JP2000050169A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リセットノイズ、折り返しノイズ、暗電流ノ
イズを抑制し、より高感度化を図った固体撮像装置及び
その駆動方法を実現すること。 【解決手段】 駆動信号発生回路３は、通常時と高感度
時とでゲートパルスφＨ１、φＨ２、φＨ１Ｌの駆動パ
ターンを変化させ、ＣＣＤ１を駆動する。ＣＣＤ１の画
素信号はプリアンプ２で増幅され、ＬＰＦ４，５に与え
られる。スイッチ６は動作モードに応じてＬＰＦ４，５
を切り換え、帯域制限の周波数を変化させる。スイッチ
６から出力された画素信号はＡ／Ｄ変換され、メモリ７
に一時記憶される。メモリ７の画素信号は信号処理回路
８に入力され、所定形式の映像信号に変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に高感度化が可
能な固体撮像装置及びその駆動方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より被写体からの光を撮像する半導
体素子として、チャージ・カップルド・デバイス（以
下、ＣＣＤという）とフォトダイオード（ＰＤ）等の固
体撮像素子を用いた固体撮像装置が知られており、小型
・軽量であるため、広範に普及している。またこれらの
固体撮像装置では、更なる微細化・高精細化が求められ
るばかりでなく、高感度化も強く求められている。高感
度化に関しては、主としてフォトダイオード上のオンチ
ップレンズの最適化や、増幅型の撮像素子の検討が行わ
れている。

【０００３】またこれらとは別の観点から、高感度（高
Ｓ／Ｎ）化を図るアプローチもある。代表的な例が、特
開昭６２−２６５８号公報に開示されている。図１２は
従来のＣＣＤの通常動作時の駆動方法を示すタイミング
チャートであり、図１３はＣＣＤの主要部の構成を示す
部分断面図である。図１３に示すように、半導体基板１
０１上に、酸化膜１０２が形成された後、第１層及び第
２層よりなるポリシリコンのゲートΦＨ１、ΦＨ２、Φ
Ｈ１Ｌ、出力ゲートＯＧ、リセットゲートΦＲが夫々形
成される。ここでゲートΦＨ１、ΦＨ２を夫々第１、第
２の転送電極と呼び、ゲートΦＨ１Ｌ又は出力ゲートＯ
Ｇを第３の転送電極と呼ぶ。一般的に不純物拡散領域１
０３は、第１層ポリシリコン形成後、Ｐ型不純物注入に
よって作られる。また検出容量１０４の領域、リセット
ドレイン１０５となる領域は第１、第２ポリシリコン形
成後、Ｎ型不純物によって作られる。

【０００４】電荷転送手段であるＣＣＤのフォトダイオ
ード（図示せず）に入射した光は、信号電荷に変換さ
れ、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤという）に転送された
後、ゲートΦＨ１、ΦＨ２、ΦＨ１Ｌで構成される水平
ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤという）に転送される。

【０００５】信号電荷はゲートΦＨＬ１まで転送された
後、定電圧で固定された出力ゲートＯＧを経て、検出容
量１０４に転送され、電荷量に応じた電圧に変換され
る。この電圧はアンプ１０６でインピーダンス変換さ
れ、出力電圧Ｖｏとして外部に出力される。一般的に出
力電圧Ｖｏは外部の信号処理回路（図示せず）によって
映像信号に変換される。その後、検出容量１０４に蓄積
された信号電荷は、リセットパルスφＲによってリセッ
トされ、リセットドレイン１０５に排出される。なお、
検出容量１０４、アンプ１０６を合わせてＦＤＡ（フロ
ーティング・ディフュージョン・アンプ）と表現する場
合が多い。

【０００６】図１２のタイミングチャートに示すよう
に、ゲートパルスφＨ１とφＨ２は逆相のパルスであ
り、ゲートパルスφＨ１とφＨ１Ｌは同相である。リセ
ットパルスφＲはゲートパルスφＨ１Ｌに同期してお
り、信号電荷が検出された後、Ｈレベル（リセットＯ
Ｎ）となる。出力電圧Ｖｏには信号電圧Ｓ２が現れるだ
けでなく、容量結合しているリセットパルスφＲも飛込
み信号Ｓ１として現われる。なお信号電圧Ｓ２は、その
信号電荷が電子であるため、負の電位方向に現れる。そ
の後、ＣＣＤの外部にて、リセットノイズを抑圧するた
め、クランプパルスφＣＰ、サンプリングパルスφＳＰ
により、図１２に示すような信号ＳＩＧが作られる。以
上が従来例のＣＣＤにおける通常時の動作である。

【０００７】次に従来例のＣＣＤにおける高感度時の動
作について説明する。図１４は従来例のＣＣＤにおける
高感度時の動作を示すタイミングチャートである。ゲー
トパルスφＨ１、φＨ２の位相関係は、図１２と同じで
あるが、ゲートパルスφＨ１Ｌの信号が２分周されてい
る点が異なる。またリセットパルスφＲは、ゲートパル
スφＨ１Ｌに同期しているため、同じく２分周される。
そのパルス幅は従来と同じであるため、間欠的に出力さ
れることになる。こうして高感度時には、ゲートΦＨ１
Ｌに２画素分の信号電荷が蓄えられ、その２画分の信号
電荷が検出容量１０４に転送される。その後、リセット
パルスφＲと同様に、クランクパルスφＣＰ、サンプリ
ングパルスφＳＰも２分周され、最終出力として信号Ｓ
ＩＧが出力される。よって、出力電圧Ｖｏには、飛込み
信号Ｓ１が通常時と同じ振幅として現れるが、信号電圧
Ｓ２は２倍となるので、高感度が実現される。

【０００８】またこれ以外の高感度化の手法として、複
数フィールド期間に渡って信号電荷を蓄積後、１フィー
ルド期間だけ信号を読み出し、メモリに蓄えた信号を複
数フィールドに渡って再生するものがある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体撮像装置で
は、図１３のアンプ１０６の後段に、画素レートに応じ
たＬＰＦが設けられているのが一般的である。しかしな
がら水平方向に２画素を混合した場合、画素レートが通
常時と異なるため、従来のナイキスト周波数以下に折り
返し成分が発生する。この結果、従来のままのＬＰＦを
用いたのであれば、折り返し成分が通過し、映像信号へ
の歪み（ノイズ）となってしまう。また順次走査可能な
ＣＣＤを用いて垂直方向に加算し、感度アップを図る場
合、ＭＦＩＴ（マルチプル・フレーム・インターライン
・トランスファ）を代表とする６相以上の駆動が可能な
ＣＣＤでは、垂直ＣＣＤ内での画素加算が可能である。
しかし３相又は４相駆動の順次走査可能なＣＣＤの場
合、垂直方向の画素加算は不可能である。

【００１０】さらに従来の駆動方法で高感度化を図った
固体撮像装置では、リセットノイズ、折り返しノイズの
増加を招く恐れもある。図１５はリセットノイズの説明
図である。リセットゲートΦＲは、一般的なＭＯＳ型ト
ランジスタ（以下、Ｔｒという）の場合、抵抗Ｒ成分を
有している。この抵抗Ｒは、周波数に対して一様な熱ノ
イズが発生する。しかし検出容量１０４との間にローパ
スフィルタ（以下、ＬＰＦという）が構成されているた
め、周波数ｆｃ以上のノイズ成分は減衰する。従って実
際に検出されるノイズは、図１５（ａ）に示すような周
波数分布となる。

【００１１】図１５（ｂ）は通常動時のリセットノイズ
である。図１５（ａ）に示したリセットゲートの熱ノイ
ズは、リセット周波数の１／２の周波数ｆａ（ナイキス
ト）以下の領域に折り返される。これがリセットノイズ
の発生メカニズムである。図１５（ｃ）は高感度時のリ
セットノイズである。このように、リセット周波数が１
／２になると、単位周波数当たりのノイズ量が増加して
しまう。この場合、せっかく信号電荷量が２倍になった
としても、Ｓ／Ｎの改善量は少なくなる。更に、ゲート
ΦＨ１ＬのないＣＣＤの場合、最終ゲートだけを別周波
数で駆動できないため、２画素加算は不可能であった。

【００１２】その他の高感度化手法である複数フィール
ドの蓄積においても、複数フィールドの信号電荷を蓄積
していくとき、ＶＣＣＤに暗電流がたまり、これが画質
を劣化させる要因にもなっていた。

【００１３】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、リセットノイズ、折り返しノ
イズ、暗電流ノイズを抑制し、かつより高感度化を図っ
た固体撮像装置及びその駆動方法を実現することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本願の請求項１の発明は、半導体基板上に絶縁
膜を介して水平転送用の複数の転送電極が並列配置さ
れ、光電変換素子列で生成された信号電荷を順次転送
し、前記信号電荷を電圧に変換して出力する電荷転送手
段と、前記電荷転送手段の転送電極に対して、高感度動
作時と通常動作時で異なる駆動パターンのゲートパルス
を発生する駆動手段と、前記電荷転送手段の出力信号に
対して、リセットノイズの抑圧処理とサンプル処理を含
む信号処理を行うプリアンプ手段と、前記プリアンプ手
段の出力する画素信号に対して、高感度動作時と通常動
作時で異なる帯域制限を行う複数のフィルター手段と、
前記駆動手段の駆動パターンによって前記複数のフィル
ター手段の一方を選択する切換手段と、前記切換手段か
ら出力されたアナログ画素信号をデジタル変換して一時
記憶する記憶手段と、前記記憶手段から所定形式の映像
信号を生成する信号処理手段と、を具備することを特徴
とするものである。

【００１５】本願の請求項２の発明は、半導体基板上に
絶縁膜を介して複数の第１及び第２の転送電極と第３の
転送電極とが並列配置されて光電変換素子列で生成され
た信号電荷を順次転送する電荷転送手段と、前記第１及
び第２の転送電極を駆動するための第１及び第２の駆動
手段と、前記第１及び第２の転送電極の最終段に設けら
れた第３の転送電極を駆動する第３の駆動手段と、前記
電荷転送手段より転送される前記信号電荷を電圧に変換
する電荷電圧変換手段と、前記電荷電圧変換手段の出力
信号をサンプリングするプリアンプ手段と、前記第３の
駆動手段と前記プリアンプ手段に対して高感度動作時と
通常動作時に異なるゲートパルスを発生するよう指示す
る制御手段とを有する固体撮像装置の駆動方法であっ
て、前記電荷転送手段を通常駆動するときは、前記第３
の駆動手段におけるゲートパルスと前記プリアンプ手段
におけるサンプリングパルスの周波数を、前記第１、第
２の駆動手段のゲートパルスの周波数と同一に設定し、
かつ前記第３の駆動手段は、前記ゲートパルスの駆動周
期の１／２の期間で前記信号電荷を前記電荷電圧変換手
段に転送し、前記電荷転送手段を高感度駆動するとき
は、前記第３の駆動手段におけるゲートパルスと前記プ
リアンプ手段におけるサンプリングパルスの周波数を、
前記第１、第２の駆動手段のゲートパルスの周波数の１
／Ｎに設定し、かつ前記第３の駆動手段は、前記ゲート
パルスの駆動周期の１／２Ｎ期間で前記信号電荷を前記
電荷電圧変換手段に転送することを特徴とするものであ
る。

【００１６】本願の請求項３の発明は、請求項２の固体
撮像装置の駆動方法において、前記第１、第２、第３の
駆動手段のゲートパルスには、ｄｃ電圧が付加されてい
ることを特徴とするものである。

【００１７】本願の請求項４の発明は、請求項２の固体
撮像装置の駆動方法において、前記第３の転送電極は、
出力ゲート又は第１、第２の転送電極の最後段に設けら
れたことを特徴とするものである。

【００１８】本願の請求項５の発明は、半導体基板上に
形成された複数の光電変換素子列と、前記光電変換素子
列から転送される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転
送手段と、前記垂直転送手段から転送される信号電荷を
水平方向に転送する水平転送手段と、前記垂直転送手段
に対して垂直転送ゲートパルスを与え、前記水平転送手
段に対して水平転送ゲートパルスを与える制御手段と、
を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記水平転
送手段が停止中に前記垂直転送手段から転送される信号
電荷を前記水平転送手段にて加算することを特徴とする
ものである。

【００１９】本願の請求項６の発明は、半導体基板上に
形成された複数の光電変換素子列と、前記光電変換素子
列から転送される信号電荷を垂直方向に転送する垂直転
送手段と、前記垂直転送手段から転送される信号電荷を
水平方向に転送する水平転送手段と、前記垂直転送手段
に対して垂直転送ゲートパルスを与え、前記水平転送手
段に対して水平転送ゲートパルスを与える制御手段と、
を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記光電変
換素子列から前記垂直転送手段へ信号電荷を転送する前
の少なくとも１垂直帰線期間は、前記垂直転送手段及び
前記水平転送手段が動作状態であることを特徴とするも
のである。

【００２０】本願の請求項７の発明は、半導体基板上に
形成された複数の光電変換素子列と、前記光電変換素子
列から転送される信号電荷を垂直及び水平方向に転送す
る電荷転送手段と、前記半導体基板にバイアス電圧を加
える基板電圧手段と、前記基板電圧手段の出力電圧を制
御すると共に、前記電荷転送手段に対するゲートパルス
を生成する制御手段と、を具備する固体撮像装置であっ
て、前記制御手段は、前記光電変換素子列を高感度駆動
するときは、前記光電変換素子列で発生した信号電荷を
複数回に渡って加算するようゲートパルスを生成すると
共に、信号電荷の加算回数に応じて前記バイアス電圧を
所定値に制御するよう前記基板電圧手段に対して指示す
ることを特徴とするものである。

【００２１】以上のような構成により、リセットノイ
ズ、折り返しノイズ、暗電流ノイズを抑制し、かつより
高感度化を図った固体撮像装置及びその駆動方法を実現
できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１における固体撮像装置について図面を用いて説明
する。図１は本実施の形態による固体撮像装置の全体構
成を示すブロック図である。ＣＣＤ１は、光学系を介し
て入射してくる被写体の光を複数のフォトダイオードで
信号電荷に変換し、ＶＣＣＤ、ＨＣＣＤを経て信号電圧
として外部に出力する電荷転送手段である。プリアンプ
２は、ＣＣＤ１に含まれているリセットノイズの抑圧処
理、無信号部のクランプ、Ａ／Ｄ変換前のプリニー処理
などを行うプリアンプ手段である。駆動信号発生回路３
は、従来例と同様に、通常時と高感度時とでゲートパル
スφＨ１、φＨ２、φＨ１Ｌの駆動パターンを夫々変化
させて出力し、ＣＣＤ１を駆動する駆動手段である。こ
こでゲートパルスφＨ１、φＨ２、φＨ１Ｌを発生する
機能を夫々第１、第２、第３の駆動手段と呼ぶ。ローパ
スフィルター（ＬＰＦ）４，５は、その通過帯域は異な
っており、通常時と高感度時とで切換えられて信号の帯
域制限を行うフィルター手段である。

【００２３】スイッチ６は、駆動信号発生回路３の駆動
パターン、即ち通常時又は高感度時によって、ＬＰＦ
４、５の信号を切り換えてメモリ７に出力する切換手段
である。メモリ７はＣＣＤ１で撮像されたアナログの画
素信号をデジタル信号に変換して一時記憶する記憶手段
である。信号処理回路８は、メモリ７に保持された画素
信号を用いて、外部機器に合わせたアナログ又はデジタ
ルの映像信号を出力する信号処理手段である。

【００２４】本実施の形態の特徴は、水平方向の画素加
算を行う場合と行わない場合とで、画素信号の帯域制限
を変化させることである。つまり画素加算量によって、
折り返しの状態が異なってくるので、これに合わせて使
用するＬＰＦを変更する。またメモリ７は加算処理によ
ってデータ数が減少する。このため、同じ信号を複数回
再生することで、同じデータ数として出力している。更
に駆動信号発生回路３は、画素加算数を変更することに
より、高感度時も複数のパターンを設定できる。その場
合は、ＬＰＦもパターンに応じただけ設ける方がよい。

【００２５】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
おける固体撮像装置の駆動方法について図面を用いて説
明する。図２は本実施の形態による固体撮像装置の駆動
方法を示すもので、各ゲートに印加されるゲートパルス
のタイミングチャートを示している。図３は本実施の形
態のＣＣＤの部分断面図と周辺回路のブロック図であ
る。ＣＣＤを構成する半導体基板１１に対して、酸化膜
１２、不純物拡散領域１３、検出容量１４、リセットド
レイン１５、ゲートΦＨ１、ゲートΦＨ２、ゲートΦＨ
１Ｌ、出力ゲートＯＧ、リセットゲートΦＲが構成され
ていることは従来例と同様である。リセットドレイン１
５、ゲートΦＨ１、ゲートΦＨ２、ゲートΦＨ１Ｌ、出
力ゲートＯＧ、リセットゲートΦＲが形成された半導体
基板を電荷転送手段とする。アンプ１６は検出容量１４
で検出された信号電荷を、電圧信号に変換するもので、
検出容量１４とアンプ１６とが電荷電圧変換手段を構成
している。制御回路１７は通常時と高感度時によって、
ゲートパルスφＨ１Ｌの駆動パターンを切り換えて出力
するものであり、プリアンプ１８に対してもクランプパ
ルスφＣＰ、サンプリングパルスφＳＰの駆動パターン
を切り換えて出力する。プリアンプ１８はアンプ１６の
出力する画素信号に対して信号処理を行い、信号ＳＩＧ
を出力するものである。水平転送駆動回路１９はゲート
パルスφＨ１，φＨ２を発生する回路である。ここで、
ゲートΦＨ１、ΦＨ２、ΦＨ１Ｌに加えられるゲートパ
ルスを発生する手段を夫々第１、第２、第３の駆動手段
と呼ぶ。

【００２６】通常時のＣＣＤの動作におけるタイミング
チャートは図１２に示す従来例と同様であるため、通常
時の動作説明は省略する。図２に示すように、高感度時
においても、ゲートパルスφＨ１、φＨ２の出力タイミ
ングは従来例と同じである。またリセットパルスφＲ及
びサンプリングパルスφＣＰは、高感度時も通常時と同
じ周波数で出力される。ゲートパルスφＨ１Ｌは図２に
示すように、ゲートパルスφＨ１を分周したもので、ゲ
ートパルスφＨ１又はφＨ２の１／Ｎの周波数となる。
以下ではＮ＝２として説明する。

【００２７】さて、信号電荷はゲートΦＨ１、ΦＨ２を
通過し、ゲートパルスφＨ１Ｌ＝Ｈのときに、ゲートΦ
Ｈ１Ｌに貯えられる。そして信号電荷はゲートパルスφ
Ｈ１Ｌ＝Ｌの期間に検出容量４に転送される。飛込み信
号Ｓ１は従来と同様であり、信号電圧Ｓ２は２画素分の
信号が加算された値となるため、従来の２倍の値にな
る。図２の場合、ゲートパルスφＨ１Ｌは、ゲートパル
スφＨ１、φＨ２を２分周したものに相当（Ｎ＝２）
し、その周期をＴとすれば、Ｔ／４期間（１／２Ｎ）で
信号電荷を転送することになる。

【００２８】ゲートパルスφＨ１Ｌ、φＨ１、φＨ２に
は、パルス成分の他にｄｃ電圧も付加されているので、
水平方向の画素加算時も隣接信号と混合しなくなる。プ
リアンプ１８では、クランプパルスφＣＰやサンプリン
グパルスφＳＰによって、リセットノイズが抑圧され
る。尚、クランプパルスφＣＰは高感度時でも通常時と
同様の動作であるが、サンプリングパルスφＳＰは間欠
動作となる。実施の形態２では、リセットパルスφＲが
通常時と同じ周波数であるため、熱ノイズの折り返しで
あるリセットノイズが増加することはない。またプリア
ンプ１８でのノイズ抑圧効果はほぼ一定であるため、画
素信号が増加しただけＳ／Ｎが向上する。

【００２９】（実施の形態３）本発明の実施の形態３に
おける固体撮像装置の駆動方法について図面を用いて説
明する。図４は本実施の形態による固体撮像装置の駆動
方法を示すゲートパルスのタイミングチャートである。
図５はＣＣＤの部分断面図と周辺回路のブロック図であ
る。ＣＣＤの周辺回路の構成は、制御回路２７が出力ゲ
ートＯＧを駆動する点を除いて実施の形態２と同様であ
る。このため図２、図３と同じ部分には同番号を付与
し、詳細な説明は省略する。水平転送駆動回路１９はゲ
ートパルスφＨ１，φＨ２を出力する第１及び第２の駆
動手段である。制御回路２７は、第３の駆動手段として
出力ゲートＯＧに対してゲートパルスを発生すると共
に、通常時と高感度時で出力ゲートＯＧとプリアンプ２
８におけるクランプパルスφＣＰとリセットパルスφＳ
Ｐの駆動パターンを変更して出力するものである。図４
のタイミングチャートに示すように、ゲートパルスφＯ
ＧはゲートパルスφＨ１、φＨ２を分周したもので、１
／Ｎの周波数となる。

【００３０】ゲートパルスφＯＧにはパルス成分の他
に、ｄｃ電圧が付加されるため、Ｌレベルではマイナス
となる。このため信号電荷は左端のゲートΦＨ２に貯え
られ、ゲートパルスφＯＧがＨレベルになったときに、
信号電荷は検出容量１４に転送される。これにより、飛
込み信号Ｓ１及び信号電圧Ｓ２も実施の形態２と同様に
なる。なおゲートパルスφＯＧに付加するｄｃ電圧は、
ゲートパルスφＨ１、φＨ２に対する相対値であるた
め、ゲートパルスφＨ１、φＨ２にｄｃ電圧を付加し、
適当な値に調整することによっても同等の機能が得られ
る。

【００３１】（実施の形態４）本発明の実施の形態４に
おける固体撮像装置の駆動方法について図面を用いて説
明する。図６は本実施の形態による固体撮像装置の構成
を示すブロック図である。図７（ａ）は通常時の動作を
示すタイミングチャート、図７（ｂ）は高感度時の動作
を示すタイミングチャートである。本実施の形態ではＩ
Ｔ（インターライン・トランスファ）型のＣＣＤを用い
るものとする。図６において、ＶＣＣＤ３１は垂直転送
手段である。ＨＣＣＤ３２は水平転送手段である。フォ
トダイオード３０から読み出された信号電荷は、ＶＣＣ
Ｄ３１からＨＣＣＤ３２を経て、ＦＤＡ３４に転送され
る。ＶＣＣＤ３１は制御回路３３から出力されるゲート
パルスφＶ１〜φＶ４によって、ＨＣＣＤ３２は制御回
路３３から出力されるゲートパルスφＨ１、φＨ２によ
って、夫々通常時と高感度時とで異なった動作をする。

【００３２】図７（ａ）は通常時のゲートパルスの出力
タイミングを示し、ゲートパルスφＶ１〜４は１水平期
間に１回変化し、ゲートパルスφＨ１、φＨ２は水平ブ
ランク期間だけ停止する。尚、図７の水平期間では、ゲ
ートパルスφＨ１、φＨ２をＬ、Ｈの変化で表示せず、
対角線付きの矩形部で表示している。図７（ｂ）は高感
度時のゲートパルスの出力タイミングを示している。こ
こでは、１水平期間にゲートパルスφＶ１〜φＶ４を垂
直方向にＮ回動作させ、その後（Ｎ−１）水平期間で停
止状態にする。また最初の１水平期間は、ゲートパルス
φＨ１、φＨ２を停止させる。ゲートパルスφＶ１〜４
が動作した次の１水平期間に、ゲートパルスφＨ１、φ
Ｈ２が動作し、その後（Ｎ−１）水平期間停止する。こ
のような方法で駆動すると、ＨＣＣＤ３２内で垂直方向
の画素加算が行われる。またゲートパルスφＶ１〜φＶ
８で動作するＣＣＤの場合、ＶＣＣＤ内で２画素加算も
可能である。

【００３３】なお本実施の形態に、第１〜第３の実施の
形態を組み合わせることもでき、垂直及び水平方向の画
素加算により、ノイズが増加せずより感度アップが可能
となる。またフィールド毎に加算方向を変化させれば、
解像度の低下を少なくできる。なおＦＩＴ型ＣＣＤでも
同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００３４】（実施の形態５）本発明の実施の形態５に
おける固体撮像装置の駆動方法について図面を用いて説
明する。図８は本実施の形態による固体撮像装置の構成
を示すブロック図である。図９（ａ）は通常時の動作を
示すタイミングチャートであり、図９（ｂ）は高感度時
の動作を示すタイミングチャートである。本実施の形態
の特徴は、Ｎフィールドの期間に信号電荷の蓄積を行
い、暗電流の信号電荷への混入を低下させるものであ
る。図８において、ＶＣＣＤ４１は垂直転送手段であ
り、ＨＣＣＤ４２は水平転送手段である。フォトダイオ
ード４０から読み出された信号電荷は、ＶＣＣＤ４１か
らＨＣＣＤ４２を経て、ＦＤＡ４４に転送される。ＶＣ
ＣＤ４１、ＨＣＣＤ４２は、制御回路４３から出力され
るゲートパルスφＶ１〜φＶ４、ゲートパルスφＨ１、
φＨ２によって、通常時と高感度時で異なった動きをす
る。

【００３５】図９（ａ）に示す通常時には、ゲートパル
スφＶ１〜４は１水平期間に１回動作し、１垂直期間に
動作を続ける。フォトダイオード４０からＶＣＣＤ４１
へ信号電荷を転送するための読出しパルスは、１垂直期
間に１回出力される。図９（ｂ）に示す高感度時には、
読出しパルスはＮフィールドに１回出力され、ゲートパ
ルスφＶ１〜φＶ４は読出しパルス後、１垂直期間に出
力される。ゲートパルスφＶ１〜φＶ４は停止期間中、
Ｌ（−７Ｖ〜−９Ｖ）レベルに固定されるが、若干暗電
流が発生する。発生した暗電流電荷を掃出すため、ゲー
トパルスφＶ１〜φＶ４は読出しパルスの１垂直期間前
も出力される。これによって、スミアの発生も高輝度物
体の上下で同一となるため、画質も向上する。

【００３６】（実施の形態６）本発明の実施の形態６に
おける固体撮像装置の駆動方法について図面を用いて説
明する。図１０は本実施の形態による固体撮像装置の構
成を示すブロック図である。図１１（ａ）は図１０のＡ
−Ａ’断面図、図１１（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’ポテン
シャル断面図である。本実施の形態の特徴は、通常時と
高感度時で半導体基板に印加するバイアス電圧を変更
し、フォトダイオードに蓄積できる信号電荷量を制限す
ることにある。

【００３７】図１０において、基板電圧手段としてスイ
ッチ５５とバイアス電源とを設け、基板電圧Ｖｓｕｂと
して" Ｖａ" 又は" Ｖｂ" を電荷転送手段に印加するよ
うにしている。制御回路５３は、基板電圧手段の出力電
圧を制御すると共に、電荷転送手段に対するゲートパル
スを生成する制御手段である。制御回路５３は電荷転送
手段を高感度駆動するときは、フォトダイオード５０で
発生した信号電荷を複数回に渡って加算するようゲート
パルスを生成し、信号電荷の加算回数に応じてバイアス
電圧を所定値に制御するようスイッチ５５に対して指示
をする。

【００３８】フォトダイオード５０から読み出された信
号電荷は、電荷転送手段であるＶＣＣＤ５１、ＨＣＣＤ
５２を経て、ＦＤＡ５４に転送される。実施の形態１〜
５を組み合わせ、高輝度物体を撮影すると、ＨＣＣＤ５
２から信号電荷が溢れ出し、隣接信号と混合してしま
う。この現象を映像信号の破綻という。これを防止する
ため、高感度時にフォトダイオード５０の蓄積可能な電
荷量を削減する。つまり制御回路５３によりスイッチ５
５を制御し、通常時の基板電圧Ｖｓｕｂには" Ｖａ" を
印加し、高感度時は" Ｖｂ" を印加する（Ｖａ＜Ｖ
ｂ）。

【００３９】なお、ここでは通常時と高感度時におい
て、２種類の基板電圧を切り換えて出力するとしている
が、２種類以上であってもよい。ここで信号電荷の加算
回数が変化しても、ＨＣＣＤ５２の蓄積可能な電荷量は
変化しないため、蓄積方法には注意が必要である。つま
りＮ画素加算を行った場合、フォトダイオード５０の蓄
積可能電荷を、画素加算数に応じて削減しなければ、Ｈ
ＣＣＤ５２から電荷が溢れ出してしまう。従ってＮ画素
加算を行う場合、その画素加算に応じて基板電圧を切り
換える必要がある。つまり制御回路５３が、ゲートパル
スφＶ１〜φＶ４、φＨ１，φＨ２を制御することで、
Ｎ画素加算を実現すると共に、その画素加算数に応じて
複数の基板電圧を切り換えることで、映像信号の破綻を
防止している。

【００４０】図１１（ａ）のＡ−Ａ’断面図に示すよう
に、フォトダイオード５０はｎ⁺ 層で構成されている。
図１１（ｂ）のＢ−Ｂ’ポテンシャル断面図に示すよう
に、フォトダイオード５０付近のポテンシャルは、信号
電荷を蓄積するためのバリアが−Ｖ方向に形成されてい
る。同図より明らかなように、基板に加える電圧Ｖｓｕ
ｂを高くした方が蓄積信号の電荷量が少なくなる（飽和
信号電荷の低下）。従ってこの状態でＨＣＣＤ５２内で
信号電荷を加算しても、隣接信号との混合はなくなり、
映像信号の破綻が起こらない。一般的に高輝度部は、ニ
ー処理により信号が圧縮されるため、飽和信号電荷が低
下しても問題なく、低輝度部の感度アップの方がはるか
に効果は大きい。

【００４１】以上説明したＣＣＤはＩＴ型でもＦＩＴ型
でも良いし、実施の形態１〜６の状態を組合せて用いる
こともできる。また発明の趣旨を満たす限り、種々変更
は可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
セットノイズ、暗電流ノイズや折り返しノイズ（歪み）
の発生を少なくできる。また信号電荷の逆流がないた
め、映像信号の破綻もなく、従来以上の高感度化が可能
である。以上の性能向上を簡易な構成で実現できるた
め、実用上極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における固体撮像装置の
全体構成図である。

【図２】本発明の実施の形態２における固体撮像装置の
駆動方法を示すタイミングチャートである。

【図３】実施の形態２における固体撮像装置の主要部の
構成図である。

【図４】本発明の実施の形態３における固体撮像装置の
駆動方法を示すタイミングチャートである。

【図５】実施の形態３における固体撮像装置の主要部の
構成図である。

【図６】本発明の実施の形態４における固体撮像装置の
主要部の構成図である。

【図７】実施の形態４における固体撮像装置の駆動方法
を示すタイミングチャートである。

【図８】本発明の実施の形態５における固体撮像装置の
主要部の構成図である。

【図９】実施の形態５における固体撮像装置の駆動方法
を示すタイミングチャートである。

【図１０】本発明の実施の形態６における固体撮像装置
の主要部の構成図である。

【図１１】（ａ）は実施の形態６における固体撮像装置
の断面構造を示す説明図であり、（ｂ）はバイアス電圧
の印加によるポテンシャル断面図である。

【図１２】従来例の固体撮像装置における通常時の駆動
方法を示すタイミングチャートである。

【図１３】従来例における固体撮像装置の主要部の構成
図である。

【図１４】従来例の固体撮像装置における高感度時の駆
動方法を示すタイミングチャートである。

【図１５】リセットノイズの説明図であり、（ａ）はリ
セットゲートの熱ノイズ、（ｂ）は通常時のリセットノ
イズ、（ｃ）は高感度時のリセットノイズである。

【符号の説明】

１ ＣＣＤ ２ プリアンプ ３ 駆動信号発生回路 ４，５ ＬＰＦ ６，５５ スイッチ ７ メモリ ８ 信号処理回路 １１ 半導体基板 １２ 酸化膜 １３ 不純物拡散領域 １４ 検出容量 １５ リセットドレイン １６ アンプ １７，２７，３３，４３，５３ 制御回路 １８，２８ プリアンプ １９ 水平転送駆動回路 ３０，４０，５０ フォトダイオード ３１，４１，５１ ＶＣＣＤ ３２，４２，５２ ＨＣＣＤ ３４，４４，５４ ＦＤＡ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 元田 一真 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5C024 AA01 CA05 CA12 FA01 FA11 GA16 GA17 HA02 HA06 HA14 HA24 JA32 5C052 GA02 GB01 GC08 GD03 GD07 GD08 GD09

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に絶縁膜を介して水平転送
   用の複数の転送電極が並列配置され、光電変換素子列で
   生成された信号電荷を順次転送し、前記信号電荷を電圧
   に変換して出力する電荷転送手段と、 前記電荷転送手段の転送電極に対して、高感度動作時と
   通常動作時で異なる駆動パターンのゲートパルスを発生
   する駆動手段と、 前記電荷転送手段の出力信号に対して、リセットノイズ
   の抑圧処理とサンプル処理を含む信号処理を行うプリア
   ンプ手段と、 前記プリアンプ手段の出力する画素信号に対して、高感
   度動作時と通常動作時で異なる帯域制限を行う複数のフ
   ィルター手段と、 前記駆動手段の駆動パターンによって前記複数のフィル
   ター手段の一方を選択する切換手段と、 前記切換手段から出力されたアナログ画素信号をデジタ
   ル変換して一時記憶する記憶手段と、 前記記憶手段から所定形式の映像信号を生成する信号処
   理手段と、を具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 半導体基板上に絶縁膜を介して複数の第
   １及び第２の転送電極と第３の転送電極とが並列配置さ
   れて光電変換素子列で生成された信号電荷を順次転送す
   る電荷転送手段と、前記第１及び第２の転送電極を駆動
   するための第１及び第２の駆動手段と、前記第１及び第
   ２の転送電極の最終段に設けられた第３の転送電極を駆
   動する第３の駆動手段と、前記電荷転送手段より転送さ
   れる前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換手段
   と、前記電荷電圧変換手段の出力信号をサンプリングす
   るプリアンプ手段と、前記第３の駆動手段と前記プリア
   ンプ手段に対して高感度動作時と通常動作時に異なるゲ
   ートパルスを発生するよう指示する制御手段とを有する
   固体撮像装置の駆動方法であって、 前記電荷転送手段を通常駆動するときは、前記第３の駆
   動手段におけるゲートパルスと前記プリアンプ手段にお
   けるサンプリングパルスの周波数を、前記第１、第２の
   駆動手段のゲートパルスの周波数と同一に設定し、かつ
   前記第３の駆動手段は、前記ゲートパルスの駆動周期の
   １／２の期間で前記信号電荷を前記電荷電圧変換手段に
   転送し、 前記電荷転送手段を高感度駆動するときは、前記第３の
   駆動手段におけるゲートパルスと前記プリアンプ手段に
   おけるサンプリングパルスの周波数を、前記第１、第２
   の駆動手段のゲートパルスの周波数の１／Ｎに設定し、
   かつ前記第３の駆動手段は、前記ゲートパルスの駆動周
   期の１／２Ｎ期間で前記信号電荷を前記電荷電圧変換手
   段に転送することを特徴とする固体撮像装置の駆動方
   法。
3. 【請求項３】 前記第１、第２、第３の駆動手段のゲー
   トパルスには、ｄｃ電圧が付加されていることを特徴と
   する請求項２記載の固体撮像装置の駆動方法。
4. 【請求項４】 前記第３の転送電極は、出力ゲート又は
   第１、第２の転送電極の最後段に設けられたことを特徴
   とする請求項２記載の固体撮像装置の駆動方法。
5. 【請求項５】 半導体基板上に形成された複数の光電変
   換素子列と、前記光電変換素子列から転送される信号電
   荷を垂直方向に転送する垂直転送手段と、前記垂直転送
   手段から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平
   転送手段と、前記垂直転送手段に対して垂直転送ゲート
   パルスを与え、前記水平転送手段に対して水平転送ゲー
   トパルスを与える制御手段と、を有する固体撮像装置の
   駆動方法であって、 前記水平転送手段が停止中に前記垂直転送手段から転送
   される信号電荷を前記水平転送手段にて加算することを
   特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
6. 【請求項６】 半導体基板上に形成された複数の光電変
   換素子列と、前記光電変換素子列から転送される信号電
   荷を垂直方向に転送する垂直転送手段と、前記垂直転送
   手段から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平
   転送手段と、前記垂直転送手段に対して垂直転送ゲート
   パルスを与え、前記水平転送手段に対して水平転送ゲー
   トパルスを与える制御手段と、を有する固体撮像装置の
   駆動方法であって、 前記光電変換素子列から前記垂直転送手段へ信号電荷を
   転送する前の少なくとも１垂直帰線期間は、前記垂直転
   送手段及び前記水平転送手段が動作状態であることを特
   徴とする固体撮像装置の駆動方法。
7. 【請求項７】 半導体基板上に形成された複数の光電変
   換素子列と、 前記光電変換素子列から転送される信号電荷を垂直及び
   水平方向に転送する電荷転送手段と、 前記半導体基板にバイアス電圧を加える基板電圧手段
   と、 前記基板電圧手段の出力電圧を制御すると共に、前記電
   荷転送手段に対するゲートパルスを生成する制御手段
   と、を具備する固体撮像装置であって、 前記制御手段は、 前記光電変換素子列を高感度駆動するときは、前記光電
   変換素子列で発生した信号電荷を複数回に渡って加算す
   るようゲートパルスを生成すると共に、信号電荷の加算
   回数に応じて前記バイアス電圧を所定値に制御するよう
   前記基板電圧手段に対して指示することを特徴とする固
   体撮像装置。