JP3529022B2 - 電荷転送素子 - Google Patents
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Description
遅延素子等に好適なフローティング・ディフュージョン
・アンプリファイア型(以下では、FDA型と称する)
の電荷検出部を有する電荷転送素子に関し、より詳しく
は、信号電荷の電荷電圧変換部におけるリセットゲート
電圧の低電圧化及びリセットゲート電圧の無調整化が可
能となり、システムの部品点数の削減や低消費電力化を
実現することができる電荷転送素子に関する。
ス)等の電荷転送素子(CTD)を用いたデバイスの代
表的なものとして、図7に示す二次元イメージセンサや
図8に示すSPS(シリアル・パラレル・シリアル)方
式の遅延素子等がよく知られている。
リクス状に配列された光電変換素子2によって光電変換
された信号電荷を垂直転送チャネル6及び水平転送チャ
ネル8を介して信号出力部12に転送する。転送された
来た信号電荷は、信号出力部12によって電荷電圧変換
されてアンプ(MOSアンプ)14に与えられる。アン
プ14を動作させると、出力信号が取り出され、その
後、図示しないリセットトランジスタを操作すると、信
号出力部12は外部の基準レベルVRD(電源電圧)にリ
セットされる。なお、図中の符号4はトランスファーゲ
ートを示す。
入力部16に与えられる信号電荷を水平転送チャネル1
8、垂直転送チャネル6及び水平転送チャネル8を介し
て信号出力部12に転送し、以下図7に示すイメージセ
ンサ同様の動作が行われる。
DA型の電荷検出部を備えたものがあり、図9はこのF
DA型の電荷検出部の代表的な構造例を示す。この電荷
検出部は、リセットドレイン(RD)22、リセットド
ゲート(RG)20、アウトプットゲート(OG)1
0、H1、H2…からなる水平転送ゲート8、フローテ
ィング・ディフュージョン(FD、以下ではフローティ
ングダイオードと称する)24及びアンプ(MOSアン
プ)14を備えて構成されている。
を示し、図11はその時のポテンシャル関係図を、図1
2はリセットゲート20のVG−Φmax特性を示す。
に示すように、リセットドゲート20に印加されるリセ
ットパルスの“Low”レベル,“High”レベルを
示す。また、図11における△Vmaxはフローティング
ダイオード24で取り扱える最大信号振幅を示す。
ポテンシャルをΦmax(VG〔V〕)とすると、下記
(1)式で表され、 △Vmax=VRD−Φmax(VΦRLow)−△VF …(1) 上記(1)式より、リセットゲート20のリセット動作
を行うには、下記(2)式の条件を満足する必要があ
る。
ト20に一定レベルのリセットゲートパルスを印加する
場合、リセットゲート20下のΦmax及び電源電圧VRD
が一定の条件下では、必要とされるリセットゲートパル
スの振幅とレベルは、一例として、VRD=15.0V、
Φmax(VG=0V)=8.9V,△VF=750mVの
場合、△Vmax>1200mVを満足しようとすれば、
下記(3)式の条件を満足する必要があり、 VΦRLow≦5.1V …(3) リセット動作を確保するためには、下記(4)式の条件
を満足する必要がある。
6V−5.1V)あればリセット動作は確保される。
バラツキからくるリセットゲート20下のポテンシャル
のバラツキやシステムでの使用電源電圧のバラツキが存
在するため、それぞれのバラツキを考慮した上で、△V
max及びリセット動作が同時に確保できるリセットゲー
トパルスの振幅とレベルを設定する必要がある。
maxのバラツキが±0.7V、電源電圧VRDのバラツキ
が±0.5V存在するとした場合のリセットゲート20
のVG−Φmax特性を示す。
=0V)=8.9±0.7V,△Φmax/△VG=0.
8,△VF=750mVの条件では、△Vmax>1200
mVを満足しようとすれば、下記(5)式の条件を満足
する必要があり、 VΦRLow≦3.6V …(5) リセット動作を確保するには、下記(6)式の条件を満
足する必要がある。
(9.1V−3.6V)必要となる。
0.7Vがリセットパルス振幅で1.75V、電源電圧
VRDのバラツキ±0.5Vがリセットパルス振幅で1.
25Vに相当するため、バラツキがないとした場合の
2.5V(7.6V−5.1V)よりも3.0V(トー
タル)振幅が必要になるためである。
例えば、2次元イメージセンサにおいては、デバイスの
小型化及び低消費電力化の要請に伴い、駆動電圧の低電
圧化及び部品点数の削減が求められている。
ートに印加するパルスは、タイミングICからの出力を
外部回路により増幅し、オフセットがけを行った後、デ
バイスに入力していたが、駆動電圧の低電圧化、システ
ムの部品点数の削減及び低消費電圧化の要求からリセッ
トゲートパルス3.3V駆動化、更に低駆動電圧化及び
オフセット電圧の無調整化が求められている。
ートパルスを印加する従来方式では、リセットパルスの
オフセット電圧は外部回路により印加、調整する必要が
あり、更に低電圧化においては、プロセスのバラツキに
よるリセットゲート下ポテンシャルのバラツキ(±0.
7V)や電源電圧のバラツキ(±0.5V)を考慮する
必要があり、制御上の困難性を伴うため、十分な取り扱
い信号(Vmax)とリセット動作の確保とを同時に実現
できなかったのが現状である。
エハーテストの段階でリセット動作の最適点を求め、そ
の測定値をデバイス内部に設けた書き込み回路に書き込
む方法が考えられるが、ウエハーテスト時のテスト方法
や測定値の書き込み方法が複雑になるという新たな問題
がある。
号公報に記載された技術がある。この技術は、図14に
示すように、FDA型の電荷検出部Aのリセットゲート
20と同一のポテンシャルプロファイルをもつ検知トラ
ンジスタ51を含む制御回路を素子内部に設け、リセッ
トゲート20下のポテンシャル変動に伴うリセット動作
点の変動を制御回路の検出値をもって制御する手法を採
用している。
イン22、検出用ゲート及び検出用ゲート電圧を使用
し、リセットドレイン22の電圧にリセットする手法を
採用している。
ングダイオード24のリセットされる電圧がリセットド
レイン22の電圧に影響され、リセットドレイン22の
電圧は外部パルスの誘導やキャリアの熱放出等の不安定
要素を含み、フローティングダイオード24のリセット
電圧の不安定さが懸念されるため、上記問題を解決する
には至らない。
544号公報に記載された技術がある。この技術は、図
15に示すように、検知トランジスタ51と、電圧利得
を電荷検出部Aのリセットドゲート20のΦmax対VGの
傾きの逆数を一致させた反転アンプ56とを組み合わ
せ、検知トランジスタ51のゲート下ポテンシャルに対
応した反転電圧をリセットゲート20に加える手法を採
用している。
を補正しておらず、リセット電圧の不安定さが懸念され
るため、上記問題を解決するには至らない。
好なリセット動作、リセットゲート電圧の低電圧化及び
リセットゲート電圧の無調整化を同時に達成し、そのこ
とにより、システムの部品点数の削減や低消費電力化を
可能としたものが実現されていないのが現状である。
ものであり、良好なリセット動作、リセットゲート電圧
の低電圧化及びリセットゲート電圧の無調整化を同時に
達成でき、結果的に、システムの部品点数の削減及び低
消費電力化を図ることができる電荷転送素子を提供する
ことを目的とする。
は、フローティング・ディフュージョン・アンプリファ
イア型の電荷検出部を有し、該電荷検出部のリセットゲ
ートと同一のポテンシャルプロファイルをもつ検知トラ
ンジスタを含む制御回路を素子内部に設け、該リセット
ゲート下のポテンシャル変動にもかかわらず、常時、最
適状態でリセット動作を行うことができるように制御可
能になった電荷転送素子であって、該制御回路は、該検
知トランジスタ及びロード側のトランジスタからなるソ
ース・フォロワー回路によって構成され、該ソース・フ
ォロワー回路の出力を該電荷検出部のリセットドレイン
に接続し、該検知トランジスタ及び該ロード側のトラン
ジスタに、該ソース・フォロワー回路のドレインと共通
の電源から抵抗分割により発生されたゲート電圧が共通
に印加され、且つ該電荷検出部のリセットゲートに該電
源から抵抗分割により発生された電圧がクランプ回路を
通して印加されるように構成されており、そのことによ
り上記目的が達成される。
ィング・ディフュージョン・アンプリファイア型の電荷
検出部を有し、該電荷検出部のリセットゲートと同一の
ポテンシャルプロファイルをもつ検知トランジスタを含
む制御回路を素子内部に設け、該リセットゲート下のポ
テンシャル変動にもかかわらず、常時、最適状態でリセ
ット動作を行うことができるように制御可能になった電
荷転送素子であって、該制御回路は、該検知トランジス
タを含むソース・フォロワー回路と、該ソース・フォロ
ワー回路の出力を入力とするインバータ回路とによって
構成され、該ソース・フォロワー回路及び該インバータ
回路の電源電圧は該電荷検出部のリセットドレインと接
続され、該インバータ回路からの出力をクランプ回路を
通して該電荷検出部のリセットゲートに印加するように
構成されており、そのことにより上記目的が達成され
る。
明する。
電荷検出部のリセットゲート20下のポテンシャルが変
動すると、SF回路Bの出力はリセットドゲート20下
のポテンシャルに追随して変動するため、図1中に示す
VGsf,VΦRLow及びVΦRHighを抵抗分割で所望の値に
設定しておけば、リセットゲート20下のポテンシャル
のバラツキがある場合でも、FDA型の電荷検出部Aの
リセット動作を常に最適な状態で行うことができる。
ーティングダイオード24がリセットされる電圧は、S
F回路Bの出力電圧であり、この出力電圧は常に安定し
たDCレベルに固定されているため、フローティングド
レインの場合に懸念されるようなドレイン電圧の不安定
さは解消される。
合についてみると、VGsfは電源電圧から抵抗分割によ
り発生させているため、電源電圧の変動はVRDのレベル
に変動を与えるが、本発明では、SF回路Bの検知トラ
ンジスタ51のゲートと、定電流負荷用のトランジスタ
52のゲートとに共通にVGsfを印加しているため、定
電流負荷用のトランジスタ52の働きにより負荷電流値
が変動し、VRDのレベルの変動を軽減し得るようになっ
ている。
様に電源電圧から抵抗分割により発生させているため、
電源電圧が変動した場合は、VGsf−VΦRLowの変動も
低減されることになる。
ート下のポテンシャルが変動する場合であっても、常に
最適な状態でリセット動作を行うことが可能となるの
で、従来、リセットゲート振幅を大きく取ることで確保
していたプロセスのバラツキや電源電圧のバラツキのマ
ージンを必要としない。
ド動作、リセットパルスの低電圧化、及びオフセット電
圧の無調整化を同時に達成できるので、このことによ
り、システムの部品点数の削減や低消費電力化を図るこ
とが可能になる。
を含むソース・フォロワー回路と、ソース・フォロワー
回路の出力を入力とするインバータ回路とによって構成
し、ソース・フォロワー回路及びインバータ回路の電源
電圧を電荷検出部のリセットドレインと接続し、インバ
ータ回路からの出力をクランプ回路を通して電荷検出部
のリセットゲートに印加する構成によっても奏すること
ができるが、この構成によれば、図1に示す回路構成に
比較して以下の技術上の利点を有する。
トゲート20下のポテンシャル変動に伴うリセットドレ
イン電圧を制御するため、フローティングダイオード2
4のリセットレベル自体の変動を招く結果、電荷電圧変
換の後、動作されるアンプ14の動作点まで変動すると
いう課題があるが、この構成、つまり、図4に示す回路
構成では、リセットゲート20のリセットゲート電圧を
制御する構成をとるため、アンプ14の動作点が変動す
ることはない。
の形態を図面に基づき具体的に説明する。
送素子の実施形態1を示す。まず、本実施形態1の電荷
転送素子の回路構成を図1に基づき説明する。
電荷検出部Aを有する電荷転送素子であり、このFDA
型の電荷検出部Aは、図9に示す構造のFDA型の電荷
検出部Aと同一のものである。但し、図1では、リセッ
トゲート20、リセットドレイン22、フローティング
ダイオード24、MOSアンプ14及び水位転送ゲート
(水平転送チャネル)8を表示している。
路(以下では、SF回路と称する)Bが接続されてい
る。SF回路Bは、電荷検出部Aのリセットゲート20
と同一のポテンシャルプロファイルをもつ検知トランジ
スタ51と、定電流負荷用のトランジスタ52とで構成
されている。
負荷用のトランジスタ52のゲートには、SF回路Bの
ドレインと共通の電源50から抵抗分割により発生され
た一定電圧VGsfが印加され、SF回路Bの出力は電荷
検出部Aのリセットドレイン(RD)22に接続され
る。
0には、素子外部に設けられた外部容量53と外部抵抗
54とを介してリセットパルスΦRが与えられる。リセ
ットパルスΦRのオフセット電圧は、上記一定電圧VGsf
と同様に、SF回路Bのドレインと共通の電源50から
抵抗分割により発生された一定電圧VΦRLowをクランプ
回路55を通してリセットゲート20に印加する。
0下のポテンシャルが変動すると、SF回路Bの出力は
リセットゲート20下のポテンシャルに追随して変動す
るため、SF回路Bの出力VRDは、下記(7)式で表さ
れる。
(2)式は、下記(1)’式、(2)’式で書き換える
ことができる。
ΦRHighを抵抗分割で所望の値に設定しておけば、リセ
ットゲート20下のポテンシャルのバラツキがある場合
でも、FDA型の電荷検出部Aのリセット動作を常に最
適な状態で行うことができることがわかる。
オード24がリセットされる電圧は、SF回路Bの出力
電圧であり、この出力電圧は常に安定したDCレベルに
固定されているため、フローティングドレインの場合に
懸念されるようなドレイン電圧の不安定さは解消され
る。
安定とは、DC電源(フローティングダイオード24が
リセットされる電圧、即ち、SF回路Bの出力電圧)の
インピーダンスが十分低いということを意味している。
このため、本実施形態1と上述の特開平6−13322
7号公報記載の従来技術とを比較すると、従来技術で
は、リセットされる電圧はフローティングドレインの構
成をとっているため、インピーダンスが高く、リセット
動作において掃き出される信号電荷の量(大きさ)によ
っては、常に安定したDCレベルを保つことができるか
どうかが懸念されるところである。
ト電圧をSF回路Bの出力とすることによりインピーダ
ンスを十分に下げ、これにより、信号電荷の大きさにか
かわらず、安定したDCレベルにリセットできるように
なっている。
合についてみると、VGsfは電源電圧から抵抗分割によ
り発生させているため、電源電圧の変動はVRDのレベル
に変動を与えるが、本実施形態1では、SF回路Bの検
知トランジスタ51のゲートと、定電流負荷用のトラン
ジスタ52のゲートとに共通にVGsfを印加しているた
め、定電流負荷用のトランジスタ52の働きにより負荷
電流値が変動し、VRDのレベルの変動を軽減し得るよ
うになっている。
もVGsfと同様に電源電圧から抵抗分割により発生させ
ているため、電源電圧が変動した場合は、VGsf−VΦ
RLowの変動も低減されることになる。
るVRD発生電圧とΦmax(VG=0V)との関係を示し、
図3は△VmaxとΦmax(VG=0V)との関係、つまり
リセット動作特性の一例を示す。
3.3V振幅において、電源電圧VRDのバラツキ=1
5.0V±0.5V、リセットゲート20下のポテンシ
ャルのバラツキ=8.9±0.7Vの条件下において、
リセット動作及び△Vmax≧1200mVの確保ができ
ている。
セットゲート20下のポテンシャル変動及び電源電圧V
RDの変動に対して、外部回路による調整を必要とするこ
となく、リセットパルスΦRの3.3V駆動化を実現す
ることが可能になる。
送素子の実施形態2を示す。図4に示すように、本実施
形態2の電荷転送素子も実施形態1同様のFDA型の電
荷検出部Aを有する電荷転送素子である。なお、実施形
態1と対応する部分には、同一の符号を付してある。
出部Aにはインバータ回路57を介してSF回路B’が
接続されている。即ち、インバータ回路57はSF回路
B’の出力を入力としている。
部Aのリセットゲート20と同一のポテンシャルプロフ
ァイルをもつ検知トランジスタ51と、トランジスタ5
1−1〜51−3とで構成されている。また、インバー
タ回路57はトランジスタ57−1、57−2で構成さ
れている。
は、実施形態1同様に、素子外部に設けられた外部容量
53と外部抵抗54とを介してリセットパルスΦRが与
えられる。また、リセットパルスΦRのオフセット電圧
は、インバータ回路57の出力をクランプ回路55を通
してリセットゲート20に印加する。
ゲート20下のポテンシャルが浅い方向へ変動した場合
に、リセット動作を正常に行うためには、リセットパル
スΦRを高くする必要がある。逆に、リセットゲート2
0下のポテンシャルが深い方向へ変動した場合は、リセ
ットパルスΦRを下げる必要がある。
リセットゲート20下のポテンシャルが変動した場合、
SF回路B’の出力は、実施形態1のSF回路Bの出力
同様にリセットゲート20下のポテンシャルに追随して
変動する。しかるに、本実施形態2では、SF回路B’
の出力はインバータ回路57に入力され、インバーター
回路の出力はポテンシャルの変動とは逆の方向へ変動す
る。
インバータータ回路57の出力をリセットパルスΦRの
オフセット電圧としている。この結果、本実施形態2の
構成によれば、ポテンシャルの変動によるリセットパル
スΦRの最適化を自動的に行うことができる。
1に比較して以下の利点を有する。即ち、実施形態1に
おいては、リセットゲート20下のポテンシャル変動に
伴うリセットドレイン電圧を制御するため、フローティ
ングダイオード24のリセットレベル自体の変動を招く
結果、電荷電圧変換の後、動作されるアンプ14の動作
点まで変動するという課題がある。
トゲート20のリセットゲート電圧を制御する構成をと
るため、アンプ14の動作点が変動することはない。よ
って、この点で、実施形態2は実施形態1よりも技術的
な利点を有する。
るVΦRLow発生電圧とΦmax(VG=0V)との関係を示
し、図6は△VmaxとΦmax(VG=0V)との関係、つ
まりリセット動作特性の一例を示す。
3.3V振幅において、電源電圧VRDのバラツキ=1
5.0V±0.5V、リセットゲート20下のポテンシ
ャルのバラツキ=8.9±0.7Vの条件下において、
リセット動作及び△Vmax≧1200mVの確保ができ
ている。
トゲート20下のポテンシャル変動及び電源電圧VRDの
変動に対して、外部回路による調整を必要とすることな
く、リセットパルスΦRの3.3V駆動化を実現するこ
とが可能になる。
DA型の電荷検出部のリセットゲート下のポテンシャル
が変動する場合であっても、常に最適な状態でリセット
動作を行うことが可能となるので、従来、リセットゲー
ト振幅を大きく取ることで確保していたプロセスのバラ
ツキや電源電圧のバラツキのマージンを必要としない。
ド動作、リセットパルスの低電圧化及びオフセット電圧
の無調整化を同時に達成できるので、システムの部品点
数の削減や低消費電力化を図ることが可能になる。
よれば、FDA型の電荷検出部のリセットゲートのリセ
ットゲート電圧を制御する構成をとるため、上記効果に
加えて、アンプの動作点が変動することもない、といっ
た効果も奏することができる。
図。
圧とΦmax(VG=0V)との関係を示すグラフ。
作特性の一例を示すグラフ。
図。
生電圧とΦmax(VG=0V)との関係を示すグラフ。
作特性の一例を示すグラフ。
を示す図。
断面図。
ミングを示す波形図。
ャル図。
表的なVG−Φmax特性を示すグラフ。
テンシャルのバラツキ、電源電圧のバラツキを含む場合
のVG−Φmax特性を示すグラフ。
図。
Claims (2)
- 【請求項1】 フローティング・ディフュージョン・ア
ンプリファイア型の電荷検出部を有し、該電荷検出部の
リセットゲートと同一のポテンシャルプロファイルをも
つ検知トランジスタを含む制御回路を素子内部に設け、
該リセットゲート下のポテンシャル変動にもかかわら
ず、常時、最適状態でリセット動作を行うことができる
ように制御可能になった電荷転送素子であって、 該制御回路は、該検知トランジスタ及びロード側のトラ
ンジスタからなるソース・フォロワー回路によって構成
され、該ソース・フォロワー回路の出力を該電荷検出部
のリセットドレインに接続し、該検知トランジスタ及び
該ロード側のトランジスタに、該ソース・フォロワー回
路のドレインと共通の電源から抵抗分割により発生され
たゲート電圧が共通に印加され、且つ該電荷検出部のリ
セットゲートに該電源から抵抗分割により発生された電
圧がクランプ回路を通して印加されるように構成した電
荷転送素子。 - 【請求項2】 フローティング・ディフュージョン・ア
ンプリファイア型の電荷検出部を有し、該電荷検出部の
リセットゲートと同一のポテンシャルプロファイルをも
つ検知トランジスタを含む制御回路を素子内部に設け、
該リセットゲート下のポテンシャル変動にもかかわら
ず、常時、最適状態でリセット動作を行うことができる
ように制御可能になった電荷転送素子であって、 該制御回路は、該検知トランジスタを含むソース・フォ
ロワー回路と、該ソース・フォロワー回路の出力を入力
とするインバータ回路とによって構成され、該ソース・
フォロワー回路及び該インバータ回路の電源電圧は該電
荷検出部のリセットドレインと接続され、該インバータ
回路からの出力をクランプ回路を通して該電荷検出部の
リセットゲートに印加するように構成した電荷転送素
子。
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