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JP2019071579A - Differential amplifier, pixel circuit and solid-state imaging device - Google Patents

Differential amplifier, pixel circuit and solid-state imaging device Download PDF

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JP2019071579A JP2017197591A JP2017197591A JP2019071579A JP 2019071579 A JP2019071579 A JP 2019071579A JP 2017197591 A JP2017197591 A JP 2017197591A JP 2017197591 A JP2017197591 A JP 2017197591A JP 2019071579 A JP2019071579 A JP 2019071579A
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Abstract

To provide a differential amplifier capable of narrowing a pitch of pixel circuits, and of suppressing reduction in output range.SOLUTION: A differential amplifier 51 has a non-inverted input terminal 61, an inverted input terminal 62 and an output terminal 63. The differential amplifier 51 comprises: an input differential pair 66 including NMOS transistors 71 and 72; a current mirror pair 67 including PMOS transistors 73 and 74; and a constant current source 68 including an NMOS transistor 75. Each threshold voltage of the NMOS transistors 71 and 72 is larger than that of the NMOS transistor 75.SELECTED DRAWING: Figure 5

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.

特開平6−216666号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-216666

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.

図1は、固体撮像装置1の構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the solid-state imaging device 1. 図2は、固体撮像装置1の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid-state imaging device 1. 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。FIG. 3 is a circuit diagram showing the basic configuration of the photodiode 11 and the CTIA 50. As shown in FIG. 図4は、画素回路21の詳細構成を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the pixel circuit 21. As shown in FIG. 図5は、差動増幅器51の回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of the differential amplifier 51. As shown in FIG. 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。FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a circuit used in the simulation. 図7は、シミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing simulation results.

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 second substrate 20 is disposed on the package 30 and the first substrate 10 is disposed on the second substrate 20. A plurality of photodiodes 11 are formed in a two-dimensional array on the first substrate 10. The photodiode 11 may be made of a compound semiconductor, and may be made of, for example, InGaAs. A plurality of pixel circuits 21 are two-dimensionally arrayed and formed on the second substrate 20. The pixel circuit 21 may be made of silicon.

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 photodiode 11 and the CTIA 50 (described later) of the pixel circuit 21 correspond to each other in a one-to-one manner. That is, the CTIA 50 is provided for each pixel. The first substrate 10 and the second substrate 20 are disposed to face each other, and the corresponding photodiodes 11 and the pixel circuits 21 are electrically connected to each other by the bumps 41. Each photodiode 11 is supplied with a reference voltage via the bump 41 and outputs a charge generated according to the amount of incident light to the pixel circuit 21. The electrode 22 formed on the second substrate 20 and the electrode 32 formed on the package 30 are electrically connected to each other by a bonding wire 42. Each pixel circuit 21 is supplied with a reference voltage and a control signal via the bonding wire 42, and receives the charge from the photodiode 11 and outputs the result of processing for each pixel.

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 photodiode 11 and the CTIA 50. As shown in FIG. The CTIA 50 includes a differential amplifier 51, an integration capacitor 52, and a switch 53 for reset. The differential amplifier 51 has a non-inverted input terminal (first input terminal), an inverted input terminal (second input terminal), and an output terminal. The integration capacitor portion 52 and the switch 53 are connected in parallel to each other, and provided between the inverting input terminal and the output terminal of the differential amplifier 51. The anode of the photodiode 11 is electrically connected to the inverting input terminal of the differential amplifier 51. The inp voltage is input to the cathode of the photodiode 11 and the non-inversion input terminal of the differential amplifier 51. Since the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the differential amplifier 51 are in an imaginary short relationship, the potential difference between these two input terminals is substantially zero. Therefore, since the photodiode 11 is driven with a reverse bias voltage of substantially zero, dark current can be suppressed.

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 differential amplifier 51, the integration capacitance unit 52, and the switch 53 constitute a capacitive feedback trans-impedance amplifier (CTIA: Capacitive Trans-Impedance Amplifier). When the switch 53 is in the on state, the integration capacitance unit 52 is discharged, and the voltage value output from the output terminal of the differential amplifier 51 becomes an initial value. When the switch 53 is in the OFF state, charges are accumulated in the integration capacitance unit 52 in accordance with the signal output from the photodiode 11, and the voltage value corresponding to the amount of accumulated charges is the differential amplifier 51. Output from the output terminal of The switch 53 can be formed of a MOS transistor.

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 pixel circuit 21. As shown in FIG. The pixel circuit 21 shown in this figure includes a PMOS transistor 54 as a switch for sampling, a capacitor for sample and hold 55, and a source follower circuit, in addition to the CTIA 50 including the differential amplifier 51, the integration capacitor 52 and the switch 53. And an NMOS transistor 57 as a switch for output selection. Although the circuit configuration of the differential amplifier 51 is shown in this figure, it will be described later with reference to FIG.

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 PMOS transistor 54 is connected to the output terminal of the differential amplifier 51. The drain of the PMOS transistor 54 is connected to one end of the capacitor 55. The other end of the capacitive portion 55 is at a reference potential (ground potential). In the PMOS transistor 54, on / off operation between the source and the drain is controlled by the sample signal input to the gate. When the PMOS transistor 54 changes from the on state to the off state, the voltage value output from the output terminal of the differential amplifier 51 immediately before that is held by the capacitance unit 55.

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 NMOS transistor 56 and the NMOS transistor 57 are connected in series between the reference potential input terminal and the video line. The drain of the NMOS transistor 56 is at the reference potential (power supply potential Vdd). The source of the NMOS transistor 56 is connected to the drain of the NMOS transistor 57. The source of the NMOS transistor 57 is connected to the video line. The NMOS transistor 56 inputs the voltage value held by the capacitance unit 55 to the gate, and has a resistance value corresponding to the voltage value between the drain and the source. The on / off operation between the source and the drain of the NMOS transistor 57 is controlled by the shift signal inputted to the gate. When the NMOS transistor 57 is turned on, a signal corresponding to the voltage value held by the capacitance unit 55 is output to the video line.

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 pixel circuit 21 is provided for each pixel. A plurality of pixel circuits 21 are connected to the signal processing circuit by a common video line. The NMOS transistors 57 of the plurality of pixel circuits 21 connected to the common video line are sequentially turned on. The signal processing circuit selectively inputs a signal output from any of the pixel circuits 21 in which the NMOS transistor 57 is on among the plurality of pixel circuits 21 connected to the common video line, and the input signal Process

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 differential amplifier 51. As shown in FIG. The differential amplifier 51 has a non-inverted input terminal (first input terminal) 61, an inverted input terminal (second input terminal) 62, and an output terminal 63. Differential amplifier 51 includes an input differential pair 66 including an NMOS transistor (first MOS transistor) 71 and an NMOS transistor (second MOS transistor) 72, a PMOS transistor (third MOS transistor) 73 and a PMOS transistor (fourth MOS transistor) 74. A current mirror pair 67 and a constant current source 68 including an NMOS transistor (fifth MOS transistor) 75 are provided.

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 NMOS transistor 71 and the NMOS transistor 72 have the same configuration. The sources of the NMOS transistors 71 and 72 are connected to the common node 64. The gate of the NMOS transistor 71 is connected to the noninverting input terminal 61. The gate of the NMOS transistor 72 is connected to the inverting input terminal 62.

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。   PMOS transistor 73 and PMOS transistor 74 have the same configuration. The first reference voltage (power supply potential Vdd) is input to the sources of the PMOS transistors 73 and 74, respectively. The drain of the PMOS transistor 73 is connected to the drain of the NMOS transistor 71. The drain of the PMOS transistor 74 is connected to the drain of the NMOS transistor 72 and the output terminal 63. The gate of each of the PMOS transistors 73 and 74 is connected to the drain of the PMOS transistor 73.

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 NMOS transistor 75. The drain of the NMOS transistor 75 is connected to the common node 64. The third reference voltage (bias voltage vb1) is input to the gate of the NMOS transistor 75.

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 differential amplifier 51 having such a circuit configuration, the threshold voltage of each of the NMOS transistors 71 and 72 is larger than the threshold voltage of the NMOS transistor 75. In this way, even if the power supply voltage is lowered due to the adoption of the fine CMOS process, it is possible to suppress the decrease in the output range of the differential amplifier 51. Further, since the circuit scale (the number of transistors) of the differential amplifier 51 does not change, it is preferable for narrowing the pitch of the pixel circuit 21 including the differential amplifier 51.

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 differential amplifier 51 can be suppressed by making the threshold voltage of each of the NMOS transistors 71 and 72 larger than the threshold voltage of the other NMOS transistors will be described below.

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I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Φとする。半導体の仕事関数をΦとする。半導体の誘電率をε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Nとする。また、フェルミポテンシャルをφ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 common node 64 is p1. The input voltage value of the non-inverted input terminal 61 is taken as inp. The threshold voltage is V th . The gate width is W. Let L be the gate length. The drain current is I d . Carrier mobility is μ. Let the capacitance value per unit area of the insulating layer under the gate be Cox . Let 仕事G be the work function of the gate. Let 関 数S be the work function of the semiconductor. Let the dielectric constant of the semiconductor be ε s . Let q be the elementary charge. The impurity concentration of the channel region under the gate and N A. In addition, the Fermi potential and φ P. Among these parameters, there is the relationship of the following equations (1) and (2).

Figure 2019071579
Figure 2019071579

Figure 2019071579
Figure 2019071579

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 output terminal 63 of the differential amplifier 51 is restricted in the range from the input voltage value inp of the non-inverting input terminal 61 to the voltage value p1 of the common node 64. Therefore, if threshold voltage Vth of each of NMOS transistors 71 and 72 is increased, voltage value p1 of common node 64 can be reduced, and the output range of differential amplifier 51 can be increased.

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N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N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Φと半導体の仕事関数Φとの差(Φ−Φ)は、ゲートの導電型および不純物濃度に依存する。この差(Φ−Φ)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 current source 11A instead of the photodiode 11 in the circuit shown in FIG. That is, this constant current source 11A simulates a photodiode that generates a fixed amount of charge in time.

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 transistors 71, 72, 75, 56, 57 is set to 0.65V. In case B, the threshold voltage of each of the NMOS transistors 71 and 72 is 1.00 V, and the threshold voltage of each of the NMOS transistors 75, 56, and 57 is 0.65 V. The input voltage value inp of the non-inverting input terminal is 2.7V. The output current value of the constant current source 11A was 3 nA. The on period of the switch 53 is 30 μs. The capacitance value of the integral capacitance unit 52 is 30 pF.

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 NMOS transistors 71 and 72 is the same as the threshold voltage of the other NMOS transistors, the voltage value output from the output terminal of the differential amplifier 51 is from 2.7V to 1.75V. In the case B where the threshold voltage of the NMOS transistors 71 and 72 is larger than the threshold voltage of the other NMOS transistors, the voltage value output from the output terminal of the differential amplifier 51 is from 2.7V to 1.4V. It was confirmed that the output range was larger in case B than in case A. The difference in output range between case A and case B was 0.35 V, the same as the difference in threshold voltage.

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 solid imaging device 10 first substrate 11 photodiode 20 second substrate 21 pixel circuit 22 electrode 30 package 32 electrode 41 bump 42 bonding wire 50 ... CTIA, 51 ... differential amplifier, 52 ... integral capacitance unit, 53 ... switch, 54 ... PMOS transistor, 55 ... capacitance unit, 56 ... NMOS transistor, 57 ... NMOS transistor, 61 ... non-inverting input terminal (first input terminal , 62 ... inverted input terminal (second input terminal), 63 ... output terminal, 64 ... common node, 66 ... input differential pair, 67 ... current mirror pair, 68 ... constant current source, 71 ... NMOS transistor (first MOS) Transistors), 72 ... NMOS transistors (second MOS transistors) 73 ... PMOS transistors (third MOS transistors) 74 PMOS transistor (second 4MOS transistor), 75 ... NMOS transistor (second 5MOS transistor).

Claims (6)

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って、
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.
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ゲート下のチャネル領域の不純物濃度が、前記第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、
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.
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ゲートと、前記第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、
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.
請求項1〜3の何れか1項に記載の差動増幅器と、
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.
請求項4に記載の画素回路とフォトダイオードとを備え、
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.
複数の前記フォトダイオードが第1基板上に形成され、
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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