DE69836608T2

DE69836608T2 - MOS-Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE69836608T2
Application number: DE69836608T
Authority: DE
Inventors: Tetsunobu Ohta-ku Kochi; Isamu Ohta-ku Ueno; Toru Ohta-ku Koizumi; Hiroki Ohta-ku Hiyama; Shigetoshi Ohta-ku Sugawa; Katsuhisa Ohta-ku Ogawa; Katsuhito Ohta-ku Sakurai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: CN1527392A; US6670990B1; EP0905788A3; EP0905788B1; CN1213931A; US6946637B2; TW421962B; EP0905788A2; EP1592068A3; US20040065808A1; KR100283638B1; EP1592068A2; KR19990030274A; CN1276514C; CN1155207C; DE69836608D1; DE69839899D1; EP1592068B1

Description

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Wandlervorrichtung mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlerelementen und insbesondere eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, die zur Verbesserung der Linearität der fotoelektrischen Wandlung und zur Aufweitung eines Dynamikbereichs befähigt ist, indem die Eigenschaften von Transistoren, die zur Ausgabe von Signalen entsprechend den durch die fotoelektrischen Wandlerelemente erzeugten Ladungen verwendet werden, sowie die Eigenschaften von Metalloxidhalbleitertransistorschaltern (MOS) verwendet werden, wodurch das Signal/Rauschverhältnis (S/N) verbessert wird.
Im Stand der Technik werden in den meisten Fällen bei einer Festkörperbildabtastvorrichtung fotoelektrische Wandlerelemente in der Bauart der Ladungskopplungsvorrichtungen (CCD) verwendet; in jüngster Zeit wurden jedoch fotoelektrische Wandlerelemente in der MOS-Bauart für kommerzielle Erzeugnisse entwickelt. Vormals hieß es, dass eine fotoelektrische Wandlervorrichtung in MOS-Bauart ein Bild von unterlegener Qualität im Vergleich zu einem durch eine fotoelektrische Wandlervorrichtung in CCD-Bauart abgetasteten Bild bereitstellt. Falls jedoch das Rauschen unterdrückt wird, gibt es Vorteile bei der fotoelektrischen Wandlervorrichtung in MOS-Bauart, weil es möglich ist, die fotoelektrische Wandlervorrichtung in MOS-Bauart durch dieselbe Energieversorgungsquelle mit einem geringeren Energieaufwand im Vergleich zu der fotoelektrischen Wandlervorrichtung in CCD-Bauart anzusteuern, und die Fotoempfangseinheit und ihre Peripherieschaltungen werden in denselben MOS-Herstellungsvorgängen hergestellt, womit ein Integrieren der Fotoempfangseinheit und der Peripherieschaltungen leichter ist. Folglich beginnen diese Vorzüge der fotoelektrischen Wandlervorrichtung in MOS-Bauart, in jüngster Zeit die Aufmerksamkeit auf sich zu ziehen. Derzeit ist es möglich, das weiße Rauschen und das fixierte Rauschen zur Verbesserung der Qualität eines durch die fotoelektrische Wandlervorrichtung in MOS-Bauart bereitgestellten Bildes zu reduzieren, und es gibt eine neue Nachfrage für die Aufweitung des Dynamikbereiches von jedem fotoelektrischen Wandlerelement in MOS-Bauart, um Bildsignale mit einem höheren S/N-Verhältnis zu erhalten.
In der nachstehenden Beschreibung werden zur Vereinfachung ein fotoelektrisches Wandlerelement in MOS-Bauart und eine fotoelektrische Wandlervorrichtung in MOS-Bauart als fotoelektrisches Wandlerelement und fotoelektrische Wandlervorrichtung in Bezug genommen.
1 zeigt ein Schaltbild zur Darstellung einer Kurzkonfiguration einer bekannten fotoelektrischen Wandlervorrichtung. Gemäß 1 erzeugen die zweidimensional angeordneten fotoelektrischen Wandlerelemente 1 (beispielsweise Fotodioden) Ladungen entsprechend der empfangenen Lichtmenge. In 1 sind zur vereinfachten Darstellung lediglich 16 (= 4 × 4) fotoelektrische Wandlerelemente gezeigt, in der Praxis werden üblicherweise jedoch eine große Anzahl an fotoelektrischen Wandlerelementen verwendet. Ein Ende jedes fotoelektrischen Wandlerelementes ist mit der Gate-Elektrode eines MOS-Transistors 2 verbunden; die Drain-Elektrode des MOS-Transistors 2 ist mit der Source-Elektrode eines MOS-Transistors 3 verbunden, welcher einen Zeilenauswahlschalter bildet, und die Source-Elektrode des MOS-Transistors 2 ist mit einer Konstantstromquelle 7 über eine vertikale Ausgabeleitung 6 verbunden; und die Drain-Elektrode jedes MOS-Transistors 3 ist mit einem Energieversorgungsanschluss 5 über eine Energieversorgungsleitung 4 verbunden. Die vorstehend beschriebenen Elemente bilden zusammen die Source-Folger-Stufe. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen MOS-Transistor, der einen Rücksetzschalter bildet, und seine Source-Elektrode ist mit der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 2 verbunden, und seine Drain-Elektrode ist mit dem Energieversorgungsanschluss 5 über die Energieversorgungsleitung 4 verbunden.
In dieser Schaltung wird ein an der Gate-Spannung des MOS-Transistors 2 entsprechendes Signal, das sich in Abhängigkeit von der durch das fotoelektrische Wandlerelement 1 jedes Bildelementes erzeugten Ladung ändert, durch die Source-Folger-Stufe verstärkt und ausgegeben, welche eine Stromverstärkung durchführt. Die Gate-Elektrode jedes MOS-Transistors 3 ist mit einer vertikalen Abtastschaltung 9 über eine vertikale Gate-Leitung 8 verbunden. Die Gate-Elektrode jedes Rücksetzschalters 14 ist außerdem mit der vertikalen Abtastschaltung über eine Rücksetz-Gate-Leitung 15 verbunden. Ferner wird ein Ausgangssignal der Source-Folger-Stufe über die vertikale Ausgangsleitung 6, einen MOS-Transistor 10, der einen Schalter zur horizontalen Übertragung bildet, eine horizontale Ausgangsleitung 11 und einen Ausgangsverstärker 12 ausgegeben. Die Gate- Elektrode jedes MOS-Transistors 10 ist mit einer horizontalen Abtastschaltung 13 verbunden.
Die Betriebsweise dieser Schaltung ist wie folgt. Zunächst werden die fotoelektrischen Wandlerelemente 1 durch die Rücksetzschalter 14 zurückgesetzt, wonach Ladungen gespeichert werden. Da hierbei die fotoelektrischen Wandlerelemente 1 Elektronen in Abhängigkeit von der empfangenen Lichtmenge erzeugen, werden die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren 2 während des Rücksetzvorgangs auf ein Rücksetzpotential geladen, und die Potentiale an den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren 2 fallen in Reaktion auf die Erzeugung der Elektronen. Folglich erscheint ein Potential entsprechend der erzeugten Ladungen an der Gate-Elektrode jedes MOS-Transistors 2. Nachdem die Ladungsperiode vorüber ist, wird ein Signal eines durch die vertikale Abtastschaltung 9 und die horizontale Abtastschaltung 13 ausgewählten Bildelementes durch die Source-Folger-Stufe verstärkt und über den Ausgangsverstärker 12 ausgegeben.
Da bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration die Source-Folger-Stufe und der Rücksetzschalter 14 dieselbe Energieversorgungsleitung 4 teilen, ist es möglich, die Schaltung zu verkleinern.
Durch Anordnen des Zeilenauswahlschalters 3 auf der Seite der Energieversorgung bezüglich des MOS-Transistors 2 existiert zudem die Impedanz des Auswahlschalters 3 nicht zwischen der Source-Elektrode des MOS-Transistors 2 und der Konstantstromquelle 7; folglich wird eine Ausgabe mit guter Linearität von der Source-Folger-Stufe erhalten.
Nachfolgend sind die Ausgabeeigenschaften der vorstehend beschriebenen Source-Folger-Stufe beschrieben.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sind ein fotoelektrisches Wandlerelement 1 und seine Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement in 2 gezeigt. In 2 sind die zur 1 gleichen Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Damit die Source-Folger-Stufe linear arbeitet, d.h. damit sie eine Spannung proportional zu einer Eingangsspannung ausgibt, muss im Allgemeinen ein die Source-Folger-Stufe ausbildender MOS-Transistor im Sättigungsbereich arbeiten; somit sollte die nachstehend wiedergegebene Bedingung erfüllt sein. Vds > Vgs – Vth (1),wobei V_ds die Spannungsdifferenz zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode ist, V_gs die Spannungsdifferenz zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode ist, und V_th die Schwellenwertspannung ist.
Im Falle der Source-Folger-Stufe mit der in 2 gezeigten Konfiguration sei die Durchlassimpedanz des Zeilenauswahlschalters 3 R_on, und der durch die Source-Folger-Stufe fließende Strom sei I_a, dann ist die Drain-Spannung des MOS-Transistors 2 Energieversorgungsspannung = Ron × Ia (2)aufgrund eines Spannungsabfalls in dem Zeilenauswahlschalter 3. Folglich sinkt V_ds in Gleichung (1), wodurch der Bereich für den linearen Betrieb der Source-Folger-Stufe (der nachstehend „linearer Betriebsbereich" genannt wird) verschmälert wird. Folglich arbeitet die Source-Folger-Stufe nicht innerhalb des linearen Betriebsbereiches für jede Spannung, die an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 2 angelegt wird, was von der durch das fotoelektrische Wandlerelement 1 erzeugten Ladung abhängt, und die nachstehend aufgeführten zwei Probleme entstehen:

(a) die Eingabe-Ausgabe-Linearität im Niederhelligkeitsbereich verschlechtert sich.
(b) die Sättigungsspannung wird klein, womit der Dynamikbereich verschmälert wird.

Wenn ferner der durch die Source-Folger-Stufe fließende Strom reduziert wird, um den Spannungsabfall in dem Zeilenauswahlschalter 3 zu reduzieren, benötigt es eine beträchtliche Zeit, eine Kapazität mit einem kleinen Strom aufzuladen. Folglich benötigt es eine beträchtliche Zeit, um Signale zu übertragen, womit die Anzahl an Bildelementen in der fotoelektrischen Wandlervorrichtung beschränkt ist, wenn Ladungen in einer vorbestimmten Zeitdauer übertragen werden sollten. Folglich ist die bekannte Schaltung zum Betreiben einer großen Anzahl an Bildelementen nicht geeignet.
Eine alternative Bildelementanordnung zu der in 2 gezeigten ist beispielsweise aus der US Patentschrift US-A-5 539 561 bekannt, wobei der MOS-Feldeffekttransistor der Source-Folger-Stufe unmittelbar mit der Energieversorgungsleitung verbunden ist, wobei der Zeilenauswahlschalter auf der gegenüberliegenden Seite des MOS-Feldeffekttransistors der Source-Folger-Stufe angeordnet ist, und zwar zwischen diesem und der Signalausgabeleitung. Diese alternative Anordnung wird jedoch nicht bevorzugt, da die Ausgangslinearität aufgrund der Einfügung einer Impedanz zwischen dem MOS-Feldeffekttransistor und der Source-Folger-Stufe und der Source-Folger-Stufe-Last/Konstantstromquelle am Ende der Signalausgabeleitung verschlechtert wird.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Situation und ist zur Bereitstellung einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit guter Eingabe-Ausgabe-Linearität gedacht.
Die erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlervorrichtung ist eine fotoelektrische Wandlervorrichtung in der Art mit einer Vielzahl von Bildelementzellen, von denen jede ein fotoelektrisches Wandlerelement, einen Feldeffekttransistor, dessen Gate-Elektrode ein durch das fotoelektrische Wandlerelement erzeugtes Ladungssignal empfängt, und dessen Drain-Elektrode mit elektrischer Energie durch eine erste Energieversorgungsleitung versorgt wird, und einen zwischen dem Feldeffekttransistor und der ersten Energieversorgungsleitung verbundenen ersten Schalter beinhaltet, wobei der Feldeffekttransistor zwischen dem ersten Schalter und der Signalausgabeleitung verbunden ist, wobei jede Bildelementzelle die durch V_c1 – R_on × I_a > V_sig0 – V_th bestimmte Bedingung erfüllt, wobei eine Rücksetzspannung zum Zurücksetzen der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors mit V_sig0 bezeichnet ist, die Schwellenwertspannung des Feldeffekttransistors mit V_th bezeichnet ist, der durch den Feldeffekttransistor fließende Strom mit I_a bezeichnet ist, eine über die erste Energieversorgungsleitung angelegte Spannung mit V_c1 bezeichnet ist, und der Reihenwiderstand des ersten Schalters mit R_on bezeichnet ist.
Zur Bereitstellung einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung, die zur Verwirklichung einer guten Eingabe-Ausgabe-Linearität sowie zur Aufweitung des Dynamikbereiches befähigt ist, umfasst jede der Bildelementzellen der vorstehend beschriebenen fotoelektrischen Wandlervorrichtung vorzugsweise ferner einen zweiten Schalter zum Zurücksetzen der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors, und der erste Schalter und der zweite Schalter sind Feldeffekttransistoren mit voneinander verschiedenen Schwellenwertspannungen.
Andere in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung angegebene Merkmale und Vorteile sind aus der nachstehend angeführten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher ersichtlich, wobei dieselben Bezugszeichen in allen Figuren gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen.
Die beiliegende Zeichnung, welche einen Teil der Beschreibung bildet, stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dient in Verbindung mit dem Text zur Beschreibung der Erfindungsprinzipien.
1 zeigt ein Schaltbild zur Darstellung einer Kurzkonfiguration einer bekannten fotoelektrischen Wandlervorrichtung;
2 zeigt ein Schaltbild zur Darstellung eines fotoelektrischen Wandlerelementes und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement der in 1 gezeigten bekannten fotoelektrischen Wandlervorrichtung;
3 zeigt eine graphische Darstellung der Eingabe-Ausgabe-Linearität;
4 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelementes und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen von Transistoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen von Transistoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen der Transistoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen von Transistoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen der Transistoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 zeigt eine Schnittansicht von Konfigurationen der Transistoren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelementes und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 zeigt ein Schaltbild von einem fotoelektrischen Wandlerelement und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
13 zeigt ein Schaltbild von einem fotoelektrischen Wandlerelement und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
Die Gesamtkonfiguration einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieselbe, wie die in 1 gezeigte. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen MOS-Transistoren 3 und 14 unterscheiden sich jedoch von denen der bekannten. Daher sind die MOS-Transistoren der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele, welche in der Schaltungsanordnung den bekannten MOS-Transistoren 2, 3 und 14 entsprechen, mit den Bezugszeichen 102, 103 bzw. 114 in Bezug genommen.
<Erstes Ausführungsbeispiel>
4 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelementes 1 und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem Bildelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 4 ist der als Zeilenauswahlschalter wirkende MOS-Transistor 103 ein Feldeffekttransistor (FET). Die Gate-Spannung des Rücksetzschalters 114 sei im Durchlasszustand V2, die Gate-Spannung des Zeilenauswahlschalters 103 sei im Durchlasszustand V3, die Drain-Spannung des MOS-Transistors 102 sei V1, die Schwellenwertspannung des Rücksetzschalters 114 sei V_th0, die Schwellenwertspannung des Zeilenauswahlschalters 103 seit V_th1, und die Schwellenwertspannung des MOS-Transistors 102 sei V_th2. Dabei sei angemerkt, dass die Source-Folger-Stufe mit den MOS-Transistoren 102 und 103 und der Konstantstromquelle 7 ausgebildet ist.
Wie im Abschnitt „Hintergrund der Erfindung" beschrieben ist, ist die Bedingung für die MOS-Transistoren 103 und 102 für einen Betrieb im Sättigungsbereich, Vds > Vgs – Vth (1)erfüllt, wenn die Source-Folger-Stufe im linearen Betriebsbereich arbeitet. Die bekannte Source-Folger-Stufe arbeitet nicht immer in dem Bereich, in dem die vorstehend beschriebene Gleichung (1) erfüllt ist. Daher ist erfindungsgemäß die fotoelektrische Wandlervorrichtung so entworfen, dass ein MOS-Transistor der Source-Folger-Stufe stets die Gleichung (1) erfüllt. Nachstehend ist die Bedingung zum Entwurf der Source-Folger-Stufe zur Erfüllung der Gleichung (1) bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wenn unter Bezugnahme auf die 4 bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Source-Spannung des MOS-Transistors 102 als Referenzspannung betrachtet wird, V_ds in Gleichung (1) V1 ist, V_gs die Gate-Spannung des MOS-Transistors 102 ist, und V_th gleich V_th2 ist, wenn die Impedanz des MOS-Transistors 103 im Durchlasszustand durch R_on ausgedrückt wird, dann gilt für V1 V1 = Vc1 – Ron × Ia (6)
Durch Einsetzen der Gleichung (6) in die Gleichung (1) erhält man Vc1 – Ron × Ia > Vgs – Vth2 (7)
Bei der erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlervorrichtung wird die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 zunächst auf eine Rücksetzspannung V_sig0 geladen, und die Spannung fällt in Reaktion auf die durch das fotoelektrische Wandlerelement 1 entsprechend der Lichtmenge erzeugten Elektronen. Damit die Source-Folger-Stufe stets im linearen Betriebsbereich arbeitet, sind daher die MOS-Transistoren 102, 103 und 114 für den Betrieb im Sättigungsbereich zu entwerfen, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt wird, wenn nämlich V_gs = V_sig0 ist.
Wenn der Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal V_in (der Gate-Spannung des MOS-Transistors 102) und dem Ausgangssignal V_out (dem Ausgangssignal der Source-Folger-Stufe) durch Vout = A × Vin γ (8)ausgedrückt wird, wobei A eine Verstärkung und γ einen Parameterwert angeben, dann sei angemerkt, dass die Eingabe-Ausgabe-Linearität der Source-Folger-Stufe dadurch definiert ist, um wie viel der Wert für γ von 1 abweicht.
3 zeigt eine graphische Darstellung der Verbesserung der erfindungsgemäßen Eingabe-Ausgabe-Linearität, wie sie bei dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. In 3 gibt die Abszisse eine Impedanz im Durchlasszustand des Zeilenauswahlschalters 103 an, und die Ordinate gibt die γ-Werte an. Gemäß 3 ist bekannt, dass die Eingabe-Ausgabe-Linearität der Source-Folger-Stufe in dem Bereich sichergestellt ist, für den die Gleichung (7) gilt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird in dem Fall, bei dem der Rücksetzschalter 114 im Sättigungsbereich arbeitet, die Rücksetzspannung V_sig0 durch die nachstehende Gleichung (9) ausgedrückt. Vsig0 = V2 – Vth0 (9)
Da die Impedanz R_on für den Durchlasszustand des Zeilenauswahlschalters 103 in Abhängigkeit von dessen Schwellenwertspannung V_th1 wechselt, wird der Ausdruck auf der linken Seite der Gleichung (7) nunmehr unter Verwendung von V_th ausgedrückt. Unter der Annahme, dass der durch den Zeilenauswahlschalter 103 fließende Strom derselbe wie der durch die Source-Folger-Stufe fließende Strom ist, wird die nachstehend wiedergegebene Gleichung erhalten. Ia = K(V3 – V1 – Vth1)2 (10),wobei K = 1/2 × μ × C_ox × W/L ist, mit

μ: = Beweglichkeit
C_ox: = Kapazität des Gate-Oxids pro Einheitsfläche
W: = Gate-Breite
L: = Gate-Länge

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine graduelle Kanalannäherung verwendet. Unter Verwendung der Gleichung (10) für V1 ergibt sich sodann V1 = V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 (11)
Durch Einsetzen der Gleichungen (9) und (11) in die Gleichung (1) ergibt sich sodann eine Bewegung für die Source-Folger-Stufe zum Betrieb im linearen Betriebsbereich, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt wird. Es gilt nämlich V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 > V2 – Vth0 – Vth2 (12)
Somit ist die fotoelektrische Wandlervorrichtung so zu entwerfen, dass sie die Gleichung (12) erfüllt.
Für das erste Ausführungsbeispiel ist ein Fall beschrieben, bei dem die MOS-Transistoren 102, 103 und 104 eine identische Schwellenwertspannung aufweisen, wenn die Potentiale der Source-Bereiche und der Wannen dieselben sind.
Wenn alle MOS-Transistoren 102, 103 und 114 dieselbe Schwellenwertspannung aufweisen, wenn die Potentiale der Source-Bereiche und der Wannen dieselben sind, und wenn die Gate-Spannungen V2 und V3 dieselbe Spannung der Energieversorgung (d.h., V2 = V3 = V_c1) aufweisen, dann sind die Schwellenwertspannung V_th0 des Rücksetzschalters 114 und die Schwellenwertspannung V_th1 des Zeilenauswahlschalters 103 gleich, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt wird. Folglich vereinfacht sich Gleichung (12) zu (Ia/K)1/2 < Vth2 (13)
Dabei ist der durch die Source-Folger-Stufe fließende Maximalstrom durch die Schwellenwertspannung V_th2 des MOS-Transistors 102 beschränkt, wie aus der Gleichung (13) ersichtlich ist.
Unter Verwendung von Modellwerten wird die vorstehende Beschreibung näher erläutert. Unter Bezugnahme auf 6 sind beispielsweise 5V an den Energieversorgungsanschluss angelegt (V_c1 = 5V), und außerdem sind 5V an die Gate-Elektroden des Rücksetzschalters 114 bzw. des Zeilenauswahlschalters 103 angelegt (V2 = V3 = 5V). Wenn zudem die Dicke des Gate-Oxids jedes MOS-Transistors etwa 15 nm beträgt, die Dotierstoffkonzentration der Wanne bei 4 × 10¹⁶ Teilchen/cm³ liegt, und die Schwellenwertspannung für den Fall, dass die Potentiale des Source-Bereichs und der Wanne dieselben sind, 0,6V beträgt, steigt in Anbetracht einer Erhöhung der Schwellenwertspannung aufgrund des Rückseiten-Gate-Effekts die Schwellenwertspannungen des Rücksetzschalters 114 und des Zeilenauswahlschalters 103 von 0,6V auf 1,4V (= V_tho, V_th1). Unter diesen Bedingungen wird die durch die Eigenschaften des Rücksetzschalters 114 bestimmte Rücksetzspannung V_sig0 aus der Gleichung (9) erhalten und Vsig0 = 5 – 1,4 = 3,6 [V] (14)
Sodann ergibt sich gemäß Gleichung (11) die Drain-Spannung V1 des MOS-Transistors 102 zu V1 = 5 – 1,4 – (Ia/K)1/2 = 3,6 – (Ia/K)1/2 (15)
Wenn die Gate-Spannung V_sig0 3,6V beträgt, ist ferner die Schwellenwertspannung V_th2 des MOS-Transistors 102 Vth2 = 1,24 [V] (16)
Durch Einsetzen der Gleichungen (15) und (16) in die Gleichung (1) ergibt sich sodann (Ia/K)1/2 < 1,24 (17)
Dieses Ergebnis stimmt mit Gleichung (13) überein, und es ist bekannt, dass der durch die Source-Folger-Stufe fließende Strom I_a auf ein Ausmaß begrenzt ist, welches die Gleichung (13) erfüllt. Wenn zudem bei einem MOS-Transistor μ = 400 cm2/S·V Cox = 2,3 × 10–7 F/cm2 W = 1 μm L = 1 μmgilt, dann ist K = 4,6 × 10–5 Aund Ia = 7,5 × 10–5 A
Daher arbeitet die Source-Folger-Stufe stets im linearen Betriebsbereich, wenn die mit der vorstehend beschriebenen Spezifikation und Charakteristik versehenen MOS-Transistoren verwendet werden, indem der durch die Konstantstromquelle 7 erzeugte Strom I_a auf 7,5 × 10^–5 A eingestellt wird.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist durch einen derartigen Entwurf der Source-Folger-Stufe, dass jeder MOS-Transistor die Gleichung (1) erfüllt, die Konfiguration einer fotoelektrischen Wandlervorrichtung mit einer guten Eingabe-Ausgabe-Linearität unter Verwendung der Source-Folger-Stufe möglich, die stets im linearen Betriebsbereich arbeitet.
<Zweites Ausführungsbeispiel>
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Fall beschrieben, bei dem der MOS-Transistor 103 eine Schwellenwertspannung aufweist, die von denen der Transistoren 102 und 114 verschieden ist.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist der durch die Source-Folger-Stufe fließende Strom auf einen sehr geringen Wert beschränkt, wenn die MOS-Transistoren 102, 103 und 114 eine identische Schwellenwertspannung aufweisen. Wenn eine höhere Auflösung verlangt wird, und die von der Source-Folger-Stufe anzusteuernde Last ansteigt, kann daher die bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Konfiguration nicht den Anforderungen gerecht werden.
Indem jedoch die Schwellenwertspannung des Zeilenauswahlschalters 103 niedriger als die der MOS-Transistoren 102 und 114 eingestellt wird, ist es möglich, Gleichung (12) oder Gleichung (1) zu erfüllen, während der Strom I_a erhöht wird. Wenn die an die Gate-Elektroden des Rücksetzschalters 114 und des Zeilenauswahlschalters 103 angelegten Spannungen V2 und V3 gleich sind (V2 = V3), wird ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch Auflösen der Gleichung (12) nach (I_a/K)^1/2 die Bedingung (Ia/K)1/2 < Vtho + Vth2 – Vth1 (18) erhalten. Da V_th0 > V_th1 und V_th2 > V_th1, ist V_th0 + V_th2 – V_th1 größer als V_th2 bei Gleichung (13), d.h. es gilt V_th0 + V_th2 – V_th1 > V_th2. Daher ist es möglich, den durch die Gleichung (18) ausgedrückten Strom I_a auf einen größeren Wert einzustellen, als den durch die Gleichung (13) ausgedrückten.
Dabei können die Schwellenwertspannungen der MOS-Transistoren 114, 103 und 102 (V_th0, V_th1, V_th2) willkürlich in Abhängigkeit vom Verwendungszweck bestimmt werden.
Nachstehend sind mehrere Wege zum Ändern der Schwellenwertspannung eines MOS-Transistors beschrieben.
(1) Ausbilden einer dotierten Schicht im Kanalbereich
Unter Bezugnahme auf 5 bezeichnet das Bezugszeichen 401 ein Halbleitersubstrat, was bei 5 ein p-Halbleiter ist. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 402 auf dem Halbleitersubstrat 401 ausgebildete und durch ein Gate-Oxid 405 getrennte Gate-Elektroden, die beispielsweise aus Polysilizium, Polyzid oder einer laminierten Schicht daraus ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 403 bezeichnet Source-Elektroden und Drain-Elektroden von zu dem Halbleitersubstrat 401 entgegengesetzter Leitungsart, die beispielsweise durch Ionenimplantation in das Halbleitersubstrat 401 ausgebildet sind. Die vorstehend beschriebenen Bestandteile konfigurieren Feldeffekttransistoren (FET).
Sodann ist es durch Ausbilden einer dotierten Schicht 404 im Kanalbereich eines gewünschten Transistors möglich, einen Transistor mit einer von anderen Transistoren verschiedenen Schwellenwertspannung leicht auszubilden. In 5 ist es beispielsweise durch Dotieren von n- Ionen zum Ausbilden der dotierten Schicht 404 möglich, die Schwellenwertspannung im Vergleich dazu zu verringern, wenn keine dotierte Schicht vorhanden ist. Demgegenüber kann durch Dotieren von p-Ionen die Schwellenwertspannung erhöht werden. Eine Änderung in der Schwellenwertspannung kann durch Steuern der Dotierstoffkonzentration und der Tiefe der dotierten Schicht 404 genau bestimmt werden.
Hierbei wird bei dieser Konfiguration eine dotierte Schicht in einem Transistor ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und dotierte Schichten mit verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen, die auf optimale Bedingungen eingestellt sind, können in mehr als einem Transistor ausgebildet werden.
(2) Ausbilden des Wannenbereichs
Als weiteres Verfahren zum Ändern einer Schwellenwertspannung gibt es ein Verfahren zum Konfigurieren eines Transistors gemäß 6. Dabei sind in 6 dieselben Abschnitte wie die in 5 gezeigten durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
In 6 bezeichnet das Bezugszeichen 501 eine in einem Bereich ausgebildete Wanne, wo ein gewünschter Transistor ausgebildet ist. Bei 6 ist die Dotierstoffkonzentration der p-Wanne 501 verschieden von der Dotierstoffkonzentration des Halbleitersubstrates 401 derselben p-Art. Somit kann durch Ausbilden der Wanne 501 mit einer gegenüber dem Halbleitersubstrat 401 verschiedenen Dotierstoffkonzentration die Schwellenwertspannung des gewünschten Transistors leicht gesteuert werden. In 6 ist dabei ein Fall gezeigt, bei dem eine p-Wanne in einem p-Substrat ausgebildet ist, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es kann eine Vielzahl von p-Wannen mit verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen, die für den Erhalt gewünschter Schwellenwertspannungen gesteuert werden, in einem n-Substrat ausgebildet werden.
(3) Steuern der Dicke einer dielektrischen Schicht an der Gate-Elektrode
Als weiteres Verfahren zum Ändern der Schwellenwertspannung gibt es ein Verfahren zum Konfigurieren eines Transistors gemäß 7. Dabei sind in 7 dieselben Abschnitte, wie die in 5 gezeigten, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Die Bezugszeichen 601 und 602 bezeichnen dielektrische Schichten unter den Gate-Elektroden von jeweiligen FETs. Die dielektrischen Schichten werden nachstehend „dielektrische Gate-Schicht" genannt. Durch Bereitstellen einer dielektrischen Gate-Schicht zwischen der Gate-Elektrode 402 eines gewünschten Transistors und dem Halbleitersubstrat 401 mit einer von der Dicke der dielektrischen Gate-Schicht eines anderen Transistors verschiedenen Dicke, ist es möglich, einen Transistor mit einer gegenüber dem anderen Transistor verschiedenen Schwellenwertspannung auszubilden.
Derselbe Effekt wird zudem unter Verwendung von verschiedenen Materialien mit verschiedenen dielektrischen Konstanten für die dielektrischen Gate-Schichten in unterschiedlichen Transistoren erreicht. Beispielsweise kann in einem Transistor Siliziumoxid und in einem anderen Transistor Siliziumnitrid verwendet sein. Auf diese Weise kann ein Transistor mit einer Schwellenwertspannung ausgebildet werden, die verschieden von der des anderen Transistors ist.
(4) Steuern der Substratvorspannung
Als weiteres Verfahren zum Ändern der Schwellenwertspannung gibt es ein Verfahren zum Konfigurieren eines Transistors gemäß 8. Dabei sind in 8 die zur 5 gleichen Abschnitte durch denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Dabei ist jeder FET in jeder Wanne 501 ausgebildet, deren Leitungsart zu der des Source-Bereichs und des Drain-Bereichs entgegengesetzt ist. Die Wanne 501, wo ein Transistor mit einer zu verändernden Schwellenwertspannung ausgebildet ist, ist in einem Abstand von anderen Wannen für andere Transistoren getrennt bereitgestellt. Die Wannen 501 in 8 sind mit verschiedenen Energieversorgungsanschlüssen 701 und 702 verbunden. Durch Bereitstellen von voneinander verschiedenen Spannungen an den Energieversorgungsanschlüssen 701 und 702 kann bei dieser Konfiguration die Schwellenwertspannung eines gewünschten Transistors von der eines anderen Transistors aufgrund des sogenannten Rückseiten-Gate-Effektes in einem FET unterschiedlich ausgebildet werden.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist eine Veränderung in der Schwellenwertspannung durch Ändern der Spannung der Energieversorgungshalbleiterverarbeitung möglich; daher wird der Schwellenwert noch genauer gesteuert. Ferner wird eine Rückkopplung rasch durchgeführt, damit die Schwellenwertspannung die optimalen Bedingungen erfüllt. Zudem können die Bedingungen zum Ausbilden der Wannen für alle Transistoren identisch entworfen werden, und der Halbleiterherstellungsvorgang zum Ausbilden der Transistoren kann vereinfacht werden.
(5) Steuern der Länge der Gate-Elektrode
9 zeigt ein weiteres Verfahren zum Ändern der Schwellenwertspannung eines Transistors. Dabei sind in 9 die zur 5 gleichen Abschnitte durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Unter Bezugnahme auf 9 sind die Längen der Gate-Elektroden 801 und 802 der Transistoren variiert. Wenn bei einem FET mit isolierter Gate-Elektrode die Gate-Länge weniger als 3–4 μm beträgt, ist ein Phänomen bekannt, dass die Schwellenwertspannung aufgrund des Randeffektes des elektrischen Feldes an der Source-Kante und der Drain-Kante eines Kanals abfällt. Dies wird Kurzkanaleffekt genannt.
Die in 9 gezeigte Konfiguration verwendet den Kurzkanaleffekt, und indem die Gate-Länge eines gewünschten Transistors von dem eines anderen Transistors verschieden ist, können verschiedene Schwellenwertspannungen verwirklicht werden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind Transistoren einer einzigen Art in einem Halbleiterherstellungsvorgang auszubilden; daher werden die Transistoren bei geringen Kosten hergestellt. Ferner ist es unnötig, zusätzliche Energieversorgungsanschlüsse wie bei der in 8 gezeigten Konfiguration bereitzustellen, so dass die Steuerschaltung vereinfacht wird.
(6) Steuern der Breite der Gate-Elektrode
10 zeigt ein weiteres Verfahren zum Ändern der Schwellenwertspannung eines Transistors. Dabei sind in 10 die zu 5 gleichen Abschnitte durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Bezugnehmend auf 10 sind die Breiten der Gate-Elektroden 803 und 804 der Transistoren variiert. Bei einem FET mit isolierter Gate-Elektrode ist im Allgemeinen eine dicke dielektrische Schicht zwischen benachbarten Elementen zur gegenseitigen Isolation bereitgestellt, und die Dotierstoffkonzentration des Substrates unter den Elementen wird hoch entworfen, so dass eine Inversion nicht leicht auftritt. Wenn somit das Verhältnis des Elementtrennungsbereiches zu der Breite der Gate-Elektrode nicht zu ignorieren ist, steigt die Schwellenwertspannung. Dieses Phänomen ist als Schmalkanaleffekt bekannt. Die in 10 gezeigte Konfiguration verwendet dieses Phänomen, und durch Verändern der Breite der Gate-Elektrode eines gewünschten Transistors von der eines anderen Transistors ist es möglich, verschiedene Schwellenwertspannungen zu realisieren.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind Transistoren einer einzigen Art bei einem Halbleiterherstellungsvorgang auszubilden; daher werden die Transistoren bei geringen Kosten hergestellt. Da die Bereitstellung von zusätzlichen Energieversorgungsanschlüssen wie bei der in 8 gezeigten Konfiguration unnötig ist, wird eine Steuerschaltung vereinfacht.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Erhöhung des Stromes möglich, der durch die Source-Folger-Stufe der fotoelektrischen Wandlervorrichtung fließen kann, ohne den Dynamikbereich zu verschmälern.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein n-FET als Beispiel beschrieben, es kann jedoch anstelle des n-FET ein p-FET verwendet werden, indem ihre Schwellenwertspannungen in ähnlicher Weise gesteuert werden.
Ferner ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Ausdrücken des durch den Zeilenauswahlschalter 103 fließenden Stromes I_a eine graduelle Kanalannäherung (Gleichung (10)) verwendet worden. Dies gibt die Eigenschaften eines idealen Transistors wieder. Falls aufgrund der Größenreduktion ein praktischer Transistor nicht so ideal wie ein durch die Gleichung (10) repräsentierter Transistor ist, werden die erfindungsgemäßen Wirkungen eingehalten. Das Prinzip der Erfindung ist die Steuerung der Durchlassimpedanz eines FET, so dass die Gleichung (7) erfüllt wird, und gemäß der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es dazu sehr effektiv, den Zeilenauswahlschalter 103 und den Rücksetzschalter 114 mit verschiedenen Schwellenwertspannungen zu entwerfen.
<Drittes Ausführungsbeispiel>
Nachstehend ist das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind die an die Gate-Elektroden des Rücksetzschalters 114 und des Zeilenauswahlschalters 103 angelegten Spannungen V2 und V3 auf verschiedene Werte eingestellt, so dass die Gleichung (12) erfüllt ist.
Falls die Schwellenwertspannungen der MOS-Transistoren 114, 103 und 102 identisch sind und (V_th0 = V_th1 = V_th2 = V_th), wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt wird, wird durch Auflösen der Gleichung (12) nach (I_a/K)^1/2 (Ia/K)1/2 < –V2 + V3 + Vth (19)erhalten. Durch Einstellen von V3 > V2 ist die rechte Seite der Gleichung (19) größer als V_th2 in Gleichung (13), d.h. –V2 + V3 + V_th > V_th2. Folglich ist es möglich, den Strom I_a in Gleichung (19) auf einen größeren Wert als in Gleichung (13) einzustellen. Gemäß dem vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel ist es zusätzlich zu der Wirkung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel möglich, den Strom zu erhöhen, der durch die Source-Folger-Stufe der fotoelektrischen Wandlervorrichtung fließen darf, ohne den Dynamikbereich zu verschmälern.
Ferner ist es möglich, die Schwellenwertspannung durch Ändern der Spannung der Energieversorgung nach der Halbleiterherstellungsverarbeitung zu ändern; daher wird der Schwellenwert noch genauer gesteuert. Ferner wird leicht eine Rückkopplung durchgeführt, damit der Schwellenwert eine optimale Bedingung erfüllt.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist es dabei außerdem möglich, den Zeilenauswahlschalter 103 mit einer von dem MOS-Transistor 102 und dem Rücksetzschalter 114 verschiedenen Schwellenwertspannung zu entwerfen, wie es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
<Viertes Ausführungsbeispiel>
Als viertes Ausführungsbeispiel ist ein Fall beschrieben, bei dem der Rücksetzschalter 114 im Sättigungsbereich und der Zeilenauswahlschalter 103 im linearen Bereich arbeitet. In Anbetracht dessen, dass der durch den Zeilenauswahlschalter 103 fließende Strom derselbe wie der durch die Source-Folger-Stufe fließende ist, wird dabei die nachstehend angeführte Gleichung (21) unter Bezugnahme auf 6 erhalten. Ia = K(V3 – V1 – Vth1)2 – K(V3 – Vc1 – Vth1)2 (20)wobei K = 1/2 × μ × Cox × W/L mit

μ:: Beweglichkeit
C_ox:: Kapazität des Gate-Oxids pro Einheitsfläche
W:: Gate-Breite
L:: Gate-Länge

Durch Auflösen der Gleichung (20) nach V1 erhält man V1 = V3 – Vth1 – (Ia/K + (V3 – Vc1 – Vth2)2)1/2 (21)
Durch Einsetzen der Gleichung (21) und der bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichung (9) in die Gleichung (1) ergibt sich die Bedingung für einen Betrieb der Source-Folger-Stufe im linearen Betriebsbereich, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt ist, wie folgt. V3 – Vth1 – (Ia/K + (V3 – Vc1 – Vth1)2)1/2 > V2 – Vth0 – Vth2 (22)
Durch Steuern der Schwellenwertspannung des Rücksetzschalters 114 und der Schwellenwertspannung des Zeilenauswahlschalters 103 zum Erfüllen der vorstehend beschriebenen Gleichung (22) auf dieselbe Weise wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, ist es bei dem vierten Ausführungsbeispiel möglich, dass die Source-Folger-Stufe stets im linearen Betriebsbereich arbeitet.
Ferner ist es außerdem möglich, die an die Gate-Elektroden des Rücksetzschalters 114 und des Zeilenauswahlschalters 103 angelegten Spannungen V2 und V3 derart zu steuern, wie es bei dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
Ferner ist es außerdem möglich, die Spannung der Energieversorgung der Source-Folger-Stufe zu steuern.
<Fünftes Ausführungsbeispiel>
11 zeigt ein Schaltbild von einem fotoelektrischen Wandlerelement 1 und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind in 11 die zu 4 gleichen Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
In 11 bezeichnet das Bezugszeichen 1001 eine Energieversorgungsleitung, die ausschließlich für den Rücksetzschalter 114 bereitgestellt ist, und die von der Energieversorgungsleitung für die Source-Folger-Stufe verschieden ist. An die Energieversorgungsleitung 1001 wird eine Spannung V_c2 angelegt. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel ist der Rücksetzschalter 114 für einen Betrieb im linearen Bereich entworfen (V_c2 – V_sig0 ≤ V2 – V_sig0 – V_th0 → V_c2 ≤ V2 – V_th0), und der Zeilenauswahlschalter 103 ist für einen Betrieb im Sättigungsbereich entworfen. Dabei wird die Rücksetzspannung V_sig0 durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt. Vsig0 = Vc2 (23)
Durch Einsetzen der Gleichung (23) und der bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichung (11) in die Gleichung (1) wird eine Bedingung für einen Betrieb der Source-Folger-Stufe im linearen Betriebsbereich erhalten, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt wird, und man erhält: V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 > Vc2 – Vth2, wobei Vc2 ≤ V2 – Vth0 (24)
Somit ist es durch Einstellen der Spannung V_c2 der Energieversorgung für den Rücksetzschalter 114 auf einen von der Spannung V_c1 für die Source-Folger-Stufe verschiedenen Wert möglich, dass die Source-Folger-Stufe stets im linearen Betriebsbereich arbeitet.
Dabei ist es bei dem fünften Ausführungsbeispiel außerdem möglich, den MOS-Transistor 103 mit einer Schwellenwertspannung zu entwerfen, die von der der MOS-Transistoren 102 und 114 verschieden ist, wie es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
<Sechstes Ausführungsbeispiel>
Nachstehend ist bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ein Fall beschrieben, bei dem nach 11 sowohl der Rücksetzschalter 114 als auch der Zeilenauswahlschalter 103 für den Betrieb im linearen Bereich entworfen sind. Durch Einsetzen der bei dem fünften Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichung (23) und der beim vierten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichung (21) in die Gleichung (1) wird die Bedingung für einen Betrieb der Source-Folger-Stufe im linearen Betriebsbereich, wenn die Rücksetzspannung V_sig0 an die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 angelegt ist, durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt. V3 – Vth1 – (Ia/K) + (V3 – Vc1 – Vth1)2)1/2 > Vc2 – Vth2, wobei (Vc2 ≤ V2 – Vth0) (25)
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel kann durch Steuern der Schwellenwertspannung V_th0 des Rücksetzschalters 114 und der Schwellenwertspannung V_th1 und des Zeilenauswahlschalters 103 auf dieselbe Weise, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, die Source-Folger-Stufe stets im linearen Betriebsbereich arbeiten.
Ferner ist es außerdem möglich, die an die Gate-Elektroden des Rücksetzschalters 114 und des Zeilenauswahlschalters 103 angelegten Spannungen V2 und V3 derart zu steuern, wie es bei dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
Ferner ist außerdem eine Steuerung der Energieversorgungsspannung V_c2 für den Rücksetzschalter 114 und der Energieversorgungsspannung V_c1 für die Source-Folger-Stufe derart möglich, wie es bei dem fünften Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
<Siebtes Ausführungsbeispiel>
12 zeigt ein Schaltbild von einem fotoelektrischem Wandlerelement 1 und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind in 12 die zu 4 gleichen Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
In 12 bezeichnet das Bezugszeichen 1101 einen zwischen der Gate-Elektrode und des Rücksetzschalters 114 und der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 ausgebildeten Kondensator. Der Kondensator 1101 kann absichtlich ausgebildet sein, oder es kann eine parasitäre Kapazität verwendet werden. Das Bezugszeichen 1102 bezeichnet einen zwischen der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 und Masse ausgebildeten zweiten Kondensator.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird die Gate-Spannung des MOS-Transistors 102 auf einer auf der Grundlage der Potentiale von Source-Elektrode, Gate-Elektrode, Drain-Elektrode und Wanne des Rücksetzschalters 114 bestimmen Spannung zurückgesetzt. Sodann wird der Rücksetzschalter 114 durch Ändern der Gate-Spannung des Schalters 114 abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Gate-Spannung des MOS-Transistors 102 um ein Ausmaß, das von dem Verhältnis der ersten Kapazität 1101 zu der zweiten Kapazität 1102 aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen der Gate-Leitung 15 des Rücksetzschalters 114 und der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 abhängt. Wenn beispielsweise der Rücksetzschalter 114 ein n-Kanal-Transistor ist, kann das Potential an der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 auf ein geringeres Potential als die anfängliche Rücksetzspannung verändert werden. Wenn das Änderungsausmaß ΔV ist, dann ergibt sich unter Umschreibung der bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichung (12) V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 > V2 – Vth0 – ΔV – Vth2 (26)
Durch Steuern des Wertes der zwischen der Gate-Elektrode des Rücksetzschalters 114 und der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 ausgebildeten Kapazität 1101 sowie des Wertes der zwischen der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 und Masse ausgebildeten Kapazität 1102 ist es gemäß Gleichung (26) möglich, die Rücksetzspannung zu ändern, so dass die Source-Folger-Stufe linear arbeitet. Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind Transistoren einer einzelnen Art in identischer Halbleiterverarbeitung auszubilden; daher werden die Transistoren bei geringen Kosten hergestellt. Zudem wird es zusätzlich zu demselben Effekt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel unnötig, zusätzliche Energieversorgungsanschlüsse bereitzustellen, wie es bei einem Verfahren zum Ändern der Schwellenwertspannung (4) bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, indem die Substratvorspannung gesteuert wird.
<Achtes Ausführungsbeispiel>
13 zeigt ein Schaltbild eines fotoelektrischen Wandlerelementes 1 und seiner Peripherieschaltung entsprechend einem einzelnen Bildelement gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind in 13 die zu 4 gleichen Elemente durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung ist weggelassen.
In 13 bezeichnet das Bezugszeichen 1201 einen Ladungsübertragungsschalter zum Durchführen eines vollständigen Verarmungsübertragungsvorgangs der Signalladung von dem fotoelektrischen Wandlerelement 1 auf die Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102. Das Bezugszeichen 702 bezeichnet eine Übertragungs-Gate-Leitung zum Steuern des Übertragungsschalters 1201. Allgemein gesprochen ist zum Erhöhen der Empfindlichkeit der photoelektrischen Wandlervorrichtung das fotoelektrische Wandlerelement 1 mit einer großen Fläche entworfen, damit die Signalladungsmenge erhöht wird, die gespeichert werden kann. In Reaktion auf die Fläche erhöht sich jedoch die parasitäre Kapazität der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102; folglich verschlechtert sich die Umwandlungseffizienz zum Umwandeln einer Fotoladung in eine Spannung, was eine effiziente Verbesserung der Empfindlichkeit vermeidet. Zur Bewältigung dieses Problems kann durch Bereitstellung des Übertragungsschalters 1201, Entwerfen der Kapazität der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 auf einen kleineren Wert als die Kapazität des fotoelektrischen Wandlerelementes 1 (beispielsweise einer Fotodiode), und Durchführen des vollständigen Verarmungsübertragungsvorgangs die durch das großformatige fotoelektrische Wandlerelement 1 erzeugte Fotoladung in eine Spannung mit einer großen Spannungsvariation umgewandelt werden, die umgekehrt proportional zu der Kapazität der Gate-Elektrode des MOS-Transistors 102 ist, und die Empfindlichkeit verbessert werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen achten Ausführungsbeispiel ist es außerdem möglich, dieselben Wirkungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzielen.

Claims

Fotoelektrische Wandlervorrichtung mit einer Vielzahl von Bildelementzellen, von denen jede ein fotoelektrisches Wandlerelement (1), einen Feldeffekttransistor (102), dessen Gateelektrode ein durch das fotoelektrische Wandlerelement erzeugtes Ladungssignal empfängt, und dessen Drainelektrode mit elektrischer Energie durch eine erste Energieversorgungsleitung (4, 5) versorgt wird, und einen zwischen dem Feldeffekttransistor und der ersten Energieversorgungsleitung verbundenen ersten Schalter (103) beinhaltet, wobei der Feldeffekttransistor zwischen dem ersten Schalter und einer Signalausgabeleitung (6) verbunden ist, wobei jede Bildelementzelle die nachstehende Bedingung erfüllt: Vc1 – Ron × Ia > Vsig0 – Vth,wobei eine Rücksetzspannung zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) mit V_sig0 bezeichnet ist, die Schwellenwertspannung des Feldeffekttransistors mit V_th bezeichnet ist, der durch den Feldeffekttransistor fließende Strom mit I_a bezeichnet ist, eine an die erste Energieversorgungsleitung angelegte Spannung mit V_c1 bezeichnet ist, und der Reihenwiderstand des ersten Schalters mit R_on bezeichnet ist.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) aufweist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) Feldeffekttransistoren mit voneinander verschiedenen Schwellenwertspannungen (V_th1, V_th0) sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) Kanalbereiche (401, 404) mit voneinander verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) Wannenbereiche (401, 501) mit voneinander verschiedenen Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) dielektrische Gateschichten (601, 602) mit voneinander verschiedenen Dicken aufweisen.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) dielektrische Schichten aus verschiedenen Materialien mit voneinander verschiedenen dielektrischen Konstanten aufweisen.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) auf verschiedenen Wannenbereichen (501) ausgebildet sind, die voneinander isoliert und für den Empfang verschiedener Spannungen eingerichtet sind, und wobei der erste Schalter und der zweite Schalter verschiedene Schwellenwertspannungen aufweisen, wenn die verschiedenen Spannungen an die jeweiligen Wannenbereichen angelegt werden.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) Feldeffekttransistoren mit isolierter Gateelektrode mit voneinander verschiedenen Gatelängen (801, 802) sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter (114) Feldeffekttransistoren mit isolierter Gateelektrode mit voneinander verschiedenen Gatebreiten (803, 804) sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) aufweist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind, und die Gateelektroden des ersten Schalters und des zweiten Schalters für den Empfang von unterschiedlichen angelegten Spannungen (V2, V3) eingerichtet sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) und eine zweite Energieversorgungsleitung (1001) für die Zufuhr elektrischer Energie einer Spannung (V_c2), die von der an die erste Energieversorgungsleitung (4) angelegten Spannung (V_c1) verschieden ist, an den zweiten Schalter (114), und wobei der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) und einen zwischen dem zweiten Schalter und der Gatelektrode des Feldeffekttransistors ausgebildeten Kondensator (1101) aufweist, und die Gatespannung des Feldeffekttransistors über den Kondensator gesteuert ist.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) und einen zwischen dem fotoelektrischen Wandlerelement (1) und einem Knotenpunkt des zweiten Schalters und der Gateelektrode des Feldeffekttransistors verbundenen dritten Schalter (1201) aufweist.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) aufweist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind, und wenn bei dem ersten Schalter die Mobilität mit μ, die Kapazität des Gateoxids per Flächeneinheit mit Cox, die Gatebreite mit W und die Gatelänge mit L bezeichnet ist, und K = 1/2 × μ × Cox × W/L ist, und eine Schwellenwertspannung des zweiten Schalters mit V_th0, eine Schwellenwertspannung des ersten Schalters mit V_th1, die Gatespannung des zweiten Schalters mit V2 und die Gatespannung des ersten Schalters mit V3 bezeichnet ist, dann erfüllt jede Bildelementzelle die nachstehend bestimmte Bedingung: V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 > V2 – Vth0 – Vth.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Gatespannung V2 des zweiten Schalters (114) und die Gatespannung V3 des ersten Schalters (103) gleich gesteuert sind, und die Schwellenwertspannung V_th des Feldeffekttransistors (102), die Schwellenwertspannung V_th0 des zweiten Schalters und die Schwellenwertspannung V_th1 des ersten Schalters gleich eingestellt sind.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Gatespannung V2 des zweiten Schalters (114) und die Gatespannung V3 des ersten Schalters (103) gleich gesteuert sind, und die Schwellenwertspannung V_th0 des zweiten Schalters von der Schwellenwertspannung V_th1 des ersten Schalters verschieden eingestellt ist.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Gatespannung V2 des zweiten Schalters (114) verschieden von der Gatespannung V3 des ersten Schalters (103) gesteuert ist, und die Schwellenwertspannung V_th0 des zweiten Schalters von der Schwellenwertspannung V_th1 des ersten Schalters verschieden eingestellt ist.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) aufweist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind, und wenn bei dem ersten Schalter die Mobilität mit μ, die Kapazität des Gateoxids per Flächeneinheit mit Cox, die Gatebreite mit W und die Gatelänge mit L bezeichnet ist, und K = 1/2 × μ × Cox × W/L ist, und eine Schwellenwertspannung des zweiten Schalters mit V_th0, eine Schwellenwertspannung des ersten Schalters mit V_th1, die Gatespannung des zweiten Schalters mit V2 und die Gatespannung des ersten Schalters mit V3 bezeichnet ist, dann erfüllt jede Bildelementzelle die nachstehend bestimmte Bedingung: V3 – Vth1 – (Ia/K + (V3 – Vc1 – Vth1)2)1/2 > V2 – Vth0 – Vth.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gatelektrode des Feldeffekttransistors (102) und eine zweite Energieversorgungsleitung (1001) für die Zufuhr von elektrischer Energie einer Spannung aufweist, die von der über die erste Energieversorgungsleitung (4) angelegte Spannung (V_c1) verschieden ist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind, und wenn bei dem ersten Schalter die Beweglichkeit mit μ, die Kapazität des Gateoxids per Flächeneinheit mit Cox, die Gatebreite mit W und die Gatelänge mit L bezeichnet ist, und K = 1/2 × μ × Cox × W/L ist, und eine Schwellenwertspannung des zweiten Schalters mit V_th0, eine Schwellenwertspannung des ersten Schalters mit V_th1, die Gatespannung des zweiten Schalters mit V2, die Gatespannung des ersten Schalters mit V3 und die über die zweite Energieversorgungsleitung angelegte Spannung mit V_c2 bezeichnet ist, dann erfüllt jede Bildelementzelle die nachstehend bestimmte Bedingung: V3 – Vth1 – (Ia/K)1/2 > Vc2 – Vth, wobei Vc2 ≤ V2 – Vth0.
Fotoelektrische Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Bildelementzellen ferner einen zweiten Schalter (114) zum Zurücksetzen der Gateelektrode des Feldeffekttransistors (102) und eine zweite Energieversorgungsleitung (1001) für die Zufuhr von elektrischer Energie einer Spannung aufweist, die von der über die erste Energieversorgungsleitung (4) angelegte Spannung (V_c1) verschieden ist, und der erste Schalter (103) und der zweite Schalter Feldeffekttransistoren sind, und wenn die Beweglichkeit bei dem ersten Schalter mit μ, die Kapazität des Gateoxids per Flächeneinheit mit Cox, die Gatebreite mit W und die Gatelänge mit L bezeichnet ist, und K = 1/2 × μ × Cox × W/L ist, und eine Schwellenwertspannung des zweiten Schalters mit V_th0, eine Schwellenwertspannung des ersten Schalters mit V_th1, die Gatespannung des zweiten Schalters mit V2, die Gatespannung des ersten Schalters mit V3 und die über die zweite Energieversorgungsleitung angelegte Spannung mit V_c2 bezeichnet ist, dann erfüllt jede Bildelementzelle die nachstehend bestimmte Bedingung: V3 – Vth1 – (Ia/K + (V3 – Vc1 – Vth1)2)1/2 > Vc2 – Vth1, wobei Vc2 = V2 – Vth0.