JP2002290836A - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電荷量増幅に係る消費電力を低減する。 【解決手段】 撮像部１１ｉは、受光した光に対応した
情報電荷を各受光画素に蓄積して、フレーム転送クロッ
クφｆに応答して蓄積した情報電荷を高速で蓄積部１１
ｓに転送する。蓄積部１１ｓは、垂直転送クロックφｖ
に応答して、撮像部１１ｉから転送された情報電荷を１
行単位で増幅部１１ａに転送する。増幅部１１ａは、垂
直転送クロックφｖに同期した増幅転送クロックφａに
応答して、蓄積部１１ｉから転送された情報電荷を垂直
方向に転送しながら、インパクトイオン化現象を利用し
て、所定の増幅率で順次情報電荷の電荷量を増幅してい
く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インパクトイオン
化現象を利用し、光電変換によって得られた情報電荷の
電荷量を２次的に増幅させる固体撮像素子及びその駆動
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】デジタルスチルカメラに用いられるＣＣ
Ｄ固体撮像素子には、ＣＣＤ固体撮像素子の感度を上げ
るために、受光した光に応じて発生した電荷を、インパ
クトイオン化現象を利用して増幅する増幅型のＣＣＤ固
体撮像素子がある。この増幅型のＣＣＤ固体撮像素子
は、受光した光によって生じた情報電荷の電荷量を増幅
させた後に、外部に出力するものである。

【０００３】インパクトイオン化現象（衝突電離）と
は、電荷が高電界領域中を通過するとき、電界によって
加速されて、中性原子に衝突し、次々と多数の新たな電
荷を生じさせるものである。Ｓｉ基板中に形成される高
電界領域中の電界に加速された電荷は、中性のＳｉ原子
に衝突し、別の電荷（自由電子とホール）を発生させ
る。そして、その発生した電荷が更に別の中性原子に衝
突して、再び新たな電荷を発生させる。このように、電
荷は次々と衝突を繰り返し、多数の新たな電荷を発生さ
せ、なだれ的に電荷量を増加させる。

【０００４】尚、各転送電極下の転送領域中に高電界領
域を形成するには、２つの隣接する転送電極間に１０〜
２０Ｖの電位差を与えるか、若しくは、２つの隣接する
領域で、イオン打ち込みやヘテロエピキャシタル成長に
よって、異なるドーピング分布を持たせる方法がある。

【０００５】このようなインパクトイオン化現象を利用
して電荷量の増幅を行うことは、インターライン転送方
式及びフレーム転送方式の何れのＣＣＤ固体撮像素子に
も用いられ得る。

【０００６】図５は、フレーム転送方式の増幅型ＣＣＤ
固体撮像素子を用いた撮像装置の構成の一部を示すブロ
ック図である。図５に示すＣＣＤ固体撮像素子１は、撮
像部１ｉ、蓄積部１ｓ、水平転送部１ｈ及び出力部１ｄ
の構成に加え、水平転送部１ｈと出力部１ｄの間に増幅
部１ａを備えたものである。

【０００７】撮像部１ｉの受光面に照射された光は、撮
像部１ｉを構成する複数の受光画素により光電変換され
て、その光量に応じた情報電荷に変換される。各受光画
素より発生した情報電荷は、フレーム転送クロックφｆ
に応答して蓄積部１ｓに高速で垂直転送され、蓄積部１
ｓに一時的に蓄積される。蓄積部１ｓに蓄積された各情
報電荷は、垂直転送クロックφｖに応答して、水平転送
部１ｈの各ビットに１行単位で転送される。水平転送部
１１ｈに転送された情報電荷は、水平転送クロックφｈ
に応じて、１ビット単位で水平方向に転送され、順次蓄
積部１ａに出力される。

【０００８】増幅部１ａに出力された各情報電荷は、増
幅転送クロックφａに応じて、順次水平方向に転送され
ると共に、インパクトイオン化現象を利用して、各情報
電荷の電荷量が各ビット間を転送する毎に順次増幅され
る。各情報電荷は所定の電荷量レベルに増幅された後
に、出力部１ｄに出力される。増幅部１ａから出力部１
ｄに転送された情報電荷は、その電荷量に応じて電圧値
に変換されて外部に出力される。尚、増幅部１ａの増幅
率は、増幅部１ａの転送電極に印加される増幅転送クロ
ックφａの電位レベルによって０．５〜１．０％程度に
調整されている。

【０００９】クロック発生回路２は、フレーム転送クロ
ック発生部２ｆ、垂直転送クロック発生部２ｖ、水平転
送クロック発生部２ｈ及び増幅転送クロック２ａより構
成される。フレーム転送クロック発生部２ｆは、垂直同
期信号ＶＤに同期し、垂直走査のブランキング期間内に
撮像部１ｉの情報電荷を高速で蓄積部１ｓに転送するフ
レーム転送クロックφｆを供給する。垂直転送クロック
発生部２ｖは、フレーム転送クロックφｆによって転送
される情報電荷を蓄積部１ｓに取り込むと共に、取り込
んだ情報電荷を水平同期信号ＨＤに同期して、水平走査
のブランキング期間内に１行ずつ水平転送部１ｈへ転送
する水平転送クロックφｈを蓄積部１ｓに供給する。

【００１０】水平転送クロック発生部２ｈは、水平同期
信号ＨＤに同期し、垂直転送クロックφｖに応答して１
行毎に取り込まれる情報電荷を１画素単位で増幅部１ａ
に順次転送する水平転送クロックφｈを水平転送部１ｈ
へ供給する。増幅転送クロック発生部２ａは、水平同期
信号ＨＤに同期し、水平転送クロックφｈに応答して１
画素単位で取り込まれる情報電荷を順次転送する増幅転
送クロックφａを生成し、その増幅転送クロックφａの
電位レベルを増幅部１ａの増幅率が所定値となる程度に
昇圧した後に増幅部１ａに供給する。また、増幅転送ク
ロック発生部２ａは、出力部１ｄの容量に１ビット単位
で蓄積される情報電荷を増幅転送クロックφａに同期し
て排出するリセットクロックφｒを生成し、出力部１ｄ
に供給する。

【００１１】タイミング制御回路３は、垂直同期信号Ｖ
Ｄ及び水平同期信号ＨＤに基づいて、垂直走査に同期し
たフレーム転送信号ＦＴ、垂直走査及び水平走査に同期
した垂直転送タイミング信号ＶＴ、水平走査に同期した
水平転送タイミング信号ＨＴ及び増幅転送タイミング信
号ＡＴを生成し、クロック発生回路２の各部２ｆ、２
ｖ、２ｈ、２ａに供給する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の増幅型のＣＣＤ
固体撮像素子において、水平転送部１ｈは、１水平走査
期間１Ｈに、蓄積部１ｓから転送出力される１行分の情
報電荷を順次１画素単位で転送するため、高いフレーム
レートが求められる。このため、水平転送部１ｈには、
高い周波数（例えば、１０〜３０MHz）の水平転送クロ
ックφｈが供給され、この水平転送クロックφｈに応じ
た早い周期で転送駆動が行われる。

【００１３】水平転送部１ｈから順次出力される情報電
荷を受け取る増幅部１ａは、水平転送部１ｈの転送周期
に応じて、１水平走査期間１Ｈに、各情報電荷を出力部
１ｄへ転送しなければならない。このため、増幅部１ａ
には、水平転送クロックφｈと同じレベルの高い周波数
の増幅転送クロックφａが供給され、早い周期で転送駆
動を行う。これに加え、増幅部１ａは、インパクトイオ
ン化現象を利用して、各情報電荷を転送しながら、各情
報電荷の電荷量を増幅していくため、増幅転送クロック
φａは、各転送電極下の転送領域中に高電界領域を発生
し得る程度の電位レベル（１０〜２０Ｖ程度）が必要と
なる。このように、増幅部１ａの転送駆動を高速で、且
つ、高い電位レベルの増幅転送クロックφａに応答して
行うため、消費電力の著しい増大を招く。

【００１４】そこで、本願発明は、上述の問題に鑑み成
されたもので、増幅転送駆動による消費電力を抑制する
ことのできる固体撮像素子及びその駆動方法の提供を目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上述の課題
を解決するために成されたものであり、その特徴とする
ところは、複数の受光画素で発生する情報電荷を取り込
んで垂直方向に転送する複数の第１の垂直シフトレジス
タと、前記複数の第１の垂直シフトレジスタに連続する
複数の第２の垂直シフトレジスタと、前記複数の第２の
垂直シフトレジスタから転送出力される前記情報電荷を
各ビットに取り込んで水平方向に転送する水平シフトレ
ジスタと、を備え、前記複数の第２の垂直シフトレジス
タは、前記情報電荷の転送領域内で電荷の衝突電離を引
き起こし得る電界を形成する電位が周期的に印加され、
前記情報電荷を転送過程で増幅することにある。

【００１６】本願発明の固体撮像素子によれば、水平転
送クロックφｈよりも周波数の低い垂直転送クロックφ
ｖに同期して、増幅転送を行うクロックパルスを生成す
ることができる。第２の垂直シフトレジスタは、この増
幅転送クロックφａに応答して情報電荷の転送及び電荷
量の増幅を行うため、消費電力を低減することができ
る。

【００１７】また、その駆動方法として、複数の受光画
素で発生する情報電荷を取り込んで垂直方向に転送する
複数の第１の垂直シフトレジスタと、前記複数の第１の
垂直シフトレジスタに連続する複数の第２の垂直シフト
レジスタと、前記複数の第２の垂直シフトレジスタから
転送出力される前記情報電荷を各ビットに取り込んで水
平方向に転送する水平シフトレジスタと、を有する固体
撮像素子の駆動方法において、複数の受光画素で発生し
た情報電荷を複数の第１の垂直シフトレジスタに取り込
んで、前記複数の第２の垂直シフトレジスタの各列に転
送出力する第１のステップと、前記複数の第２の垂直シ
フトレジスタに前記情報電荷の転送電極内で電荷の衝突
電離を引き起こし得る電界を形成する電位を周期的に印
加し、前記情報電荷を転送過程で増幅させながら、前記
水平シフトレジスタの各ビットに転送出力する第２のス
テップと、前記水平シフトレジスタの各ビットに取り込
まれた各情報電荷を水平方向に転送出力する第３のステ
ップと、を備えたことを特徴する。

【００１８】本願発明の固体撮像素子の駆動方法によれ
ば、第１の垂直シフトレジスタから高速で第２の垂直シ
フトレジスタに垂直転送された情報電荷が、１垂直走査
期間内に１行単位で水平シフトレジスタの各ビットに転
送出力される。これにより、１水平走査期間毎に情報電
荷を１ビット転送しながら、その情報電荷の電荷量を増
幅させることができ、消費電力を低減することができ
る。

【００１９】更に、複数の受光画素で発生する情報電荷
を取り込んで垂直方向に転送する複数の第１の垂直シフ
トレジスタと、前記複数の第１の垂直シフトレジスタに
連続する複数の第２の垂直シフトレジスタと、前記複数
の第２の垂直シフトレジスタから転送出力される前記情
報電荷を各ビットに取り込んで水平方向に転送する水平
シフトレジスタと、前記複数の第２の垂直シフトレジス
タと同一の構造を有し、前記複数の第２の垂直シフトレ
ジスタと同時に印加される電位に応答して一定電荷量の
電荷を垂直方向に転送する補助垂直シフトレジスタと、
前記補助垂直シフトレジスタから順次転送される前記電
荷を電圧値に変換してモニタ信号を発生する補助出力部
と、を有する固体撮像素子の駆動方法において、複数の
受光画素で発生した情報電荷を複数の第１の垂直シフト
レジスタに取り込んで、前記複数の第２の垂直シフトレ
ジスタの各列に転送出力すると共に、前記補助垂直シフ
トレジスタに一定電荷量の電荷を注入する第１のステッ
プと、前記情報電荷の転送電極内で電荷の衝突電離を引
き起こし得る電界を形成する電位を前記第２の垂直シフ
トレジスタ及び前記補助垂直シフトレジスタに周期的に
印加し、前記情報電荷を前記第２の垂直シフトレジスタ
の転送過程で増幅させながら、前記水平シフトレジスタ
の各ビットに転送出力すると共に、前記電荷を前記補助
垂直シフトレジスタの転送過程で増幅する第２のステッ
プと、前記水平シフトレジスタの各ビットに取り込まれ
た各情報電荷を水平方向に転送出力する第３のステップ
と、前記補助垂直シフトレジスタから出力される前記電
荷をビット単位で補助出力部へ蓄積してその電荷量に対
応したモニタ信号を出力し、前記モニタ信号に応答して
前記複数の第２の垂直シフトレジスタに印加される電位
のレベルが調整される第４のステップと、を備えたこと
を特徴とする。

【００２０】本願発明の固体撮像素子の駆動方法によれ
ば、増幅部の増幅率が常に所定値となるように調節する
ことが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本願発明の増幅型ＣＣＤ
固体撮像素子の構成を示す平面図で、図２は、このＣＣ
Ｄ固体撮像素子を駆動する各クロックパルスのタイミン
グ図である。尚、本願発明は、インターライン転送方式
及びフレーム転送方式の何れの転送方式にも対応するも
のであるが、説明の簡略化のため、ここでは、フレーム
転送式のＣＣＤ固体撮像素子を説明する。

【００２２】図１に示すものは、フレーム転送方式の増
幅型ＣＣＤ固体撮像素子であり、撮像部１１ｉ、蓄積部
１１ｓ、増幅部１１ａ、水平転送部１１ｈ及び出力部１
１ｄより構成される。

【００２３】撮像部１１ｉは、互いに平行に配列される
垂直方向に連続する複数の垂直シフトレジスタからな
り、これらの垂直シフトレジスタの各ビットが複数の受
光ビットを形成し、各受光ビットに受ける光量に対応し
て発生する情報電荷を蓄積する。この撮像部１１ｉの垂
直シフトレジスタには、垂直走査タイミングに同期した
フレーム転送クロックφｆが印可され、垂直走査期間の
ブランキング期間内に各受光画素に発生する情報電荷が
蓄積部１１ｓに転送される。

【００２４】蓄積部１１ｓは、撮像部１１ｉの垂直シフ
トレジスタの各列に対応し、且つ、撮像部１１ｉの垂直
シフトレジスタにビット数が一致する複数の垂直シフト
レジスタからなる。この撮像部１１ｓは、垂直シフトレ
ジスタの各ビットが蓄積ビットを形成し、各蓄積ビット
に撮像部１１ｉから転送される１画面分の情報電荷を一
時的に蓄積する。この蓄積部１１ｓの垂直シフトレジス
タには、垂直転送クロックφｖが印可され、蓄積部１１
ｓに蓄積される各情報電荷が順次増幅部１１ａに転送さ
れる。

【００２５】増幅部１１ａは、蓄積部１１ｓを構成する
複数の垂直シフトレジスタの各列に対応する複数の垂直
シフトレジスタからなり、蓄積部１１ｓに蓄積される１
画面分の情報電荷を１行単位で順次受け取り、順次垂直
方向に転送する。これに加え、この増幅部１１ａを構成
する複数の垂直シフトレジスタの各ビットに対応する各
転送電極に、転送領域中に高電界領域を発生し得る程度
の高い電位レベルを有する増幅転送クロックφａが印加
され、蓄積部１１ｓから順次受け取った情報電荷を転送
しながら、インパクトイオン化現象を利用して各情報電
荷の電荷量を順次増幅していく。尚、インパクトイオン
化現象による電荷量の増加は、なだれ的に発生するた
め、電荷量の増幅を制御するのは困難である。このた
め、各ビット間の増幅率は、各転送電極に印可される増
幅転送クロックφａの電位レベルを制御して０．５〜
１．０％程度に調整し、１段転送する毎に僅かずつ電荷
量を増幅させて、これを複数段繰り返すことで所定の電
荷量を得るようにしている。

【００２６】水平転送部１１ｈは、増幅部１１ａの複数
の垂直シフトレジスタの各列に各ビットが対応して配置
される単一の水平シフトレジスタからなり、増幅部１１
ａから順次転送される各情報電荷を１行単位で受け取
る。この水平転送レジスタ１１ｈの水平シフトレジスタ
には、水平走査に同期した水平転送クロックφｈが印加
され、１行単位で受け取った各情報電荷を１ビット単位
で出力部１１ｄに順次転送する。

【００２７】出力部１１ｄは、電気的に独立した容量及
びその容量の電位変化を取り出すアンプと容量に蓄積さ
れた情報電荷を排出するリセットトランジスタよりな
る。この出力部１１ｄには、水平転送クロックφｈに同
期したリセットクロックφｒが印加され、水平転送部１
１ｈから出力された１ビットの単位の情報電荷が容量に
蓄積されて、順次排出される。これにより、水平転送部
１１ｈから転送される情報電荷がその電荷量に応じた電
圧値に変換され、画像信号Ｙ_(t)として出力される。

【００２８】垂直転送クロックφｖは、例えば、４相の
クロックφｖ1〜φｖ4からなり、水平同期信号ＨＤに同
期した垂直走査の始まりのタイミングで蓄積部１１ｓの
情報電荷を１行分垂直方向に転送する。そして、１水平
走査期間毎に１行単位で、情報電荷を増幅部１１ａに順
次転送する。増幅部１１ａの垂直シフトレジスタを駆動
する増幅転送クロックφａは、例えば、４相のクロック
φａ１〜φａ４からなり、垂直転送クロックφｖに同期
して、蓄積部１１ｓから転送された情報電荷を１行単位
で取り込み、水平同期信号ＨＤに同期した垂直走査の始
まりのタイミングで、１行分垂直方向に転送する。この
とき、増幅部１１ａの複数の垂直シフトレジスタの各ビ
ットに対応する転送電極の内、隣接する２つの転送電極
には、図２に示すように、高いレベル（１０〜２０Ｖ程
度）の電位Ｖaが供給される。

【００２９】これにより、その２つの転送電極下の転送
領域には、高電界領域が形成され、そこを通過する情報
電荷の電荷量がインパクトイオン化現象により、所定の
増幅率で増幅される。そして、電荷量が増幅された１画
面分の情報電荷を１垂直走査期間内に１行単位で水平転
送部１１ｈに順次転送する。

【００３０】水平転送部１１ｈの水平シフトレジスタを
駆動する水平転送クロックφｈは、例えば、２相のクロ
ックφｈ1、φｈ2からなり、増幅部１１ａの垂直シフト
レジスタの最終ビットから増幅された情報電荷が水平転
送部１１ｈの水平シフトレジスタへ転送される毎に、出
力部１１ｄに向けて順次転送する。

【００３１】このように、蓄積部１１ｓから増幅部１１
ａへ転送された情報電荷を、１水平走査期間毎に１行分
転送しながら、各情報電荷の電荷量を増幅させること
で、従来に比べ、単位時間内に増幅転送クロックφａの
電位レベルを所定の高レベルまで昇圧する割合を減らす
ことができる。これにより、消費電力を低減することが
可能となる。

【００３２】ところで、上述の方法においては、消費電
力を低減することが可能となるが、蓄積部１１ｓと水平
転送部１１ｈの間に増幅部１１ａを設けるため、ＣＣＤ
固体撮像素子のチップサイズが大きくなる。そこで、増
幅部１１ａにおいて、蓄積部１１ｓから転送された電荷
を蓄積部１１ｓから水平転送部１１ｈへ向かう方向に垂
直転送した後、転送した情報電荷を逆の方向へ向かって
垂直転送して、順次電荷量を増幅させていく。これらの
動作を各情報電荷の電荷量が特定の電荷量に達するま
で、１垂直走査期間内繰り返すことにより、増幅部１１
ａを構成する垂直シフトレジスタのビット数を減らすこ
とができる。

【００３３】図３は、増幅部１１ａの転送駆動を制御す
る各クロックのタイミング図である。尚、垂直転送クロ
ックφｖ及び水平転送クロックφｈは、図２に示すもの
と同一であるため、省略する。

【００３４】蓄積部１１ｓから転送された情報電荷は、
垂直転送クロックφＶに応答して、増幅部１１ａを構成
する複数の垂直シフトレジスタの最上位ビットに取り込
まれる。このとき、垂直シフトレジスタの各ビットに対
応する複数の転送電極には、図３（ａ）に示す第１の増
幅転送クロックφａ１が印加される。第１の増幅転送ク
ロックφａ１は、例えば、４相のクロックφａ１１〜φ
ａ１４からなり、水平同期信号ＨＤに同期した垂直走査
の始まりのタイミングで、蓄積部１１ｓから転送された
情報電荷を蓄積部１１ａから水平転送部１１ｈへ向かう
方向に垂直転送する。

【００３５】第１の増幅転送クロックφａ１に応答し
て、情報電荷が垂直シフトレジスタの最下位ビットにま
で転送されると、各転送電極に印加されていた第１の増
幅転送クロックが、図３（ｂ）に示す第２の増幅転送ク
ロックφａ２に切り替えられる。第２の増幅転送クロッ
クφａ2は、第１の転送クロックφａ１と同様に、４相
のクロックφａ２１〜φａ２４からなり、水平同期信号
ＨＤに同期して、情報電荷を水平転送部１１ｈから蓄積
部１１ｓへ向かう方向に順次垂直転送する。第２の増幅
転送クロックφａ２に応答して、情報電荷が垂直シフト
レジスタの最上位ビットにまで転送されると、各転送電
極に印加されていた第２の増幅転送クロックφａ2が、
再度、第１の増幅転送クロックφａ1に切り替えられ
る。

【００３６】これにより、逆方向に垂直転送された情報
電荷は、再度、蓄積部１１ｓから水平転送部１１ｈに向
かう方向に垂直転送される。このように、１垂直走査期
間内に増幅部１１ａを構成する垂直シフトレジスタの最
終ビットに転送される情報電荷の電荷量が所望する電荷
量に増幅されるまで、情報電荷の順方向への転送と逆方
向への転送との切り替えが繰り返される。

【００３７】上述の如く、垂直レジスタの各ビットに対
応する各転送電極に、第１の増幅転送クロックφａ1と
第２の増幅転送クロックφａ2とを交互に供給すること
で、増幅部１１ａ内で順方向への転送及び逆方向への転
送を交互に繰り返すことができる。これにより、垂直シ
フトレジスタのビット数以上の転送段数を設けることが
でき、増幅部１１ａを構成する垂直シフトレジスタのビ
ット数を低減することが可能となる。従って、ＣＣＤ固
体撮像素子のチップサイズの増大を最小限に抑制するこ
とができる。

【００３８】また、メカニカルシャッタを備えるデジタ
ルスチルカメラに、フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像
素子が搭載される場合においては、ＣＣＤ固体撮像素子
のチップサイズを増大させることなく、情報電荷の電荷
量をＣＣＤ固体撮像素子内で増幅することができる。メ
カニカルシャッタを備えるデジタルスチルカメラのフレ
ーム転送式の場合、搭載されるＣＣＤ固体撮像素子は、
２つの動作モードで動作する。第１はモニターモード
で、被写体を定めるとき、即ち、動画を撮像するときの
動作モードである。このモニターモードでは、撮像部で
の撮像が完了しても、デジタルスチルカメラのメカニカ
ルシャッタは解放したままである。そのため、撮像部で
発生した情報電荷は、スミアの発生を抑制するために、
高速で蓄積部に転送され、その後、１行単位で水平転送
部に転送されて順次読み出される。

【００３９】第２は高解像度モードで、被写体を撮影す
るとき、即ち、静止画を撮像するときの動作モードであ
る。この高解像度モードでは、撮像部での撮像が終了す
ると、メカニカルシャッタが閉じられる。このため、メ
カニカルシャッタが閉じられた状態で垂直転送が行われ
るため、スミアの発生を抑制するための高速転送を行う
必要がなく、撮像部で蓄積された情報電荷は、水平走査
に同期して１行単位で垂直方向に転送される。撮像部か
ら転送された情報電荷は、蓄積部に１行単位で取り込ま
れ、蓄積部を介して、順次水平転送部に転送される。こ
のとき、撮像部と水平転送部の間に設けられる蓄積部
は、情報電荷の垂直転送の通路となるのみである。

【００４０】そこで、高解像度モードで動作するＣＣＤ
固体撮像素子において、垂直転送の通路としてのみ使用
される蓄積部を情報電荷の電荷量を増幅する増幅部とし
て利用することができる。蓄積部に供給される垂直転送
クロックφｖにおいて、そのクロックパルスの電位レベ
ルを、転送領域内に高電界領域を形成し得る程度の電位
レベルまで昇圧することで可能となる。これによれば、
ＣＣＤ固体撮像素子のチップサイズを増大させることな
く、各情報電荷の電荷量を増幅することができ、ＣＣＤ
固体撮像素子の感度を向上させることができる。

【００４１】一方、デジタルスチルカメラに搭載される
ＣＣＤ固体撮像素子のモニタモードで撮像される被写体
映像は、プレビュー表示として用いられるだけなので、
ＣＣＤ固体撮像素子の蓄積部の垂直画素数は、表示部の
垂直解像度に見合う程度の画素数に圧縮されている。そ
のため、モニターモードで動作するとき、撮像部で発生
した情報電荷は、蓄積部へ高速転送される途中で垂直画
素の間引きが行われる。このとき、隣接する画素が混合
されて、ＣＣＤ固体撮像素子の感度が上げられる。これ
に加え、モニターモードで撮影される動画像は、被写体
を定めるときのプレビュー表示として使用されるだけな
ので、高い解像度が要求されない。このため、高解像度
モードのみで感度の向上が行われるだけで良い。

【００４２】ところで、前述したように、インパクトイ
オン化現象を利用した電荷量増幅はなだれ的に発生する
ものであり、これに加え、その増幅率は、電源電位、或
いは、温度変化に依存するので、その制御を正確に行う
ことは非常に困難である。そこで、増幅部の増幅率を検
出し、増幅部に供給される増幅転送クロックφａにフィ
ードバック制御を行うことで、電荷量増幅を制御する。
図４は、図１に示す構成に、増幅部の増加率を制御する
制御手段を付加したものの構成を示すブロック図であ
る。この図において、図１と同じ部材については、同一
の符号が付してあり、また、説明の簡略化のため、同一
部材についての説明は省略する。

【００４３】補助増幅部２１は、増幅部１１ａを構成す
る複数の垂直シフトレジスタの各々と同一の構造の垂直
シフトレジスタが１列形成されてなり、増幅部１１ａを
構成する複数の垂直シフトレジスタの列数を、撮像部１
１ｉ、蓄積部１１ｓを構成する垂直シフトレジスタの列
数よりも１列多く配置することで形成される。この補助
増幅部２１を構成する垂直シフトレジスタの各ビットに
対応する転送電極は、蓄積部１１ａを構成する複数の垂
直シフトレジスタの転送電極が水平方向に１列分延長し
て形成されたもので、補助増幅部２１ａ及び増幅部１１
ａの各転送電極には、同一の増幅転送パルスφａが同時
に供給される。このため、補助増幅部２１ａでは、増幅
転送電極φａに応答して、増幅部１１ａと同一の増幅率
で電荷量の増幅が行われる。

【００４４】補助出力部２２は、補助増幅部２１に対応
して配置され、補助増幅部２１で増幅された電荷量を、
その電荷量に応じた電圧値に変換して増幅転送クロック
制御回路２３に出力する。増幅転送クロック制御回路２
３は、補助出力部２２と増幅転送クロック発生回路１２
ａの間に配置され、その内部には、一定の電荷量を有す
る電荷が、補助増幅部２１を介して所定の増幅率で増幅
されたときに得られる電荷量に対応した基準電圧が予め
設定されている。この増幅転送クロック制御回路２３
は、第２の出力部２１から入力される電圧値と内部に設
定される基準電圧の電圧値とを比較して、その比較結果
に応じた制御信号Ａsを増幅転送クロック発生部１２ａ
に出力する。

【００４５】続いて、増幅部１１ａの増幅率を制御する
制御動作について説明する。蓄積部１１ｓから増幅部１
１ａを構成する垂直シフトレジスタの先頭ビットに情報
電荷が転送されるのと同時に、ポテンシャル平衡法によ
って、定電荷量の電荷Ｃsが補助増幅部２１を構成する
垂直シフトレジスタの先頭ビットに入力される。補助増
幅部２１に入力された電荷Ｃsは、増幅転送クロックφ
ａに応答して、増幅部１１ａと同じ段数だけ垂直転送が
行われ、増幅部１１ａと同一の増幅率で順次、電荷量が
増幅される。電荷量が増幅された電荷は、補助出力部２
２によって、その電荷量に対応した電圧値に変換され、
モニタ信号Ｍsとして、増幅転送クロック制御回路２３
に入力される。

【００４６】増幅転送クロック制御回路２３に入力され
たモニタ信号Ｍsが増幅転送クロック制御回路２３内に
記憶される基準電圧と電圧値が比較されて、補助増幅部
２１の増幅率が検出される。これにより、増幅部１１ａ
の増幅率で検出されて、その検出結果に応じた制御信号
Ａsが増幅転送クロック発生回路１２ａに入力される。
増幅転送クロック発生回路１２ａにおいて、制御信号Ａ
sに応じて、増幅部１１ａの各転送電極に供給される増
幅転送クロックφａの電位レベルが調節され、増幅部１
１ａの増幅率が所定の増幅率となるように制御される。
これにより、電源電位の変動、或いは、温度変化によっ
て、増幅部１１ａの増幅率が変動したとしても、増幅部
１１ａの増幅率が常に所定値となるように制御すること
ができる。

【００４７】以上の実施例においては、フレームトラン
スファ方式のＣＣＤイメージセンサについて例示してい
るが、本願発明は、インターライン方式のＣＣＤイメー
ジセンサにも適用可能である。

【００４８】

【発明の効果】本願発明によれば、電荷量の増幅を垂直
転送クロックφｖに同期して行うことで、電荷量増幅に
おける消費電力を低減することができる。更に、増幅部
において、所定の電荷量に増幅されるまでの増幅転送動
作を、垂直転送していく方向を交互に入れ換えながら順
次行うことで、チップ面積の増大を最小限に抑制するこ
とが可能である。

【００４９】また、増幅部の増幅率が補助出力部から出
力される制御信号に応じて制御されることで、増幅部の
増幅率を常に所定値となるように調整することができ、
出力される情報電荷の電荷量を安定させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の構成を示す平面図である。

【図２】図１の動作を説明するタイミング図である。

【図３】増幅転送クロックφａ１、φａ２を示すタイミ
ング図である。

【図４】増幅転送クロックの制御回路を付加した構成を
示すブロック図である。

【図５】従来の増幅型ＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す
平面図である。

【符号の説明】

１ｉ、１１ｉ：撮像部 １ｓ、１１ｓ：蓄積部 １ｈ、１１ｈ：水平転送部 １ａ、１１ａ：増幅部 １ｄ、１１ｄ：出力部 ２、１２：クロック発生回路 ３、１３：タイミング制御回路 ２１：補助増幅部 ２２：補助出力部 ２３：増幅転送クロック制御回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の受光画素で発生する情報電荷を取
   り込んで垂直方向に転送する複数の第１の垂直シフトレ
   ジスタと、 前記複数の第１の垂直シフトレジスタに連続する複数の
   第２の垂直シフトレジスタと、 前記複数の第２の垂直シフトレジスタから転送出力され
   る前記情報電荷を各ビットに取り込んで水平方向に転送
   する水平シフトレジスタと、を備え、 前記複数の第２の垂直シフトレジスタは、前記情報電荷
   の転送領域内で電荷の衝突電離を引き起こし得る電界を
   形成する電位が周期的に印加され、前記情報電荷を転送
   過程で増幅することを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記複数の第２の垂直シフトレジスタ
   は、前記情報電荷を前記複数の第１の垂直シフトレジス
   タ側から前記水平シフトレジスタ側へ転送する第１の転
   送動作と、 前記水平シフトレジスタ側から前記複数の第１の垂直シ
   フトレジスタ側へ転送する第２の転送動作と、を繰り返
   すことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記複数の第２の垂直シフトレジスタと
   同一の構造を有し、前記複数の第２の垂直シフトレジス
   タと共通に印加される電位に応答して一定電荷量の電荷
   を垂直方向に転送する補助垂直シフトレジスタと、 前記補助垂直シフトレジスタから順次転送出力される前
   記電荷を電圧値に変換して制御信号を出力する補助出力
   部と、を更に備え、 前記複数の第２の垂直シフトレジスタに印加される電位
   が前記制御信号に応答して調整されることを特徴とする
   請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 複数の受光画素で発生する情報電荷を取
   り込んで垂直方向に転送する複数の第１の垂直シフトレ
   ジスタと、前記複数の第１の垂直シフトレジスタに連続
   する複数の第２の垂直シフトレジスタと、前記複数の第
   ２の垂直シフトレジスタから転送出力される前記情報電
   荷を各ビットに取り込んで水平方向に転送する水平シフ
   トレジスタと、を有する固体撮像素子の駆動方法におい
   て、 複数の受光画素で発生した情報電荷を複数の第１の垂直
   シフトレジスタに取り込んで、前記複数の第２の垂直シ
   フトレジスタの各列に転送出力する第１のステップと、 前記複数の第２の垂直シフトレジスタに前記情報電荷の
   転送電極内で電荷の衝突電離を引き起こし得る電界を形
   成する電位を周期的に印加し、前記情報電荷を転送過程
   で増幅させながら、前記水平シフトレジスタの各ビット
   に転送出力する第２のステップと、 前記水平シフトレジスタの各ビットに取り込まれた各情
   報電荷を水平方向に転送出力する第３のステップと、を
   備えたことを特徴する固体撮像素子の駆動方法。
5. 【請求項５】 前記第２のステップは、前記情報電荷を
   前記複数の第１の垂直シフトレジスタ側から前記水平シ
   フトレジスタ側へ転送する第１の転送動作と、 前記水平シフトレジスタ側から前記複数の第１の垂直シ
   フトレジスタ側へ転送する第２の転送動作と、を繰り返
   すことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子の駆動
   方法。
6. 【請求項６】 複数の受光画素で発生する情報電荷を取
   り込んで垂直方向に転送する複数の第１の垂直シフトレ
   ジスタと、前記複数の第１の垂直シフトレジスタに連続
   する複数の第２の垂直シフトレジスタと、前記複数の第
   ２の垂直シフトレジスタから転送出力される前記情報電
   荷を各ビットに取り込んで水平方向に転送する水平シフ
   トレジスタと、前記複数の第２の垂直シフトレジスタと
   同一の構造を有し、前記複数の第２の垂直シフトレジス
   タと同時に印加される電位に応答して一定電荷量の電荷
   を垂直方向に転送する補助垂直シフトレジスタと、前記
   補助垂直シフトレジスタから順次転送される前記電荷を
   電圧値に変換してモニタ信号を発生する補助出力部と、
   を有する固体撮像素子の駆動方法において、 複数の受光画素で発生した情報電荷を複数の第１の垂直
   シフトレジスタに取り込んで、前記複数の第２の垂直シ
   フトレジスタの各列に転送出力すると共に、前記補助垂
   直シフトレジスタに一定電荷量の電荷を注入する第１の
   ステップと、 前記情報電荷の転送電極内で電荷の衝突電離を引き起こ
   し得る電界を形成する電位を前記第２の垂直シフトレジ
   スタ及び前記補助垂直シフトレジスタに周期的に印加
   し、前記情報電荷を前記第２の垂直シフトレジスタの転
   送過程で増幅させながら、前記水平シフトレジスタの各
   ビットに転送出力すると共に、前記電荷を前記補助垂直
   シフトレジスタの転送過程で増幅する第２のステップ
   と、 前記水平シフトレジスタの各ビットに取り込まれた各情
   報電荷を水平方向に転送出力する第３のステップと、 前記補助垂直シフトレジスタから出力される前記電荷を
   ビット単位で補助出力部へ蓄積してその電荷量に対応し
   たモニタ信号を出力し、前記モニタ信号に応答して前記
   複数の第２の垂直シフトレジスタに印加される電位のレ
   ベルが調整される第４のステップと、を備えたことを特
   徴とする固体撮像素子の駆動方法。
7. 【請求項７】 前記第２のステップは、前記情報電荷及
   び前記電荷を前記複数の第１の垂直シフトレジスタ側か
   ら前記水平シフトレジスタ側へ転送する第１の転送動作
   と、 前記水平シフトレジスタ側から前記複数の第１の垂直シ
   フトレジスタ側へ転送する第２の転送動作と、を繰り返
   すことを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子の駆動
   方法。