JP2570464B2 - 電荷転送装置の電荷検出回路 - Google Patents

電荷転送装置の電荷検出回路

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    • G11C19/28Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements
    • G11C19/282Digital stores in which the information is moved stepwise, e.g. shift registers using semiconductor elements with charge storage in a depletion layer, i.e. charge coupled devices [CCD]
    • G11C19/285Peripheral circuits, e.g. for writing into the first stage; for reading-out of the last stage
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    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C27/00Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • G11C27/04Shift registers

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一次元イメージセンサ等に用いられる電荷
転送装置、特に2本のCCDシフトレジスタにより転送さ
れる信号電荷を一つの読み出し部により取り出す出力構
造に関するものである。
〔従来の技術〕
従来のCCDシフトレジスタを用いた一次元イメージセ
ンサは特開昭59−221176等に示されており、その一例を
第2図,第3図,第4図に示す。第2図は全体図、第3
図は出力部を詳細に示した図、第4図はその縦断面図で
ある。一導電型の半導体基板1上には複数の感光画素が
直線上に配列されて画素列2が形成されている。その画
素列2の両側に沿ってトランスファー(TG)電極3が設
けられている。さらに、TG電極3の外側に並列に、CCD
シフトレジスタ4A,4Bそれぞれ設けられている。画素列
2に蓄積された電荷はTG電極3の制御の下でもCCDシフ
トレジスタ4A,4Bに送られ、各CCDシフトレジスタ4A,4B
を転送された後出力ゲート電極5に送られて出力が得ら
れる。
この出力部をより詳細に示した第3図を参照すると、
CCDシフトレジスタ4の最終段の転送電極4A−1,4B−1
隣接して一定電位に設定された出力ゲート電極5が設け
られている。
この出力ゲート電極5にはCCDシフトレジスタ4A,4Bに
より順次シリアルに転送されてきた信号電荷を取出すた
めのフローティング接合形電荷読み出し部(以下、フロ
ーティングディフュージョン部と言う)6が隣接して設
けられている。符号7はフローティングディフュージョ
ン部6の電位を定期的に出力ドレイン8と同電位にリセ
ットするためのリセット電極を示している。フローティ
ングディフュージョン部6に生じる転送信号電荷による
電位変化はMOSトランジスタ9,10より成るソースフォロ
ワー回路に介して出力端子Voutより電圧の形で外部へ出
力される。
第3図において注意すべき点は、最終段の転送電極4A
−1,4B−1から読出される信号電荷が出力ゲート5下の
別々のチャネルを通り共通のフローティングジャンクシ
ョン部6に流入している点である。
このような構成の信号電荷検出装置の検出出力電圧
Voutはフローティングディフュージョン部6に流入する
信号電荷量をQ,MOSトランジスタ9,10より成るソースフ
ォロワー回路の利得をG,フローティングディフュージョ
ン部6の容量をC0,MOSトランジスタ9の入力容量をCM
すると次式(1)で表わすことができる。
通常利得Gは0.9程度と低く、かつまたCMはソースフ
ォロワーの回路構成上限界が存在しているため、一定量
の信号電荷量に対し出力電圧を増加させる(電荷/電圧
変換ゲインを上げる)には静電容量C0を減らす必要があ
る。
この静電容量C0内訳を第3図A−A′線での断面と同
図B−B′線での断面をそれぞれ断面図である第4図
(a),(b)を用いて説明する。いま半導体基板P型
とし、フローティングディフュージョン部6をN型の半
導体とすると、第4図(a)においてフローティングデ
ィフュージョン部6とP型基型とは常に逆バイアスがか
かった状態で動作するため、その接合容量Csubが存在す
る。また、フローティングディフュージョン部6と、出
力ゲート5とのカップリング容量COG、とリセット電極
7とのカップリング容量CRとが存在している。
また第4図(b)においてフローティングディフュー
ジョン部6とP型チャネルストッパー部10との間にも接
合容量CSが存在している。すなわち、フローティングデ
ィフュージョン部の容量C0は以下の(2)式で表わされ
る。
C0=Csub+CCS+COG+CR ……(2) 〔発明が解決しようとする課題〕 以上述べた従来の電荷転送装置の電荷検出装置におい
て問題となるのは、電荷/電圧変換ゲインを上げようと
してもフローティングジャンクション部の面積の縮小化
に限界があるという欠点である。
すなわち、2本のCCDシフトレジスタの最終段の転送
電極4A−1,4B−1から読出される信号電荷が出力ゲート
5下の別々のチャネルを通り、共通のフローティングジ
ャンクション部6に流入するため、出力ゲートを2ヶ所
において近接する必要があり、かつまたフローティング
ディフュージョン部6をリセットするリセット電極にも
近接するため、第3図に示すレイアウト構成がほぼ限界
であった。
本発明では上記問題点に対し新規な出力部の構造を創
造することにより、フローティングディフュージョン部
6の面積の低減を可能とし、高電荷/電圧変換ゲインを
実現することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明による電荷転送装置の電荷検出回路は、感光画
素列から転送された信号電荷をそれぞれ同方向に転送す
る2列の電荷転送レジスタと、各レジスタの最終段から
交互に信号電荷を読出すフローティングディフュージョ
ン型電荷読出し部とを有する電荷検出回路において、各
レジスタの最終段とフローティングディフュージョン部
との間に出力ゲート部を有し、しかもこれら各レジスタ
の最終段から交互に読みだされる信号電荷が、出力ゲー
ト部下に形成される1本のみの転送チャネルを通過して
フローティングディフュージョン部へ流入する手段を有
している。
言い変えるならば、2列の電荷転送レジスタの信号電
荷転送チャネルはフローティングディフュージョン部1
本になるのではなく、出力ゲート部下のチャネルで1本
化される構成となっている。
〔実施例〕
次に本発明について図面を参照して説明する。
第1図本発明の一実施例の電荷転送装置の電荷検出回
路の構造を示す平面図である。フローティングジャンク
ション部6は長方形状を有し、フローティングジャンク
ション部6に隣接して出力ゲート5Bが配置され、出力ゲ
ート5Bに隣接して出力ゲート5Aが配置され、出力ゲート
5Aの別々の辺に隣接して、2列の電荷転送レジスタの最
終段転送電極4A−1,4B−1がそれぞれ配置されている。
しかも2列の転送チャネルは出力ゲート5Aまでは別々で
あるが出力ゲート5B下において一本化している。
又、出力ゲート5A,5Bには、出力ゲート5B下のポテン
シャルOGBが出力ゲート4A下のそれであるOGAより深
くなる様にそれぞれ異なる電圧VOGA,VOGBが印加されて
いる。
次にその動作原理を第1図とこの第1図のC−C′線
での断面図及びそのポテンシャル図である第5図
(a),(c)と、各電極に印加するクロックタイミン
グを示す第6図を用いて説明する。
時刻T1(第5図(a))においてリセット電極7に
“ハイ”レベルを印加し、レセット電極7をオンさせ、
フローティングディフュージョン部6の電位を出力ドレ
イン8に印加してある電位VODと同電位にセットする。
時刻T2においてリセット電極電圧を“ロー”レベルと
し、リセット電極7をオフさせ、フローティングディフ
ュージョン6をフロート状態とする。時刻T3(第5図
(a))において、最終段転送電極4B−1の電位を“ハ
イ”から“ロー”に変えることにより最終段転送電極4B
−1下に蓄積されていた信号電荷Qが、出力ゲート5A,5
B下の転送チャネルを通過し、フローティングディフュ
ージョン部6へ流入する。この時刻T3においては、最終
段転送電極4A−1の電位は転送電極4A−2からの信号を
うけとめるための“ロー”から“ハイ”に変わってお
り、信号電荷Qが、出力ゲート部より他方のシフトレジ
スタ4Aの最終段転送電極4A−1下のポテンシャルチャネ
ルへ逆流する可能性があるが、出力ゲート5A,5Bにおい
て電位差をつけてOGAOGBとすることにより、一度
出力ゲート5B下のポテンシャルチャネルに流入した電荷
が他方のシフトレジスタ4Aの最終段転送電極4A−1下に
流出しない様にポテンシャル障壁を形成することによ
り、この可能性は回避できる。
さらに詳細に言うならば、出力ゲート5B下のチャネル
ポテンシャルへの信号電荷の流入速度よりも、出力ゲー
ト5B下のチャネルポテンシャルよりフローティングディ
フュージョン6への信号電荷の流出速度を高めておけ
ば、信号電荷による出力ゲート5Bのポテンシャルのもち
上がり(第5図におけるΔOGB)が小さくでき信号電
荷の逆流を防止するためにはOGA,OGBの間には以下
の関係が成立すればよい。
OGBOGA)>ΔOGB0.1V ΔOGB0.1Vは第7図に示す信号逆流リミットを測
定した実測値よりわかる。
第8図は本発明の他の実施例を示すもので第5図
(A)に対応するものである。この他の実施例が前述の
実施例と異なる点は出力ゲート5A,5B下のチャネルポテ
ンシャル差をそのゲート電圧に差をつけるのではなく、
ゲート電極には共通のVOGを加え、出力ゲート5A下にの
みP型インプラ層12を設けることにより形成している点
である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は2列の電荷転送レジス
タの信号電荷転送チャネルをフローティングディフュー
ジョン部で1本化するのではなく、出力ゲート部下にお
いて1本化することにより、フローティングディフュー
ジョン部の面積が低減でき、しかも出力ゲート部と隣接
する長さを短かくすることにより、(2)式に示すフロ
ーティングディフュージョン部の容量の内CsubとCcs
を面積低減ににより低減でき、しかも出力ゲート部との
隣接長を短かくすることによりCOGが低減できるため、
電荷転送装置の信号電荷検出回路の電荷/電圧変換ゲイ
ンを向上できその効果は大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の電荷転送装置の信号電荷検出装置の一
実施例の平面図、第2図は従来のCCDシフトレジスタを
用いた一次元イメージセンサの構成を示す全体図、第3
図は従来の電荷転送装置の信号電荷検出装置の一部の平
面図、第4図(a)および(b)は第2図の従来の実施
例のA−A′線およびB−B′線での各断面図、第5図
(a)は第1図の本発明の一実施例のC−C′線での断
面図、第5図(b)及び(c)はその各部のポテンシャ
ル関係を動作時刻毎に示すタイミング図、第6図は第5
図(b),(c)のポテンシャル関係を説明するための
タイミング図、第7図は本発明の一実施例の正常動作を
示すグラフ、第8図は本発明の他の実施例を示す断面図
である。 1……P型基板、2……感光画素列、3……トランスフ
ァー電極、4A,4B……CCDシフトレジスター、5……出力
ゲート電極、6……フローティングディフュージョン
部、7……リセット電極、8……出力ドレイン、9,10…
…MOSTr、11N型拡散層、12……P型インプラ層、4A−1,
4B−1……最終転送電極、4A−2,4B−2……転送電極、
5−A……出力ゲートA、5B……出力ゲートB。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】感光画素列から転送された信号電荷をそれ
    ぞれ同方向に転送する2列の転送チャネル及び複数の転
    送電極からなる2列の電荷転送レジスタと、各電荷転送
    レジスタの最終段から交互に信号電荷を読出すフローテ
    ィングディフュージョン型電荷読出し部とを有する電荷
    転送装置の電荷検出回路において、前記2列の電荷転送
    レジスタの2つの最終段の転送チャネル部分に連続した
    2つの転送チャネル部分上に共通に設けられた第1の出
    力ゲート電極と、前記第1の出力ゲート電極下の2つの
    転送チャネル部分に連続し1つとなりフローティングデ
    ィフュージョン部に接続している転送チャネル上に設け
    られた第2の出力ゲート電極とを有し、前記第1及び第
    2の出力ゲート電極にはそれぞれ異なる定電圧が印加さ
    れることを特徴とする電荷転送装置の電荷検出回路。
  2. 【請求項2】前記第1及び第2の出力ゲート電荷の内ど
    ちらか一方ののみの電極下に基板と同一又は逆導電型の
    不純物導入領域を設けていることを特徴とする請求項1
    記載の電荷転送装置の電荷検出回路。
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