JP3089507B2 - 固体撮像素子および信号電荷転送方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に係わ
り、例えばＣＣＤ等電荷転送形素子を直線状に配列した
いわゆるリニアイメージセンサとして応用される固体撮
像素子および信号電荷転送方法に関する。

【０００２】固体撮像素子は光電変換部と走査部の機能
を１つのシリコンチップ上に作り上げたデバイスであ
る。近時は、さらにカラー化をするためにカラーフィル
タを光電変換部の上に形成することも行われている。こ
のような固体撮像素子は、例えばカメラ一体形ＶＴＲと
して用いられており、しかもより画素数を多くしようと
開発され、ＮＴＳＣのみならず、ハイビジョンへの対応
も試みられつつある。

【０００３】

【従来の技術】固体撮像素子の具体例として、直線状に
配列された画素を順次読み出すためのＣＣＤリニアイメ
ージセンサの場合を例にとる。従来のＣＣＤリニアイメ
ージセンサとしては、例えば図４、図６に示すようなも
のが知られている。

【０００４】図４はＣＣＤリニアイメージセンサとして
の固体撮像素子デバイスを示す図である。この図におい
て、半導体基板１上には入射する光に応じた電荷を発生
させる受光部としての光ダイオードセンサ列２が直線状
に配列され、この光ダイオードセンサ列２にほぼ平行に
シフトゲート３および電荷転送路４が設けられている。

【０００５】シフトゲート３は端子３ａに印加されるシ
フトゲートパルスＳＧに対応して光ダイオードセンサ列
２で発生した電荷を図中矢印で示すように電荷転送路４
に導き、電荷転送路４は光ダイオードセンサ列２から転
送された電荷を端子５、６に入力される２相のクロック
パルス（すなわち、電荷転送シフトパルスＳ１、Ｓ２）
に応じて出力部７に転送する。出力部７は出力ゲート、
電荷電圧変換による読み出し部、出力回路等を含んでい
る。そして、電荷転送路４の信号は出力部７の出力端子
８から読み出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の固体撮像素子デバイスにあっては、１つの電荷転送
路４の最終端に１つの出力部７を有する構成となってい
たため、高速なデータレートの場合に有効な信号期間を
確保することが困難（いわゆる高速駆動が困難）である
という問題点があった。

【０００７】すなわち、図４に示すＣＣＤリニアイメー
ジセンサの場合、電荷転送路４の最終端のシフトパルス
は図５（ａ）に示すように駆動パルス周期Ｔ１を繰り返
す信号であり、一方、電荷リセットパルスはリセットパ
ルス幅Ｔ２を有する信号である（図５（ｂ）参照）。し
たがって、出力信号の波形は図５（ｃ）に示すようにな
り、少なくとも信号電荷を消滅させるためのリセット期
間および出力信号の読み出し期間Ｔ３を含んで１周期と
なる。

【０００８】このとき、有効な信号取り出し期間Ｔ３は
シフトパルスの周期Ｔ１と、リセッ３トパルスの幅Ｔ２
とに依存する。その結果、高速のデータレートで駆動し
た場合には、シフトパルスの周期が短くなり、かつ電荷
リセットパルスの幅Ｔ２が原理的に変更できない場合に
は、必然的に出力信号の読み出しのための有効な信号取
り出し期間Ｔ３を確保することができなくなる。したが
って、実際上、高速駆動ができないことになる。

【０００９】これに対して、上述の欠点を解消すべく、
図６に示すようなＣＣＤリニアイメージセンサも開発さ
れている。図６において、半導体基板１１上には光ダイ
オードセンサ列１２が直線状に配列され、この光ダイオ
ードセンサ列１２に対してほぼ平行に２つの電荷転送路
１３、１４が設けられるとともに、さらに２つの電荷転
送路１３、１４に対応すべく第１シフトゲート１５およ
び第２シフトゲート１６が設けられている。

【００１０】第１シフトゲート１５は端子１５ａに印加
される第１シフトゲートパルスＳＧ１に対応して光ダイ
オードセンサ列１２で発生した電荷を図中矢印で示すよ
うに電荷転送路１３に導き、また第２シフトゲート１６
は端子１６ａに印加される第２シフトゲートパルスＳＧ
２に対応して光ダイオードセンサ列２で発生した偶数番
目の電荷を第１シフトゲート１５および電荷転送路１３
を経て図中矢印で示すように電荷転送路１４に導く。

【００１１】各電荷転送路１３、１４は光ダイオードセ
ンサ列１２から転送された電荷を端子１７、１８に入力
される２相のクロックパルス（すなわち、電荷転送シフ
トパルスＳ１１、Ｓ１２）に応じて各出力部１９、２０
に転送する。なお、出力部１９、２０は何れも出力ゲー
ト、電荷電圧変換による読み出し部、出力回路等を含ん
でいる。そして、電荷転送路１３では光ダイオードセン
サ列１２から転送された奇数番目の電荷が出力部１９の
出力端子２１から読み出され、光ダイオードセンサ列１
２から転送された偶数番目の電荷は電荷転送路１３から
第２シフトゲート１６を介して電荷転送路１４に送ら
れ、電荷転送路１４の出力部２０の出力端子２２から読
み出される。

【００１２】このように、図６に示すＣＣＤリニアイメ
ージセンサは電荷の転送路を２つ用意し、２つの転送路
間にシフトゲートを作り、偶数番目の信号と奇数番目の
信号を別々の電荷転送路で送る形式となっている。した
がって、出力部での周波数（出力信号の周波数）は１／
２になるため、前述した図４に示すセンサに比べて高速
駆動が可能である反面、２つめのシフトゲートおよび電
荷転送路が必要となり、これらが外付けの回路として加
わると、高速駆動を必要としない低速駆動時にはデバイ
スの回路規模が大きく、不利になるという新たな欠点が
ある。そのため、使用するデータ周波数が固定されてい
ないＣＣＤリニアイメージセンサにあっては、上述した
欠点なしに低速駆動と高速駆動を両立できることが望ま
れる。

【００１３】さらに、図６に示したＣＣＤリニアイメー
ジセンサに類似の従来技術として、例えば特公平３ー４
０９９７号公報に記載されたものがある。このセンサ
は、受光部を基板の中央に設け、受光部の両側に２つの
電荷転送路を配列するとともに、受光部と２つの電荷転
送路の間に２つのシフトゲートを設け、さらに２つの電
荷転送路の出力端側にそれぞれ結合し、かつ独自の出力
部を有する第３の電荷転送路を設けたもので、高速読み
出し時には２つの電荷転送路から別個に信号を読出し、
低速読み出し時には第３の電荷転送路を介して２つの電
荷転送路からの信号を交互に信号を読出すようになって
いる。

【００１４】しかしながら、この公報記載のセンサにあ
っても、図４に示すセンサに比べて高速駆動が可能では
あるが、２つの電荷転送路、２つのシフトゲートおよび
第３の電荷転送路が必要であり、高速駆動を必要としな
い低速駆動時にはデバイスの回路規模が大きく、不利に
なるという欠点がある。したがって、改良の余地があ
る。

【００１５】そこで本発明は、回路規模を大きくするこ
となく、高速周波数から低速周波数まで駆動可能な固体
撮像素子および信号電荷転送方法を提供することを目的
としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明固体撮像素子は、
例えば図１に示す如く入射する光情報に応じた電荷を発
生する受光部３２と、この受光部３２から読み出された
信号電荷を一方向に転送する第１電荷転送路３４と、こ
の受光部３２で発生した電荷をこの第１電荷転送路３４
にシフトさせるシフトゲート３３と、この第１電荷転送
路３４の出力端に設けられた分岐用電極３７と、この分
岐用電極３７に結合された第２電荷転送路３８と、この
第２電荷転送路３８の出力端に結合された第１出力部３
９と、分岐用電極３７に結合されるとともに、この第２
電荷転送路３８の電荷転送方向とは異なる方向に信号電
荷を転送する第３電荷転送路４０と、この第３電荷転送
路４０の出力端に結合された第２出力部４１とを備え、
高速駆動時にはこの分岐用電極３７において、この第１
電荷転送路３４の信号電荷をこの第２および第３の電荷
転送路３８および４０に交互に分配して転送し、この第
１および第２出力部３９および４１から交互に信号を出
力すると共に低速駆動時にはこの第１電荷転送路３４の
信号電荷をこの第２電荷転送路３８のみに転送し、この
第１出力部３９のみから信号を出力するようにしたもの
である。

【００１７】

【００１８】

【作用】本発明では、通常の電荷転送路（すなわち、第
１電荷転送路および第２電荷転送路）とは別に高速駆動
時専用の第３電荷転送路が設けられ、シフトパルスの切
り換えにより、高速のデータレートが必要な場合には信
号電荷を分岐用電極において第２および第３電荷転送路
に交互に分配し、第１および第２出力部から交互に信号
が出力される。また、低速駆動時には、通常の電荷転送
路の終端に配置された第１出力部のみから信号が読み出
される。

【００１９】したがって、高速のデータレートの場合で
も有効な信号期間を確保することができ、高速周波数か
ら低速周波数まで駆動可能となる。しかも、高速駆動時
専用の第３電荷転送路および第２出力部は従来例に比べ
て極めて小規模であり、高速駆動を必要としない低速駆
動時にあってもデバイスの回路規模が大きくなるという
不都合を解消できる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１〜図３は本発明に係る固体撮像素子の一実施例を示す
図であり、本発明をＣＣＤリニアイメージセンサに適用
した例である。

【００２１】図１はＣＣＤリニアイメージセンサとして
の固体撮像素子デバイスを示す図である。この図におい
て、半導体基板３１上には受光部としての光ダイオード
センサ列３２が直線状に配列され、この光ダイオードセ
ンサ列３２にほぼ平行にシフトゲート３３および第１電
荷転送路３４が設けられている。光ダイオードセンサ列
３２は複数のセルからなり、入射する光に応じた電荷を
発生させる。各セルは例えば半導体基板３１との間にｐ
ｎ接合を形成する拡散半導体領域を含んでいる。

【００２２】シフトゲート３３は光ダイオードセンサ列
３２で発生した電荷を第１電荷転送路３４に送り込むも
ので、その端子３３ａに印加されるシフトゲートパルス
ＳＧによって駆動され、光ダイオードセンサ列３２で発
生した電荷を図中矢印で示すように第１電荷転送路３４
に導く。第１電荷転送路３４は具体的にはＣＣＤであ
り、シフトゲート３３によって光ダイオードセンサ列３
２から転送された電荷を端子３５、３６に入力される２
相のクロックパルス（すなわち、電荷転送シフトパルス
Ｓ１、Ｓ２）に応じて一方向（図中左方向の出力端子
側）に転送する。

【００２３】第１電荷転送路３４には一方向側には、信
号電荷切換手段である分岐用電極（出力ゲートに相当）
３７を介して第２電荷転送路３８が結合されており、さ
らに第２電荷転送路３８の出力端には第１出力部３９が
結合されている。また、分岐用電極３７には第３電荷転
送路４０が結合されており、さらに第３電荷転送路４０
の出力端には第２出力部４１が結合されている。第３電
荷転送路４０は第２電荷転送路３８の電荷転送方向とは
異なる方向（本実施例では第２電荷転送路３８の電荷転
送方向に対して直交する方向）に電荷を転送する。

【００２４】第１出力部３９および第２出力部４１は転
送された電荷を信号として読み出すための出力処理を行
うもので、出力ゲート、電荷電圧変換による読み出し
部、出力回路等を含んでいる。そして、第２電荷転送路
３８の信号は第１出力部３９の出力端子４２から読み出
され、第３電荷転送路４０の信号は第２出力部４１の出
力端子４３から読み出される。以上述べたように、本発
明の信号電荷転送方法は、光ダイオードセンサ列３２か
ら信号電荷を取り出し、シフトゲート３３を介して第１
電荷転送路３４に転送し、さらに端子３５，３６に入力
されるクロックに同期して分岐用電極３７側へ転送し、
低速転送時には分岐用電極３７を用いて第２電荷転送路
３８へ転送し、第１出力部３９の出力端子４２から電荷
を出力する。一方、高速転送時には信号電荷切換手段で
ある分岐用電極３７を交互に切り換えて、第２電荷転送
路３８と第３電荷転送路４０に出力し、それぞれの出力
端子である第１の出力端子４２と第２の出力端子４３を
介して信号電荷が取り出されるものである。従って、本
発明の信号電荷転送方法は、必要に応じて信号転送速度
を設定することができる。

【００２５】次に、本実施例における固体撮像素子の構
成とその動作を説明する。例えば、第１電荷転送路３
４、第２電荷転送路３８および第３電荷転送路４０がｎ
チャネル型のＣＣＤで形成されているとすると、ｎチャ
ネルの転送路においては電圧の高い方（すなわち、ポテ
ンシャルが深く、電位が高い方）へ電荷が移動する。

【００２６】ここで、低速駆動を必要とする場合には第
３電荷転送路４０側の電位を浅くする。詳細には、図２
に分岐用電極３７近傍のＣＣＤ列を示すように、第３電
荷転送路４０側におけるＣＣＤ列４０ａ、４０ｂ、４０
ｃ・・・の電位を浅くする。なお、３４ａ〜３４ｄ・・
・は第１電荷転送路３４側におけるＣＣＤ列、３８ａ、
３８ｂ、３８ｃ・・・は第２電荷転送路３８側における
ＣＣＤ列である。

【００２７】第３電荷転送路４０側におけるＣＣＤ列４
０ａ、４０ｂ、４０ｃ・・・の電位を浅くなることによ
り、第１電荷転送３４から分岐用電極３７に転送された
電荷は第３電荷転送路４０側に流れ込まなくなる。ま
た、このとき第１電荷転送３４に与えたものと同じ駆動
周波数の２相クロックパルス（すなわち、電荷転送シフ
トパルスＳ１、Ｓ２）を分岐用電極３７および第２電荷
転送路３８に与えると、電荷は分岐用電極３７から第２
電荷転送路３８を通り、第１出力部３９に向って転送さ
れる。この状態は図２において電荷の転送方向（Ｉ）か
ら転送方向（ＩＩ）に向う方向として示される。したが
って、電荷の転送方向（ＩＩＩ）には転送されない。そ
のため、低速駆動時には第１出力部３９のみから信号が
出力される。

【００２８】一方、高速駆動を必要とする場合には第２
電荷転送路３８および第２電荷転送路４０に対して第１
電荷転送路３４の１／２の周波数のクロックパルスを与
える。クロックパルスの具体例は図３のように示され
る。すなわち、第１電荷転送路３４および分岐用電極３
７には図３（ａ）に示すような所定周波数の電荷転送シ
フトパルス（例えば、Ｓ１）が与えられる。

【００２９】また、第２電荷転送路３８には図３（ｂ）
に示すように第１電荷転送路３４に与えたシフトパルス
の１／２の周波数を有する電荷転送シフトパルスＳ３８
が与えられ、さらに第３電荷転送路４０には図３（ｃ）
に示すように第１電荷転送路３４に与えたシフトパルス
の１／２の周波数を有し、かつ第２電荷転送路３８に与
えたものと半周期だけ位相がずれている電荷転送シフト
パルスＳ４０が与えられる。

【００３０】このように第２電荷転送路３８および第３
電荷転送路４０を互いのクロックパルスが半周期分だけ
ずれているような位相関係で駆動した場合、電荷は第２
電荷転送路３８および第３電荷転送路４０の双方に対し
て交互に分配される。この状態は図２において電荷の転
送方向（Ｉ）から転送方向（ＩＩ）に向う方向および転
送方向（ＩＩＩ）に向う方向として示される。したがっ
て、電荷の転送方向がが２つになる。また、第３電荷転
送路４０は高速駆動時専用の電荷転送路となる。

【００３１】そして、分配された電荷は第２電荷転送路
３８および第３電荷転送路４０をそれぞれ元の伝送速度
の１／２の周波数で転送されていき、第１出力部３９お
よび第２出力部４１で出力処理が行われ、出力端子４２
および出力端子４３からそれぞれ読み出される。この場
合、各出力端子４２、４３からは偶数番目と奇数番目の
信号が交互に読み出される。

【００３２】以上のように、高速駆動の場合には分岐用
電極３７から電荷が２方向に分岐して転送され、第１、
第２出力部３９、４０から交互に信号として読み出され
る。したがって、高速のデータレートの場合でもクロッ
クパルスの周波数が１／２であるため、有効な信号期間
を確保することができる。すなわち、高速駆動を行うこ
とができる。

【００３３】また、高速駆動時専用の第３電荷転送路４
０および第２出力部４１が従来に比べて極めて小規模の
構成であるため、高速駆動を必要としない低速駆動時に
あってもデバイスの回路規模が大きくならないという効
果を得ることができる。すなわち、回路規模を大きくす
ることなく、高速駆動と低速駆動を両立させることがで
きる。したがって、特に使用するデータ周波数が固定さ
れていないＣＣＤリニアイメージセンサにあっては、デ
バイスの回路規模が大きくならずに低速駆動と高速駆動
を両立でき、コスト低減効果も得ることができる。

【００３４】なお、上記実施例では高速駆動時の電荷転
送に際して周波数が１／２で、互いに半周期分だけ位相
がずれた電荷転送シフトパルスを第２、第３電荷転送路
に供給しているが、このような転送制御に限らず、例え
ば高速駆動時には複数の電荷出力手段（例えば、２系統
の電荷転送路と出力部）に対して電荷転送のために最終
段の電位を順次変更して出力を交互に読み出すように制
御してもよい。例えば、ｎチャネルの転送路においては
電位が高い方へ電荷が移動するから、２系統の各最終段
の電位を順次交互に高くすると、出力が交互に読み出さ
れる。

【００３５】一方、低速駆動時には１系統の電荷出力手
段のみを使用するように、その最終段の電位（レベル）
を制御して出力を読み出すように制御してもよい。要
は、小規模の複数の電荷出力手段の電位を適切に制御す
るようにすればよい。

【００３６】なお、本発明は上記実施例のようにＣＣＤ
リニアイメージセンサに適用する例に限らず、固体撮像
素子を応用した他のデバイスにも適用することができ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速のデータレートの場合でも有効な信号期間を確保す
ることができ、高速周波数から低速周波数まで駆動して
信号を読み出すことが可能な固体撮像素子および信号電
荷転送方法を提供することができる。

【００３８】また、高速駆動時専用の第３電荷転送路お
よび第２出力部が従来に比べて極めて小規模であるの
で、高速駆動を必要としない低速駆動時にあってもデバ
イスの回路規模が大きくならないとういう効果が得られ
る。すなわち、回路規模を大きくすることなく、高速駆
動と低速駆動を両立できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像素子を適用したＣＣＤリ
ニアイメージセンサの平面図である。

【図２】同実施例の電荷の転送方向を説明するための分
岐用電極近傍の拡大図である。

【図３】同実施例の駆動パルスを示す波形図である。

【図４】従来のＣＣＤリニアイメージセンサの平面図で
ある。

【図５】図４に示すＣＣＤリニアイメージセンサの駆動
パルスを示す波形図である。

【図６】従来の他のＣＣＤリニアイメージセンサの平面
図である。

【符号の説明】

３１ 半導体基板 ３２ 光ダイオードセンサ列（受光部） ３３ シフトゲート ３４ 第１電荷転送路 ３５、３６ 端子 ３７ 分岐用電極（出力ゲート，信号電荷切換手段） ３８ 第２電荷転送路 ３９ 第１出力部 ４０ 第３電荷転送路 ４１ 第２出力部 ４２、４３ 出力端子

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射する光情報に応じた電荷を発生する
   受光部と、 前記受光部から読み出された信号電荷を一方向に転送す
   る第１電荷転送路と、前記受光部で発生した電荷を前記
   第１電荷転送路にシフトさせるシフトゲートと、前記第
   １電荷転送路の出力端に設けられた分岐用電極と、 前記分岐用電極に結合された第２電荷転送路と、 前記第２電荷転送路の出力端に結合された第１出力部
   と、 前記分岐用電極に結合されるとともに、前記第２電荷転
   送路の電荷転送方向とは異なる方向に信号電荷を転送す
   る第３電荷転送路と、 前記第３電荷転送路の出力端に結合された第２出力部と
   を備え、 高速駆動時には前記分岐用電極において、前記第１電荷
   転送路の信号電荷を前記第２および第３電荷転送路に交
   互に分配して転送し、前記第１および第２出力部から交
   互に信号を出力すると共に低速駆動時には前記第１電荷
   転送路の信号電荷を前記第２電荷転送路のみに転送し、
   前記第１出力部のみから信号を出力するようにしたこと
   を特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の固体撮像素子において、 前記高速駆動時には前記第２および第３電荷転送路には
   互に位相の異なる第１電荷転送路に供給するシフトパル
   スの１／２の周波数のシフトパルスをそれぞれ供給し
   て、前記第１および第２出力部から交互に信号を出力
   し、低速駆動時には前記第２電荷転送路に前記第１電荷
   転送路に供給するシフトパルスと同一のシフトパルスを
   供給するようにし、前記第１出力部のみから信号を出力
   するようにしたことを特徴とする固体撮像素子。
3. 【請求項３】 信号電荷を検出し、該信号電荷を第１電
   荷転送路へ転送し、該転送された信号電荷を、 低速転送時には前記第１電荷転送路の出力端に設けられ
   た分岐用電極を介して第２電荷転送路へ転送して出力
   し、高速転送時には前記分岐用電極において前記第２電
   荷転送路と第３電荷転送路とに交互に転送し出力するこ
   とを特徴とする信号電荷転送方法。