JPH04125965A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
- Publication number
- JPH04125965A JPH04125965A JP2246703A JP24670390A JPH04125965A JP H04125965 A JPH04125965 A JP H04125965A JP 2246703 A JP2246703 A JP 2246703A JP 24670390 A JP24670390 A JP 24670390A JP H04125965 A JPH04125965 A JP H04125965A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gate electrode
- region
- type
- output
- receiving region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置に関し、特に詳細には、入射光に応
じた信号を出力する半導体装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor device, and particularly relates to a semiconductor device that outputs a signal according to incident light.
従来、このような半導体装置として、第3図に示すもの
が知られている。81などのp型基板1には、n型不純
物がドーピングされてn型受光領域2が形成され、さら
に近接した位置には光生成キャリアを蓄積するn型蓄積
領域3が形成される。Conventionally, as such a semiconductor device, one shown in FIG. 3 is known. A p-type substrate 1 such as 81 is doped with an n-type impurity to form an n-type light-receiving region 2, and an n-type accumulation region 3 for accumulating photogenerated carriers is formed at a nearby position.
そして、p型基板1にはn型ドレイン4、n型ソース5
およびゲート電極6からなる電界効果トランジスタ(F
ET)が形成され、n型蓄積領域3とゲート電極6は接
続されている。また、n型受光領域2とn型蓄積領域3
の間には取込ゲート電極7が設けられ、ここに取り込み
用の信号G4が与えられている。なお、p型基板1の裏
面にはアースされた電極8が設けられる。The p-type substrate 1 has an n-type drain 4 and an n-type source 5.
A field effect transistor (F
ET) is formed, and the n-type storage region 3 and gate electrode 6 are connected. In addition, an n-type light receiving region 2 and an n-type accumulation region 3
A capture gate electrode 7 is provided between them, and a capture signal G4 is applied thereto. Note that a grounded electrode 8 is provided on the back surface of the p-type substrate 1.
上記の構成例において、p型基板1とn型受光領域2の
間に逆バイアス電圧が印加された状態で信号光INが入
力されると、n型受光領域2に電荷が蓄積される。この
電荷は、スイッチS、によってn型蓄積領域3がリセッ
トされた後に、取込ゲート電極7を介してn型蓄積領域
3に取り込まれ、これによってFETのゲート電極6の
電位か変化する。すると、検出信号はFETによってイ
ンピーダンス変換され、n型ソース5から端子OUTを
介して外部に出力される。このように、従来はn型受光
領域2とn型蓄積領域3の間に取込ゲート電極7を設け
ることにより、出力インピーダンスを低く抑えて良好な
S/N比を維持したままで信号出力を行なっていた。In the above configuration example, when signal light IN is input with a reverse bias voltage applied between the p-type substrate 1 and the n-type light-receiving region 2, charges are accumulated in the n-type light-receiving region 2. After the n-type storage region 3 is reset by the switch S, this charge is taken into the n-type storage region 3 via the take-in gate electrode 7, thereby changing the potential of the gate electrode 6 of the FET. Then, the detection signal is impedance-converted by the FET and output from the n-type source 5 to the outside via the terminal OUT. In this way, conventionally, by providing the intake gate electrode 7 between the n-type light receiving region 2 and the n-type accumulation region 3, the signal output can be achieved while keeping the output impedance low and maintaining a good S/N ratio. I was doing it.
しかしながら、上記の従来技術によれば、下記の理由に
より高感度な信号出力をすることが難しかった。これを
m4図により説明すると、まず同図の回路において、ス
イッチS2が開の状態でキャパシタC、Cはリセットさ
れ、共に同電位vooになっているとする。この状態で
光生成キャリアによってキャパシタCの電位がVolに
なる■
と、電位変化は(Voo−■。1)である。このとき、
スイッチS か閉しるとキャパシタC1とキャバンタC
2の間で電荷が分配され、配分後の電位をV とすると
、
V −V −(C/(C1+C210x1
(Voo−Vol)
になる。上式において、(voo−■x)は第3図にお
けるFETのゲート電極6の電位変化分に相当し、(v
oo−vol)はn型受光領域2の電位変化分に相当す
るので、ゲート電極6の容量すなわぢキャパシタC2が
有限の大きさをもつ限り、FETのゲート電位変化とフ
ォトダイオードの電位変化が1:1の関係をもつことは
なくなる。ましてや、キャパシタC2が大きくなると、
ゲート電位変化はn型受光領域2の電位変化に比べて減
少する。例えば、キャパシタC2がキャパシタC1の9
倍の値であるとすると、ゲート電位の変化分はn型受光
領域2の電位変化分の1/10となり、C−C2の場合
でも1/2となる。従って、第3図のようにn型受光領
域2の信号電荷を電圧出力としてn型蓄積領域3に取り
込むのでは、高感度の信号検出ができない。However, according to the above-mentioned conventional technology, it is difficult to output a signal with high sensitivity due to the following reasons. To explain this with reference to diagram M4, first assume that in the circuit shown in the diagram, capacitors C and C are reset with switch S2 open and both have the same potential voo. In this state, when the potential of the capacitor C becomes Vol due to the photogenerated carriers, the potential change is (Voo-2.1). At this time,
When switch S is closed, capacitor C1 and cavantor C
If the electric charge is distributed between 2 and the potential after distribution is V, then it becomes V - V - (C/(C1+C210x1 (Voo-Vol)). In the above equation, (voo-■x) is Corresponds to the potential change of the gate electrode 6 of the FET, (v
Since oo-vol) corresponds to the potential change of the n-type light-receiving region 2, as long as the capacitance of the gate electrode 6, that is, the capacitor C2, has a finite size, the FET gate potential change and the photodiode potential change are There will no longer be a 1:1 relationship. Moreover, when capacitor C2 becomes large,
The gate potential change is reduced compared to the potential change of the n-type light receiving region 2. For example, capacitor C2 is 9
If it is twice the value, the change in the gate potential will be 1/10 of the change in the potential of the n-type light receiving region 2, and even in the case of C-C2, it will be 1/2. Therefore, if the signal charges in the n-type light-receiving region 2 are taken into the n-type storage region 3 as a voltage output as shown in FIG. 3, highly sensitive signal detection cannot be achieved.
そこで本発明は、出力インピーダンスが低くてS/N比
が高く、しかも高感度に信号を検出することができる光
検出用の半導体装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device for photodetection that has a low output impedance, a high S/N ratio, and can detect signals with high sensitivity.
本発明に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板に
、入射光、に応じて電荷を生成する第2導電型の受光領
域と、この受光領域から送られてきた電荷を蓄積するリ
セット可能な第2導電型の蓄積領域と、この蓄積領域に
ゲート電極が接続された信号出力用のトランジスタとを
備えるものにおいて、受光領域と蓄積領域の間の半導体
基板上には、受光領域の電荷を取り込む入力ゲート電極
と、取り込まれた電荷を一時的に保持する保持ゲート電
極と、保持された電荷を蓄積領域に取り出す出力ゲート
電極が設けられていることを特徴とする。A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, a light receiving region of a second conductivity type that generates charges in response to incident light, and a resettable region that accumulates charges sent from the light receiving region. In a device comprising a storage region of the second conductivity type and a signal output transistor having a gate electrode connected to the storage region, a semiconductor substrate between the light receiving region and the storage region is provided with charge in the light receiving region. It is characterized by being provided with an input gate electrode for taking in the charges, a holding gate electrode for temporarily holding the taken-in charges, and an output gate electrode for taking out the held charges to the storage region.
本発明によれば、受光領域で生成された電荷は入力ゲー
ト電極を介して、いったん保持ゲート電極直下のポテン
シャル井戸に保持され、その後に出力ゲート電極を介し
て蓄積領域に転送される。According to the present invention, charges generated in the light receiving region are temporarily held in the potential well directly under the holding gate electrode via the input gate electrode, and then transferred to the storage region via the output gate electrode.
ここで、蓄積領域は出力用のトランジスタのゲート電極
に接続されているので、結果として受光領域に蓄えられ
た電荷量の変化を、トランジスタによりインピーダンス
変換して出力できる。Here, since the storage region is connected to the gate electrode of the output transistor, the resulting change in the amount of charge stored in the light receiving region can be impedance-converted by the transistor and output.
以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
第1図は実施例に係る半導体装置の断面図である。そし
て、これが第3図の従来例と特徴的に異なる点は、n型
受光領域2とn型蓄積領域3の間のp型基板1上に、絶
縁膜(図示せず)を介して入力ゲート電極71、保持ゲ
ート電極72および出力ゲート電極73が順次設けられ
ていることである。ここで、人力ゲート電極71には入
力制御信号G1が与えられ、これによってn型受光領域
2で生成された電荷が取り込まれる。保持ゲート電極7
2には保持制御信号G2が与えられ、これによって取り
込まれた電荷が一時的に保持(蓄積)される。出力ゲー
ト電極73には出力制御信号G3が与えられ、これによ
って保持されている電荷がn型蓄積領域3に取り出され
る。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to an embodiment. This is characteristically different from the conventional example shown in FIG. The electrode 71, the holding gate electrode 72, and the output gate electrode 73 are provided in this order. Here, an input control signal G1 is applied to the human-powered gate electrode 71, whereby the charge generated in the n-type light receiving region 2 is taken in. Holding gate electrode 7
A holding control signal G2 is applied to the holding control signal G2, whereby the charges taken in are temporarily held (accumulated). An output control signal G3 is applied to the output gate electrode 73, whereby the held charge is taken out to the n-type storage region 3.
次に、上記実施例の動作を、第2図のポテンシャル井戸
図により説明する。Next, the operation of the above embodiment will be explained using the potential well diagram shown in FIG.
まず、スイッチS1 (第1図)か−時的に閉となるこ
とて、n型蓄積領域3がリセットされる。First, the n-type storage region 3 is reset by temporarily closing the switch S1 (FIG. 1).
初期状態ではn型受光領域2およびn型蓄積領域3は共
にリセットされ、入力ゲート電極71、保持ゲート電極
72および出力ゲート電極73は共にオフ状態となって
いる。この状態で信号光INがn型受光領域2に入射さ
れると、光量に応じてn型受光領域2のポテンシャル井
戸に電荷が蓄積される(第2図(b)図示)。次に、保
持制御信号G2としてパルスが保持ゲート電極72に印
加され、保持ゲート電極72の直下に深いポテンシャル
井戸が形成され(同図(c)図示)、次に入力制御信号
G1としてパルスが入力ゲート電極7〕に印加されるこ
とで、入力ゲート電極71の直下のポテンシャル井戸が
下ってゲートが開となる。すると、n型受光領域2の電
荷は入力ゲート電極71の直下を通って、保持ゲート電
極72直下のポテンシャル井戸に取り込まれ、保持され
る(同図(d)図示)。なお、上記の場合において、人
力ゲート電極71と保持ゲート電極72にパルスが印加
されるタイミングは逆でもよく、同時でもよい。In the initial state, both the n-type light receiving region 2 and the n-type storage region 3 are reset, and the input gate electrode 71, the holding gate electrode 72, and the output gate electrode 73 are all in an off state. When the signal light IN enters the n-type light-receiving region 2 in this state, charges are accumulated in the potential well of the n-type light-receiving region 2 according to the amount of light (as shown in FIG. 2(b)). Next, a pulse is applied to the holding gate electrode 72 as the holding control signal G2, and a deep potential well is formed directly under the holding gate electrode 72 (as shown in FIG. gate electrode 7], the potential well immediately below the input gate electrode 71 is lowered and the gate is opened. Then, the charge in the n-type light-receiving region 2 passes directly under the input gate electrode 71, is taken into the potential well directly under the holding gate electrode 72, and is held (as shown in FIG. 2(d)). In the above case, the pulses may be applied to the manual gate electrode 71 and the holding gate electrode 72 at opposite times or at the same time.
次に、入力制御信号G1によって入力ゲート電極71直
下の電荷通路が閉じられた後(同図(e)図示)、出力
制御信号G3としてパルスが出力ゲート電極73に印加
されることにより、出力ゲート電極73直下で電荷通路
が開かれる。これにより、保持ゲート電極72の直下に
保持されていた電荷が、n型蓄積領域3に取り出される
(同図(f)図示)。その後、出力制御信号G3によっ
て出力ゲート電極73直下のゲートが閉じられると、n
型受光領域2からn型蓄積領域3への電荷の転送が終了
する(同図(g)図示)。ここで、n型蓄積領域3はF
ETのゲート電極6に接続されているので、n型蓄積領
域3の電荷量の変化に応じてゲート電極6の電位も変化
し、FETを通して端子OUTから外部に8カされる。Next, after the charge path directly under the input gate electrode 71 is closed by the input control signal G1 (as shown in FIG. A charge path is opened directly below the electrode 73. As a result, the charges held directly under the holding gate electrode 72 are taken out to the n-type storage region 3 (as shown in FIG. 2(f)). After that, when the gate directly below the output gate electrode 73 is closed by the output control signal G3, n
The transfer of charge from the type light-receiving region 2 to the n-type accumulation region 3 is completed (as shown in FIG. 3(g)). Here, the n-type accumulation region 3 is F
Since it is connected to the gate electrode 6 of the ET, the potential of the gate electrode 6 changes in accordance with the change in the amount of charge in the n-type storage region 3, and is applied to the outside from the terminal OUT through the FET.
このため、インピーダンス変換された形で信号が出力さ
れる。Therefore, the signal is output in the form of impedance conversion.
上記実施例によれば、出力用FETのゲート電極6とp
型基板1との間で形成される容量を可能なかぎり小さく
することにより、V−Q/Cなる関係から、n型蓄積領
域3の電荷量変化を大きな電位変化として読みaすこと
ができる。なお、光検出部はフォトダイオードにより構
成されるので、任意の形状とすることが可能である。ま
た、冷却することにより、より高感度とすることが可能
である。According to the above embodiment, the gate electrode 6 of the output FET and p
By making the capacitance formed with the type substrate 1 as small as possible, a change in the amount of charge in the n-type storage region 3 can be read as a large change in potential from the relationship V-Q/C. Note that since the photodetecting section is composed of a photodiode, it can have any shape. Further, by cooling it, it is possible to achieve higher sensitivity.
以上、詳細に説明した通り本発明では、受光領域で生成
された電荷は入力ゲート電極を介して、いったん保持ゲ
ート電極直下のポテンシャル井戸に保持され、その後に
出力ゲート電極を介して蓄積領域に転送される。ここで
、蓄積領域は出力用のトランジスタのゲート電極に接続
されているので、結果として受光領域に蓄えられた電荷
量の変化を、トランジスタによりインピーダンス変換し
て出力できる。このため、出力インピーダンスが低くて
S/N比が高く、しかも高感度に信号を検出することが
できる。As explained above in detail, in the present invention, the charges generated in the light receiving region are temporarily held in the potential well directly under the holding gate electrode via the input gate electrode, and then transferred to the accumulation region via the output gate electrode. be done. Here, since the storage region is connected to the gate electrode of the output transistor, the resulting change in the amount of charge stored in the light receiving region can be impedance-converted by the transistor and output. Therefore, the output impedance is low, the S/N ratio is high, and signals can be detected with high sensitivity.
第1図は本発明の実施例に係る光検出用の半導体装置の
断面図、第2図はその作用を示すポテンシャル井戸図、
第3図は従来例に係る半導体装置の断面図、第4図は作
用の説明図である。
1・・・p型基板、2・・・n型受光領域、3・・・n
型蓄積領域、4・・・n型ドレイン、5・・・n型ソー
ス、6・・・ゲート電極、7・・・取込ゲート電極、7
1・・・入力ゲート電極、72・・・保持ゲート電極、
73・・・出力ゲート電極。
代理人弁理士 長谷用 芳 樹実施例の動作
第2図FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device for photodetection according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a potential well diagram showing its operation.
FIG. 3 is a sectional view of a conventional semiconductor device, and FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation. 1...p-type substrate, 2...n-type light receiving region, 3...n
type accumulation region, 4... n-type drain, 5... n-type source, 6... gate electrode, 7... intake gate electrode, 7
1... Input gate electrode, 72... Holding gate electrode,
73...Output gate electrode. Figure 2 of operation example of representative patent attorney Yoshiki Hase
Claims (1)
する第2導電型の受光領域と、この受光領域から送られ
てきた電荷を蓄積するリセット可能な第2導電型の蓄積
領域と、この蓄積領域にゲート電極が接続された信号出
力用のトランジスタとを備える半導体装置において、 前記受光領域と前記蓄積領域の間の前記半導体基板上に
は、前記受光領域の電荷を取り込む入力ゲート電極と、
取り込まれた電荷を一時的に保持する保持ゲート電極と
、保持された電荷を前記蓄積領域に取り出す出力ゲート
電極が設けられていることを特徴とする半導体装置。[Claims] A first conductivity type semiconductor substrate includes a second conductivity type light receiving region that generates charges according to incident light, and a resettable second conductive region that accumulates the charges sent from the light receiving region. In a semiconductor device comprising a conductivity type storage region and a signal output transistor having a gate electrode connected to the storage region, a portion of the light receiving region is provided on the semiconductor substrate between the light receiving region and the storage region. an input gate electrode that takes in charge;
A semiconductor device comprising: a holding gate electrode that temporarily holds captured charges; and an output gate electrode that extracts the held charges to the storage region.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246703A JPH04125965A (en) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246703A JPH04125965A (en) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04125965A true JPH04125965A (en) | 1992-04-27 |
Family
ID=17152381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2246703A Pending JPH04125965A (en) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04125965A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6074017A (en) * | 1996-12-20 | 2000-06-13 | Jidosha Kiko Co., Ltd. | Liquid pressure control device for load responding brake |
| US7619196B2 (en) | 2006-01-31 | 2009-11-17 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device including a multiplier electrode |
| US7829834B2 (en) * | 2006-10-20 | 2010-11-09 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Low-voltage image sensor having multiple gates between a photodiode and a diffusion node for suppressing dark current and method of driving transfer transistor thereof |
-
1990
- 1990-09-17 JP JP2246703A patent/JPH04125965A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6074017A (en) * | 1996-12-20 | 2000-06-13 | Jidosha Kiko Co., Ltd. | Liquid pressure control device for load responding brake |
| US7619196B2 (en) | 2006-01-31 | 2009-11-17 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Imaging device including a multiplier electrode |
| US7829834B2 (en) * | 2006-10-20 | 2010-11-09 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Low-voltage image sensor having multiple gates between a photodiode and a diffusion node for suppressing dark current and method of driving transfer transistor thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3467858B2 (en) | Photoelectric conversion element | |
| EP0046396B1 (en) | Solid state image pickup device | |
| JPH0312510B2 (en) | ||
| US4734776A (en) | Readout circuit for an optical sensing charge injection device facilitating an extended dynamic range | |
| US4589003A (en) | Solid state image sensor comprising photoelectric converting film and reading-out transistor | |
| Hynecek | BCMD-An improved photosite structure for high-density image sensors | |
| KR960002100B1 (en) | Charge Coupled Image Sensor | |
| JP2001309240A (en) | Analog storage device for CMOS array | |
| CA2111707C (en) | High photosensitivity and high speed wide dynamic range ccd image sensor | |
| US6518607B2 (en) | Low feed through-high dynamic range charge detection using transistor punch through reset | |
| US4912536A (en) | Charge accumulation and multiplication photodetector | |
| US4684968A (en) | JFET imager having light sensing inversion layer induced by insulator charge | |
| JPH0334667B2 (en) | ||
| US4266237A (en) | Semiconductor apparatus | |
| JPH06101815B2 (en) | Imaging device | |
| US4075514A (en) | Sensing circuit for semiconductor charge transfer devices | |
| US5627388A (en) | CCD-solid state image sensor using electron and hole signal charges and method for processing signal thereof | |
| US4311906A (en) | Mosaic of radiation detectors read by a semiconductor device and a picture pickup system comprising a mosaic of this type | |
| JPH02208974A (en) | solid-state imaging device | |
| Kempter | a-Si: H Image Sensor: Some Aspects of Physics and Performance | |
| JPS6376382A (en) | Infrared ray detection element | |
| JPS63250171A (en) | Contact type image sensor | |
| JPH0542828B2 (en) | ||
| JPH0523549B2 (en) | ||
| JPH073869B2 (en) | Charge input circuit |