JP2019071579A - Differential amplifier, pixel circuit and solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、差動増幅器、この差動増幅器を備える画素回路、および、この画素回路を備える固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a differential amplifier, a pixel circuit including the differential amplifier, and a solid-state imaging device including the pixel circuit.
固体撮像装置は、一般に、基板上に1次元状または2次元状に配列されて形成された複数のフォトダイオードと、これら複数のフォトダイオードそれぞれからの出力信号を入力して処理する画素回路とを備える。また、画素回路は、増幅器および積分容量部を含む。画素回路は、フォトダイオードから出力された信号を入力して積分容量部に電荷を蓄積し、その電荷蓄積量に応じた電圧値を増幅器の出力端子から出力する。 In general, a solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes formed in a one-dimensional or two-dimensional array on a substrate, and a pixel circuit that receives and processes output signals from each of the plurality of photodiodes. Prepare. Also, the pixel circuit includes an amplifier and an integration capacitor. The pixel circuit receives the signal output from the photodiode, stores the charge in the integration capacitance unit, and outputs a voltage value corresponding to the charge storage amount from the output terminal of the amplifier.
画素回路において増幅器として差動増幅器(特許文献1参照)が用いられる。この場合、差動増幅器の第1入力端子に基準電圧が入力され、第2入力端子にフォトダイオードからの信号が入力される。差動増幅器では、これら2つの入力端子はイマジナリショートの関係にあることから、2つの入力端子の間の電位差は略ゼロになる。したがって、略ゼロの逆バイアス電圧でフォトダイオードを駆動することができるので、暗電流を抑制することができる。この点で、画素回路において差動増幅器を用いることが好ましい。 A differential amplifier (see Patent Document 1) is used as an amplifier in a pixel circuit. In this case, the reference voltage is input to the first input terminal of the differential amplifier, and the signal from the photodiode is input to the second input terminal. In the differential amplifier, since these two input terminals are in an imaginary short relationship, the potential difference between the two input terminals is substantially zero. Accordingly, since the photodiode can be driven with a reverse bias voltage of substantially zero, dark current can be suppressed. In this respect, it is preferable to use a differential amplifier in the pixel circuit.
固体撮像装置は、空間分解能の向上および低価格化のために、フォトダイオードの高集積化が要求されている。すなわち、基板上に形成されるフォトダイオードの個数の増加、および、画素の狭ピッチ化(各フォトダイオードの狭面積化)が要求されている。高集積化のために、固体撮像装置は、複数のフォトダイオードが形成された第1基板と、複数の画素回路が形成された第2基板と、を対向配置した構成とされる場合がある。特に、化合物半導体からなる第1基板上にフォトダイオードが形成され、一方でシリコンからなる第2基板上に画素回路が形成される場合、第1基板と第2基板とは互いに別個のものとされる。この場合、第1基板上のフォトダイオードの高集積化に併せて、第2基板上の画素回路の高集積化も要求される。すなわち、第2基板上における画素回路の狭ピッチ化(各画素回路のレイアウトの狭面積化)も要求される。 In solid-state imaging devices, high integration of photodiodes is required to improve spatial resolution and reduce costs. That is, an increase in the number of photodiodes formed on a substrate and a reduction in the pitch of pixels (area reduction of each photodiode) are required. In order to achieve high integration, the solid-state imaging device may be configured such that a first substrate on which a plurality of photodiodes are formed and a second substrate on which a plurality of pixel circuits are formed are opposed to each other. In particular, in the case where the photodiode is formed on the first substrate made of compound semiconductor and the pixel circuit is formed on the second substrate made of silicon, the first substrate and the second substrate are separated from each other. Ru. In this case, high integration of the pixel circuit on the second substrate is also required along with high integration of the photodiode on the first substrate. That is, narrowing of the pixel circuits on the second substrate (narrowing of the layout of the pixel circuits) is also required.
本発明者は、差動増幅器を含む画素回路の狭ピッチ化について研究を進める過程において、以下のような知見を得た。すなわち、差動増幅器の出力レンジの大きさは、差動増幅器の回路構成により制約される。出力レンジを大きくする為に、特許文献1に記載されているように差動増幅器の後段に出力バッファを設ける等、回路上の工夫をすることが考えられる。しかし、この場合には、差動増幅器を含む画素回路の回路規模が大きくなるので、画素回路の狭ピッチ化の目的に反することになる。 The inventors of the present invention obtained the following findings in the process of researching narrowing of a pixel circuit including a differential amplifier. That is, the size of the output range of the differential amplifier is limited by the circuit configuration of the differential amplifier. In order to increase the output range, it is conceivable to devise on the circuit, such as providing an output buffer at the rear stage of the differential amplifier as described in Patent Document 1. However, in this case, the circuit scale of the pixel circuit including the differential amplifier is increased, which is against the purpose of narrowing the pixel circuit.
また、画素回路の狭ピッチ化の為に、微細CMOSプロセスを用いて画素回路を作製することが必要になる。しかし、微細CMOSプロセスにより作製された差動増幅器は低い電源電圧により駆動されることになるので、これに応じて差動増幅器の出力レンジは小さくなってしまう。 In addition, in order to narrow the pitch of the pixel circuit, it is necessary to manufacture the pixel circuit using a fine CMOS process. However, since the differential amplifier fabricated by the fine CMOS process is driven by a low power supply voltage, the output range of the differential amplifier is correspondingly reduced.
本発明は、このような本発明者の知見に基づいてなされたものであり、画素回路を狭ピッチ化することができるとともに出力レンジの低下を抑制することができる差動増幅器を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such findings of the present inventor, and it is an object of the present invention to provide a differential amplifier capable of narrowing the pixel circuit and suppressing the reduction of the output range. To aim.
本発明の差動増幅器は、第1入力端子,第2入力端子および出力端子を有する差動増幅器である。本発明の差動増幅器は、(1) 第1導電型の第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタを含み、第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタそれぞれのソースが共通ノードに接続され、第1MOSトランジスタのゲートが第1入力端子に接続され、第2MOSトランジスタのゲートが第2入力端子に接続された入力差動対と、(2) 第2導電型の第3MOSトランジスタおよび第4MOSトランジスタを含み、第3MOSトランジスタおよび第4MOSトランジスタそれぞれのソースに第1基準電圧が入力され、第3MOSトランジスタのドレインが第1MOSトランジスタのドレインに接続され、第4MOSトランジスタのドレインが第2MOSトランジスタのドレインおよび出力端子に接続され、第3MOSトランジスタおよび第4MOSトランジスタそれぞれのゲートが第3MOSトランジスタのドレインに接続された電流ミラー対と、(3) 第1導電型の第5MOSトランジスタを含み、第5MOSトランジスタのソースに第2基準電圧が入力され、第5MOSトランジスタのドレインが共通ノードに接続され、第5MOSトランジスタのゲートに第3基準電圧が入力される定電流源と、を備える。そして、第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタそれぞれの閾値電圧は、第5MOSトランジスタの閾値電圧より大きい。 The differential amplifier of the present invention is a differential amplifier having a first input terminal, a second input terminal and an output terminal. The differential amplifier of the present invention includes: (1) a first MOS transistor of the first conductivity type and a second MOS transistor, wherein sources of the first MOS transistor and the second MOS transistor are connected to a common node, and a gate of the first MOS transistor is An input differential pair connected to one input terminal, the gate of the second MOS transistor being connected to the second input terminal, and (2) a third MOS transistor and a fourth MOS transistor of the second conductivity type; The first reference voltage is input to the source of each of the four MOS transistors, the drain of the third MOS transistor is connected to the drain of the first MOS transistor, the drain of the fourth MOS transistor is connected to the drain and the output terminal of the second MOS transistor, and the third MOS transistor And a current mirror pair in which the gate of each of the fourth MOS transistors is connected to the drain of the third MOS transistor, and (3) a fifth MOS transistor of the first conductivity type, and the second reference voltage is input to the source of the fifth MOS transistor And a constant current source connected to a common node of the drain of the fifth MOS transistor and to which the third reference voltage is input to the gate of the fifth MOS transistor. The threshold voltage of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor is larger than the threshold voltage of the fifth MOS transistor.
なお、第1導電型および第2導電型のうち一方はN型であり、他方はP型である。第1基準電位および第2基準電位のうち一方は電源電位Vddであり、他方は接地電位である。第3基準電位は、第5MOSトランジスタを定電流源として用いるために第5MOSトランジスタのゲートに印加される電位である。 One of the first conductivity type and the second conductivity type is N-type, and the other is P-type. One of the first reference potential and the second reference potential is the power supply potential Vdd, and the other is the ground potential. The third reference potential is a potential applied to the gate of the fifth MOS transistor in order to use the fifth MOS transistor as a constant current source.
本発明では、第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタそれぞれのゲート下のチャネル領域の不純物濃度が、第5MOSトランジスタのゲート下のチャネル領域の不純物濃度より高いのが好適である。また、第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタそれぞれのゲートと、第5MOSトランジスタのゲートとの間で、導電型または不純物濃度が互いに異なっているのも好適である。 In the present invention, the impurity concentration of the channel region under the gate of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor is preferably higher than the impurity concentration of the channel region under the gate of the fifth MOS transistor. Further, it is also preferable that the conductivity type or the impurity concentration is different between the gate of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor and the gate of the fifth MOS transistor.
本発明の画素回路は、上記の本発明の差動増幅器と、差動増幅器の第2入力端子と出力端子との間に設けられ、第2入力端子に入力される信号に応じて電荷を蓄積する積分容量部とを備え、積分容量部の電荷蓄積量に応じた値の信号を差動増幅器の出力端子から出力する。 The pixel circuit of the present invention is provided between the differential amplifier of the present invention described above and the second input terminal and the output terminal of the differential amplifier, and stores charge according to a signal input to the second input terminal. And a signal having a value according to the charge storage amount of the integration capacitance unit is output from the output terminal of the differential amplifier.
本発明の固体撮像装置は、上記の本発明の画素回路とフォトダイオードとを備え、画素回路が、フォトダイオードから受光に応じて出力される信号を差動増幅器の第2入力端子に入力し、その受光量に応じた値の出力信号を差動増幅器の出力端子から出力する。複数のフォトダイオードが第1基板上に形成され、複数の画素回路が第2基板上に形成されて、第1基板と第2基板とが対向配置されているのが好適である。 A solid-state imaging device according to the present invention includes the above-described pixel circuit according to the present invention and a photodiode, and the pixel circuit inputs a signal output from the photodiode in response to light reception to a second input terminal of the differential amplifier. An output signal having a value corresponding to the amount of light received is output from the output terminal of the differential amplifier. Preferably, the plurality of photodiodes are formed on the first substrate, the plurality of pixel circuits are formed on the second substrate, and the first substrate and the second substrate are disposed to face each other.
本発明によれば、画素回路を狭ピッチ化することができるとともに、差動増幅器の出力レンジの低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to narrow the pitch of the pixel circuit and to suppress the reduction of the output range of the differential amplifier.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, modes for carrying out the present invention will be described in detail. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. The present invention is not limited to these exemplifications, is shown by the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims.
図1は、固体撮像装置1の構成を示す斜視図である。図2は、固体撮像装置1の構成を示す断面図である。固体撮像装置1は、パッケージ30の上に第2基板20が配置され、その第2基板20の上に第1基板10が配置された構成を有する。第1基板10には複数のフォトダイオード11が2次元状に配列されて形成されている。フォトダイオード11は、化合物半導体から構成されるものであってよく、例えばInGaAsから構成されるものであってもよい。第2基板20には複数の画素回路21が2次元状に配列されて形成されている。画素回路21はシリコンから構成されるものであってよい。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the solid-state imaging device 1. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid-state imaging device 1. The solid-state imaging device 1 has a configuration in which the
フォトダイオード11と画素回路21のCTIA50(後述)とは一対一に対応している。すなわち、CTIA50は画素毎に設けられている。第1基板10と第2基板20とは対向配置されており、対応するフォトダイオード11と画素回路21とはバンプ41により互いに電気的に接続されている。このバンプ41を介して、各フォトダイオード11は、基準電圧を与えられるとともに、入射光量に応じて発生した電荷を画素回路21へ出力する。第2基板20上に形成された電極22とパッケージ30上に形成された電極32とは、ボンディングワイヤ42により互いに電気的に接続されている。このボンディングワイヤ42を介して、各画素回路21は、基準電圧および制御信号を与えられるとともに、フォトダイオード11からの電荷を入力して画素毎に処理した結果を出力する。
The
図3は、フォトダイオード11およびCTIA50の基本構成を示す回路図である。CTIA50は、差動増幅器51、積分容量部52およびリセット用のスイッチ53を備える。差動増幅器51は、非反転入力端子(第1入力端子)、反転入力端子(第2入力端子)および出力端子を有する。積分容量部52およびスイッチ53は、互いに並列的に接続されて、差動増幅器51の反転入力端子と出力端子との間に設けられている。フォトダイオード11のアノードは、差動増幅器51の反転入力端子に電気的に接続されている。フォトダイオード11のカソードおよび差動増幅器51の非反転入力端子にはinp電圧が入力される。差動増幅器51の反転入力端子と非反転入力端子とはイマジナリショートの関係にあることから、これら2つの入力端子の間の電位差は略ゼロになる。したがって、フォトダイオード11は略ゼロの逆バイアス電圧で駆動されるので、暗電流を抑制することができる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing the basic configuration of the
差動増幅器51、積分容量部52およびスイッチ53は、容量性帰還トランスインピーダンス増幅器(CTIA: Capacitive Trans-Impedance Amplifier)を構成している。スイッチ53がオン状態であるとき、積分容量部52は放電され、差動増幅器51の出力端子から出力される電圧値は初期値となる。スイッチ53がオフ状態であるとき、フォトダイオード11から出力された信号に応じて積分容量部52に電荷が蓄積されていき、その蓄積されている電荷の量に応じた電圧値が差動増幅器51の出力端子から出力される。なお、スイッチ53はMOSトランジスタにより構成することができる。
The
図4は、画素回路21の詳細構成を示す回路図である。この図に示される画素回路21は、差動増幅器51、積分容量部52およびスイッチ53を含むCTIA50の他に、サンプリング用のスイッチとしてのPMOSトランジスタ54、サンプルホールド用の容量部55、ソースフォロワ回路を構成するNMOSトランジスタ56、および、出力選択用のスイッチとしてのNMOSトランジスタ57を備える。なお、この図には差動増幅器51の回路構成が示されているが、それについては後に図5を用いて説明する。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the
PMOSトランジスタ54のソースは差動増幅器51の出力端子に接続されている。PMOSトランジスタ54のドレインは容量部55の一端に接続されている。容量部55の他端は基準電位(接地電位)とされている。PMOSトランジスタ54は、ゲートに入力されるsample信号により、ソースとドレインとの間のオン/オフ動作が制御される。PMOSトランジスタ54がオン状態からオフ状態に転じると、その直前に差動増幅器51の出力端子から出力されていた電圧値が容量部55により保持される。
The source of the
NMOSトランジスタ56とNMOSトランジスタ57とは、基準電位入力端とvideo線との間で直列的に接続されている。NMOSトランジスタ56のドレインは基準電位(電源電位Vdd)とされている。NMOSトランジスタ56のソースはNMOSトランジスタ57のドレインと接続されている。NMOSトランジスタ57のソースはvideo線に接続されている。NMOSトランジスタ56は、容量部55により保持されている電圧値をゲートに入力して、その電圧値に応じた抵抗値をドレインとソースとの間に有する。NMOSトランジスタ57は、ゲートに入力されるshift信号により、ソースとドレインとの間のオン/オフ動作が制御される。NMOSトランジスタ57がオン状態となると、容量部55により保持されている電圧値に応じた信号がvideo線へ出力される。
The
画素回路21は画素毎に設けられている。複数の画素回路21が共通のvideo線により信号処理回路と接続されている。共通のvideo線に接続された複数の画素回路21それぞれのNMOSトランジスタ57は順次にオン状態となる。信号処理回路は、共通のvideo線に接続された複数の画素回路21のうちNMOSトランジスタ57がオン状態である何れかの画素回路21から出力される信号を選択的に入力し、その入力した信号を処理する。
The
図5は、差動増幅器51の回路図である。差動増幅器51は、非反転入力端子(第1入力端子)61、反転入力端子(第2入力端子)62および出力端子63を有する。差動増幅器51は、NMOSトランジスタ(第1MOSトランジスタ)71およびNMOSトランジスタ(第2MOSトランジスタ)72を含む入力差動対66、PMOSトランジスタ(第3MOSトランジスタ)73およびPMOSトランジスタ(第4MOSトランジスタ)74を含む電流ミラー対67、ならびに、NMOSトランジスタ(第5MOSトランジスタ)75を含む定電流源68、を備える。
FIG. 5 is a circuit diagram of the
NMOSトランジスタ71およびNMOSトランジスタ72は互いに同じ構成を有する。NMOSトランジスタ71,72それぞれのソースは、共通ノード64に接続されている。NMOSトランジスタ71のゲートは、非反転入力端子61に接続されている。NMOSトランジスタ72のゲートは、反転入力端子62に接続されている。
The
PMOSトランジスタ73およびPMOSトランジスタ74は互いに同じ構成を有する。PMOSトランジスタ73,74それぞれのソースに、第1基準電圧(電源電位Vdd)が入力される。PMOSトランジスタ73のドレインは、NMOSトランジスタ71のドレインに接続されている。PMOSトランジスタ74のドレインは、NMOSトランジスタ72のドレインおよび出力端子63に接続されている。PMOSトランジスタ73,74それぞれのゲートは、PMOSトランジスタ73のドレインに接続されている。
NMOSトランジスタ75のソースに第2基準電圧(接地電位)が入力される。NMOSトランジスタ75のドレインは共通ノード64に接続されている。NMOSトランジスタ75のゲートに第3基準電圧(バイアス電圧vb1)が入力される。
The second reference voltage (ground potential) is input to the source of the
このような回路構成を有する差動増幅器51において、NMOSトランジスタ71,72それぞれの閾値電圧は、NMOSトランジスタ75の閾値電圧より大きい。このようにすることにより、微細CMOSプロセスの採用により電源電圧が低くなったとしても、差動増幅器51の出力レンジの低下を抑制することができる。また、差動増幅器51の回路規模(トランジスタ数)は変わらないので、この差動増幅器51を含む画素回路21を狭ピッチ化する上でも好適である。
In the
次に、NMOSトランジスタ71,72それぞれの閾値電圧を他のNMOSトランジスタの閾値電圧より大きくすることにより、差動増幅器51の出力レンジの低下を抑制することができる理由について、以下に説明する。
Next, the reason why the reduction of the output range of the
NMOSトランジスタの各種パラメータ等を次のとおりとする。共通ノード64の電圧値をp1とする。非反転入力端子61の入力電圧値をinpとする。閾値電圧をVthとする。ゲート幅をWとする。ゲート長をLとする。ドレイン電流をIdとする。キャリア移動度をμとする。ゲート下の絶縁層の単位面積当たりの容量値をCoxとする。ゲートの仕事関数をΦGとする。半導体の仕事関数をΦSとする。半導体の誘電率をεsとする。電荷素量をqとする。ゲート下のチャネル領域の不純物濃度をNAとする。また、フェルミポテンシャルをφPとする。これらのパラメータの間には下記(1)式および(2)式の関係がある。
The various parameters of the NMOS transistor are as follows. The voltage value of the
差動増幅器51の出力端子63から出力される電圧値は、非反転入力端子61の入力電圧値inpから共通ノード64の電圧値p1までの範囲に制約される。したがって、NMOSトランジスタ71,72それぞれの閾値電圧Vthを大きくすれば、共通ノード64の電圧値p1を小さくすることができるので、差動増幅器51の出力レンジを大きくすることができる。
The voltage value output from the
閾値電圧Vthを大きくするには、チャネル領域の不純物濃度NAを高くすればよい。すなわち、閾値電圧Vthを大きくしたいNMOSトランジスタのゲート下のチャネル領域の不純物濃度NAを、他のNMOSトランジスタより高くすればよい。 To increase the threshold voltage V th may be increasing the impurity concentration N A of the channel region. That is, the impurity concentration N A of the channel region under the gate of the NMOS transistor to be increased threshold voltage V th, may be higher than the other NMOS transistors.
或いは、閾値電圧Vthを大きくしたいNMOSトランジスタのゲートと、他のNMOSトランジスタのゲートとの間で、導電型または不純物濃度を互いに異ならせてもよい。すなわち、上記(2)式中のゲートの仕事関数ΦGと半導体の仕事関数ΦSとの差(ΦG−ΦS)は、ゲートの導電型および不純物濃度に依存する。この差(ΦG−ΦS)を大きくすることで、閾値電圧Vthを大きくすることができる。なお、一般にゲートの材料としてポリシリコンが用いられる。 Alternatively, the conductivity type or the impurity concentration may be made different between the gate of an NMOS transistor whose threshold voltage V th is desired to be increased and the gate of another NMOS transistor. That is, the difference (Φ G −Φ S ) between the work function G G of the gate and the work function ( S of the semiconductor in the above equation (2) depends on the conductivity type of the gate and the impurity concentration. The threshold voltage V th can be increased by increasing the difference (Φ G −Φ S ). Generally, polysilicon is used as a material of the gate.
NMOSトランジスタの場合、ポリシリコンからなるゲートをN型よりP型とすることで、閾値電圧Vthを大きくすることができる。NMOSトランジスタのゲートがN型である場合、不純物濃度を小さくすることで閾値電圧Vthを大きくすることができる。NMOSトランジスタのゲートがP型である場合、不純物濃度を大きくすることで閾値電圧Vthを大きくすることができる。一方、PMOSトランジスタの場合、ポリシリコンからなるゲートをP型よりN型とすることで、閾値電圧Vthを大きくすることができる。PMOSトランジスタのゲートがN型である場合、不純物濃度を大きくすることで閾値電圧Vthを大きくすることができる。PMOSトランジスタのゲートがP型である場合、不純物濃度を小さくすることで閾値電圧Vthを大きくすることができる。 In the case of an NMOS transistor, the threshold voltage V th can be increased by making the gate made of polysilicon P-type rather than N-type. When the gate of the NMOS transistor is N-type, the threshold voltage V th can be increased by reducing the impurity concentration. When the gate of the NMOS transistor is P-type, the threshold voltage V th can be increased by increasing the impurity concentration. On the other hand, in the case of a PMOS transistor, the threshold voltage V th can be increased by making the gate made of polysilicon N-type rather than P-type. When the gate of the PMOS transistor is N-type, the threshold voltage V th can be increased by increasing the impurity concentration. When the gate of the PMOS transistor is P-type, the threshold voltage V th can be increased by decreasing the impurity concentration.
或いは、閾値電圧Vthを大きくしたいNMOSトランジスタのゲート下の絶縁層の単位面積当たりの容量値Coxを小さくしてもよい。具体的には、閾値電圧Vthを大きくするには、ゲート下の絶縁層として比誘電率の小さい材料を用いてもよいし、絶縁層を厚くしてもよい。 Alternatively, the capacitance value Cox per unit area of the insulating layer under the gate of the NMOS transistor whose threshold voltage Vth is desired to be increased may be reduced. Specifically, to increase the threshold voltage V th , a material with a small relative dielectric constant may be used as the insulating layer under the gate, or the insulating layer may be thick.
次に、シミュレーション結果について説明する。図6は、シミュレーションにおいて用いた回路の構成を示す図である。この図に示されるシミュレーション回路は、図3に示された回路においてフォトダイオード11に替えて定電流源11Aを用いたものである。すなわち、この定電流源11Aは、時間的に一定の量の電荷を発生するフォトダイオードを模したものである。
Next, simulation results will be described. FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a circuit used in the simulation. The simulation circuit shown in this figure uses the constant
図7は、シミュレーション結果を示すグラフである。シミュレーションに際しては2つのケースA,Bを想定した。ケースAでは、NMOSトランジスタ71,72,75,56,57それぞれの閾値電圧を0.65Vとした。ケースBでは、NMOSトランジスタ71,72それぞれの閾値電圧を1.00Vとし、NMOSトランジスタ75,56,57それぞれの閾値電圧を0.65Vとした。非反転入力端子の入力電圧値inpを2.7Vとした。定電流源11Aの出力電流値を3nAとした。スイッチ53のオン期間を30μsとした。積分容量部52の容量値を30pFとした。
FIG. 7 is a graph showing simulation results. Two cases A and B were assumed in the simulation. In case A, the threshold voltage of each of the
NMOSトランジスタ71,72の閾値電圧が他のNMOSトランジスタの閾値電圧と同じケースAでは、差動増幅器51の出力端子から出力される電圧値は2.7Vから1.75Vまでであった。NMOSトランジスタ71,72の閾値電圧が他のNMOSトランジスタの閾値電圧より大きいケースBでは、差動増幅器51の出力端子から出力される電圧値は2.7Vから1.4Vまでであった。ケースAと比べてケースBでは出力レンジが大きくなることが確認された。ケースAとケースBとの間の出力レンジの差は、閾値電圧の差と同じ0.35Vであった。
In the case A where the threshold voltage of the
以上の実施形態では第1導電型をN型とし第2導電型をP型として説明したが、逆に第1導電型をP型とし第2導電型をN型としてもよい。また、以上の実施形態では、固体撮像装置における画素回路の一構成要素として差動増幅器が用いられる場合について説明したが、他の回路においても差動増幅器を用いることができる。 In the above embodiments, the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type. Conversely, the first conductivity type may be P-type and the second conductivity type may be N-type. In the above embodiments, the case where the differential amplifier is used as one component of the pixel circuit in the solid-state imaging device has been described. However, the differential amplifier can be used in other circuits.
1…固体撮像装置、10…第1基板、11…フォトダイオード、20…第2基板、21…画素回路、22…電極、30…パッケージ、32…電極、41…バンプ、42…ボンディングワイヤ、50…CTIA、51…差動増幅器、52…積分容量部、53…スイッチ、54…PMOSトランジスタ、55…容量部、56…NMOSトランジスタ、57…NMOSトランジスタ、61…非反転入力端子(第1入力端子)、62…反転入力端子(第2入力端子)、63…出力端子、64…共通ノード、66…入力差動対、67…電流ミラー対、68…定電流源、71…NMOSトランジスタ(第1MOSトランジスタ)、72…NMOSトランジスタ(第2MOSトランジスタ)、73…PMOSトランジスタ(第3MOSトランジスタ)、74…PMOSトランジスタ(第4MOSトランジスタ)、75…NMOSトランジスタ(第5MOSトランジスタ)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
第1導電型の第1MOSトランジスタおよび第2MOSトランジスタを含み、前記第1MOSトランジスタおよび前記第2MOSトランジスタそれぞれのソースが共通ノードに接続され、前記第1MOSトランジスタのゲートが前記第1入力端子に接続され、前記第2MOSトランジスタのゲートが前記第2入力端子に接続された入力差動対と、
第2導電型の第3MOSトランジスタおよび第4MOSトランジスタを含み、前記第3MOSトランジスタおよび前記第4MOSトランジスタそれぞれのソースに第1基準電圧が入力され、前記第3MOSトランジスタのドレインが前記第1MOSトランジスタのドレインに接続され、前記第4MOSトランジスタのドレインが前記第2MOSトランジスタのドレインおよび前記出力端子に接続され、前記第3MOSトランジスタおよび前記第4MOSトランジスタそれぞれのゲートが前記第3MOSトランジスタのドレインに接続された電流ミラー対と、
第1導電型の第5MOSトランジスタを含み、前記第5MOSトランジスタのソースに第2基準電圧が入力され、前記第5MOSトランジスタのドレインが前記共通ノードに接続され、前記第5MOSトランジスタのゲートに第3基準電圧が入力される定電流源と、
を備え、
前記第1MOSトランジスタおよび前記第2MOSトランジスタそれぞれの閾値電圧が前記第5MOSトランジスタの閾値電圧より大きい、
差動増幅器。 A differential amplifier having a first input terminal, a second input terminal and an output terminal, wherein
A source of the first MOS transistor and a second MOS transistor is connected to a common node, and a gate of the first MOS transistor is connected to the first input terminal. An input differential pair in which the gate of the second MOS transistor is connected to the second input terminal;
A first reference voltage is input to the source of each of the third MOS transistor and the fourth MOS transistor, and the drain of the third MOS transistor is connected to the drain of the first MOS transistor. A current mirror pair connected such that the drain of the fourth MOS transistor is connected to the drain of the second MOS transistor and the output terminal, and the gates of the third MOS transistor and the fourth MOS transistor are connected to the drain of the third MOS transistor When,
A fifth reference voltage is input to the source of the fifth MOS transistor, the drain of the fifth MOS transistor is connected to the common node, and the third reference is applied to the gate of the fifth MOS transistor. A constant current source to which a voltage is input,
Equipped with
The threshold voltage of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor is larger than the threshold voltage of the fifth MOS transistor.
Differential amplifier.
請求項1に記載の差動増幅器。 The impurity concentration of the channel region under the gate of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor is higher than the impurity concentration of the channel region under the gate of the fifth MOS transistor.
The differential amplifier according to claim 1.
請求項1または2に記載の差動増幅器。 The conductivity type or the impurity concentration is different between the gate of each of the first MOS transistor and the second MOS transistor and the gate of the fifth MOS transistor.
The differential amplifier according to claim 1.
前記差動増幅器の前記第2入力端子と前記出力端子との間に設けられ、前記第2入力端子に入力される信号に応じて電荷を蓄積する積分容量部と、
を備え、
前記積分容量部の電荷蓄積量に応じた値の信号を前記差動増幅器の前記出力端子から出力する、
画素回路。 The differential amplifier according to any one of claims 1 to 3.
An integration capacitance unit provided between the second input terminal and the output terminal of the differential amplifier and storing charge according to a signal input to the second input terminal;
Equipped with
Outputting a signal having a value according to the charge storage amount of the integration capacitance unit from the output terminal of the differential amplifier;
Pixel circuit.
前記画素回路が、前記フォトダイオードから受光に応じて出力される信号を前記差動増幅器の前記第2入力端子に入力し、その受光量に応じた値の出力信号を前記差動増幅器の前記出力端子から出力する、
固体撮像装置。 A pixel circuit according to claim 4 and a photodiode.
The pixel circuit inputs a signal output from the photodiode according to light reception to the second input terminal of the differential amplifier, and an output signal of a value according to the amount of light received is the output of the differential amplifier Output from the terminal,
Solid-state imaging device.
複数の前記画素回路が第2基板上に形成されて、
前記第1基板と前記第2基板とが対向配置されている、
請求項5に記載の固体撮像装置。 A plurality of the photodiodes are formed on a first substrate;
A plurality of the pixel circuits are formed on a second substrate;
The first substrate and the second substrate are disposed to face each other.
The solid-state imaging device according to claim 5.
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