JP2693346B2

JP2693346B2 - 固体撮像装置とその駆動方法

Info

Publication number: JP2693346B2
Application number: JP4255206A
Authority: JP
Inventors: 和也小田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH06113209A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は撮像装置に関し、特に半
導体ホトダイオード等の光電変換素子と電荷結合デバイ
ス（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置とその駆動方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置として、ＣＣＤ転送方式の
ものが知られており、電子カメラ、複写機、その他の映
像機器に利用されている。これら固体撮像装置において
は、多数のホトダイオードを垂直、水平方向に配列し、
画素行列を形成する。さらに、各ホトダイオード列に隣
接して垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）を形成し、各ＶＣＣ
Ｄの終端に隣接して水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）を形成
する。

【０００３】このような固体撮像装置を用いた電子スチ
ルカメラ等において、全ホトダイオード（ＰＤ）を同時
に露光し、独立に信号を読み出したいという要求があ
る。従来のインターライン（ＩＴ）型、フレームトラン
スファ（ＦＴ）型、フレームインターライントランスフ
ァ（ＦＩＴ）型等の撮像装置においては、露光のために
メカニカルシャッターを用いている。メカニカルシャッ
ターを用いた場合、露光時間（シャッタスピード）の精
度や露光時刻の精度と制御はメカニカルシャッターの精
度に依存する。また、フォーカルプレーンシャッターを
用いた場合は、画面内の場所による時刻ずれが生じる。

【０００４】ホトダイオードに蓄積した電荷を同時に読
み出し、転送するためには、通常１画素または１行につ
き３相以上の転送パルスが必要である。１画素当たり３
相以上の転送パルスを実現するには、１画素当たり３電
極以上が必要であり、微細化の面から不利な条件とな
る。

【０００５】１電極の下にウェル部とバリア部とを形成
し、２相駆動を行なうことも考えられるが、ウェル部と
バリア部とを形成するプロセス工程においてセルフアラ
インが使用できない等の問題も生じる。

【０００６】これらの欠点を持たない転送方式として、
アコーディオン転送方式が提案されている（PHILIPS TE
CHNICAL REVIEW VOL.43, No.1/2, 1986, A.J.P.Theuwis
senおよび C.H.L.Weijtens ）。

【０００７】アコーディオン転送方式においては、１画
素ないしは１行当たり２電極というＩＴＣＣＤ、ＦＴＣ
ＣＤ、ＦＩＴ等と同じ電極数で、かつ全画素同時読み出
しが可能であり、基板抜き等の電子シャッターを用いて
同時刻露光の電子シャッターが可能である。

【０００８】図８に、アコーディオン転送方式を示す。
図８（Ａ）は、時間の経過と共に転送路の電極下のポテ
ンシャルがどのように変化するかを示すポテンシャルダ
イヤグラムである。図８（Ｂ）は、アコーディオン転送
方式により、電荷がどのように移動するかを示す概念的
平面図である。

【０００９】図８（Ａ）において、転送路の電極は、奇
数番めの電極Ｏｄと偶数番めの電極Ｅｖに分類される。
これら各電極の下に電荷転送路のウェルまたはバリアが
形成される。電荷転送路内の電子エネルギを実線の折線
で模式的に示す。高さが電子エネルギを示す。

【００１０】まず、奇数番めの電極の下の電子エネルギ
が下げられ、電位井戸が形成され、電荷ｑａ、ｑｂ、ｑ
ｃが蓄積される。この状態のままで、電位井戸と電位井
戸との間に配置される電位障壁を低くすると、電荷混合
が生じてしまう。

【００１１】そこで、まず最も右側の偶数番めの電極の
下の電子エネルギを下げ、電位井戸を２電極分に引き延
ばす。すると、電荷ｑａは右側に１電極分広がって分布
する。次に電荷ｑａを蓄積した電位井戸の左側部分の電
子エネルギを上げ、同時に右側の電位障壁部分の電子エ
ネルギを下げると電荷ｑａは２電極分に分布したまま右
側に１電極分移動する。

【００１２】すると、電荷ｑａとｑｂの間に２電極分の
電位障壁が形成される。その後順次電荷ｑａの左側部分
の電子エネルギを上げ、右側部分の電子エネルギを下げ
ることによって順次電荷ｑａは右側に転送される。

【００１３】また、電荷ｑａとｑｂの間に２電極分の電
位障壁が生じたとき、次に電荷ｑｂの右側の電位障壁の
電子エネルギを下げると、電荷ｑｂは２電極分に広がっ
て分布するようになる。この時、電荷ｑａとｑｂの間に
は少なくとも１電極分、通常２電極分の電位障壁が存在
するため、電荷混合は生じない。このようにして、１電
極おきに蓄積された電荷を２倍のピッチに引き延ばして
分布させることにより、電荷転送が可能となる。

【００１４】図８（Ｂ）は、このようにして転送される
電荷分布を概略的に示す。図中、横軸は時間変化を示
し、縦軸は転送路の電極を示す。最も左側の状態におい
ては、転送路の上半分に１電極おきに電荷ｑａ、ｑｂ、
ｑｃ、ｑｄが蓄積されている。これらの電荷のうち、下
側に配置された電荷から順次２電極長の電位井戸と２電
極長の電位障壁を形成しながら電荷を下方に転送する。

【００１５】すなわち、転送されているときの電荷は２
電極分に分布し、転送中の電荷と電荷の間には２電極分
の電位障壁が形成されている。このようにして、電荷混
合を防止しつつ、１電極おきに蓄積された電荷を転送す
ることができる。転送が完了した最も右側の状態におい
ては、電荷ｑａ、ｑｂ、ｑｃ、ｑｄは再び１電極おきに
分布している。

【００１６】転送時の電位井戸と電位障壁の発生の様子
が、楽器のアコーディオンの蛇腹部を次第に広げてから
再び閉じていく時の様子に類似しているので、この電荷
転送方式はアコーディオン転送方式と呼ばれる。この方
式では、ホトダイオード１行につき１つの信号を転送で
きる。

【００１７】本出願人は、ホトダイオード行列と垂直電
荷転送路と水平電荷転送路を含む固体撮像装置におい
て、同様の電荷転送を行なうドミノ型転送方式を提案し
た。図９にドミノ型ＣＣＤの転送方式を概略的に示す。
ドミノ型ＣＣＤ撮像装置は、図中左側に示すように、行
列状に配置された多数のホトダイオード（ＰＤ）の各列
がトランスファゲート（ＴＧ）を介して垂直電荷転送路
ＶＣＣＤに結合されている。

【００１８】図においては、各列にホトダイオードが１
０００個配置された場合を示す。各ホトダイオードに対
応してＶＣＣＤには２つの電極が配置されている。これ
らの電極をＧ１１〜Ｇ５００４で示す。

【００１９】また、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの下端に
は、水平電荷転送路ＨＣＣＤが結合され、垂直電荷転送
路ＶＣＣＤを転送された電荷を受け、パラレル／シリア
ル変換を行なって転送を行なう。

【００２０】図９右側の主要部には、一列の垂直電荷転
送路ＶＣＣＤにおける電荷転送の模様を時間の関数とし
て示す。左端がホトダイオード（ＰＤ）から垂直電荷転
送路ＶＣＣＤに電荷読み出しが成されたフィールドシフ
ト時の様子を示し、以後右側に進むにしたがって時間が
経過した同一の垂直電荷転送路ＶＣＣＤ内の電荷分布を
示す。垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出された電荷は、
１〜１０００の番号が付されている。

【００２１】フィールドシフト（ＦＳ）の状態において
は、一個置きの電極の下に電荷が蓄積されており、この
まま全電荷の転送を行なおうとすると、電荷混合が生じ
てしまう。

【００２２】そこで、まず１−１〜１−８の８タイミン
グにおいては、最も下に配置された電荷１を水平電荷転
送路ＨＣＣＤに転送し、下から２番目に配置された電荷
２を元電荷１があった位置まで転送する。この状態にお
いては、電荷３〜１０００はその位置を変化していな
い。なお、タイミング１−８の後、水平電荷転送路ＨＣ
ＣＤに転送された信号電荷１は、水平電荷転送路ＨＣＣ
Ｄ内を水平方向に転送される。

【００２３】次のタイミング２−１〜２−８において
は、信号電荷２が水平電荷転送路ＨＣＣＤに転送され、
信号電荷３が元信号電荷１が読み出されたゲートＧ１２
の位置まで転送され、信号電荷４がゲートＧ２２の位置
まで転送される。その後、水平電荷転送路ＨＣＣＤに転
送された信号電荷２は、水平電荷転送路ＨＣＣＤ内を水
平方向に転送される。

【００２４】このように、１個置きの電極下に読み出さ
れた信号電荷は、下側から順次読み出され、転送領域は
下側から上側に向かって拡がっていく。電荷転送領域
は、８タイミングの転送周期毎に２信号電荷ずつ拡がっ
ていく。したがって、最上段に読み出された信号電荷１
０００が動きだすのは５００回目となる。

【００２５】図中、右側に示した５００回目の転送タイ
ミングにおいては、信号電荷１０００が転送を始めてい
る。この時、水平電荷転送路ＨＣＣＤには、信号電荷５
００が転送され、水平方向に転送される。

【００２６】すなわち、１つの電荷を水平電荷転送路に
転送するのに８タイミングが必要とされ、１０００個の
信号電荷を水平電荷転送路ＨＣＣＤに読み出すまでには
１０００回の転送サイクルが必要である。

【００２７】行列状ホトダイオード（ＰＤ）の水平方向
の個数をＸとし、水平駆動周波数をｆｘとし、水平ブラ
ンキング期間をＢとすると、全画素を読み出す時間ｔ
は、ｔ＝１０００×｛Ｂ＋（Ｘ／ｆｘ）｝となる。１水平読み出し時間をＮＴＳＣレートとした場
合、全画素を読み出す時間ｔは６３．５ｍｓｅｃ、すな
わち約１／１５秒となる。

【００２８】固体撮像装置においては、静止画像を撮像
する場合、その前に自動露光（ＡＥ）、自動測距（Ａ
Ｆ）等の撮像条件を調整する予備工程を行なう。このよ
うな予備工程は、なるべく迅速に行なえることが望まし
い。

【００２９】また、図９の信号電荷１は、電荷転送が始
まった後、すぐ動きだし、水平電荷転送路ＨＣＣＤに読
み出されるのに対し、最上段に読み出された信号電荷１
０００は転送を始めるまでに５００サイクルを必要と
し、さらに５００サイクルを要して水平電荷転送路ＨＣ
ＣＤに転送される。

【００３０】半導体中においては、電子・正孔対の発生
により、光が入射しなくても電荷が発生し、暗電流を形
成する。信号電荷１と信号電荷１０００のように、垂直
電荷転送路に滞在する時間が大きく異なると、これらの
信号電荷に伴う暗電流の量も大きく変化してしまう。

【００３１】また、外界の光量が不足する時や、外界の
光量自身は十分であるが、逆光等によって主要被写体の
光量が不足する時、必要な光量を補うためストロボを用
いる。ストロボは極めて短期間に発光するため、その光
強度は高い。

【００３２】ストロボを使用した時に光がガラス窓に反
射したりすると、かなり強い光がホトダイオードに隣接
するＣＣＤにも入り、いわゆるスミアが発生してしま
う。なお、ストロボを使用しない時も、強い光が入射
し、ＣＣＤに電荷が発生すればスミアが発生する。

【００３３】ＣＣＤカメラにおいては、ＣＣＤは通常、
常時駆動されている。ホトダイオードに蓄積された電荷
は、所定のタイミングでホトダイオードからトランスフ
ァゲートを介してＶＣＣＤにフィールドシフトされる。
ストロボ露光の時は、ストロボが発光してから蓄積電荷
がＶＣＣＤに転送されるまでにほぼシャッタ速度に匹敵
する所定の時間が経過する。

【００３４】ＶＣＣＤに誘起されたスミア画像は、この
時間内にＶＣＣＤ内を移動する。ホトダイオードに蓄積
された真の画像電荷がＶＣＣＤにフィールドシフトされ
る時には、ＶＣＣＤ内に誘起されたスミア画像はＶＣＣ
Ｄ中の異なる位置に移動している。このため、真の画像
とスミア画像とがその位置をずらして画面内に現れ、見
苦しい画面が生じてしまう。

【００３５】図１０は、従来提案されたスミア画像の防
止方法を説明するための図である。垂直駆動信号ＶＤ
は、垂直走査期間毎に立ち上がるパルス信号である。垂
直駆動信号ＶＤに続いて、ホトダイオードＰＤから垂直
電荷転送路ＶＣＣＤに電荷を読み出すためのフィールド
シフト信号ＦＳが発生する。

【００３６】光学シャッタ駆動信号は、垂直走査期間の
所定時点（フィールドシフト信号ＦＳから露光時間前）
に光学シャッタを開き、露光を開始させる。なお、この
光学シャッタは、露光開始のタイミングを制御するが、
露光終了のタイミングはフィールドシフト信号ＦＳによ
って行なうものとする。

【００３７】このような構成によれば、精度の低い光学
シャッタを用いることができ、ＣＣＤカメラのコストを
低減することができる。すなわち、光学シャッタが開い
てからフィールドシフトが行なわれるまでの時間が露光
時間となる。

【００３８】ストロボを発光させる時は、ストロボ発光
タイミング信号は、光学シャッタが開いた直後に立ち上
がり、ストロボを発光させる。ストロボの閃光時間はた
とえば１ｍｓｅｃと短く、露光時間の一部分のみを占め
る。さらに、ストロボ閃光時間のうち初期の光強度が強
い。

【００３９】たとえば露光時間（シャッタ速度）が１／
２５０秒の場合、露光時間は約４ｍｓｅｃなので、スト
ロボ閃光時間は露光時間の約１／４となる。この限られ
た時間内に必要な光量が全て発生するので、光強度は高
くなり、スミアが発生しやすい。以下、スミア防止のた
めのＡ方式とＢ方式を説明する。

【００４０】Ａ方式においては、フィールドシフト信号
ＦＳが立ち上がる直前にＶＣＣＤの掃き出し駆動を高速
で行ない、フィールドシフト後、読み出された画像信号
を高速転送する。このような読み出し方式によれば、画
像信号をＶＣＣＤに読み出す前にＶＣＣＤの電荷が掃き
出されるため、ＶＣＣＤ内に蓄積されていたスミア画像
は消滅する。

【００４１】Ｂ方式においては、撮像後、次の垂直走査
期間をＶＣＣＤの掃き出し駆動期間とし、その次の垂直
走査期間に信号電荷を読み出す。この場合、ＶＣＣＤを
高速駆動する必要はない。ＶＣＣＤの掃き出し駆動期間
に光学シャッタが開いていると、ホトダイオードに続い
て電荷が蓄積されてしまうため、露光時間は光学シャッ
タのみによって規定する必要がある。たとえば、フォー
カルプレーンシャッタ等の露光開始と露光終了を共に制
御できる光学シャッタを用いる。

【００４２】

【発明が解決しようとする課題】画素数の多い固体撮像
装置においては、全画素の信号電荷を読み出すのには比
較的長い時間が必要である。自動露光（ＡＥ）、自動測
距（ＡＦ）等の調整工程においては、１画面の情報を速
やかに処理することが望まれる。

【００４３】また、ドミノ型電荷転送においては、転送
路の電荷信号が引き延ばされて転送されるため、転送路
の奥に読み出された電荷は、転送路出力端近くに読み出
された電荷と比較して、長い期間電荷転送路中の一定個
所に保持される。

【００４４】このため、電荷転送路のどこにある信号電
荷であるかにより、その信号電荷に伴う暗電流の量が異
なってしまう。画面内で暗電流に分布が生じると、本来
一色であるべき画面背景に色が着色される等の問題が生
じる。

【００４５】さらに、ＣＣＤカメラに強い光が入射する
と、スミアがＶＣＣＤに発生してしまう。このスミアを
そのまま画像信号として出力すると、画像は見苦しいも
のとなる。

【００４６】スミアを防止するために、前述のＡ方式を
採用すると、露光開始後、フィールドシフトを行なうま
でにＶＣＣＤの高速掃き出し転送を行なう必要がある。
したがって、最高シャッタスピードはＶＣＣＤの掃き出
し駆動に必要な時間によって制限されてしまう。

【００４７】前述のＢ方式によれば、露光時間を光学シ
ャッタのみによって制御する必要が生じ、精度の高い高
価な光学シャッタが必要になる。本発明の目的は、多数
の画素を有し、かつ高速にＡＥ／ＡＦ等の調整工程を行
なうことのできる固体撮像装置の駆動方法を提供するこ
とである。

【００４８】本発明の他の目的は、ＡＥ／ＡＦ等の調整
工程を迅速に行ない、かつ暗電流の発生を抑制すること
のできる多数の画素を有する固体撮像装置の駆動方法を
提供することである。

【００４９】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置の
駆動方法は、行列状に配置された多数個のホトダイオー
ドとホトダイオードの各列に結合した複数列の垂直電荷
転送路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、行
列状のホトダイオードのうち選択された一部のホトダイ
オードの電荷のみを垂直電荷転送路に読み出し、高速転
送を行ない、静止画撮像前の調整を行なう予備工程と、
垂直電荷転送路のポテンシャルをピニング状態に保って
静止画撮像用の電荷蓄積を全ホトダイオードで行なう本
撮像工程と、本撮像工程後、全ホトダイオードの電荷を
垂直電荷転送路に読み出し、前記高速転送より遅い標準
速度で電荷転送する工程とを含む。

【００５０】

【作用】多数個のホトダイオードを有する固体撮像装置
において、静止画撮像前の調整工程においては、行列状
のホトダイオードのうち、選択された一部のホトダイオ
ードの電荷のみが垂直電荷転送路に読み出され、高速転
送されるため、調整工程を迅速に行なうことができる。

【００５１】静止画撮像用の本撮像工程においては、垂
直電荷転送路のポテンシャルがピニング状態に保持され
るため、暗電流の発生が抑制される。

【００５２】

【実施例】図１は、本発明の実施例によるＣＣＤカメラ
の構成を示す。カメラの光軸上にレンズ１、アイリス２
が配置され、それぞれモータＭ１、Ｍ２によって駆動さ
れ、焦点距離、露光量を調節する。

【００５３】なお、アイリス２は光遮蔽部も有し、光学
的シャッタの機能も併せて有する。レンズ１によって焦
合された被写体の像は、ＣＣＤ撮像チップ３の像面上に
結像する。ＣＣＤ撮像チップ３は、ホトダイオード行
列、トランスファゲート、垂直電荷転送路、水平電荷転
送路等を有し、ドライバ回路４によって駆動され、読み
出された画像信号は信号処理回路５に供給される。

【００５４】ドライバ回路４は、標準駆動速度で垂直電
荷転送路を駆動する標準ドライバ回路４ａと、標準駆動
速度より速い高速駆動速度で垂直電荷転送路を駆動する
高速ドライバ回路４ｂと、垂直電荷転送路のポテンシャ
ルをピニング状態に保持するピニングドライバ回路４ｃ
等を垂直電荷転送路駆動用として含む。

【００５５】ドライバ回路４は、さらに水平電荷転送路
駆動回路やフィールドシフト回路も含む。信号処理回路
５は、読み出した電荷信号をアナログ的に処理し、磁気
テープ等に磁気記録を行なう場合には、そのまま磁気記
録媒体１３に画像信号を記録する。

【００５６】信号処理回路５は、さらにアナログ／デジ
タル変換器６を含み、アナログ信号をデジタル信号に変
換して出力する。このデジタル信号は、画像信号処理回
路７に供給され、数値演算プロセッサ８等によってデー
タ圧縮等の処理を受け、デジタル画像信号を発生する。
このデジタル画像信号は、たとえばメモリカード９等に
記録される。

【００５７】システムコントロールユニット１４は、Ｃ
ＣＤカメラ全体の制御を行なう回路であり、種々の制御
信号を発生する。スイッチ回路１９は、レリーズスイッ
チの第１接点Ｓ１、第２接点Ｓ２、電源スイッチＳ３等
のスイッチを含む回路である。

【００５８】ストロボユニット１５は、ストロボモジュ
ール１６、キセノンランプ１７、受光ダイオード１８等
を含み、システムコントロールユニット１４からのスト
ロボタイミング、ストロボ発光量等の制御信号に応じて
キセノンランプ１７を発光させる。

【００５９】タイミング回路１１は、種々のタイミング
信号を発生し、ドライバ回路４、信号処理回路５等に供
給する。判別回路１２は、シャッタ駆動信号またはスト
ロボタイミング信号、フィールドシフト信号等に基づ
き、少なくとも光学シャッタが開いてからフィールドシ
フトが行なわれるまでの期間、ドライバ回路４を制御し
て垂直電荷転送路のポテンシャルをピニング状態に保
つ。すなわち、ピニングドライバ回路４ｃの出力をドラ
イバ回路４の出力とする。フィールドシフト後は、標準
ドライバ回路４ａの出力をドライバ回路４の出力とす
る。

【００６０】ピニングドライバ回路４ｃは、垂直電荷転
送路の電荷転送を停止させてもよい。主露光の間、垂直
電荷転送路の電荷転送が行なわれなければ、スミヤが発
生してもスミヤ画像が実画像から離れることがなく、読
み出された画像信号に見苦しい、いわゆるスミヤは発生
しない。

【００６１】ただし、垂直電荷転送路に白傷等が存在す
ると、垂直電荷転送路を停止させると白傷が目立つこと
になる。このような場合には、ピニングドライバ回路４
ｃは垂直電荷転送路を標準速度よりも低い速度で僅かに
駆動することが望まれる。垂直電荷転送路が駆動される
ため、白傷の影響が弱められ、かつ低速駆動することに
より、スミヤ画像が実画像からあまり離れないので、ス
ミヤ画像の影響も低減できる。

【００６２】図２は、ＣＣＤ撮像チップ３の構成を概略
的に示す平面図である。光が入射する撮像領域には、多
数のホトダイオード（ＰＤ）が行列状に配置されてい
る。ホトダイオード（ＰＤ）の各列に近接して、垂直電
荷転送路ＶＣＣＤが形成されており、ホトダイオード
（ＰＤ）との間をトランスファゲートＴＧによって結合
されている。

【００６３】複数個の垂直電荷転送路ＶＣＣＤの一端に
は、水平電荷転送路ＨＣＣＤが接続され、２相信号
φ_H1、φ_H2によって駆動されている。垂直電荷転送路Ｖ
ＣＣＤの電極は、それぞれ横方向（行方向）に接続され
ており、図中右側においては、トランジスタＴを介して
シフトレジスタＳＲによって制御された駆動信号φ１、
φ２、φ３、φ４によって駆動される。

【００６４】なお、シフトレジスタＳＲは、初めＳ１の
みをオンとし、次にＳ１とＳ２をオンとするように次第
にその駆動範囲を拡げていく。この組み合わせにより、
垂直電荷転送路ＶＣＣＤのドミノ駆動が行なわれる。

【００６５】ドミノ駆動においては、上側に配置された
ＶＣＣＤ電極には初め駆動信号が印加されない。この間
も電位を安定に保つために、図中左側に示す駆動回路が
設けられている。すなわち、所定の電圧がトランジスタ
Ｑを介してＶＣＣＤの電極に印加されている。

【００６６】ホトダイオードＰＤに蓄積された電荷を垂
直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出す際には、各行電極に高
い電圧を印加する。この画像電荷読み出し信号がφ
_Fs１、φ _Fs２で与えられる。

【００６７】ここで図から明らかなように、フィールド
シフト信号φ_Fs２は４個目毎のホトダイオードに対応し
て接続されている。他のホトダイオードに対応する電極
にはφ_Fs１が接続されている。φ_Fs１とφ_Fs２を同時に
印加すれば、全ホトダイオードＰＤの画像電荷が読み出
されるが、φ_Fs２のみを印加すれば、４個に１個のホト
ダイオードのみが読み出される。なお、φ_Fs２を何個置
きに接続するかは適宜選択することができる。

【００６８】図３は、ＣＣＤ撮像チップの断面構造を概
略的に示す。ｎ型Ｓｉ基板２１の表面に、ｐ型ウェル２
３、２５、２７、２９が形成されている。ｐ型ウェル２
３内にはｎ型領域３１、３３が形成され、その中間領域
の上にはゲート電極３２が形成されて、ＭＯＳトランジ
スタＴを構成している。

【００６９】このＭＯＳトランジスタのゲート電極３２
には、シフトレジスタＳＲから供給される信号Ｓ１〜Ｓ
ｎが印加され、トランジスタＴのオン／オフを制御し、
駆動信号φ１〜φ４の通過を制御する。

【００７０】ｐ型ウェル２５には、ｐ型領域３５が形成
され、ｐ型ウェルのバイアス電圧ＰＷが印加される。ｐ
型ウェル２５には、ｎ型領域ＰＤ、ＶＣＣＤが形成さ
れ、それぞれホトダイオードＰＤ、垂直電荷転送路ＶＣ
ＣＤを構成する。

【００７１】垂直電荷転送路ＶＣＣＤの上には、ゲート
電極Ｇが形成されている。このゲート電極Ｇは、ホトダ
イオードＰＤと垂直電荷転送路ＶＣＣＤの間の領域が構
成するＭＯＳトランジスタのゲート電極の役割も果た
す。なお、ＶＣＣＤに隣接したｐ型領域３７は、チャン
ネルストップを構成する。

【００７２】ｐ型ウェル２７内には、ｐ型領域４１、ｎ
型領域４３が形成され、ダイオードＤを構成する。ｐ型
領域４１には、フィールドシフト信号φ_Fsが印加され
る。このフィールドシフト信号は、ダイオードＤを通っ
てゲート電極Ｇに印加され、ホトダイオードＰＤから垂
直電荷転送路ＶＣＣＤに蓄積電荷を読み出す。

【００７３】また、ｐ型ウェル２９には、ｐ型領域４
５、ｎ型領域４７、４９が形成される。ｎ型領域４７と
４９の間の領域上には、ゲート電極４８が形成され、ゲ
ート電圧φ_Gが印加される。

【００７４】なお、ｎ型Ｓｉ基板２１には、正極性の電
圧源Ｖｓが接続されている。なお、ホトダイオードＰ
Ｄ、ｐ型ウェル２５、ｎ型Ｓｉ基板２１は縦型バイポー
ラトランジスタ構造を形成している。ｐ型領域３５は、
外部ベース領域として機能する。端子ＰＷに順バイアス
電圧を印加すると、ホトダイオードＰＤに蓄積された電
荷を基板２１に引き抜くことができる。このようにし
て、基板抜きシャッタ構造が形成されている。

【００７５】図４は、図１〜図３に示す固体撮像装置の
制御フローチャートを示す。固体撮像装置の電源がステ
ップＡ１でオンにされると、ステップＡ２に進み、シス
テムのスタンバイが行なわれる。

【００７６】続いて、ステップＡ３に進み、レリーズス
イッチの第１接点Ｓ１がオンされているか否かが判定さ
れる。スイッチＳ１がオンしていないときは、ＮＯの矢
印にしたがってステップＡ２に戻る。スイッチＳ１がオ
ンしていれば、ＹＥＳの矢印にしたがってステップＡ４
に進み、自動露光（ＡＥ）／自動測距（ＡＦ）の動作を
開始する。

【００７７】ＡＥ／ＡＦ動作においては、図２に示す２
種類のフィールドシフト信号φ_Fs１、φ_Fs２のうち、φ
_Fs２のみがオンとなり、φ_Fs１はオフのままに保たれ
る。このため、全ホトダイオードＰＤのうち、４個に１
個のホトダイオードＰＤのみが読み出される。

【００７８】また、ＡＥ／ＡＦ動作においては、図５に
示すようなタイミング信号により高速ドライブが行なわ
れる。図５（Ａ）に示すように、フィールドシフト信号
φ_Fs２に引続き、シフト信号Ｓ１、Ｓ２が立ち上がり、
駆動信号φ１１〜φ２４がゲート電極に印加される。こ
の駆動信号φ１１〜φ２４の波形を、図５（Ｂ）に拡大
して示す。

【００７９】これらの信号は、１水平走査期間に４回繰
り返し駆動を行ない、４行分の駆動を行なう。したがっ
て、４行に１個読み出された画像電荷は１水平走査期間
毎に４行分駆動される。このようにして、標準駆動速度
に比べ、４倍の速度で画像情報の読み出しが行なわれ
る。

【００８０】カラーフィルタの配列によっては、ＡＥ動
作とＡＦ動作について異なる駆動を採用してもよい。画
像電荷を読み出す行を変更することにより、ＡＥ動作に
必要な情報とＡＦ動作に必要な情報をそれぞれ的確に得
ることができる。

【００８１】図４に戻って、ステップＡ４に続いてステ
ップＡ５が行なわれる。すなわち、ＡＥ／ＡＦ動作が完
了したか否かが判定される。ＡＥ／ＡＦ動作が完了して
いなければ、ＮＯの矢印にしたがってステップＡ４に戻
る。ＡＥ／ＡＦ動作が完了していれば、シャッタ速度、
露光強度等が定まるため、ＹＥＳの矢印にしたがってス
テップＡ６に進む。

【００８２】ステップＡ６では、レリーズスイッチの第
２接点Ｓ２がオンしているか否かを判定する。スイッチ
Ｓ２がオンしていないときは、ＮＯの矢印にしたがって
ステップＡ４に戻る。スイッチＳ２がオンしていれば、
ＹＥＳの矢印に従ってステップＡ７に進み、垂直電荷手
転送路ＶＣＣＤのピニング動作を開始する。

【００８３】ＶＣＣＤのピニング動作とは、ＶＣＣＤの
ポテンシャルをピニング状態に保つ動作であり、前述の
ように電荷転送は行なわなくても行なってもよい。電荷
転送を行なわない時は、スミヤ画像の影響が解消され、
低速の電荷転送を行なう時は、白傷およびスミアの影響
が低減される。

【００８４】ここで、図６を参照してピニングの説明を
行なう。図６は、固体撮像装置の電荷転送路を説明する
ための図である。図６（Ａ）は、電荷転送路の構成とそ
のチャネルポテンシャルＶｍを概略的に示す。電子エネ
ルギは逆向きとなる。

【００８５】電荷転送路であるＶＣＣＤは、図中右側に
示すように、たとえばｐ型の半導体領域５４の表面に、
ｎ型の電荷転送路を形成して構成されている。たとえ
ば、この電荷転送路は、ｎ⁺型のウェル部５５と、ｎ^-
型のバリア部５６とを交互に含む。

【００８６】電荷転送路の上方には、絶縁膜を介して多
結晶シリコン等で形成されたゲート電極５７、５８が配
置されている。図の構成においては、ウェル部５５の上
方に第１ポリシリコンで形成されたゲート電極５７が配
置され、バリア部５６の上方に第２ポリシリコンで形成
されたゲート電極５８が配置されている。

【００８７】ゲート電極５７、５８に印加するゲート電
圧Ｖｇを変化させると、電荷転送路内のチャネルポテン
シャルＶｍは図中左側のグラフに示すように変化する。
なお、図６（Ａ）のグラフの縦軸上向きは電子に対する
電子エネルギを示し、横軸はゲート電圧を示している。
電子エネルギは下側が安定な低い電子エネルギである。
電子に対するものなので、正のゲート電圧を印加すると
電子エネルギは下がる。

【００８８】ｎ⁺型領域のウェル部５５のチャネルポテ
ンシャルＶｍ（５５）は、ｎ^-型領域のバリア部５６の
チャネルポテンシャルＶｍ（５６）よりも電子に対する
電子エネルギが低い状態にある。電荷転送路が空乏状態
にある時は、ゲート電圧Ｖｇを変化させると、チャネル
ポテンシャルも変化する。

【００８９】しかしながら、ゲート電圧Ｖｇを逆バイア
ス方向に増加させると、ある値よりも深い逆バイアスで
は電荷転送路に反転状態が生じ、チャネルポテンシャル
Ｖｍは一定値を取るようになる。このチャネルポテンシ
ャルが変化しなくなるゲート電圧をピニング電圧Ｖｇｐ
と呼ぶ。

【００９０】ウェル部５５とバリア部５６とでは不純物
濃度が異なるため、ピニング電圧およびそれに伴うピニ
ングポテンシャルも異なる。ゲート電圧Ｖｇがローレベ
ルの電圧Ｖ_Lの時、ウェル部５５の電子エネルギも、バ
リア部５６の電子エネルギもピニング状態にあるように
選ぶと、ウェル部５５の電子エネルギは、ピニング電圧
の差による電位障壁により囲まれて電位井戸を形成す
る。

【００９１】電荷を保持するウェル部５５に隣接するバ
リア部５６の一方に、ミドルレベルＶ_Mのゲート電圧を
印加すると、バリア部５６の電子エネルギは、ローレベ
ルＶ _Lのウェル部５５の電子エネルギよりも低くなり、
電荷を転送できる。

【００９２】なお、ピニング状態で電荷を保持するため
には、ウェル部５５とバリア部５６においてピニング電
圧が十分異なる必要があり、上述の構成においては、電
荷転送路の不純物濃度を変化させることにより、これを
実現した。不純物濃度の他に、ｐｎ接合の深さ等を変化
させること等によってもピニング電圧を変化させること
ができる。

【００９３】図６（Ｂ）は、ゲート電圧の変化による暗
電流の変化を概略的に示す。図中、横軸はゲート電圧Ｖ
ｇを示し、縦軸は暗電流Ｉ_Dを示す。ゲート電圧を逆バ
イアスから順バイアスに変化させていくと、埋込電荷転
送路は反転状態、空乏状態、アキュミュレーション状態
をとる。

【００９４】このうち、反転状態とアキュミュレーショ
ン状態においては、半導体表面の電荷発生中心が自由電
荷担体によって占有されるため、暗電流Ｉ_Dが著しく減
少する。このため、暗電流Ｉ_Dは図に示すようにゲート
電圧によって変化する。ゲート電圧Ｖｇをピニング電圧
Ｖｇｐ以下（深い逆バイアス）に保つことにより、半導
体表面に反転状態を発生させれば、暗電流Ｉ_Dを減少さ
せることができる。

【００９５】図６（Ｃ）は、半導体基板の深さ方向の電
子エネルギ分布を示す。ｐ型領域内では、伝導帯ｃｂの
電子エネルギおよび価電子帯ｖｂの電子エネルギは一定
値を有し、価電子帯ｖｂに正孔が存在する。電荷転送路
を形成するｎ型領域においては、ｐｎ接合の作り付け電
位によって電子エネルギが下がり、ゲート電圧によって
半導体表面における電子エネルギが吊り上げられてお
り、その内部に電位井戸を形成している。この電位井戸
内に電子が蓄積される。

【００９６】また、ゲート電圧が十分深く逆バイアスさ
れているため、半導体表面では反転状態が生じ、表面部
分には正孔が発生している。この正孔は、半導体表面に
おける電荷発生中心を占有し、その影響を著しく減少さ
せる。このため、半導体表面において電子・正孔対が発
生することが防止され、暗電流による蓄積電荷の変化を
防止する。

【００９７】電荷転送路において、蓄積電荷が異なる時
間保持されても、暗電流が著しく低減されるため、蓄積
電荷の変化が低減される。図４に戻って、ＶＣＣＤをピ
ニング動作した後、ステップＡ８に進み、本撮像を行な
う。本撮像においては、所定時間ホトダイオードＰＤに
画像電荷を蓄積する。

【００９８】続いて、ステップＡ９に進み、露光が完了
したか否かを判定する。露光が完了していないときは、
ＮＯの矢印にしたがってステップＡ９を繰り返す。露光
が完了した時は、ＹＥＳの矢印にしたがってステップＡ
１０に進み、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの標準駆動を開始
すると共に全ホトダイオードＰＤから蓄積電荷を垂直電
荷転送路ＶＣＣＤに読み出す。

【００９９】なお、ＶＣＣＤの標準駆動とは、図１に示
す標準ドライバ回路４ａを用いた電荷転送である。垂直
電荷転送路ＶＣＣＤに読み出された画像信号は、ドミノ
駆動されて水平電荷転送路ＨＣＣＤに転送され、図１に
示す信号処理回路５、画像信号処理回路７等を介して処
理される。

【０１００】図７に、垂直電荷転送路ＶＣＣＤの標準駆
動の場合の駆動信号のタイミングチャートを示す。標準
駆動においては、１水平走査期間に１行分ずつ電荷信号
が転送される。シフトレジスタＳＲからのシフト信号Ｓ
１〜Ｓｎが１垂直走査期間毎に１つずつ増加することに
より、転送領域は下方から上方に向かって次第に拡張す
る。このようにして、ドミノ駆動が行なわれる。

【０１０１】次にステップＡ１１において、このように
して得られた画像信号の記録を行なう。画像信号の記録
は磁気的に行なってもよく、デジタル信号の電気的記憶
で行なってもよい。

【０１０２】以上説明したように、ＡＥ／ＡＦ動作にお
いては、行列状のホトダイオードの所定行の画像信号の
みを取出し、高速電荷転送を行なうことによって速やか
に調整工程を行なうことができる。

【０１０３】また、本撮像においては、垂直電荷転送路
ＶＣＣＤをピニング状態に保持することにより、暗電流
の影響を低減することができる。また、本撮像におい
て、垂直電荷転送路の転送速度を停止させるか低速とす
ることにより、スミヤ画像の影響も低減することができ
る。

【０１０４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【０１０５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ドミノ駆動を採用することにより、多数の画素を集積化
した固体撮像装置を実現し、かつ本撮像前の調整工程を
迅速に実施することができる。また、ドミノ駆動を行な
っても、暗電流の影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による固体撮像装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】図１の固体撮像装置のＣＣＤ撮像チップの構成
を示す概略平面図である。

【図３】図１のＣＣＤ撮像チップの断面構造を概略的に
示す断面図である。

【図４】図１の固体撮像装置の制御フローチャートであ
る。

【図５】図１の固体撮像装置の高速ドライブを説明する
ためのタイミングチャートである。

【図６】垂直電荷転送路のピニングを説明するためのダ
イヤグラムである。

【図７】図１の固体撮像装置の標準ドライブを説明する
ためのタイミングチャートである。

【図８】従来の技術によるアコーディオン転送方式を説
明するためのダイヤグラムである。

【図９】従来の技術によるドミノ型ＣＣＤの電荷転送を
説明するためのダイヤグラムである。

【図１０】従来の技術によるスミヤの防止技術を説明す
るためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

１レンズ２アイリス３ＣＣＤ撮像チップ４ドライバ回路４ａ標準ドライバ回路４ｂ高速ドライバ回路４ｃピニングドライバ回路５信号処理回路６Ａ／Ｄ変換器７画像信号処理回路８数値演算プロセッサ１１タイミング回路１２判別回路１４システムコントロールユニット１５ストロボユニット１６ストロボモジュール回路１７キセノンランプＰＤホトダイオードＶＣＣＤ垂直電荷転送路ＰＧトランスファゲート

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】行列状に配置された多数個のホトダイオ
ード（ＰＤ）とホトダイオードの各列に結合した複数列
の垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）とを有する固体撮像装置
の駆動方法であって、行列状のホトダイオードのうち選択された一部のホトダ
イオードの電荷のみを垂直電荷転送路に読み出し、高速
転送を行ない、静止画撮像前の調整を行なう予備工程
と、垂直電荷転送路のポテンシャルをピニング状態に保って
静止画撮像用の電荷蓄積を全ホトダイオードで行なう本
撮像工程と、本撮像工程後、全ホトダイオードの電荷を垂直電荷転送
路に読み出し、前記高速転送より遅い標準速度で電荷転
送する工程とを含む固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２】前記静止画撮像用の電荷蓄積を行なって
いる間は垂直電荷転送路の転送速度を標準速度以下の転
送速度ないし停止させる請求項１記載の固体撮像装置の
駆動方法。
【請求項３】行列状に配置された多数個のホトダイオ
ード（ＰＤ）と、前記ホトダイオード（ＰＤ）の各列に結合した複数列の
垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）と、前記垂直電荷転送路を標準速度および標準速度より高い
高速度のいずれでも転送駆動できる駆動回路（４ａ、４
ｂ）と、前記垂直電荷転送路をピニング電位に保つことのできる
ピニングドライバ回路（４ｃ）と、予備工程開始信号を受信すると、前記ホトダイオードの
うち選択された一部のホトダイオードの電荷のみを前記
垂直電荷転送路に読み出し、前記駆動回路を制御して前
記垂直電荷転送路を高速度で駆動し、本撮像信号を受信
すると、前記ピニングドライバ回路を制御して前記垂直
電荷転送路をピニング電位に保つとともに、前記ホトダ
イオードに光電荷蓄積を行わせ、その後全ホトダイオー
ドの光電荷を前記垂直電荷転送路に読み出し、前記駆動
回路を制御して前記垂直電荷転送路を標準速度で駆動す
る制御手段とを有する固体撮像装置。
【請求項４】行列状に配置された多数個のホトダイオ
ード（ＰＤ）と、前記ホトダイオード（ＰＤ）の各列に結合した複数列の
垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）と、前記垂直電荷転送路を標準速度および標準速度より高い
高速度のいずれでも転送駆動できる駆動回路（４ａ、４
ｂ）と、前記垂直電荷転送路をピニング電位に保ち、かつ前記垂
直電荷転送路を前記標準速度よりも遅い速度で駆動する
ピニングドライバ回路（４ｃ）とを有する固体撮像装
置。