JPH0654804B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
- Publication number
- JPH0654804B2 JPH0654804B2 JP59016329A JP1632984A JPH0654804B2 JP H0654804 B2 JPH0654804 B2 JP H0654804B2 JP 59016329 A JP59016329 A JP 59016329A JP 1632984 A JP1632984 A JP 1632984A JP H0654804 B2 JPH0654804 B2 JP H0654804B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- charge transfer
- potential
- vertical
- photoelectric conversion
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/196—Junction field effect transistor [JFET] image sensors; Static induction transistor [SIT] image sensors
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C27/00—Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
- G11C27/04—Shift registers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/28—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors
- H10F30/285—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors the devices having PN homojunction gates
- H10F30/2863—Field-effect phototransistors having PN homojunction gates
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/15—Charge-coupled device [CCD] image sensors
- H10F39/153—Two-dimensional or three-dimensional array CCD image sensors
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- 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、高感度特性を有する固体撮像装置に関する。
従来例の構成とその問題点 従来、開発されて来た固体撮像素子は主として、X−Y
アドレス方式のMOS型撮像素子(以下、MOS型と略
記する。)と電荷転送方式のCCD型撮像素子(以下、
CCD型と略記する。)とに分類される。
アドレス方式のMOS型撮像素子(以下、MOS型と略
記する。)と電荷転送方式のCCD型撮像素子(以下、
CCD型と略記する。)とに分類される。
このうち、後者のCCD型は感度がMOS型に比べて、
2〜3倍有利である事が知られているが、これは、CC
D型(特に代表的なインターライン方式を考える。)で
は、信号電荷を検出する電荷検出器(これは、撮像素子
にオンチップ内蔵されている。)の検出容量を小さくし
て、容易に高S/Nを実現できるからである。
2〜3倍有利である事が知られているが、これは、CC
D型(特に代表的なインターライン方式を考える。)で
は、信号電荷を検出する電荷検出器(これは、撮像素子
にオンチップ内蔵されている。)の検出容量を小さくし
て、容易に高S/Nを実現できるからである。
ところが、素子内部の雑音低減による高S/N化だけで
は、入射光によって原理的に発生するショットノイズに
より光信号そのもののS/Nが制限されるので、高感度
化に有利とは言えない。(これは、小型化・高密度化に
伴ない顕著な欠点になる。) 発明の目的 本発明は、上記の様な従来の問題点を解消し、高感度特
性を有するCCD型固体撮像装置の提供を目的とする。
は、入射光によって原理的に発生するショットノイズに
より光信号そのもののS/Nが制限されるので、高感度
化に有利とは言えない。(これは、小型化・高密度化に
伴ない顕著な欠点になる。) 発明の目的 本発明は、上記の様な従来の問題点を解消し、高感度特
性を有するCCD型固体撮像装置の提供を目的とする。
発明の構成 本発明は、光電変換部と垂直及び水平CCDによって転
送された光電変換部の信号電荷を検出する出力部の信号
電荷検出器(これは、Q/C=Vの関係を利用した電荷
−電圧変換器である。)とで構成され、しかも光電変換
部をゲート、垂直CCDの電荷転送領域をドレイン、半
導体基板をソースとするほぼ垂直に設けられたSIT
(Static Induction Transistor:静電誘導効果型トラ
ンジスタの略記。)構造となっている。
送された光電変換部の信号電荷を検出する出力部の信号
電荷検出器(これは、Q/C=Vの関係を利用した電荷
−電圧変換器である。)とで構成され、しかも光電変換
部をゲート、垂直CCDの電荷転送領域をドレイン、半
導体基板をソースとするほぼ垂直に設けられたSIT
(Static Induction Transistor:静電誘導効果型トラ
ンジスタの略記。)構造となっている。
実施例の説明 本発明の実施例を第1図〜第3図を用いて説明する。
第1図において、SIT型フォトトランジスタ101、
垂直走査パルスΦV1が印加される転送ゲート102とゲ
ート電極V1、垂直走査パルスΦV2が印加される転送ゲ
ート103とゲート電極V2、垂直走査用パルスをSI
T型フォトトランジスタ101のゲートに印加するため
の結合容量104、SIT型フォトトランジスタ101
のソースに共通に電圧を印加するためのソース電極S、
及び垂直水平変換ゲート105とゲート電極TG、垂直
CCD106水平CCD107と電荷検出アンプ108
が本発明の主な構成部分である。
垂直走査パルスΦV1が印加される転送ゲート102とゲ
ート電極V1、垂直走査パルスΦV2が印加される転送ゲ
ート103とゲート電極V2、垂直走査用パルスをSI
T型フォトトランジスタ101のゲートに印加するため
の結合容量104、SIT型フォトトランジスタ101
のソースに共通に電圧を印加するためのソース電極S、
及び垂直水平変換ゲート105とゲート電極TG、垂直
CCD106水平CCD107と電荷検出アンプ108
が本発明の主な構成部分である。
第1図の点線枠部Nの断面構造は第2図(a),(b),(c)
に示す。第2図(a)は同(b)のk−k′線に沿ったY−Z
断面図、同(b),(c)はX−Z断面図である。n+基板20
1上に、p−エピ領域202を形成し、p+領域205
(これがフォトトランジスタ101のゲート部に相当す
る。)、垂直CCD106の蓄積部として機能するn領
域203(これはフォトトランジスタ101のドレイン
部に相当する。)が含まれた部分Pがフォトトランジス
タ101を構成する。(この時、n+基板201がフォ
トトランジスタ101のソース部に相当する。)n+基
板201に接続された電極Sに印加するパルスの電位
で、画素増倍読出し動作(光電変換部から垂直CCD1
06への増倍された信号電荷の読出しを意味する。)
と、垂直及び水平電荷転送動作とを分離し、制御するこ
とができる。
に示す。第2図(a)は同(b)のk−k′線に沿ったY−Z
断面図、同(b),(c)はX−Z断面図である。n+基板20
1上に、p−エピ領域202を形成し、p+領域205
(これがフォトトランジスタ101のゲート部に相当す
る。)、垂直CCD106の蓄積部として機能するn領
域203(これはフォトトランジスタ101のドレイン
部に相当する。)が含まれた部分Pがフォトトランジス
タ101を構成する。(この時、n+基板201がフォ
トトランジスタ101のソース部に相当する。)n+基
板201に接続された電極Sに印加するパルスの電位
で、画素増倍読出し動作(光電変換部から垂直CCD1
06への増倍された信号電荷の読出しを意味する。)
と、垂直及び水平電荷転送動作とを分離し、制御するこ
とができる。
以上の様に構成された固体撮像装置(以下、垂直CCD
に光電変換からの信号電荷を読出す瞬間に画素増倍機能
を実現するという本発明の概念を象徴して、Charge Amp
lifed derice in Reading Moment:瞬時電荷増倍読出し
型デバイス、略して、“CARM型”と呼ぶ事にする。)に
ついて、以下その動作を説明する。
に光電変換からの信号電荷を読出す瞬間に画素増倍機能
を実現するという本発明の概念を象徴して、Charge Amp
lifed derice in Reading Moment:瞬時電荷増倍読出し
型デバイス、略して、“CARM型”と呼ぶ事にする。)に
ついて、以下その動作を説明する。
最初に画素増倍読出し動作について説明する。n+基板
201に接続された電極Sが接地された場合、光照射が
なければ、第2図(b)に示す様に、i〜i′線上にSI
T独特の鞍部点状の電位障壁領域206が存在し、第2
図(d)の206′で示される電位障壁を形成する。
201に接続された電極Sが接地された場合、光照射が
なければ、第2図(b)に示す様に、i〜i′線上にSI
T独特の鞍部点状の電位障壁領域206が存在し、第2
図(d)の206′で示される電位障壁を形成する。
この時、光照射があれば、p−エピ領域202内で電子
と正孔が対生成し、電子は垂直CCDのn領域203に
移動し、正孔はp+領域205に移動する。p+領域2
05に蓄積した正孔は、その電位をΔだけ大きくし、
結果として電子に対する電位障壁の電位もΔだけ大き
くなる。このため、垂直転送パルスΦV1のハイレベル
は、このΔだけ加算されてゲートであるp+領域20
5に印加されることになりn+基板201からに対応
して、電子がp−エピ202を経由してn領域203に
注入される。これはΦV1の電圧が低ければ、p+領域2
05に蓄積していた正孔はそのままであるから、非破壊
読出しが実現できる。一方、ΦV1の電圧が高ければ、p
+領域205に蓄積された正孔は、n+基板201側に
排出され、通常の破壊読出しとなる。どちらの場合も、
p+領域205に蓄積する正孔に対し、n+基板201
から注入される電子をm倍にするには、p+領域205
の容量をCp、n+基板201の容量をCnとした時、 Cn/Cp=m とすればよい。
と正孔が対生成し、電子は垂直CCDのn領域203に
移動し、正孔はp+領域205に移動する。p+領域2
05に蓄積した正孔は、その電位をΔだけ大きくし、
結果として電子に対する電位障壁の電位もΔだけ大き
くなる。このため、垂直転送パルスΦV1のハイレベル
は、このΔだけ加算されてゲートであるp+領域20
5に印加されることになりn+基板201からに対応
して、電子がp−エピ202を経由してn領域203に
注入される。これはΦV1の電圧が低ければ、p+領域2
05に蓄積していた正孔はそのままであるから、非破壊
読出しが実現できる。一方、ΦV1の電圧が高ければ、p
+領域205に蓄積された正孔は、n+基板201側に
排出され、通常の破壊読出しとなる。どちらの場合も、
p+領域205に蓄積する正孔に対し、n+基板201
から注入される電子をm倍にするには、p+領域205
の容量をCp、n+基板201の容量をCnとした時、 Cn/Cp=m とすればよい。
次に、転送動作について説明する。n+基板201に接
続された電極Sに電圧Eが印加された場合、光照射がな
ければ、第2図(c)に示す様に、j−j′線上にSIT
独特の鞍部点状の電位障壁領域207が存在し、第2図
(e)の207′で示される電位障壁を形成する。電位障
壁207′は電位障壁206′に比べて垂直CCD10
6のn領域203に近づいて形成される。この結果、光
照射があっても、p−エピ領域202内で対生成した電
子と正孔のうち、電子はn+基板201に移動し、正孔
はp+領域205に移動する。p+領域205に蓄積さ
れた正孔は、電位障壁207′の電位をΔ′だけ大き
くするが、画素増倍読出し動作に入るまでは垂直CCD
106の転送動作に影響されずp+領域205に蓄積さ
れ続けるだけである。
続された電極Sに電圧Eが印加された場合、光照射がな
ければ、第2図(c)に示す様に、j−j′線上にSIT
独特の鞍部点状の電位障壁領域207が存在し、第2図
(e)の207′で示される電位障壁を形成する。電位障
壁207′は電位障壁206′に比べて垂直CCD10
6のn領域203に近づいて形成される。この結果、光
照射があっても、p−エピ領域202内で対生成した電
子と正孔のうち、電子はn+基板201に移動し、正孔
はp+領域205に移動する。p+領域205に蓄積さ
れた正孔は、電位障壁207′の電位をΔ′だけ大き
くするが、画素増倍読出し動作に入るまでは垂直CCD
106の転送動作に影響されずp+領域205に蓄積さ
れ続けるだけである。
以下、第3図に従って一連の動作を説明する。t≧
t1:n+基板201に接続された電極Sに印加する
Sがローレベルとなり、n+基板201の電位が3に
移動する。この瞬間から画素増倍読出しが可能なエネル
ギーバンド構造(第2図(d))が形成される。この時、
電位障壁206′は、光照射のない時の電位1から、
光照射による電位増分Δにより電位2に移動してい
る。
t1:n+基板201に接続された電極Sに印加する
Sがローレベルとなり、n+基板201の電位が3に
移動する。この瞬間から画素増倍読出しが可能なエネル
ギーバンド構造(第2図(d))が形成される。この時、
電位障壁206′は、光照射のない時の電位1から、
光照射による電位増分Δにより電位2に移動してい
る。
t≧t2:ΦV1が通常の転送パルスより大きいトップハ
イレベルになり、容量104を介してSIT型フォトト
ランジスタ101のゲートが開かれた状態になり、入射
光により発生した正孔のm倍の電子が信号電荷として垂
直CCD106のn領域203に移動する。
イレベルになり、容量104を介してSIT型フォトト
ランジスタ101のゲートが開かれた状態になり、入射
光により発生した正孔のm倍の電子が信号電荷として垂
直CCD106のn領域203に移動する。
t≧t3:ΦV1がローレベルとなり、SIT型フォトト
ランジスタ101のゲートは閉じられた状態になり画素
増幅読出し動作が終了する。
ランジスタ101のゲートは閉じられた状態になり画素
増幅読出し動作が終了する。
t≧t4:ΦSがハイレベルとなり、n+領域201の
電位が3から6に変化する。この瞬間から画素増倍
読出し動作から転送動作が可能なエネルギーバンド構造
(第2図(e))が形成される。
電位が3から6に変化する。この瞬間から画素増倍
読出し動作から転送動作が可能なエネルギーバンド構造
(第2図(e))が形成される。
t≧t5:ΦV2がハイレベルとなり電位4のn領域2
03の信号電荷は電位5のn領域204に転送され
る。
03の信号電荷は電位5のn領域204に転送され
る。
t≧t6:ΦV2がローレベルとなり、n領域204は電
位5から電位4に変化する。n領域204に転送さ
れた信号電荷はそのままとどまる。
位5から電位4に変化する。n領域204に転送さ
れた信号電荷はそのままとどまる。
t≧t7:ΦV1がハイレベルとなり、電位4のn領域
204の信号電荷は、電位5のn領域208に転送さ
れる。
204の信号電荷は、電位5のn領域208に転送さ
れる。
t≧t8:ΦV1がローレベルとなり、n領域208は電
位5から電位4に変化する。n領域208に転送さ
れた信号電荷はそのままとどまる。
位5から電位4に変化する。n領域208に転送さ
れた信号電荷はそのままとどまる。
t9≦t≦t10:水平CCD107の水平走査用の駆動
パルスΦH1,ΦH2が印加され、垂直CCD106から水
平CCD107に転送されて来た信号電荷を電荷検出器
108で時系列の電気信号に変換する。
パルスΦH1,ΦH2が印加され、垂直CCD106から水
平CCD107に転送されて来た信号電荷を電荷検出器
108で時系列の電気信号に変換する。
これで、1つの水平走査が完了する。
以下、t5≦t≦t10の過程をくり返して垂直走査を1
フィールド分完了する。
フィールド分完了する。
第2フィールドに入り、t1≦t≦t4の過程はΦV2の
パルスで制御され、その後は、t5≦t≦t10の過程を
くりかえすことにより、第2フィールドの走査も完了す
る。
パルスで制御され、その後は、t5≦t≦t10の過程を
くりかえすことにより、第2フィールドの走査も完了す
る。
以上の様に、本実施例によれば画素増倍を行なっている
ので高感度実現できる。しかも画素増倍によって入射光
のショットノイズは変わらずに、信号電荷のみ増倍され
るので、低照度化においてショットノイズに起因する原
理的なS/N低下を抑えかつ改善する事が可能になる。
またm倍の画素増倍により、相対的にスミアは1/mに
低減する。
ので高感度実現できる。しかも画素増倍によって入射光
のショットノイズは変わらずに、信号電荷のみ増倍され
るので、低照度化においてショットノイズに起因する原
理的なS/N低下を抑えかつ改善する事が可能になる。
またm倍の画素増倍により、相対的にスミアは1/mに
低減する。
発明の効果 本発明のCARM型固体撮像装置によれば、画素増幅読出動
作と、転送動作を基板電位によって制御することによ
り、極めて簡単な構造で、フォトトランジスタとCCD
の結合に成功し、しかも破壊読出しと非破壊読出しが、
垂直CCDの転送電圧によって制御できる画期的な機能
を有する。
作と、転送動作を基板電位によって制御することによ
り、極めて簡単な構造で、フォトトランジスタとCCD
の結合に成功し、しかも破壊読出しと非破壊読出しが、
垂直CCDの転送電圧によって制御できる画期的な機能
を有する。
また、画素増倍により、入射光で対生成する電子・正孔
に伴なうショットノイズの発生が相対的に抑圧され高感
度特性は小型化・高密度化に対しても有効となる。
に伴なうショットノイズの発生が相対的に抑圧され高感
度特性は小型化・高密度化に対しても有効となる。
さらに、画素増倍に伴ない、相対的にスミア特性改善さ
れ、画質が向上する。
れ、画質が向上する。
以上の様に、本発明は従来のCCD型の高感度特性、低
スミア特性を飛躍的に向上させ、しかも非破壊読出しが
可能な撮像素子であるため、映像入力部としてTVカメ
ラの分野以外への広い対応が可能となり、その実用的価
は極めて大きい。
スミア特性を飛躍的に向上させ、しかも非破壊読出しが
可能な撮像素子であるため、映像入力部としてTVカメ
ラの分野以外への広い対応が可能となり、その実用的価
は極めて大きい。
第1図は本発明の一実施例における固体撮像装置の構成
を示す回路図、第2図(a)〜(c)は第1図の点線枠部Nに
対応する断面図、同図(d),(e)はそれぞれ同図(b),(c)
に対応するエエネルギーバンド図、第3図は第1図の撮
像装置を駆動するためのパルスのタイミング図である。 101……フォトトランジスタ、102,103……転
送ゲート、104……結合容量、105……垂直水平変
換ゲート、106……垂直CCD、107……水平CC
D、108……電荷検出アンプ。
を示す回路図、第2図(a)〜(c)は第1図の点線枠部Nに
対応する断面図、同図(d),(e)はそれぞれ同図(b),(c)
に対応するエエネルギーバンド図、第3図は第1図の撮
像装置を駆動するためのパルスのタイミング図である。 101……フォトトランジスタ、102,103……転
送ゲート、104……結合容量、105……垂直水平変
換ゲート、106……垂直CCD、107……水平CC
D、108……電荷検出アンプ。
Claims (1)
- 【請求項1】第1導電型の半導体基板上に形成された第
2導電型の半導体領域に、2次元配列された第2導電型
の光電変換領域と、前記光電変換領域の各列に対応して
設けられた第1導電型の電荷転送領域を有する垂直電荷
転送手段と、前記垂直電荷転送手段に対して設けられた
水平電荷転送手段とを有し、前記垂直電荷転送手段の電
荷転送領域と前記半導体基板と前記光電変換領域とがそ
れぞれ静電誘導トランジスタのドレインとソースとゲー
トに対応しており、しかも前記垂直電荷転送手段が動作
する場合には前記半導体基板の電位を上げて光電変換で
生じる電荷が前記垂直電荷転送手段に流入させないこと
を特徴とする固体撮像装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59016329A JPH0654804B2 (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | 固体撮像装置 |
| US06/695,222 US4665325A (en) | 1984-01-30 | 1985-01-25 | Solid state image sensor with signal amplification |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59016329A JPH0654804B2 (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | 固体撮像装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60160162A JPS60160162A (ja) | 1985-08-21 |
| JPH0654804B2 true JPH0654804B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=11913404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59016329A Expired - Lifetime JPH0654804B2 (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | 固体撮像装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0654804B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0723111U (ja) * | 1993-10-07 | 1995-04-25 | 株式会社金子製作所 | 木造建築物における柱と横架材との連結構造 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0401578D0 (en) * | 2004-01-24 | 2004-02-25 | Koninkl Philips Electronics Nv | Phototransistor |
| JP4806614B2 (ja) * | 2006-09-27 | 2011-11-02 | 富士フイルム株式会社 | 半導体素子及び半導体素子の駆動方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5497323A (en) * | 1978-01-18 | 1979-08-01 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid image pickup unit |
| JPS58125982A (ja) * | 1982-01-22 | 1983-07-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像装置 |
-
1984
- 1984-01-30 JP JP59016329A patent/JPH0654804B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0723111U (ja) * | 1993-10-07 | 1995-04-25 | 株式会社金子製作所 | 木造建築物における柱と横架材との連結構造 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60160162A (ja) | 1985-08-21 |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |