
素子の具体的形態によらず実施でき、例えば、「テレビ
ジヨン学会、1986年全国大会予稿集3−7、p57」に記
載されたゲート蓄積型MOSフォトトランジスタのCMD(Ch
arge Modulating Device)でも実施できる。ここで、上
記文献に記載された如く、増幅器を構成する画素中のCM
Dの入力部はゲート電極下の半導体表面に作られる電位
井戸で構成され、信号電荷(正孔)はこの電位井戸に蓄
積され、かつ、電位井戸はリセット後に空乏化しリセッ
ト雑音が発生しない。 〔発明の効果〕 本発明によれば、信号電荷のない時においても各画素
を構成するJFETはしきい状態より充分に高い導電状態に
なり、低照度領域においても撮像が困難になることはな
い。さらに、各画素の直流出力電圧のばらつきをキヤン
セルすることができるので固定パターン雑音の少ない2
次元固体撮像素子を実現することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for realizing high sensitivity and low smear.
The present invention relates to a three-dimensional solid-state imaging device. [Prior art] Conventionally, MOS is a typical type of two-dimensional solid-state imaging device.
Type solid state imaging device is known "ISC Digest of Technical Papers (ISSC
C Digest of Technical Papers), p. 26, February 1, 1980
3 days". The above element has a circuit configuration as shown in FIG. In FIG. 4, 1 is a two-dimensionally arranged photodiode for performing photoelectric conversion, 2 is a vertical scanning circuit for selecting each row, 3 is a vertical gate line for guiding a selection signal from the vertical scanning circuit to each vertical switch, 4 is a vertical switch that opens and closes by a selection signal from the vertical scanning circuit, 5 is a horizontal scanning circuit that selects each row, 6 is a horizontal switch that opens and closes by a selection signal from the horizontal scanning circuit, 7 is an amplifier circuit outside the element, 8 is a vertical signal line, and 9 is a horizontal signal line. The above circuit performs the following operation. First, during the horizontal blanking period, the voltage of the vertical gate line 3 in the row selected by the vertical scanning circuit 2 increases, and the vertical switch 4 opens,
The signal charge is sent from the photodiode 1 to the vertical signal line 8. Thereafter, in the horizontal scanning period, the horizontal scanning circuit 5
Operates to sequentially open and close the horizontal switches 6, and the signal charges are sequentially amplified and output by the amplifier 7 outside the element. [Problems to be Solved by the Invention] In the above-mentioned prior art, the following two points are not considered, and the noise is large and the signal-to-noise ratio (hereinafter referred to as S / N ratio) is large.
Was low. KTC noise is generated by the thermal noise of the horizontal switch. Since the capacitance of the wiring portion serving as the input capacitance of the external amplifier is large, the signal voltage amplitude at the amplifier input terminal is small, and the pass band of the amplifier is wide, the noise of the amplifier is large. In addition, no consideration is given to the fact that an optical signal leaks into the vertical signal line during one horizontal scanning period, and when a bright subject is captured, vertical smear development occurs in which white tails appear above and below the reproduced image, resulting in high illuminance. This was a cause of image quality deterioration. On the other hand, there is a pixel amplification type element in which an amplifier is provided for each pixel. (For example, Ando et al .: Television Society, 1986
National Convention Proceedings 3-4, P51). In this device, the amplifier input capacitance becomes a photodiode capacitance and the signal voltage amplitude at the amplifier input terminal is large, so that amplifier noise can be reduced.
Further, since the signal voltage amplitude in the wiring increases, kTC noise generated during scanning can be reduced. As a result, low noise can be achieved. Further, vertical smear can be reduced for the same reason. However, in the pixel amplification type element, at least four elements are required for each pixel: a photodiode, a switch for resetting the photodiode, a switch for selecting each photodiode, and a transistor constituting an amplifier. As a result, it is difficult to increase the degree of integration.
An element having a sufficient number of pixels to conform to the method cannot be realized. Further, due to variations in the DC output level of the amplifier and the amplification gain for each pixel, a mottled fixed pattern noise was generated in the reproduced image. In order to solve these problems, a reset gate region and a floating gate region are arranged on the semiconductor surface, and a junction gate type FET (hereinafter a dual gate vertical JFET) having a channel region between these regions is arranged in each pixel. A fixed image pickup device is disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 56-155565. An example of this type of solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a circuit configuration diagram of the solid-state imaging device, and shows a 3 × 3 case for simplicity. 6 (A) and 6 (B) are a sectional structure diagram and a circuit model diagram of the dual-gate vertical JFET of each pixel in FIG. 5, and FIG. 7 shows a drive pulse timing of the solid-state imaging device in FIG. 6 and 7 show the case of the n-channel, but in the case of the p-channel, the polarity may be reversed. In FIG. 5, 2, 3, 5, 6, 8, and 9 are the same as those in FIG. 4, 51 is a dual-gate vertical JFET serving as an inverter driver, 52 is an inverter load resistor, 53 is a bias power supply, and O
UT is an output terminal. FIG. 6 is a sectional view of a dual-gate vertical JFET constituting one pixel of FIG. Sixth
In FIG. 6A, 61 is an n-type substrate, 62 is a floating P-type impurity layer serving as a photodiode, 63 is a P-type impurity layer serving as a reset gate, 64 is an n + impurity layer for contact,
65 is an insulating layer, and 3, 52 and OUT are the same as in FIG. FIG. 2B shows a circuit model of the above cross-sectional view. A point node corresponding to the P-type impurity layer in FIG (A) 63, B point represents a node corresponding to the floating P-type impurity layer in FIG (A) 62, V PT the figure (A) The punch-through voltage between 63 P-type impurity layers and 62 floating P-type impurity layers is shown. HBL in the drive pulse timing chart of FIG. 7 is a horizontal blanking period, and n rows are the nth row from the top in FIG.
The column indicates the m-th from the left, and the voltage is higher in the upper part of the figure. The operation of this circuit is described in “ISC Digest of Technical Papers, page 34, 1974, 2
On March 13). The operation is as follows. When the signal reading of n rows of a certain field is completed and the horizontal blanking period is started, the resetting of the floating P-type impurity layer 62 serving as the photodiode of n rows is performed. That is, the voltage of the vertical gate lines 3 of n row selected by the vertical scanning circuit 2 and 2 times the low reset voltage V R of punch-through voltage V PT of P-type impurity layer 62 and 63 (V PT, V R is a negative value). At this time, the potential of the P-type impurity layer 63 of each pixel in the n-th row is V R
The floating P-type impurity layer 62 in the n-th row has a voltage of V R −V PT (V PT ) due to the punch-through effect.
(FIG. 7 t = t 1 ) Next, when the voltage of the vertical gate lines 3 in n rows is set to zero, n
Current flows from the zero potential and the P-type impurity layer 63 has decreased the line to floating P-type impurity layer 62, and finally floating P-type impurity layer 62 is reset to V PT becomes potential, JFET
Becomes close to the threshold state regardless of the value of the punch-through voltage VPT . (FIG. 7 t = t 2 ) Then, the voltage of the vertical gate line 3 is changed to the punch-through voltage V
Light accumulation is performed while maintaining a voltage V A (negative value) slightly lower than PT . In other words, hit the light in floating P-type impurity layer 62 serving as a photodiode, discharge occurs in accordance with the amount, floating impurity layer 63 becomes a voltage higher than V PT. However, the JFET does not become conductive. Further, now, when the strong light consider those Tatsuta state, by a punch-through effect, the potential of the floating P-type impurity layer 62 does not become higher than V A -V PT, blooming development is also suppressed. (FIG. 7 t = t 3 ) In the horizontal scanning period of n rows of the next field, signal reading is performed. That is, n rows of vertical gate lines 3
When the potential of the P-type impurity layer 63 becomes zero and the voltage of the P-type impurity layer 63 becomes zero, the floating P-type impurity layer
In response to the voltage at 62, the JFET becomes conductive. In this state, when the selected horizontal switch is opened by the horizontal scanning circuit 5, the amplified photocurrent flows through the load resistor 52, and a signal voltage is generated at the output terminal OUT. In this conventional example, a photodiode, a switch for resetting a photodiode, a switch for selecting each photodiode, and a transistor constituting an amplifier are arranged on a semiconductor surface with a reset gate region and a floating region.
Dual gate JFET1 with a channel region between the regions
One is realized. For this reason, it is possible to realize a high degree of integration, which is the same as a conventional MOS element, although it is a pixel amplification type element.
Further, the reset level of the JFETs arranged two-dimensionally can be similarly close to the threshold state regardless of the variation of the punch-through voltage, and the fixed pattern noise can be reduced. However, since the reset level of each JFET is close to the threshold state, the current gain in the low illuminance region did not increase, and it was difficult to perform imaging in the low illuminance region. It is an object of the present invention to reduce the fixed pattern noise without complicating imaging in a low illuminance region in a pixel amplification type element using a dual-gate vertical JFET, and to achieve a high sensitivity, a low smear, and a high integration degree in two dimensions. An object of the present invention is to realize a solid-state imaging device. [Means for Solving the Problems] The object of the present invention is to provide a plurality of amplifiers each including a transistor having an input portion that accumulates photoelectrically converted signal charges and depletes at reset, and resets the input portion. In a solid-state imaging device having resetting means and horizontal scanning means for sequentially scanning outputs of a plurality of amplifiers in series on a single semiconductor substrate, the solid-state imaging device includes an input section for storing an amplifier at a first time when signal charges are accumulated. First output holding means for holding the output, second output holding means for holding the output of the amplifier at a second time after the input section has been reset, and second output holding means for holding the first output holding means. 1 and a second output holding means for performing a difference processing between the second output held by the second output holding means, wherein the first and second output holding means each have a vertical output terminal of the transistor. And horizontal scanning This is achieved by a solid state imaging device connected between the means. Here, when the transistor is a dual-gate JFET, a two-dimensional solid-state imaging device in which a reset gate region and a floating region serving as a photodiode are arranged, and a dual gate JFET having a channel region between these regions is arranged in each pixel. In the above, the floating region is formed of a low-concentration impurity layer. First, the output of each pixel when there is a signal charge is held, and then the output of each pixel when there is no signal charge after resetting the photodiode is held. After doing
This is achieved by providing a means for taking the difference between the two outputs for each column. [Function] The floating region formed by the low concentration impurity layer
At the time of reset, it does not become depleted and does not have a voltage higher than the punch-through voltage. Therefore, at the time of signal reading, the JFET is in a conductive state sufficiently higher than the threshold state,
Imaging does not become difficult even in the low illuminance region. Further, first, the output of each pixel when there is a signal charge in the floating area is held, and after that, the output of each pixel when there is no signal charge after the resetting of the floating area is held. A means to take the difference is provided. This makes it possible to cancel the variation in the DC output of the JFET and reduce the fixed pattern noise. Since the floating region serving as a photodiode is depleted, reset noise which is a problem in the case where the output is not depleted is not generated even if the output is held and the difference is obtained. Further, by providing the above means for each column, the above means can be realized without operating the circuit at high speed and without complicating the structure of the pixel portion. Embodiment One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, and shows a 3 × 3 case for simplicity. 2A and 2B are a cross-sectional structure diagram and a circuit model diagram of a dual-gate vertical JFET of each pixel in FIG. 1, and FIG. 3 shows a drive pulse timing of the solid-state imaging device in FIG. In addition,
FIGS. 1 to 3 show the case where the JFET is a p-channel, but the same applies to the case of an n-channel. In FIG. 1, 2, 3, 5, 6, 8, and 9 are the same as in FIG.
1, 12 form a source follower for detecting a potential change of a photodiode, 11 is a p-channel dual gate vertical JFET as a driver, and 12 is a p-channel MO as a load.
It is an S transistor. 13-17 is "IEE
Solid State Circuits, SC14, (IEEE
Solid-State Circuits SC14) 961-969, December 1979
"Month", which constitutes an offset cancelled buffer. That is, 13 signal writing switch to the analog memory 15, 14 is the signal read switch, 16 Risetsutosuitsuchi, 17 buffer amplifier, O1, O2 output terminal, V G denotes a bias voltage terminal of the load MOS 12. In FIG. 2A, 21 is a P-type substrate, 22 is a floating low-concentration n-type impurity layer serving as a photodiode, 23 is an n-type impurity layer serving as a reset gate, 24 is a wiring electrode of the vertical gate line 3, 25 Denotes a wiring electrode of the vertical signal line 8, 26 denotes a P + impurity layer for contact, and 65 denotes the same as in FIG. Further, in FIG. 4B showing the circuit model of the above sectional view, point C corresponds to the node corresponding to the n-type impurity layer 23 in FIG. 5A, and point D corresponds to the floating low-concentration n impurity layer 22. node, V PT is a punch-through voltage between the n-type impurity layer 23 and the floating low concentration n-type impurity layer 22, V PD denotes a depletion voltage for the P substrate 21 of the low-concentration n-type impurity layer. Here, V PT is designed to be higher than V PD (both V PT and V PD are positive values). HBL in the drive pulse timing chart of FIG. 3 indicates a horizontal blanking period, “n rows” indicates the nth row from the top in FIG. 1, “m columns” indicates the mth row from the left, and S1 to S3 indicate the first row. The voltage is higher in the upper part of the figure, corresponding to the symbol of each terminal in the figure. In the horizontal blanking period, first, the output voltage of each pixel when a signal is present is read. That is, the voltage of the vertical gate line 3 becomes zero and the n-type impurity layer
The voltage at 23 also becomes O, and according to the voltage of the floating low-concentration n-type impurity layer 22 changed according to the amount of light, the output voltage of the source follower using the dual-gate vertical JFET 11 as a driver and the P-channel MOS transistor 12 as a load Is determined. On the other hand, the reset switches 16-1 and 16-2 open, and the voltages at the input terminals of the buffer amplifiers 17-1 and 17-2 become the offset voltage of each buffer amplifier. Thereafter, the readout switch 13-1 is opened, and the output voltage of each pixel when a signal is present is held in the memory capacity 15-1. At this time, the vertical signal line voltage is equal to the output voltage of the selected source follower, and smear caused by leakage of an optical signal into the vertical signal line does not occur in principle. (FIG. 3 t = t 1 ) Next, the resetting of the floating low-concentration n-type impurity layer 22 to be a photodiode is performed. That is, n
Punch-through voltage V PT to floating low concentration n-type impurity layer 2 between the voltage of the row vertical gate lines of the n-type impurity layer 23 and 22
Reset voltage V higher than the sum of the depletion voltage V PD of 2
R (positive value). As a result, the floating low concentration n
-Type impurity layer 22 is depleted, the voltage becomes depleted voltage V PD. At this time, n-type impurity layer by high reset voltage V R
Needless to say, the impurity concentration of the n-type impurity layer is increased so that 23 does not become depleted. (FIG. 3 t = t 2 ) Thereafter, the output voltage of each pixel when there is no signal charge after reset is read out. That is, when the voltage of the vertical gate line 3 becomes zero again, when there is no signal charge in each pixel, that is, when the floating low-concentration n-type impurity layer 22 is depleted,
It appears to Sosufuorowa output voltage vertical signal line 8 when the V PD, open the switch 13-2 reads this voltage is held in the memory 15-2. (FIG. 3 t = t 3 ) In the above operation, the depletion voltage V PD is lower than the punch-through voltage V PT , and the signal charge is floating.
The JFET is fully conductive even when it is not. Thereafter, when the reset switches 16-1 and 16-2 are idle and the horizontal scanning period starts, the horizontal switches 6-1 and 6-2 are sequentially opened by the horizontal scanning circuit 5, and the signals are output to the output terminals O1 and O2, respectively. The output voltage of each pixel, with and without, appears. By taking the difference between the two output terminals, it is possible to detect only the change in the output voltage of each pixel due to the signal charge regardless of the variation in the DC output of each pixel. Further, the change in the output voltage is substantially equal to the voltage change due to the signal charge of each photodiode because the amplifier constituting each pixel is a source follower. As a result, the variation in the voltage gain of the signal charge among the pixels can be reduced. On the other hand, the voltage of the n-row vertical gate line 3 is a voltage V slightly higher than the punch-through voltage VPT.
The JFET kept at A (positive value) does not enter a conductive state, and light is accumulated in the floating low-concentration n-type impurity layer 22. At this time, even if strong light is applied, the potential of the floating low-concentration n-type impurity layer 22 is reduced due to the punch-through effect.
It does not become lower than V A -V PT and blooming development is suppressed. (FIG. 2 t = t 4 ) According to this embodiment, smearing and blooming development do not occur in principle. Further, since a buffer memory is provided for each column, high-speed operation is not required, each source follower band can be reduced, and amplifier noise can be further reduced as compared with a conventional amplifying element. Also, high integration is possible by using dual gate vertical JFET. Further, since each pixel is configured by the source follower, the voltage gain variation of the signal charge is small. A means for holding the output of each pixel when there is a signal charge, holding the output of each pixel when there is no signal charge after resetting the photodiode, and then taking the difference between the two outputs is provided. Canceling the variation in the DC output of the above, and providing the above means for each column and realizing the above means without causing the high-speed driving of the circuit, complicating the pixel structure, and generating reset noise,
If the input portion of the transistor (dual-gate vertical JFET in the above embodiment) in the pixel constituting the amplifier accumulates the photoelectrically converted signal charge and depletes at the time of resetting, the operation is performed regardless of the specific form of the input element. For example, the CMD (Ch) of a gate storage type MOS phototransistor described in “The Television Society, 1986 National Conference Proceedings 3-7, p57” can be used.
arge Modulating Device). Here, as described in the above document, the CM in the pixel constituting the amplifier is
The input portion of D is constituted by a potential well formed on the semiconductor surface below the gate electrode, and signal charges (holes) are accumulated in the potential well, and the potential well is depleted after resetting, so that reset noise is not generated. [Effects of the Invention] According to the present invention, even when there is no signal charge, the JFET constituting each pixel is in a conductive state sufficiently higher than the threshold state, and imaging is not difficult even in a low illuminance region. . Further, since the variation in the DC output voltage of each pixel can be canceled, the fixed pattern noise is reduced.
A three-dimensional solid-state imaging device can be realized.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例の回路構成図、第2図(A)
(B)は第1図の各画素を構成するデユアルゲート縦型
JFETの断面構造図と回路モデル図、第3図は第1図の固
体撮像素子の駆動パルスタイミング図、第4図は従来の
2次元固体撮像素子の回路構成図、第5図はデユアルゲ
ート縦型JFETを用いた固体撮像素子の回路構成図、第6
図(A)(B)は第5図の各画素を構成するデユアルゲ
ート縦型JFETの断面構造図と回路モデル図、第7図は第
5図の固体撮像素子の駆動パルスタイミング図を示す。 1……ホトダイオード、2……垂直走査回路、3……垂
直ゲート線、4……垂直スイツチ、6……水平スイツ
チ、8……垂直信号線、9……水平信号線、11……デユ
アルゲート縦型JFET、12……ソースフオロワー負荷、13
……書き込みスイツチ、14……読み出しスイツチ、15…
…メモリ容量、16……リセツトスイツチ、17……バツフ
アアンプ、21……P型基板、22……フローテイングn-
不純物層、23……n型不純物層、24……垂直ゲート線配
線電極、25……垂直信号線配線電極、26……P+型不純
物層。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a circuit configuration diagram of one embodiment of the present invention, FIG. 2 (A)
(B) is a dual gate vertical type constituting each pixel of FIG.
FIG. 3 is a drive pulse timing chart of the solid-state imaging device of FIG. 1, FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a conventional two-dimensional solid-state imaging device, and FIG. Circuit diagram of solid-state imaging device using JFET
5A and 5B are a cross-sectional structure diagram and a circuit model diagram of a dual-gate vertical JFET constituting each pixel of FIG. 5, and FIG. 7 is a drive pulse timing diagram of the solid-state imaging device of FIG. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photodiode, 2 ... Vertical scanning circuit, 3 ... Vertical gate line, 4 ... Vertical switch, 6 ... Horizontal switch, 8 ... Vertical signal line, 9 ... Horizontal signal line, 11 ... Dual gate Vertical JFET, 12 ... Source follower load, 13
…… Write switch, 14 …… Read switch, 15…
... Memory capacity, 16 ... Reset switch, 17 ... Buffer amplifier, 21 ... P-type substrate, 22 ... Floating n - type impurity layer, 23 ... N-type impurity layer, 24 ... Vertical gate line wiring electrode, 25: vertical signal line wiring electrode; 26: P + type impurity layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 秀行 国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 中井 正章 国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−48578(JP,A) 特開 昭58−31670(JP,A) 特開 昭62−104074(JP,A) 特開 昭62−128679(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Hideyuki Ono               1-280 Higashi Koigabo, Kokubunji-shi               Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Masaaki Nakai               1-280 Higashi Koigabo, Kokubunji-shi               Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.                (56) References JP-A-58-48578 (JP, A)                 JP-A-58-31670 (JP, A)                 JP-A-62-104074 (JP, A)                 JP-A-62-128679 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.光電変換された信号電荷を蓄積しかつリセット時に
空乏化する入力部を有するトランジスタを構成要素とす
る複数個の増幅器と、上記入力部をリセットするリセッ
ト手段と、上記複数個の増幅器の出力を直列に順次走査
するための水平走査手段とを同一半導体基板上に有する
固体撮像装置において、上記入力部に信号電荷が蓄積さ
れた第1の時刻の上記増幅器の出力を保持する第1の出
力保持手段と、上記入力部がリセットされた後の第2の
時刻の上記増幅器の出力を保持する第2の出力保持手段
と、上記第1の出力保持手段に保持された第1の出力と
上記第2の出力保持手段に保持された第2の出力との差
分処理を行う差分処理手段を有し、上記第1および第2
の出力保持手段は上記トランジスタの垂直方向の出力端
子の各々と上記水平走査手段との間に接続されているこ
とを特徴とする固体撮像装置。 2.上記トランジスタは接合型ゲートFETであることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の固体撮像装置。 3.上記入力部は上記接合型ゲートFETの第1導電型を
有するフローティングゲート領域であり、上記接合型ゲ
ートFETは上記第1導電型を有する第1のゲート領域
と、上記第1のゲート領域と上記フローティングゲート
領域との間に設けられた上記第1導電型と逆の第2導電
型のチャネルを有しており、上記フローティングゲート
領域の空乏化電圧は、上記第1のゲート領域と上記フロ
ーティングゲート領域との間のパンチスルー電圧よりも
低いことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の固体
撮像装置。 4.上記第1のゲート領域と上記フローティングゲート
領域とは上記第2導電型を呈する半導体基体表面に設け
られていることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載
の固体撮像装置。 5.上記接合ゲート型FETはマトリックス状に配置さ
れ、上記フローティングゲート領域は上記信号電荷を読
み出すものであることを特徴とする特許請求の範囲第3
項又は第4項に記載の固体撮像装置。 6.上記トランジスタはCMDであることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載の固体撮像装置。
(57) [Claims] A plurality of amplifiers each including a transistor having an input unit that accumulates photoelectrically converted signal charges and depletes at the time of reset, a reset unit that resets the input unit, and an output of the amplifiers connected in series. A first output holding means for holding an output of the amplifier at a first time when signal charges are stored in the input section, in a solid-state imaging device having horizontal scanning means for sequentially scanning on the same semiconductor substrate. A second output holding unit for holding an output of the amplifier at a second time after the input unit has been reset; a first output held by the first output holding unit; And a difference processing unit for performing a difference process with respect to the second output held by the output holding unit.
Wherein the output holding means is connected between each of the vertical output terminals of the transistor and the horizontal scanning means. 2. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein said transistor is a junction gate FET. 3. The input portion is a floating gate region having a first conductivity type of the junction gate FET, and the junction gate FET is a first gate region having the first conductivity type, the first gate region, and the first gate region. A channel of a second conductivity type opposite to the first conductivity type provided between the first gate region and the floating gate region; 3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the voltage is lower than a punch-through voltage between the region and the region. 4. 4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the first gate region and the floating gate region are provided on a surface of the semiconductor substrate exhibiting the second conductivity type. 5. 4. The device according to claim 3, wherein said junction gate type FETs are arranged in a matrix, and said floating gate region reads out said signal charges.
Item 5. The solid-state imaging device according to item 4. 6. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein said transistor is a CMD.
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