JPH04369230A - 電荷結合装置 - Google Patents

電荷結合装置

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JPH04369230A
JPH04369230A JP3145791A JP14579191A JPH04369230A JP H04369230 A JPH04369230 A JP H04369230A JP 3145791 A JP3145791 A JP 3145791A JP 14579191 A JP14579191 A JP 14579191A JP H04369230 A JPH04369230 A JP H04369230A
Authority
JP
Japan
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charge
signal
output circuit
signal charge
signal charges
Prior art date
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Pending
Application number
JP3145791A
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English (en)
Inventor
Hideyuki Ono
秀行 小野
Haruhisa Ando
安藤 治久
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電荷結合装置に係り、
特に、出力回路のランダム雑音を小さくできると共に飽
和電荷量を増加でき、小型化に好適な電荷結合装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】図2(a),(b)は従来例の出力回路
の平面図、図2(c),(d)は図2(a),(b)に
示される出力回路の高感度時及び低感度時に浮遊拡散層
に蓄積された電荷のポテンシャル図を表したものである
。これについては、特開平1−166561号公報に開
示されている。
【0003】図2において、7はP型半導体基板、13
5は絶縁膜、1は転送チャンネル、2〜5は多結晶シリ
コン等で形成された転送電極、6は出力ゲート電極、1
0,11,13はN型領域、14はリセットゲート電極
、15,16は感度切り替え用ゲート電極である。なお
、SEL1,SEL2は、感度切り替え用ゲート電極に
適時印加されるスイッチング制御信号である。また、出
力は浮遊拡散層11と電荷検出トランジスタT1,抵抗
Rにより電荷電圧変換及びインピーダンス変換されて端
子VOUT から取り出される。なお、φ1,φ2,V
OGは転送チャンネル1の電位を変化させて信号電荷を
浮遊拡散層11に転送するためのクロックパルスであり
、φRはその信号電荷を排出するためのクロックパルス
である。
【0004】次に、図2(b)〜(d)を用いて高感度
時及び低感度時の動作について説明する。まず、高感度
を得ようとする場合には、図2(c)に示すように感度
切り替え用のスイッチング信号SEL1をローレベルに
し、浮遊拡散層11に転送電極及び出力電極を介して転
送されてきた信号電荷を蓄積する。この時の浮遊拡散層
11の信号電荷Qによる電位変化ΔVSIHは、
【00
05】
【数1】     ΔVSIH=Q/C11          
                         
       …(1)となる。ここでC11は浮遊拡
散層11の基板に対する静電容量と浮遊拡散層11に接
続されている配線容量の和である。
【0006】次に、低感度の場合は、図1(d)に示す
ように感度切り替え用のスイッチング信号SEL1をハ
イレベルにし第二のMOSトランジスタを開いて浮遊拡
散層11と12を導通させる。この時、感度切り替え用
のスイッチング信号SEL2をローレベルとする。信号
電荷量Qによる浮遊拡散層11と12の電位変化ΔVS
ILは、
【0007】
【数2】     ΔVSIL=Q/(C11+C12)    
                         
   …(2)となる。ここでC11は前述と同じで、
C12は浮遊拡散層12の基板に対する静電容量と隣接
するゲートに対する静電容量の和である。
【0008】このように従来例では、感度切り替え信号
SEL1,SEL2によって電荷電圧変換を行う浮遊拡
散層の実質的な容量を変化させることにより、信号電荷
量が少ない場合には感度が高く、また信号電荷量が多い
場合には感度を落としてダイナミックレンジを大きくと
っていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、信号電荷量が
少ない場合と信号電荷量が多い場合で感度の切り替えが
必要であるため、回路が複雑になってしまうという問題
については考慮されていなかった。
【0010】本発明の目的は、この問題点を対策し、感
度の切り替えスイッチをなくすることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的は、浮遊拡散層
のポテンシャル分布を階段状とすることにより達成され
る。
【0012】
【作用】浮遊拡散層のポテンシャル分布を階段状とする
ことにより達成される。これにより、信号電荷量の増加
にともない浮遊拡散層の実質的な容量を自動的に増加さ
せることができるので、感度切り替えスイッチを不要に
することができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1は本発明を適用した出力回路の平面図、A−A
′断面図及び電位分布を示したものである。本実施例が
図2に示す従来例と異なるところは、感度切り替え用ゲ
ート電極をなくし、リセットドレイン電圧:VRDより
低い電圧で空乏化するようなN型層120を新たに設け
たところである。これにより、信号電荷量が少なく高感
度を得ようとする場合には、図1(c)に示すように信
号電荷Qは容量の小さい浮遊拡散層11に蓄積される。 次に信号電荷量が多くダイナミックレンジが必要な場合
には、図1(d)に示すように信号電荷Q′は浮遊拡散
層11及び120に蓄積され、浮遊拡散層の容量を大き
くすることができる。このように本実施例では、感度切
り替えゲート電極を設けることなく電荷電圧変換を行う
浮遊拡散層の実質的な容量を信号電荷量の増加にともな
って増やすことができるので、信号電荷量が少ない場合
には感度を高くまた信号電荷量が多い場合にはダイナミ
ックレンジを大きくとることができる。
【0014】本発明の第二の実施例の出力回路の平面図
及びA−A′断面図を示したものを図3に、また図3の
A−A′断面の電位分布を示したものを図4に示す。本
実施例が図1に示す実施例と異なるところは、一つには
浮遊拡散層123,26,27上に一定の電位に固定さ
れた電極30,31,32を新たに設けたところである
。これにより、基板側の構造を変えることなく絶縁膜3
3,34,35の厚さを変えることで浮遊拡散層123
,26,27の容量を自由に設定することができる。 もう一つは、リセットドレイン電圧:VRDより低い電
圧で空乏化するようなN型層26,27を複数設けたこ
とである。ここで、N型層27はN型層26より低い電
圧で空乏化するものとする。これにより、信号電荷量が
少なく高感度を得ようとする場合には、図4(a)に示
すように信号電荷QA1は容量の小さい浮遊拡散層12
3に蓄積される。信号電荷量が増加しダイナミックレン
ジが必要となってきた場合には、図4(b)に示すよう
に信号電荷QA2は浮遊拡散層123及び26に蓄積さ
れ、浮遊拡散層の容量を大きくできる。さらに信号電荷
量が増えダイナミックレンジが必要な場合には、図4(
c)に示すように信号電荷QA3は浮遊拡散層123,
26及び27に蓄積され、浮遊拡散層の容量をさらに大
きくできる。これにより、信号電荷量に応じて浮遊拡散
層の容量をよりきめ細やかに設定することができる。な
お、ウェル構造21,22は撮像素子特性改善のために
設けたものであり詳細については省略する。
【0015】本発明の第五の実施例の出力回路の平面図
及びA−A′断面図を示したものを図9に、また図9の
A−A′断面の電位分布を示したものを図10に示す。 本実施例が図3及び図4に示す実施例と異なるところは
、リセットドレイン電圧:VRDより低い電圧で空乏化
するようなN型層26の幅を変えたところである。横方
向拡散の影響により、N型領域26−1よりN型領域2
6−2の方が不純物濃度が薄くなるため、N型領域26
−1よりN型領域26−2の方が低い電圧で空乏化する
。これにより一種類のN型層26用いても、図10に示
すように図4と同様の電位分布を実現することができる
。なおN型層の幅を滑らかに変えても同様の効果がある
【0016】本発明の第三の実施例の出力回路の断面図
を示したものを図5に示す。本実施例が図3に示す実施
例と異なるところは、浮遊拡散層123,26,27上
に例えば100nm程度の絶縁膜42を介して電気的に
フローティングな、例えば、多結晶Siからなる電極8
1,82,83を設けたところである。これにより基板
内の電位分布をよりしっかりと規定でき、電位のポケッ
トの発生を防ぐことができる。
【0017】本発明の第四の実施例の出力回路の断面図
を示したものを図6に示す。本実施例が図3に示す実施
例と異なるところは、階段状の電位分布をつくるために
濃いP型拡散層113,114,115を用いて行った
ところである。これによりSi−SiO2 界面の空乏
化を防ぎ、界面トラップにより発生する1/f雑音を抑
圧することができる。なお、117は信号電荷の転送が
滑らかに行われるように設けられたN型層、112は絶
縁膜、116は一定電位に固定された電極、113,1
14,115は電気的にフローティングである。
【0018】本発明はフローティングウェル型電荷検出
器にももちろん適用することができる。図7は、従来の
フローティングウェル型電荷検出器の断面図を示したも
のである。なお、この素子については、大沢他、TV学
会全国大会2−12(1988)、「CCD用高感度電
荷検出器」、において述べられている。従来のフローテ
ィングウェル型電荷検出器は、この図に示すように、N
型基板20上にP型ウェル層41が形成され、P型ウェ
ル層41内にN型CCDチャンネル層103が形成され
ている。出力回路の電荷検出トランジスタのゲート電極
105は、大きさ5μm×5μmで酸化膜106の膜厚
1μm、FPP(Flat Potential Pl
ate)104下の酸化膜42の膜厚は93nmとなっ
ている。なお、FPP104は電気的にフローティング
な多結晶Siゲートである。また、電荷転送チャンネル
103の下にPチャンネル43を形成するためボロンイ
オン打ち込みをしている。従来例における信号電荷検出
は、出力回路の電荷検出トランジスタのゲート電極10
5下に転送されてきた信号電荷102がソース100か
らドレイン44へ流れる正孔電流101を変調すること
により行われる。
【0019】このように従来例によれば正孔電流101
がSi−SiO2 界面45を流れないため、界面トラ
ップにより発生する1/f雑音を含まない。また、ゲー
ト酸化膜106の膜厚を1μmと厚くすることにより検
出容量を小さくし高感度化を実現している。しかし、飽
和電荷量が2000電子数と小さく、従ってダイナミッ
クレンジが小さいという点については考慮されていなか
った。
【0020】図8は、従来のフローティングウェル型電
荷検出器における電荷の転送方向の断面図を示したもの
である。信号電荷102はCCDの最終ゲート電極47
を経て、出力回路の電荷検出トランジスタのゲート電極
105下に転送され、ソース100からドレイン44へ
流れる正孔電流101を変調する。そして、リセットゲ
ート48下を通り、リセットドレイン108に排出され
る。
【0021】図8に示した従来のフローティングウェル
型電荷検出器にも、図5,図6に示す本発明の実施例を
全く同様に適用することができる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、浮遊拡散層のポテンシ
ャル分布を階段状とすることにより、信号電荷量の増加
にともない浮遊拡散層の実質的な容量を増加させること
ができるので、感度切り替えスイッチを不要にすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例の出力回路の平面図、A
−A′断面図及び電位分布図。
【図2】従来例の出力回路の平面図、A−A′断面図及
び電位分布図。
【図3】本発明の第二の実施例の出力回路の平面図及び
A−A′断面図。
【図4】本発明の第二の実施例の出力回路の電位分布図
【図5】本発明の第三の実施例の出力回路の断面図。
【図6】本発明の第四の実施例の出力回路の断面図。
【図7】従来例の出力回路の断面図。
【図8】従来例の出力回路の断面図。
【図9】本発明の第五の実施例の出力回路の平面図及び
A−A′断面図。
【図10】本発明の第五の実施例の出力回路の電位分布
図。
【符号の説明】
11,12,123…浮遊拡散層、26,27,120
…リセットドレイン電圧より低い電圧で空乏化するN型
層、30〜32,105,116…一定電位に固定され
た電極、33〜35,106,112…層間絶縁膜。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基体上に形成された信号電荷の転送
    を行う転送素子および前記信号電荷を電圧に変換して取
    り出す出力回路からなる電荷結合装置において、前記出
    力回路は前記信号電荷の保持領域をもち、前記信号電荷
    の保持領域の電位分布が階段状となっていることを特徴
    とする電荷結合装置。
  2. 【請求項2】半導体基体上に形成された信号電荷の転送
    を行う転送素子および前記信号電荷を電圧に変換して取
    り出す出力回路からなる電荷結合装置において、前記出
    力回路は前記信号電荷の保持領域と前記信号電荷を捨て
    去るリセットトランジスタをもち、前記信号電荷の保持
    領域の幅が前記リセットトランジスタから離れるほど狭
    くなっていることを特徴とする電荷結合装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記信号電荷の保持領
    域は前記信号電荷の保持を行う前記信号電荷と同導電型
    の不純物領域をもち、前記不純物領域は不純物濃度の異
    なる複数の領域からなる電荷結合装置。
  4. 【請求項4】請求項3において、前記不純物濃度の異な
    る複数の領域上それぞれに異なる膜厚を持つ絶縁膜を介
    して一定電位に固定された電極を設けた電荷結合装置。
JP3145791A 1991-06-18 1991-06-18 電荷結合装置 Pending JPH04369230A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001292277A (ja) * 2000-02-29 2001-10-19 Agfa Gevaert Nv 光励起蛍光体読み出し装置
KR100423349B1 (ko) * 2000-10-05 2004-03-18 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 이미지 센서

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