CN1542981A - 一种改善光电二极管线性特性的固体摄像装置及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善光电二极管线性特性使灵敏度提高的固体摄像装置及其驱动方法。本发明的固体摄像装置的驱动部将基片偏压变更成下述第2偏压，在曝光期间结束后且垂直CCD所有信号电荷转出前，通过使第2偏压叠加饱和信号量控制用脉冲来降低溢出垒，上述第2偏压是比第1偏压更低的电压，用来设定溢出垒的高度使之比读出栅极的位垒更高。

Description

一种改善光电二极管线性特性的固体摄像装置及驱动方法
技术领域
本发明涉及一种采用溢出漏极(overflow-drain OFD)构造的CCD(Charge Coupled Device)之固体摄像装置及其方法。
背景技术
近些年，数字摄像机、数字视频摄像机及带摄像机的携带电话机等记录图像的电子设备已普及，并且随着高分辨率化正在推进CCD摄像器件等图像传感器的细微化。
图1是表示专利文献1等中所阐述的以往CCD固体摄像器件结构的框图。在图1中，固体摄像器件10具有二维排列的多个光电二极管11、多个读出栅极12、多个垂直CCD13、水平CCD15、输出放大器16、基片偏压发生电路20及晶体管Q1。另外，在图1中作为对固体摄像器件的半导体基片偏压(下面，称为基片偏压)Vsub进行调制的电路，还同时图示出晶体管Q2及电阻R1～R3。
在专利文献1等中阐述出下述技术，即根据基片偏压Vsub的控制来估算帧读出时饱和信号电荷量Qs的减少，预先使其减少的量增加。在此，帧读出指的是，在经过曝光时间后使机械快门(附图之外)成为关闭状态，将奇数行的信号电荷和偶数行的信号电荷读出为场单位的方式，在取得1幅静止图像的场合下被经常使用。
在图1中，多个光电二极管11被二维排列，形成摄像区域14。各光电二极管11用来将入射光转换成根据其光量的信号电荷加以蓄积。各光电二极管11例如由PN结合的光电二极管构成。成垂直列的光电二极管11中所蓄积的信号电荷通过向读出栅极部12施加读出脉冲XSG，而读出到垂直CCD13中。
垂直CCD13设置于光电二极管11的每个垂直列上，用来将从各光电二极管11经由读出栅极部12所读出的信号电荷垂直传输给水平CCD15。在行间·转移(IT)方式固体摄像器件的场合下，给各垂直CCD13例如重复配置垂直传输栅电极，依次按垂直方向传输从光电二极管11所读出的信号电荷，该垂直传输栅电极是采用4相的垂直传输时钟脉冲φV1～φV4进行传输驱动所需的。据此，通过多个垂直寄存器13在水平消隐期间向水平寄存器15输出1扫描线(1行)量的信号电荷。作为4相的垂直传输时钟脉冲φV1～φV4之中第2相和第4相的φV2及φV4，能够取垂直传输所用的低电平和中间电平的双值。对此，由于与第1相及第3相对应的垂直传输栅电极也兼用读出栅极部12的读出栅电极，因而作为垂直传输时钟脉冲φV1和φV3，能够取低电平、中间电平及高电平的3值。该第3值的高电平脉冲成为施加给读出栅极部12的读出脉冲XSG。
水平CDD15将在水平消隐期间从多个垂直CCD13所传输的1行量电荷在1水平扫描期间内依次水平传输，通过输出放大器16进行输出。该水平CCD15例如采用2相的水平传输时钟脉冲φH1、φH2进行传输驱动，将从多条垂直CCD13所转来的1行量信号电荷在水平消隐期间后的水平扫描期间依次按水平方向进行传输。
输出放大器16用来将由水平CCD15所水平传输来的信号电荷依次转换成电压信号加以输出。
基片偏压发生电路20用来发生基片偏压Vsub并通过晶体管Q1施加到基片17上。该基片偏压Vsub在VsubCont信号的控制之下，晶体管Q2关闭时被设定为第1偏压，晶体管Q2开启时被设定为更低电压的第2偏压。
上述固体摄像器件10形成于半导体基片(下面称为基片)17上。给基片17施加基片快门脉冲φSUB等各种定时信号，该基片快门脉冲是将光电二极管11中所蓄积的信号电荷转到基片17上所用的。还有，采用基片快门脉冲φSUB的基片快门功能也被称为电子快门。
图2表示的是光电二极管11基片深度方向的电位分布。该光电二极管11中所蓄积的信号电荷e的电荷量由溢出垒OFB的位垒高度来决定。也就是说，溢出垒OFB决定光电二极管11中所蓄积的饱和信号电荷量Qs。在蓄积电荷量超过该饱和信号电荷量Qs的场合下，其超出部分的电荷越过位垒被转到基片17一侧。在这种纵向式溢出漏极(drain)构造中溢出垒OFB的电位可以根据溢出漏极偏压也就是基片偏压Vsub进行控制。也就是说，可以通过基片偏压Vsub来控制位垒的高度。
图3是表示伴随基片偏压Vsub控制的帧读出过程中固体摄像器件动作定时的时间图。在图3中表示出，机械快门的开关状态、基片偏压Vsub(图中的基片电压)以及从光电二极管11向垂直CCD13的施加给读出栅电极的垂直传输时钟脉冲φV1、φV3。垂直传输时钟脉冲φV1、φV3的高电平脉冲是施加给读出栅电极的读出脉冲XSG。
在监视期间，按机械快门打开状态的原样从固体摄像器件读出图像以用于向取景器和液晶监视器的显示，并作为动态图像被显示(称为高速动态图像摄像方式)。
另外，按照用户的快门操作等，使用机械快门并采用帧读出方式的静止图像摄像(称为静止图像摄像方式)开始。首先，给基片偏压Vsub施加多个基片快门脉冲φSUB(图中的基片快门电压脉冲)。基片快门指的是，根据φSUB增高基片偏压Vsub，以此去除溢出垒(参照图2)的位垒将光电二极管11的所有信号电荷转到基片17上。因基片快门脉冲的施加结束，而使光电二极管11的信号电荷蓄积量成为零。从基片快门脉冲的施加结束到机械快门关闭的期间成为曝光期间。接着，依次设置预先转出垂直CCD13内信号电荷的高速转出期间、第1场输出期间、高速转出期间、第2场输出期间以及无效数据输出期间。在第1、第2场读出期间各自的起始，采用与φV1、φV3所叠加的读出脉冲XSG并从光电二极管11向垂直CCD的第1、第2场信号电荷读出被实行。此后，经过无效数据输出期间返回到监视输出期间。
有关基片偏压Vsub，在高速动态图像摄像方式(监视期间)中施加第1偏压。在静止图像摄像方式中，如同图那样第1偏压和第2偏压被转换(称为基片偏压调制)。由于第2偏压比第1偏压低，因而溢出垒OFB的高度为，第2偏压一方变高并且饱和信号电荷量Qs增加。第2偏压的期间虽然在同图中从曝光期间中开始就是无效数据输出期间，但是至少包括第2场输出期间。
有关基片偏压的调制及其定时，已在非专利文献1中具体做出阐述。
专利文献1特开平10-150183号公报
非专利文献1索尼(株)“ICX232BQ说明书(对角5mm(1/3.6型)正方像素型彩色用帧读出方式固体摄像器件)”，[online]，[平成15年4月23日检索]、因特网<URL：http：//www.sony.co.jp/~semicon/japanese/img/sonyj01/e6801383.pdf>
但是，在以往技术中虽然在曝光结束前进行基片偏压调制的场合下，可以估算其减少部分使机械快门遮光时随着时间过程而减少的饱和信号电荷量Qs得以增加，但是为了在所有期间防止模糊现象，有必要预先设定根据第2偏压的溢出垒OFB高度使之比读出栅极的位垒更低，并且在偏压调制量上有限度。因而，饱和信号电荷量Qs的增加不能过多估算。
另外，若在曝光后进行基片偏压调制，则与电荷蓄积时相比读出时的溢出垒OFB高度变高，因而可以减少第1场和第2场之间的饱和电荷量Qs差，但是由于电荷蓄积时的溢出垒OFB不变高，因而饱和信号电荷量Qs根本不增加。
根据以往技术，只是防止因随着时间过程饱和信号电荷量减少而产生的特性恶化。随着近年来固体摄像装置的细微化，光电二极管的面积、栅电极等正在细微化，但是除饱和信号电荷量的容量增大之外，还需要改善量子效率(光电变换效率)使灵敏度提高。
发明内容
本发明的目的为，提供一种改善光电二极管线性特性使灵敏度提高的固体摄像装置及其驱动方法。
为了解决上述课题，本发明的固体摄像装置采用将由光电二极管所发生的过剩电荷排出到漏极中的溢出漏极构造，具有将光电二极管中所蓄积的电荷全部排出到漏极(drain)中的电子快门功能，具备：固体摄像器件，通过经由读出栅极读出光电二极管信号电荷的垂直CCD及水平CCD来传输信号电荷；遮光装置，用来控制向固体摄像器件的光入射；驱动部，用来对设定溢出漏极构造中的溢出垒高度的偏压进行调制，其特征为，上述驱动部作为上述偏压的调制实行：第1偏压调制，在将从电子快门到遮光装置关闭作为期间的曝光期间结束之前，使溢出垒变高；第2偏压调制，在曝光期间结束后且垂直CCD电荷转出前，降低溢出垒的高度。
在此，第2偏压调制也可以在暂时降低之后进行增高。
另外，也可以在上述第1偏压调制过程中，通过变更成比第1偏压更低电压的第2偏压把溢出垒的高度设定得高，在上述第2偏压调制过程中变更成第3偏压，该第3偏压是比第2偏压更高的电压，用来设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒更低。
根据这种结构，由于可以通过第1偏压调制直至读出栅极的位垒高度为止使信号电荷蓄积并且通过第2偏压调制直至读出栅极的位垒高度为止将已満的过剩信号电荷排出到基片上，因而能够抑制模糊现象的发生并且扩大光电二极管的线性范围。
另外，通过在曝光期间改善量子效率(光电变换效率)而可以使灵敏度得到提高，尤其是入射光波长越长灵敏度越提高。
在此，也可以在上述基片快门结束后立即实行上述第1偏压调制。
另外，上述驱动部也可以在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压把溢出垒的高度设定得高，在上述第2偏压调制过程中变更成比第2偏压更高电压的第3偏压。也可以为，上述第1偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒更低的电压，上述第2偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒更高的电压，上述第3偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒更低的电压。
另外，上述驱动部也可以在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压把溢出垒的高度设定得高，在上述第2偏压过程中通过使第2偏压叠加饱和信号量控制用脉冲，来暂时降低溢出垒的高度。
在此，上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压也可以与第1偏压相等。
根据这种结构，驱动部的构成可以与以往相同，并且可以设为只发生定时信号的简单结构，该定时信号是施加上述脉冲所需的。
另外，上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压也可以比第1偏压高。
根据这种结构，由于采用饱和信号量控制用脉冲使溢出垒暂时比第1偏压施加时短时间变得更低，因而可以把达到目标值之前的时间(脉冲宽度)取得得短，适合于高速化，该目标值是通过第2偏压调制而产生的过剩信号电荷排出的目标值。
另外，上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压也可以比第1偏压低。
根据这种结构，由于通过饱和信号量控制用脉冲使溢出垒暂时在比第1偏压施加时更高的位置上短时间变低，因而可以把达到目标值之前的时间(脉冲宽度)取得得长，该目标值是通过第2偏压调制而产生的过剩信号电荷排出的目标值，并能够按照时间过程确实且准确度高地达到目标值。
另外，有关本发明中的固体摄像装置驱动方法，也具有与上述相同的结构及作用。
如上所述，根据本发明的固体摄像装置，可以扩大光电二极管的线性特性使灵敏度得到提高。能够抑制模糊现象的发生，并可扩大光电二极管11的线性范围。
另外，通过在曝光期间改善量子效率(光电变换效率)而可以使灵敏度得到提高，尤其是入射光的波长越长灵敏度越提高。
附图说明
图1是表示以往技术中CCD固体摄像器件结构的框图。
图2表示的是光电二极管基片深度方向的电位分布。
图3是表示以往技术中固体摄像装置动作定时的时间图。
图4是表示实施方式中固体摄像装置概略结构的框图。
图5A表示的是固体摄像器件中光电二极管的排列和垂直CCD传输电极的排列的一个示例。
图5B是由奇数行组成的第1场读出的说明图。
图5C是由偶数行组成的第2场读出的说明图。
图6是表示光电二极管及垂直CCD外围基片深度方向构造的剖面图。
图7是表示伴随基片偏压Vsub调制的帧读出过程中固体摄像装置动作定时的时间图。
图8A是本发明中第1偏压及第2偏压施加时的电位分布图。
图8B是以往技术中第1偏压及第2偏压施加时的电位分布图。
图9表示的是第1偏压施加时(时刻T1)的电位分布。
图10表示的是基片快门脉冲施加时(时刻T2)的电位分布。
图11A表示的是本实施方式中的时刻T3的电位分布。
图11B表示的是以往技术中的时刻T3的电位分布。
图12A表示的是本实施方式中的时刻T4的电位分布。
图12B表示的是以往技术中的时刻T4的电位分布。
图13表示的是施加饱和信号控制脉冲时(时刻T5)的电位分布。
图14表示的是饱和信号控制脉冲施加完成时(时刻T6)的电位分布。
图15表示的是垂直CCD的高速转出期间完成时(时刻T7)的电位分布。
图16是表示向光电二极管所射入的光量-输出信号特性的曲线图。
图17表示的是饱和信号控制脉冲的施加时间和信号电荷的蓄积量之间的关系。
图18是表示光电二极管入射光的波长-灵敏度(光谱灵敏度)特性的曲线图。
图19是表示实施方式变形例中固体摄像装置动作定时的时间图。
具体实施方式
本发明实施方式中的固体摄像装置其特征为，(A)在曝光期间开始时(参照图7的T3～T4)设定溢出垒OFB的位垒高度，使之比读出栅极的位垒更高(参照图12A)，(B)除此之外，在曝光期间完成后且垂直CCD高速转出前(参照图7的T5)，暂时降低溢出垒OFB的位垒高度，将过剩电荷转到基片上(参照图13、图14)。借此，改善光电二极管的线性特性使灵敏度提高。
图4是表示本发明实施方式中固体摄像装置概略结构的框图。固体摄像装置1具备透镜2、机械快门3、驱动部4、信号处理部5及固体摄像器件10。
在图4中，来自被摄物体(未图示)的入射光经过透镜2等光学系统及机械快门3射入CCD固体摄像器件10的摄像区域。
机械快门3用来控制到CCD固体摄像器件10摄像区域的入射光。还有，取代机械快门3也可以具有液晶快门等，该液晶快门具有遮光的功能。
固体摄像器件10与图1所示的固体摄像器件相同。图5A是表示固体摄像器件10中光电二极管排列和垂直CCD13的垂直传输电极排列的一个示例。光电二极管的排列是所谓的ベイヤ一排列。垂直CCD13的垂直传输电极是反复排列与4相时钟脉冲φV1～φV4对应的φ1～φ4的4种而成的。其中φ1、φ3各自兼作读出栅电极，该读出栅电极是用于从奇数行、偶数行的光电二极管将信号电荷读出到垂直CCD中。在静止图像摄像方式的帧读出过程中，曝光期间之后依次读出图5B所示的由从读出栅电极φ1读出的奇数行构成的第1场，和图5C所示的由从读出栅电极φ3读出的偶数行构成的第2场。
驱动部4用来生成4相时钟脉冲φV1～φV4、双层时钟脉冲φH1、φH2、基片偏压控制信号VsubCont及基片快门脉冲φsub等并提供给固体摄像器件10，该4相时钟脉冲φV1～φV4用来控制固体摄像器件10的垂直CCD传输，该双层时钟脉冲φH1、φH2用来控制水平CCD的传输。4相时钟脉冲之中的φV1、φV3是可取低电平、中间电平及高电平3值的信号，该高电平脉冲是施加给读出栅电极的读出脉冲XSG。该驱动部4对于基片偏压，在静止图像摄像方式中曝光期间开始时实行基片偏压调制，以便从第1偏压降为第2偏压并在第2场读出完成后恢复成第1偏压。
在此，第1偏压是机械快门3打开状态下动态图像摄像方式中的基片偏压。第2偏压是比第1偏压更低的电压，是增高溢出垒使饱和信号电荷量Qs得以增加所需的基片偏压。取决于第2偏压的溢出垒OFB的位垒高度其设定为比读出栅极的位垒更高。在图8A中表示，取决于第1偏压及第2偏压的溢出垒的电位分布图。横轴X-Y表示从图6所示的垂直CCD13到光电二极管11的基片水平方向，Y-Z表示图6所示的光电二极管11的基片深度方向。纵轴表示电位(电位)。作为比较示例，在图8B中表示以往技术中取决于第1偏压及第2偏压的溢出垒的电位分布图。如同图8A那样，由于溢出垒OFB的位垒高度比读出栅极的位垒高，因而使饱和信号电荷量Qs得以增加，而且可以对达到饱和区域(也被称为弯曲(knee)区域)之前的线性区域进行扩大。若在图8A、图8B中比较溢出垒的峰值位置Pa、Pb，则本实施方式中的峰值位置Pa变为与以往技术中的峰值位置Pb相比更深的位置。据此，意味着可蓄积由光电变换所发生的信号电荷并加以蓄积的区域已扩大，并且不仅是饱和信号电荷量Qs有所增加，还可以改善量子效率(光电变换效率)使灵敏度得到提高。
对此，以往技术中取决于第2偏压的溢出垒OFB的位垒高度如图8B所示，其设定为与读出栅极的位垒相比变得更低。这是为了防止所谓模糊现象(信号电荷向垂直CCD13一侧溢出)的发生。
在图8A中，由于读出栅极的位垒比溢出垒OFB的位垒变得更低，因而在曝光期间中过剩信号电荷向垂直CCD13一侧溢出，但是所溢出的信号电荷在光电二极管11信号电荷读出前的垂直CCD13高速转出过程中已被转出，因此不给画面质量带来影响。而且，有关模糊现象(blooming)的发生，由于在曝光期间之后且高速转出之前施加饱和信号量控制脉冲，因而通过暂时降低溢出垒将过剩电荷排出到基片17上，已加以防止。
另外，由于脉冲施加后的基片偏压设定为信号电荷不因热激励而放出到基片上的电压，因而可以去除第1场、第2场间的输出信号差异。
信号处理部5用于对来自固体摄像器件10的输出信号，实行自动白色电平平衡调整等的各种信号处理，并作为摄像信号输出到外部。
图6是表示光电二极管11及垂直CCD13外围的基片深度方向构造的剖面图。在图6中，例如在N型基片17的表面形成有P型势阱区域31。在势阱区域31的表面形成N型信号电荷蓄积区域32，并进一步在其上形成P+型的空穴蓄积区域33，构成光电二极管11。
该光电二极管11中所蓄积的信号电荷e的电荷量是根据由P型势阱区域31构成的溢出垒OFB位垒高度来决定的。该溢出垒OFB用来决定光电二极管11中所蓄积的饱和信号电荷量Qs，在蓄积电荷量超过该饱和信号电荷量Qs的场合下，超过部分的电荷越过电位垒转到基片17一侧。
这样，就构成所谓的纵向式溢出漏极构造的光电二极管11。
在光电二极管11的横方向上通过P型区域31之中构成读出栅极部12的部分，形成有N型的信号电荷传输区域35及P+型的沟道截断区域36。在信号电荷传输区域35之下形成有P+型的杂质扩散区域37，用来防止污物(smear)成分的混入。再者，在信号电荷传输区域35的上方通过配置例如由多晶硅组成的传输电极39，而构成垂直CCD13。传输电极39位于P型区域31上方的部分兼作读出栅极部12的栅电极。
给基片17施加基片偏压Vsub，该基片偏压用来决定光电二极管11中所蓄积的信号电荷的电荷量(也就是说，决定溢出垒OFB的电位)。
图7是表示伴随基片偏压Vsub调制的帧读出过程中固体摄像器件10动作定时的时间图。在图7中表示出，机械快门3的开关状态、基片偏压Vsub(图中的基片电压)以及从光电二极管11向垂直CCD13的施加给读出栅电极的垂直传输时钟脉冲φV1、φV3。与垂直传输时钟脉冲φV1、φV3所叠加的高电平脉冲是施加给读出栅电极的读出脉冲XSG。下面，按照图7中时刻T1～T7的顺序进行说明。
(时刻T1：)在监视期间(高速动态图像摄像方式)，按机械快门3打开状态的原样从固体摄像器件连续读出图像，用于向取景器和液晶监视器的显示，并进行动态图像显示。图9表示的是高速动态图像摄像方式(图7的时刻T1)中的电位分布。如同图9那样，在高速动态图像摄像方式中取决于第1偏压的溢出垒OFB与读出栅极的位垒相比被设定得更低。
(时刻T2：)另外，通过用户的快门操作等，使兼用机械快门3并采用帧读出方式的静止图像摄像(静止图像摄像方式)开始。在该静止图像摄像方式中，首先给基片偏压Vsub施加多个基片快门脉冲φSUB。图10表示的是基片快门脉冲φSUB施加时(图7的时刻T2)的电位分布。如图10所示，在基片快门脉冲施加时通过提高基片偏压Vsub，来去除溢出垒的位垒，将光电二极管11的所有信号电荷转到半导体基片上。这样，在多个基片快门脉冲φSUB施加结束时光电二极管11的所有信号电荷被转出。
(时刻T3：)再者，驱动部4在多个基片快门脉冲之中最后的基片快门脉冲施加完成后立即实行偏压调制，该偏压调制用来将基片偏压Vsub从第1偏压降为第2偏压。因基片快门脉冲的施加完成，而使曝光期间开始。图11A是在曝光期间第2偏压被施加时(时刻T3)的电位分布图。如同图11A那样，由于溢出垒OFB比读出栅极的位垒更高，因而饱和信号电荷量Qs将增加。虽然因入射光而超过饱和信号电荷量Qs所发生的过剩信号电荷越过读出栅极的位垒溢到垂直CCD13一侧，但是通过此后垂直CCD13的高速转出而被转出，因此不对画面质量产生影响。
另外，就图11A的电位分布而言，不只是饱和信号电荷量Qs的增加，还可以扩大线性区域。作为比较示例，在图11B中表示以往技术中根据第2偏压的电位分布。图16是表示向光电二极管11所射入的光量-输出信号特性的曲线图。图16的虚线表示图11A所示本实施方式中的特性，实线表示图11B所示以往技术中的特性。在图16中，接近水平的曲线部分是饱和区域(弯曲区域)，本实施方式中的饱和区域(虚线)与以往技术中的饱和区域(实线)相比，输出信号变得更大(饱和信号电荷量Qs增大)。不仅如此，倾斜度大的线性区域(图中的线性范围)在本实施方式中也有所扩大。
再者，在本实施方式中灵敏度有所提高。灵敏度提高的原因是，由于溢出垒的峰值位置变深并且可吸收因光电变换所发生的信号电荷加以蓄积的区域有所扩大，因而光电变换效率得以提高。图18是表示光电二极管11入射光的波长-灵敏度(光谱灵敏度)特性的曲线图。可以认为，入射光的波长越长灵敏度越提高。原因是，波长越长越到达过渡层的深处。如同图那样，在色温度3200K的状态下，对于R(红)、G(绿)、B(蓝)的各波长来说提高约10％、约7％、约3％左右的灵敏度。
(时刻T4：)再者，因机械快门3关闭，而使曝光期间完成。图12A是机械快门3关闭时(时刻T3)的电位分布图。作为比较示例，在图12B中表示机械快门3关闭时的以往电位分布图。光电二极管11中的饱和信号电荷量Qs如同图12B那样，在以往技术中由溢出垒OFB的高度来决定，与此相对如同图12A那样在本实施方式中由栅电极的位垒高度来决定，并且饱和信号电荷量Qs得以增加，线性区域被扩大。
(时刻T5：)如同图12A那样，若直至栅电极位垒高度的最大限度蓄积信号电荷，则易于发生模糊现象。因此，驱动部4在关闭基片快门之后且垂直CCD的高速转出之前，为减少饱和信号电荷量而施加饱和信号控制脉冲。图13表示的是施加饱和信号控制脉冲时(时刻T5)的电位分布。如同图那样，由于溢出垒的电位只是暂时也就是在饱和信号控制脉冲的高电平期间下降，因而过剩电荷被排出到基片17上，在比读出栅极的位垒高度更低的位置上对饱和信号电荷量进行控制。借此，可以抑制模糊现象的发生，并且能够扩大光电二极管11的线性范围。
图17表示的是饱和信号控制脉冲的施加时间和信号电荷蓄积量之间的关系。在同图中，横轴表示饱和信号控制脉冲的高电平施加时间，纵轴表示饱和信号控制脉冲施加后的最大蓄积信号量(图中的饱和信号量)。3条实线按照脉冲波峰值(高电平电压)低的顺序从上进行排列。如同图那样，为了将饱和信号量减少到目标值，在波峰值低的场合下，存在该脉冲施加时间需要得长这样的缺点和可以确实稳定达到目标值这样的优点。在波峰值高的场合下，存在可以使该脉冲施加时间变短这样的优点和是否确实达到目标值为不稳定这样的缺点。另外，若使波峰值与第1偏压相同，则可以采用VsubCont信号使之发生饱和信号控制脉冲，因此控制变得简单。
(时刻T6：)图14表示的是饱和信号控制脉冲的施加完成时(时刻T6)的电位分布。如同图那样，基片偏压已恢复成第2偏压。在垂直CCD13中留有曝光期间中所溢出的过剩电荷。在时刻T6紧后面的高速转出期间进行传输输出。也就是说，因为在高速转出过程中向垂直CCD13按照传输时钟脉冲φV1～φV4快的周期连续施加，所以在垂直CCD13中于曝光期间所溢出的过剩信号电荷不断被传输输出。垂直传输时钟脉冲φV1～φV4的周期对于通常的场输出期间而言是在1水平扫描期间内传输1行的周期，而对于高速转出期间来说则成为与其相比更快的周期。取代该高速转出也可以通过虚设场进行转出。
(时刻T7：)图15表示的是垂直CCD13的高速转出期间完成时(时刻T7)的电位分布。如同图那样，垂直CCD13的信号电荷通过高速转出而被传输输出，变得不存在。
另外，在图7中有关第1场输出期间之后的动作定时，因与图3大致相同而省略说明。
如上面所说明的，根据本实施方式中的固体摄像装置，其特征为在曝光期间开始时(参照图7的时刻T3～T4)设定溢出垒OFB的位垒高度强制使之比读出栅极的位垒更高(参照图12A)，并且在曝光期间完成后且垂直CCD的高速转出前(参照图7的时刻T5)暂时降低溢出垒OFB的位垒高度，将过剩电荷转到基片上(参照图13、图14)。借此，可以扩大光电二极管11的线性特性使灵敏度得到提高。
<变形例>
在上述实施方式中，有关下述(A)、(B)的构成已做出说明，(A)为在曝光期间开始时强制设定溢出垒OFB的位垒高度，使之比读出栅极的位垒更高，(B)为除此之外，在曝光期间完成后且垂直CCD的高速转出前暂时降低溢出垒OFB的高度使之比读出栅极部中的位垒更低，将过剩电荷转到基片上。在此，作为上述实施方式的变形例，不是在(A)后的(B)中暂时降低溢出垒，而是有关(B’)降低后按原样进行维持的构成，予以说明。
虽然本变形例中的固体摄像装置与图4、3及17所示的固体摄像装置的结构大致相同，但是驱动部4中的基片偏压驱动方法有些不同。相同之处省略说明，下面以不同之处为中心进行说明。
图19表示的是本变形例中固体摄像装置的动作定时。图19与图7相比较，由驱动部4而产生的基片偏压驱动方法有一部分不同。
也就是说，驱动部4替代施加饱和信号量控制脉冲，而在与该脉冲相同的时刻将基片偏压从第2偏压增高成第3偏压的电压电平。在此，第3偏压如同图19那样，可以是与读出栅极部的位垒相比进一步降低溢出垒高度的电压值，可以是第1偏压和第2偏压范围内的电压。
这样，按照本变形例中的(A)(B’)，与上述实施方式相同也可以获得扩大线性特性使灵敏度得到提高这样的效果。但是，饱和信号电荷量Qs有所减少。
还有，若使第3偏压变成与第1偏压相同的电压值，则可以采用更加简单的结构实现变形例。
<第1补充说明>
下面，有关本实施方式中的固体摄像装置，作为第1补充说明将关于基片快门的最佳定时进行说明。
上述的第2偏压虽然在图7中从基片快门脉冲的施加刚完成后直至第2场读出期间完成被施加，但无论是基片快门脉冲的施加过程中或施加前都可以获得改善线性特性这样的效果。原因是，由于在曝光期间的整个范围内施加第2偏压，因而曝光期间的饱和信号电荷量Qs增加，与此相伴饱和信号电荷量Qs一定比率所决定的线性区域有所扩大。
再者，理想的是应该在基片快门脉冲的施加完成后，立即从第1偏压转换成第2偏压。原因是，若在基片快门脉冲的施加前或施加过程中从第1偏压降为第2偏压，则变成在溢出垒OFB更高的状态下施加基片快门脉冲，并且如果不进一步施加波峰值高的基片快门则产生不能转出信号电荷这样的不佳状况。
另外，从采用电子快门的电荷排出结束时直至向第2偏压的下降开始时的时间，在本实施方式中越短越好。原因是，至下降开始的时间越短，曝光时间所占的第2偏压电平的期间越变长，提高曝光灵敏度。
一般情况下，在高速电子快门时(例如，1/2000秒)虽然因机械性原因机械快门关闭的时刻产生偏差，曝光时间也就是曝光量产生10％左右的偏差，但是在摄像机系统中实际应用时被容许。因而，作为曝光时间误差被容许的时间为曝光时间的10％左右。因此，从采用电子快门的电荷排出结束时直至向第2偏压的下降开始时的时间最好设为曝光时间的10％以内。
具体而言，通过基片快门所实现的高速电子快门曝光时间如果是500μS，则在将容许误差设为10％以内的场合下最好是50μS以下的时间。
这样，在曝光期间的几乎整个范围内通过将基片偏压Vsub设为第2偏压，来提高光电变换的效率(量子效率)。其结果为，可以使曝光灵敏度得到提高。由于灵敏度的提高，因而色彩的S/N变得良好，即使是低照度也提高摄像时的画面质量。另外，灵敏度的提高因为从波长长的也就是R(红)一直到红外线(IR)区域其提高率较高，所以能够谋求将固体摄像装置作为监视摄像机和暗视摄像机加以利用时的性能提高。
<第2补充说明>
下面，作为第2补充说明将有关水平扫描期间中读出栅电极的最佳电压，予以说明。
首先，在图7的第1场输出期间及第2场输出期间对水平有效期间如下进行定义。也就是说，所谓水平有效期间是在水平CCD15中实行水平传输动作的期间，指的是在垂直CCD13中垂直传输时钟脉冲未产生变化的期间。
在图7中表示出下述情形(下面，称为VM读出情形)，即在第1场输出期间通过给读出栅电极φ1施加与中间电平电压所叠加的读出脉冲XSG，构成第1场的信号电荷读出到各垂直CCD13中，并且在此后的水平有效期间第1场的读出栅电极φ1的电压φV1成为中间电压。与此相反，也可能有下述情形(下面，称为VL读出情形)，即在第1场输出期间第1场的读出栅电极φ1的电压φV1为低电平电压。在第1场读出期间成为何种情形是任意的。同样，在第2场读出期间使第2场成为何种情形也是任意的。
在交错读出过程中如图7那样，就第1场来说最好设为VM读出情形。原因是，在光电二极管11中未读出信号电荷而留有的第2场读出栅电极φ3的电压为中间电平和低电平的场合下，低电平一方不易发生模糊现象。在第1场是VM读出情形的场合下，在水平有效期间第2场读出栅电极φ3的电压φV3成为低电平。原因是，垂直传输时钟脉冲φV1、φV3是4相时钟脉冲信号的第1相和第3相，一般情况下在水平扫描期间一方是低电平时，通常另一方是中间电平。
因而，在关闭机械快门之后依次读出多个场的场合下如图7所示，为了使未被先读出的第2场读出栅电极φ3在水平有效期间中成为低电平，而采用VM情形对先读出的第1场进行读出。换言之，在第1场输出期间未被读出而在光电二极管11中保存信号电荷的第2场读出栅电极φ3不是易于产生模糊现象的中间电平，而成为不易产生模糊现象的低电平。为此，由于先读出的第1场在被读出后的水平有效期间不产生模糊现象，因而设为第1场读出栅电极φ1在水平有效期间成为中间电平的VM情形。还有，不限于2对1交错，在多对1交错的场合下如果使未被读出的场的读出栅电极成为低电平，则也可以获得同样的效果。
还有，图1中的基片偏压发生电路20、晶体管Q1、Q2、电阻R1～R3及C既可以将其全部或一部分形成于固体摄像器件10的基片上，又可以设置于基片外部。另外，基片偏压发生电路20其构成也可以是，作为分压值使之发生基片偏压Vsub，该分压值是通过在电源和地面间所串联连接的电阻而得到的。
另外，在上述实施方式中虽然以2对1交错·扫描中采用行间·传输方式的帧读出情形为例已做出说明，但是也可以是同时使用基片快门和机械快门3来决定曝光时间的摄像的情形，并且不限于此。例如，既可以是3对1等多对1的交错·扫描方式，又可以是渐进·扫描方式的读出的情形。
另外，在上述实施方式中虽然以纵向式溢出漏极构造的固体摄像器件为例已做出说明，但是即使是横向式溢出漏极构造同样也可以使用本申请发明。
虽然上面对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不限定于此，本领域的技术人员可以在本发明的精神和原理的基础上，对本发明进行各种变型，但这些都属于本发明的保护范围。

Claims (42)

1.一种固体摄像装置，采用将通过光电二极管所产生的过剩电荷排出到漏极中的溢出漏极构造，具有将光电二极管中所蓄积的电荷全部排到漏极中的电子快门功能，具备：固体摄像器件，通过经由读出栅极读出光电二极管信号电荷的垂直CCD及水平CCD来传输信号电荷；遮光装置，用来控制向固体摄像器件的光入射；驱动部，用来对设定溢出漏极构造中的溢出垒高度的偏压进行调制，其特征为：
上述驱动部作为上述偏压的调制，进行：
第1偏压调制，在将从电子快门到遮光装置关闭作为期间的曝光期间结束之前，使溢出垒变高；
第2偏压调制，在曝光期间结束后且垂直CCD电荷转出前，使溢出垒的高度变低。
2.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第1偏压调制过程中，设定上述溢出垒的高度比读出栅极的位垒高。
3.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第1偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度从比读出栅极的位垒低的状态变化成高的状态。
4.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第2偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度比读出栅极的位垒低。
5.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部
在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压，把溢出垒的高度设定得高，
在上述第2偏压调制过程中，变更成比第2偏压更高电压的第3偏压。
6.根据权利要求5记载的固体摄像装置，其特征为：
上述第1偏压是将溢出垒高度设定得比读出栅极的位垒低的电压。
7.根据权利要求5记载的固体摄像装置，其特征为：
上述第2偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒高的电压。
8.根据权利要求5记载的固体摄像装置，其特征为：
上述第3偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒低的电压。
9.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部
在上述电子快门结束后，立即实行上述第1偏压调制。
10.一种固体摄像装置，采用将通过光电二极管所发生的过剩电荷排出到漏极中的溢出漏极构造，具有将光电二极管中所蓄积的电荷全部排出到漏极中的电子快门功能，具备：固体摄像器件，通过经由读出栅极读出光电二极管信号电荷的垂直CCD及水平CCD来传输信号电荷；遮光装置，用来控制向固体摄像器件的光入射；驱动部，用来对设定溢出漏极构造中的溢出垒高度的偏压进行调制，其特征为：
上述驱动部作为上述偏压的调制，进行：第1偏压调制，在将从电子快门到遮光装置关闭作为期间的曝光期间结束之前，使溢出垒变高；第2偏压调制，在曝光期间结束后且垂直CCD电荷转出前，暂时降低溢出垒高度后，使之变高。
11.根据权利要求10记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第1偏压调制过程中，设定上述溢出垒的高度，使之比读出栅极的位垒更高。
12.根据权利要求10记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第1偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度从比读出栅极的位垒低的状态变化成高的状态。
13.根据权利要求10记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部在上述第2偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度比读出栅极的位垒低。
14.根据权利要求1记载的固体摄像装置，其特征为：
上述驱动部
在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压，把溢出垒的高度设定得高，
在上述第2偏压调制过程中，通过使第2偏压与饱和信号量控制用脉冲叠加，来暂时降低溢出垒的高度。
15.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述第1偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更低的电压。
16.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述第2偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更高的电压。
17.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述饱和信号控制用脉冲的高电平电压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更低的电压。
18.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压与第1偏压相等。
19.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压比第1偏压高。
20.根据权利要求14记载的固体摄像装置，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压比第1偏压低。
21.根据权利要求10记载的固体摄像装置，其特征为：
在上述电子快门结束后，立即实行上述第1偏压调制。
22.一种固体摄像装置的驱动方法，该装置采用将通过光电二极管所发生的过剩电荷排出到漏极中的溢出漏极构造，具有将光电二极管中所蓄积的电荷全部排出到漏极中的电子快门功能，具备：固体摄像器件，通过经由读出栅极读出光电二极管信号电荷的垂直CCD及水平CCD来传输信号电荷；遮光装置，用来控制向固体摄像器件的光入射；驱动部，用来对设定溢出漏极构造中的溢出垒高度的偏压进行调制，其特征为：
作为上述偏压的调制，具有
第1步骤，进行第1偏压调制，用来在将从电子快门到遮光装置关闭作为期间的曝光期间结束之前，使溢出垒变高；
第2步骤，实行第2偏压调制，用来在曝光期间结束后且垂直CCD电荷转出前，使溢出垒的高度变低。
23.根据权利要求22记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，将上述溢出垒的高度设定得比读出栅极的位垒高。
24.根据权利要求22记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度从比读出栅极的位垒低的状态变化成高的状态。
25.根据权利要求22记载的驱动方法，其特征为：
在上述第2偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度比读出栅极的位垒低。
26.根据权利要求22记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压，把溢出垒的高度设定得高，
在上述第2偏压调制过程中，变更成比第2偏压更高电压的第3偏压。
27.根据权利要求26记载的驱动方法，其特征为：
上述第1偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒低的电压。
28.根据权利要求27记载的驱动方法，其特征为：
上述第2偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更高的电压。
29.根据权利要求27记载的驱动方法，其特征为：
上述第3偏压是设定溢出垒高度使之比读出栅极的位垒更低的电压。
30.根据权利要求22记载的驱动方法，其特征为：
在上述电子快门结束后，立即实行上述第1偏压调制。
31.一种固体摄像装置的驱动方法，该装置采用将通过光电二极管所发生的过剩电荷排出到漏极中的溢出漏极构造，具有将光电二极管中所蓄积的电荷全部排出到漏极中的电子快门功能，具备：固体摄像器件，通过经由读出栅极读出光电二极管信号电荷的垂直CCD及水平CCD来传输信号电荷；遮光装置，用来控制向固体摄像器件的光入射；驱动部，用来对设定溢出漏极构造中的溢出垒高度的偏压进行调制，其特征为：
作为上述偏压的调制，具有
第1步骤，实行第1偏压调制，用来在将从电子快门到遮光装置关闭作为期间的曝光期间结束之前，使溢出垒变高；
第2步骤，实行第2偏压调制，用来在曝光期间结束后且垂直CCD电荷转出前，暂时降低溢出垒的高度后，使之变高。
32.根据权利要求31记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，设定上述溢出垒的高度使之比读出栅极的位垒更高。
33.根据权利要求31记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度从比读出栅极的位垒更低的状态变化成高的状态。
34.根据权利要求31记载的驱动方法，其特征为：
在上述第2偏压调制过程中，使上述溢出垒的高度比读出栅极的位垒低，
35.根据权利要求31记载的驱动方法，其特征为：
在上述第1偏压调制过程中，通过从第1偏压变更成比第1偏压更低电压的第2偏压，把溢出垒的高度设定得高，
在上述第2偏压调制过程中，通过使第2偏压与饱和信号量控制用脉冲叠加，来暂时降低溢出垒的高度。
36.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述第1偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更低的电压。
37.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述第2偏压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更高的电压。
38.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述饱和信号控制用脉冲的高电平电压是设定使溢出垒高度比读出栅极的位垒更低的电压。
39.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压与第1偏压相等。
40.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压比第1偏压高。
41.根据权利要求35记载的驱动方法，其特征为：
上述饱和信号量控制用脉冲的高电平电压比第1偏压低。
42.根据权利要求31记载的驱动方法，其特征为：
在上述电子快门结束后，立即实行上述第1偏压调制。
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