JP4001841B2 - Driving method of solid-state imaging device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーバフロードレイン(OFD)構造のCCD(Charge Coupled Device)を用いた固体撮像装置の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機などの画像を記録する電子機器が普及し、高解像度化に伴ってCCD撮像素子等のイメージセンサの微細化が進んでいる。
【0003】
図8は、特許文献1等に開示された従来のCCD固体撮像素子の構成を示すブロック図である。同図において、固体撮像素子10は、二次元配列された複数のフォトダイオード11と、複数の読み出しゲート部12と、複数の垂直CCD13と、水平CCD15と、出力アンプ16と、基板バイアス発生回路20と、トランジスタQ1とを有する。また、同図には、固体撮像素子の半導体基板のバイアス電圧(以下基板バイアスと呼ぶ)Vsubを変調する回路として、トランジスタQ2、抵抗R1〜R3も併せて図示してある。
【0004】
特許文献1等には、基板バイアスVsubの制御によって、フレーム読み出し時における飽和信号電荷量Qsの減少を見込んで、予めその減少分を増加させておく技術が開示されている。ここでフレーム読み出しは、露光時間経過後にメカニカルシャッター(図外)を閉状態にして、奇数ラインの信号電荷と偶数ラインの信号電荷をフィールド単位に読み出す方式をいい、1枚の静止画像を取得する場合によく用いられる。
【0005】
図8において、複数のフォトダイオード11は二次元配列され撮像エリア14を形成する。各フォトダイオード11は、入射光をその光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。各フォトダイオード11は例えばPN接合のフォトダイオードからなっている。垂直列をなすフォトダイオード11に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部12に読み出しパルスXSGが印加されることにより垂直CCD13に読み出される。
【0006】
垂直CCD13は、フォトダイオード11の垂直列毎に設けられ、各フォトダイオード11から読み出しゲート部12を介して読み出された信号電荷を水平CCD15に垂直転送する。インターライン・トランスファー(IT)方式の固体撮像素子の場合、各垂直CCD13には、例えば4相の垂直転送クロックφV1〜φV4によって転送駆動するための垂直転送ゲート電極が繰り返し配置され、フォトダイオード11から読み出された信号電荷を順に垂直方向に転送する。これにより、複数の垂直レジスタ13から水平ブランキング期間において1走査線(1ライン)分の信号電荷が水平レジスタ15に出力される。4相の垂直転送クロックΦV1〜ΦV4のうち2相目と4相目のΦV2とφV4とは、垂直転送のためのローレベルとミドルレベルの2値をとりうる。これに対して、1相目および3相目に対応する垂直転送ゲート電極は、読み出しゲート部12の読み出しゲート電極も兼用しているので、垂直転送クロックφV1とφV3とは、ローレベル、ミドルレベル及びハイレベルの3値をとりうる。この3値目のハイレベルのパルスは読み出しゲート部12に与えられる読み出しパルスXSGとなる。
【0007】
水平CCD15は、水平ブランキング期間において複数の垂直CCD13から転送された1ライン分の電荷を1水平走査期間内で順次水平転送し、出力アンプ16を介して出力する。この水平CCD15は、例えば2相の水平転送クロックφH1,φH2によって転送駆動され、複数本の垂直CCD13から移された1ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。
【0008】
出力アンプ16は、水平CCD15によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換して出力する。
【0009】
基板バイアス電圧発生回路20は、基板バイアス電圧Vsubを発生し、トランジスタQ1を介して基板17に印加する。この基板バイアスVsubは、VsubCont信号の制御の下で、トランジスタQ2がオフのときは第1のバイアス電圧に、トランジスタQ2がオンのときはより低電圧の第2のバイアス電圧に設定される。
【0010】
上記の固体撮像素子10は、半導体基板(以下基板と呼ぶ)17上に形成される。基板17には、フォトダイオード11に蓄積された信号電荷を基板17へ掃き出すための基板シャッターパルスφSUBなどの各種のタイミング信号が印加される。なお、基板シャッターパルスφSUBによる基板シャッターをはじめ、フォトダイオード11に蓄積された信号電荷を全てドレインに掃き出す機能は、は電子シャッターとも呼ばれる。上記ドレインは、横型オーバーフロドレインであってもかまわない。
【0011】
図9は、フォトダイオード11の基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。このフォトダイオード11に蓄積される信号電荷eの電荷量は、オーバーフローバリアOFBのポテンシャルバリアの高さによって決定される。すなわち、オーバーフローバリアOFBは、フォトダイオード11に蓄積される飽和信号電荷量Qsを決める。蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Qsを越えた場合に、その越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板17側へ掃き出される。このような縦型オーバーフロードレイン構造におけるオーバーフローバリアOFBのポテンシャルは、オーバーフロードレインバイアス、即ち基板バイアスVsubによって制御可能である。つまり障壁の高さを基板バイアスVsubにより制御可能である。
【0012】
図10は、基板バイアスVsubの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスVsub(図中の基板電圧)と、フォトダイオード11から垂直CCD13への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦV1、ΦV3とを示している。垂直転送クロックΦV1、ΦV3のハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスXSGである。
【0013】
モニター期間では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が読み出され、動画像として表示されている(高速動画撮像モードと呼ぶ)。
【0014】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像(静止画撮像モードと呼ぶ)が開始する。まず、基板バイアスVsubには、複数個の基板シャッターパルスΦSUB(図中の、基板シャッター電圧のパルス)が印加される。基板シャッターとは、ΦSUBによって基板バイアスVsubを高くすることにより、オーバーフローバリア(図9参照)の障壁をなくしてフォトダイオード11の全ての信号電荷を基板17に掃き出すことをいう。基板シャッターパルスの印加終了によりフォトダイオード11の信号電荷の蓄積量がゼロになる。基板シャッターパルスの印加終了からメカニカルシャッターが閉じるまでの期間は、露光期間となる。これに続いて、垂直CCD13内の信号電荷を事前に掃き出す高速掃き出し期間、第1フィールド出力期間、高速掃き出し期間、第2フィールド出力期間、無効データ出力期間が順に設けられる。第1、第2フィールドの読み出し期間のそれぞれの先頭では、ΦV1、ΦV3に重畳される読み出しパルスXSGによるフォトダイオード11から垂直CCDへの第1、第2フィールドの信号電荷の読み出しがなされる。その後、無効データ出力期間を経てモニター出力期間に戻る。
【0015】
基板バイアスVsubについては、高速動画撮像モード(モニター期間中)では第1バイアス電圧が印加される。静止画撮像モードでは、同図のように第1バイアス電圧と第2バイアス電圧とが切り換えられる(基板バイアス変調と呼ぶ)。第2バイアス電圧は第1バイアス電圧より低いので、オーバーフローバリアOFBの高さは、第2バイアス電圧の方が高くなり、飽和信号蓄積量Qsが増加する。第2バイアス電圧の期間は、同図では露光期間中から無効データ出力期間であるが、少なくとも第2フィールド出力期間を含む。第1フィールドと第2フィールドの飽和信号電荷量Qsの違い(段差)を少なくすることが可能となる。
【0016】
これにより、メカニカルシャッターの遮光時に時間の経過とともに減少する飽和信号電荷量Qsを、その減少分を見込んで増加させることができる。その結果、時間の経過とともに飽和信号電荷量Qsが減少することに起因するS/Nやダイナミックレンジ等の特性の悪化を防止している。
【0017】
【特許文献1】
特開平10−150183号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術によれば時間の経過とともに飽和信号電荷量が減少することによる特性劣化を防止するにとどまっている。近年の固体撮像装置の微細化に伴ってフォトダイオードの面積、ゲート電極等が微細化し、飽和信号電荷量の容量の増大に加え、量子効率(光電変換効率)を改善し感度を向上させることが必要とされている。
【0019】
本発明は、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させた固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置の駆動方法は、フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記ドレインに排出する基板シャッターを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記遮光手段が閉じるまでを露光期間開始時から、オーバーフローバリアの高さを規定するバイアス電圧を第1バイアス電圧から前記第1バイアス電圧よりも低電圧である第2バイアス電圧に変更して、前記露光期間のほぼ全域に渡って前記バイアス電圧を一定に保ち、前記第2バイアス電圧への立ち下げ開始時と終了時は時間差があり、前記第2バイアス電圧への立ち下げ開始時を前記露光期間の開始時とし、さらに、前記第2バイアス電圧への立ち下げ終了時を前記露光期間内とすることを特徴とする。ここで、前記バイアス電圧の変更は、前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして行ってもよい。
【0021】
ここで、前記露光期間の後に複数のフィールドからなる電荷読み出し期間を備え、先に読み出されない前記フィールドの読み出しゲート電極を水平有効期間中にローレベル電圧とするために、先に読み出される前記フィールドをミドルレベル電圧で前記電荷を読み出すようにしてもよい。前記第1バイアス電圧は、前記遮光手段を開状態にして連続的に前記フォトダイオードに光が照射されたときに前記過剰電荷を前記ドレインに排出するための前記バイアス電圧であってもよい。
【0023】
この構成によれば、露光期間のほぼ全域にわたってフォトダイオード11に蓄積される飽和電荷信号電荷量が増加し、かつ露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
<構成>
図1は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置1は、レンズ2、メカニカルシャッター3、駆動部4、信号処理部5、固体撮像素子10を備え、メカニカルシャッター3を閉状態にして複数フィールドを順に読み出すフレーム読み出し方式において、駆動部5の駆動により固体撮像素子10に印加される基板バイアス電圧を、基板シャッターパルスの印加完了の直後に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げるように構成している。ここで、第1バイアス電圧は、メカニカルシャッター3の開状態での動画撮像モードにおけるバイアス電圧である。第2バイアス電圧は、第1バイアス電圧よりも低電圧で、オーバーフローバリアを高くして飽和信号蓄積量Qsを増加させるための電圧である。
【0026】
このように、基板シャッターパルスの印加完了の直後に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げることにより、基板シャッターパルス印加直後の露光期間のほぼ全域に渡って飽和信号蓄積量Qsを増加させ、光電変換効率を改善し感度向上を図っている。
【0027】
同図において、被写体(図示せず)からの入射光は、レンズ2等の光学系およびメカニカルシャッター3を経てCCD固体撮像素子10の撮像エリアに入射する。
【0028】
メカニカルシャッター3は、CCD固体撮像素子10の撮像エリアへの入射光を制御する。なお、メカニカルシャッター3の代わりに遮光する機能を有する液晶シャッター等を有していてもよい。
【0029】
固体撮像素子10は、図8に示した固体撮像素子と同様である。図2(a)は、固体撮像素子10におけるフォトダイオードの配列と垂直CCD13の垂直転送電極の配列を示す一例である。フォトダイオードの配列は、いわゆるベイヤー配列である。垂直CCD13の垂直転送電極は、4相クロックパルスΦV1〜ΦV4に対応するΦ1〜Φ4の4種類が繰り返し配列される。このうちΦ1、Φ3は、それぞれ奇数ライン、偶数ラインのフォトダイオードから信号電荷を垂直CCDに読み出すための読み出しゲート電極を兼ねている。静止画撮像モードにおけるフレーム読み出しでは、露光期間の後に、図2(b)のような、読み出しゲート電極Φ1から読み出された奇数ラインからなる第1フィールドの読み出しと、図2(c)のような、読み出しゲート電極Φ3から読み出された偶数ラインからなる第2フィールドの読み出しとが順次になされる。
【0030】
駆動部4は、固体撮像素子10の垂直CCDの転送を制御する4相クロックパルスΦV1〜ΦV4、水平CCDの転送を制御する2層クロックパルスΦH1、ΦH2、基板バイアス電圧制御信号VsubCont、基板シャッターパルスΦsub等を生成し、固体撮像素子10に供給する。4相クロックパルスのうちΦV1、ΦV3は、ローレベル、ミドルレベル、ハイレベルの3値をとりうる信号であり、そのハイレベルパルスは読み出しゲート電極に印加される読み出しパルスXSGである。この駆動部4は、基板バイアス電圧について、静止画撮像モードにおいて基板シャッターパルス印加直後に(つまり露光期間の開始時に)に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げ、第2フィールド読み出し完了後に第1バイアス電圧に戻すように基板バイアス変調を行う。基板シャッターパルスの印加完了の直後というのは、例えば、基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは、基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして第2バイアス電圧に下げることなどにより実現できる。
【0031】
信号処理部5は、固体撮像素子10からの出力信号に対して、自動ホワイトバランス調整などの種々の信号処理を行い、撮像信号として外部に出力する。
【0032】
図3は、フォトダイオード11及び垂直CCD13周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。同図において、例えばN型の基板17の表面にP型のウェル領域31が形成されている。ウェル領域31の表面にはN型の信号電荷蓄積領域32が形成され、さらにその上にP+ 型の正孔蓄積領域33が形成され、フォトダイオード11が構成されている。
【0033】
このフォトダイオード11に蓄積される信号電荷eの電荷量は、P型のウェル領域31で構成されるオーバーフローバリアOFBのポテンシャルバリアの高さによって決定される。このオーバーフローバリアOFBは、フォトダイオード11に蓄積される飽和信号電荷量Qsを決めるものであり、蓄積電荷量がこの飽和信号電荷量Qsを越えた場合、越えた分の電荷がポテンシャルバリアを越えて基板17側へ掃き出される。
【0034】
このようにして、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造のフォトダイオード11が構成されている。
【0035】
フォトダイオード11の横方向には、P型領域31のうち読み出しゲート部12を構成する部分を介してN型の信号電荷転送領域35およびP+ 型のチャネルストッパ領域36が形成されている。信号電荷転送領域35の下には、スミア成分の混入を防止するためのP+ 型の不純物拡散領域37が形成されている。さらに、信号電荷転送領域35の上方には、例えば多結晶シリコンからなる転送電極39が配されることにより、垂直CCD13が構成されている。転送電極39は、P型領域31の上方に位置する部分が、読み出しゲート部12のゲート電極を兼ねている。
【0036】
基板17には、フォトダイオード11に蓄積される信号電荷の電荷量を決定する(即ちオーバーフローバリアOFBのポテンシャルを決める)基板バイアスVsubが印加されるようになっている。
【0037】
<動作>
図4は、基板バイアスVsub変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置10の動作タイミングを示すタイムチャートである。同図では、メカニカルシャッターの開閉状態と、基板バイアスVsub(図中の基板電圧)と、フォトダイオード11から垂直CCD13への読み出しゲート電極に印加される垂直転送クロックΦV1、ΦV3とを示している。垂直転送クロックΦV1、ΦV3に重畳されるハイレベルのパルスは、読み出しゲート電極に与えられる読み出しパルスXSGである。
【0038】
モニター出力期間(高速動画撮像モード)では、メカニカルシャッターが開状態のままビューファインダーや液晶モニターへの表示用に固体撮像素子から画像が連続的に読み出され、動画像として表示されている。
【0039】
また、ユーザのシャッター操作等により、メカニカルシャッターを併用したフレーム読み出しによる静止画像の撮像(静止画撮像モード)が開始する。この静止画撮像モードでは、まず、基板バイアスVsubに、複数個の基板シャッターパルスΦSUBが印加される。
【0040】
図5(a)に基板シャッターパルスΦSUB印加時のポテンシャル分布を示す。横軸に示したX−Yは図2に示した垂直CCD13からフォトダイオード11までの基板水平方向を、Y−Zは図2に示すフォトダイオード11の基板深さ方向を示す。縦軸はポテンシャル(電位)を示す。図5(a)に示すように基板シャッターパルス印加時には、基板バイアスVsubを高くすることにより、オーバーフローバリアの障壁をなくしてフォトダイオード11の全ての信号電荷を半導体基板に掃き出すことになる。こうして、複数の基板シャッターパルスΦSUBの印加終了時にはフォトダイオード11の全ての信号電荷の掃き出されている。
【0041】
さらに、複数の基板シャッターパルスのうち最後の基板シャッターパルスの印加完了の直後に、駆動部4は基板バイアス電圧Vsubを第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げるバイアス変調を行う。
【0042】
図5(b)は、第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。同図のように、オーバーフローバリアOFBは、第1バイアス電圧よりも第2バイアス電圧印加時の方が高くなり、飽和信号蓄積量Qsが増加する。さらに、飽和信号蓄積量Qsの増加にとどまらず、感度の向上が見られる。感度の向上は、フォトダイオードのオーバーフローバリアが基板深さ方向でより深い位置となり、光電変換により発生した信号電荷をより多くフォトダイオードに蓄積できること、すなわち光電変換効率の向上による。
【0043】
図6は、第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。実線、破線は、第1、第2バイアス電圧印加時の特性を示す。入射光の波長が長いほど感度の向上が見られる。これは、波長が長い光ほどより深くまで到達し、オーバーフローバリアの深さの影響が大きくなるためである。
【0044】
また、図4において露光期間以降の動作タイミングについては、図10と同様であるので説明を省略する。
【0045】
上記の第2バイアス電圧は、基板シャッターパルスの印加が完了した直後から第2フィールドの読み出し期間が完了するまで印加される。基板シャッターパルスの印加が完了した直後に、第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に切り換えられているのは、次の理由による。(1)露光期間のほぼ全域に渡って第2バイアス電圧を印加することにより感度が向上するからである。(2)基板シャッターパルスの印加前あるいは印加中に第1バイアス電圧から第2バイアス電圧に下げると、オーバーフローバリアOFBがより高い状態で基板シャッターパルスを印加することになってしまい、より波高値の高い基板シャッターを印加しないと信号電荷を掃き出すことができなくなるという不具合が生じるからである。
【0046】
また、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第2バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は、本実施の形態では短いほど望ましい。なぜなら、立ち下げ開始までの時間が短いほど露光時間に占める第2バイアス電圧レベルの期間が長くなり、露光感度が向上するからである。
【0047】
一般的に、高速電子シャッター時(例えば1/2000秒)において、機械的要因によりメカニカルシャッターが閉じる時刻がばらつき、露光時間すなわち露光量は10%程度ばらつくが、カメラシステムにおいて実用上許容されている。したがって、露光時間の誤差として許容される時間は露光時間の10%程度ある。よって、電子シャッターによる電荷の排出終了時から第2バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間は露光時間の10%以内とすることが望ましい。
【0048】
具体的には基板シャッターにより実現される高速電子シャッターの露光時間が500μSであれば、許容誤差を10%以内とした場合は50μS以下の時間であることが望ましい。
【0049】
以上説明してきたように本実施の形態における固体撮像装置によれば、露光期間のほぼ全域に渡って、基板バイアスVsubを第2バイアス電圧としているので、オーバーフローバリアの深さが深くなり、より多くの信号電荷をフォトダイオードに蓄積することにより光電変換の効率(量子効率)が向上する。その結果、感度を向上させることができる。感度の向上により、色のS/Nが良くなり、低照度であっても撮像時の画質が向上する。また、感度の向上は、波長の長い方つまりR(赤)から赤外線(IR)領域にかけて向上率が高いので、固体撮像装置を監視カメラや暗視カメラとして利用する場合の性能向上を図ることができる。
【0050】
なお、図8における基板バイアス電圧発生回路20、トランジスタQ1、Q2、抵抗R1〜R3、Cは、その全部又は一部を、固体撮像素子10の基板上に形成してもよいし、基板外部に設けてもよい。また、基板バイアス電圧発生回路20は、電源とグラウンド間で直列接続された抵抗による分圧値として基板バイアス電圧Vsubを発生させる構成としてもよい。
【0051】
また、上記実施の形態において、2対1のインターレース・スキャンでのインターライン・トランスファー方式によるフレーム読み出しの場合を例にとって説明したが、基板シャッターとメカニカルシャッターと併用して露光時間が決定される固体撮像素子であればよく、これに限らない。例えば、3対1等多対1のインタレース・スキャン方式の読み出しでもよいし、プログレッシブ・スキャン方式の読み出しであってもよい。
【0052】
また、縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子を例に説明したが、横型オーバーフロードレイン構造であっても同様に本願発明を適用できる。
【0053】
<変形例>
図7は、上記実施の形態における固体撮像装置の変形例における動作タイミングを示すフローチャートである。
【0054】
図7のタイムチャートは、図4と比較して、読み出しゲート電極ΦV1、ΦV3の水平有効期間における電圧レベルが異なっている。ここで、水平有効期間とは、水平CCD15において水平転送動作がなされる期間であって、垂直CCD13において垂直転送クロックパルスが変化していない期間をいう。
【0055】
図7では、第1フィールド出力期間では、ミドルレベル電圧に重畳された読み出しパルスXSGが読み出しゲート電極Φ1に印加されることにより第1フィールドを構成する信号電荷が各垂直CCD13に読み出され、この後の水平有効期間において、第1フィールドの読み出しゲート電極Φ1の電圧ΦV1はミドルレベル電圧になっているケース(以下、VM読み出しケースと呼ぶ。)を示している。これとは逆に、図4のように第1フィールド出力期間において、第1フィールドの読み出しゲート電極Φ1の電圧ΦV1がローレベル電圧というケース(以下VL読み出しケースと呼ぶ。)もあり得る。第1フィールド読み出し期間において何れのケースにするかは任意である。同様に第2フィールド読み出し期間において第2フィールドを何れのケースにするかは任意である。
【0056】
インターレース読み出しにおいては、図7のように、第1フィールドではVM読み出しケースとすることが望ましい。なぜなら、フォトダイオード11に信号電荷が読み出されずに残っている第2フィールドの読み出しゲート電極Φ3の電圧がミドルレベルの場合とローレベルの場合とでは、ローレベルの方がブルーミングが発生しにくいからである。第1フィールドがVM読み出しケースである場合は、水平有効期間における第2フィールドの読み出しゲート電極Φ3の電圧VΦ3はローレベルになる。これは、垂直転送クロックΦV1、ΦV3は4相クロック信号の1相目と3相目であり、水平走査期間において一方がローレベルのときは通常は他方がミドルレベルだからである。
【0057】
したがって、メカニカルシャッターを閉じた後に、複数のフィールドを順次読み出す場合には、図7に示したように、先に読み出されない第2フィールドの読み出しゲート電極Φ3を水平有効期間中にローレベルにするために、先に読み出される第1フィールドをVMケースで読み出すことようにしている。言い換えれば、第1フィールド期間では読み出されずにフォトダイオード11に信号電荷を保存している第2フィールドの読み出しゲート電極Φ3は、ブルーミングの発生しやすいミドルレベルではなく、ブルーミングの発生しにくいローレベルにしている。そのために、先に読み出される第1フィールドは、読み出された後の水平有効期間でブルーミングが発生しないので、第1フィールドの読み出しゲート電極Φ1は水平有効期間にミドルレベルとなるVMケースとしている。なお、2対1インターレースに限らず多対1インターレースの場合も、読み出されていないフィールドの読み出しゲート電極をローレベルにすれば、同様の効果を得ることができる。
【0058】
【発明の効果】
本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、露光期間のほぼ全域にわたってフォトダイオード11に蓄積される飽和電荷信号電荷量が増加すると共に、露光期間における光電変換効率を改善し感度を向上させることができる。特に、入射光のうち波長が長い程感度を向上させることができる。感度が向上するのは、フォトダイオードのオーバーフローバリアの深さがより深くなり、より多くの信号電荷をフォトダイオードに蓄積することにより光電変換の効率(量子効率)が向上するからである。その結果、色のS/Nが良くなり、低照度であっても撮像時の画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】(a)固体撮像素子におけるフォトダイオードの配列と垂直CCDの転送電極の配列を示す一例である。
(b)奇数ラインからなる第1フィールドの読み出しの説明図である。
(c)偶数ラインからなる第2フィールドの読み出しの説明図である。
【図3】フォトダイオード及び垂直CCD周辺の基板深さ方向の構造を示す断面図である。
【図4】基板バイアスVsub変調を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像装置の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【図5】(a)基板シャッターパルス印加時のポテンシャル分布を示す。
(b)第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時のポテンシャル分布図である。
【図6】第1バイアス電圧及び第2バイアス電圧印加時の、入射光の波長と分光感度との特性を示す。
【図7】固体撮像装置の変形例における動作タイミングを示すフローチャートである。
【図8】CCD固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図9】フォトダイオードの基板深さ方向のポテンシャル分布を示す図である。
【図10】従来技術における基板バイアスVsubの制御を伴うフレーム読み出しにおける固体撮像素子の動作タイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
1 固体撮像装置
2 レンズ
3 メカニカルシャッター
4 駆動部
5 信号処理部
10 固体撮像素子
11 フォトダイオード
12 読み出しゲート
13 垂直CCD
14 撮像エリア
15 水平CCD
16 出力アンプ
17 半導体基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving method of a solid-state imaging equipment using an over over flow drain (OFD) structure CCD (Charge Coupled Device).
[0002]
[Prior art]
In recent years, electronic devices for recording images such as digital cameras, digital video cameras, and camera-equipped mobile phones have become widespread, and miniaturization of image sensors such as CCD image pickup devices has been progressing with higher resolution.
[0003]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a conventional CCD solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 and the like. In the figure, a solid-state imaging device 10 includes a plurality of photodiodes 11 arranged two-dimensionally, a plurality of readout gate units 12, a plurality of vertical CCDs 13, a horizontal CCD 15, an output amplifier 16, and a substrate bias generation circuit 20. And a transistor Q1. In the same figure, a transistor Q2 and resistors R1 to R3 are also shown as a circuit for modulating a bias voltage (hereinafter referred to as substrate bias) Vsub of the semiconductor substrate of the solid-state imaging device.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 and the like disclose a technique for predicting a decrease in the saturation signal charge amount Qs at the time of frame reading by controlling the substrate bias Vsub and increasing the decrease in advance. Here, frame reading is a method in which the mechanical shutter (not shown) is closed after the exposure time has elapsed, and the signal charges of the odd lines and the signal charges of the even lines are read in field units, and one still image is acquired. Often used in cases.
[0005]
In FIG. 8, a plurality of photodiodes 11 are two-dimensionally arranged to form an imaging area 14. Each photodiode 11 converts incident light into a signal charge corresponding to the amount of light and accumulates it. Each photodiode 11 is composed of, for example, a PN junction photodiode. The signal charges accumulated in the photodiodes 11 forming a vertical column are read out to the vertical CCD 13 by applying a read pulse XSG to the read gate unit 12.
[0006]
The vertical CCD 13 is provided for each vertical column of the photodiodes 11, and vertically transfers the signal charges read from each photodiode 11 through the read gate unit 12 to the horizontal CCD 15. In the case of an interline transfer (IT) type solid-state imaging device, each vertical CCD 13 is repeatedly provided with vertical transfer gate electrodes for transfer driving by, for example, four-phase vertical transfer clocks φV1 to φV4. The read signal charges are sequentially transferred in the vertical direction. As a result, signal charges for one scanning line (one line) are output from the plurality of vertical registers 13 to the horizontal register 15 in the horizontal blanking period. Of the four-phase vertical transfer clocks ΦV1 to ΦV4, ΦV2 and ΦV4 of the second phase and the fourth phase can take two values of a low level and a middle level for vertical transfer. On the other hand, since the vertical transfer gate electrodes corresponding to the first phase and the third phase also serve as the read gate electrode of the read gate unit 12, the vertical transfer clocks φV1 and φV3 are low level and middle level. And three levels of high levels. This third high-level pulse becomes a read pulse XSG given to the read gate section 12.
[0007]
The horizontal CCD 15 sequentially transfers the charges for one line transferred from the plurality of vertical CCDs 13 in the horizontal blanking period in one horizontal scanning period, and outputs them through the output amplifier 16. The horizontal CCD 15 is driven to transfer by, for example, two-phase horizontal transfer clocks φH 1 and φH 2, and the signal charges for one line transferred from the plurality of vertical CCDs 13 are sequentially horizontal in the horizontal scanning period after the horizontal blanking period. Forward to.
[0008]
The output amplifier 16 sequentially converts the signal charges horizontally transferred by the horizontal CCD 15 into voltage signals and outputs them.
[0009]
The substrate bias voltage generation circuit 20 generates a substrate bias voltage Vsub and applies it to the substrate 17 via the transistor Q1. This substrate bias Vsub is set to a first bias voltage when the transistor Q2 is off and to a lower second bias voltage when the transistor Q2 is on under the control of the VsubCont signal.
[0010]
The solid-state image sensor 10 is formed on a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) 17. Various timing signals such as a substrate shutter pulse φSUB for sweeping signal charges accumulated in the photodiode 11 to the substrate 17 are applied to the substrate 17. The function of sweeping out all signal charges accumulated in the photodiode 11 to the drain, including the substrate shutter by the substrate shutter pulse φSUB, is also called an electronic shutter. The drain may be a horizontal overflow drain.
[0011]
FIG. 9 is a diagram showing the potential distribution in the substrate depth direction of the photodiode 11. The amount of signal charge e accumulated in the photodiode 11 is determined by the height of the potential barrier of the overflow barrier OFB. That is, the overflow barrier OFB determines the saturation signal charge amount Qs accumulated in the photodiode 11. When the accumulated charge amount exceeds the saturation signal charge amount Qs, the excess charge is swept out toward the substrate 17 beyond the potential barrier. The potential of the overflow barrier OFB in such a vertical overflow drain structure can be controlled by the overflow drain bias, that is, the substrate bias Vsub. That is, the height of the barrier can be controlled by the substrate bias Vsub.
[0012]
FIG. 10 is a time chart showing the operation timing of the solid-state imaging device in frame reading with control of the substrate bias Vsub. In the figure, the open / close state of the mechanical shutter, the substrate bias Vsub (substrate voltage in the drawing), and the vertical transfer clocks ΦV1 and ΦV3 applied to the read gate electrode from the photodiode 11 to the vertical CCD 13 are shown. High-level pulses of the vertical transfer clocks ΦV1 and ΦV3 are read pulses XSG given to the read gate electrodes.
[0013]
In the monitor period, an image is read from the solid-state image sensor for display on a viewfinder or a liquid crystal monitor while the mechanical shutter is open, and is displayed as a moving image (referred to as a high-speed moving image capturing mode).
[0014]
In addition, when a user performs a shutter operation or the like, still image capturing (referred to as a still image capturing mode) by frame readout using a mechanical shutter is started. First, a plurality of substrate shutter pulses ΦSUB (substrate shutter voltage pulses in the figure) are applied to the substrate bias Vsub. The substrate shutter means that all signal charges of the photodiode 11 are swept out to the substrate 17 by eliminating the barrier of the overflow barrier (see FIG. 9) by increasing the substrate bias Vsub by ΦSUB. When the application of the substrate shutter pulse is completed, the signal charge accumulation amount of the photodiode 11 becomes zero. The period from the end of the application of the substrate shutter pulse to the closing of the mechanical shutter is the exposure period. Following this, a high-speed sweep period in which signal charges in the vertical CCD 13 are swept in advance, a first field output period, a high-speed sweep period, a second field output period, and an invalid data output period are sequentially provided. At the heads of the first and second field readout periods, signal charges in the first and second fields are read from the photodiode 11 to the vertical CCD by the readout pulse XSG superimposed on ΦV1 and ΦV3. Thereafter, the period returns to the monitor output period after an invalid data output period.
[0015]
As for the substrate bias Vsub, the first bias voltage is applied in the high-speed moving image capturing mode (during the monitoring period). In the still image capturing mode, the first bias voltage and the second bias voltage are switched as shown in the figure (referred to as substrate bias modulation). Since the second bias voltage is lower than the first bias voltage, the height of the overflow barrier OFB is higher in the second bias voltage and the saturation signal accumulation amount Qs is increased. The period of the second bias voltage is an invalid data output period from the exposure period in the drawing, but includes at least the second field output period. It is possible to reduce the difference (step) in the saturation signal charge amount Qs between the first field and the second field.
[0016]
Thereby, the saturation signal charge amount Qs that decreases with the passage of time when the mechanical shutter is shielded can be increased in anticipation of the decrease. As a result, deterioration of characteristics such as S / N and dynamic range due to the decrease of the saturation signal charge amount Qs with the passage of time is prevented.
[0017]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-150183
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the prior art, the characteristic deterioration due to the decrease of the saturation signal charge amount with the passage of time is only prevented. Along with the recent miniaturization of solid-state imaging devices, the area of the photodiode, the gate electrode, etc. are miniaturized, and in addition to increasing the capacity of the saturation signal charge amount, the quantum efficiency (photoelectric conversion efficiency) can be improved and the sensitivity can be improved. is needed.
[0019]
The present invention aims to provide a driving method of a solid-state imaging equipment with improved improved sensitivity photoelectric conversion efficiency in the exposure period.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a driving method of a solid-state imaging device according to the present invention employs an overflow drain structure that discharges excess charge generated in a photodiode to the drain, and a substrate that discharges the charge accumulated in the photodiode to the drain. A solid-state imaging device driving method comprising: a solid-state imaging device having a shutter; and a light-shielding unit that controls the incidence of light on the solid-state imaging device, wherein the light-shielding unit from the end of discharge of the charge by the substrate shutter The bias voltage that defines the height of the overflow barrier is changed from the first bias voltage to the second bias voltage that is lower than the first bias voltage from the beginning of the exposure period until the exposure period is closed. Chi coercive substantially the bias voltage over the entire constant, and at the end fall start to the second bias voltage There is a time difference, and at the start of the exposure period the fall start to the second bias voltage, further characterized in that the fall at the end of the second bias voltage be within the exposure period. Here, the change of the bias voltage may be performed in synchronization with the last falling edge of the substrate shutter pulse or triggered by the last falling edge of the substrate shutter pulse.
[0021]
Here, the field read out first is provided with a charge readout period composed of a plurality of fields after the exposure period, and the readout gate electrode of the field not read out first is set to a low level voltage during the horizontal effective period. The charge may be read out with a middle level voltage. The first bias voltage may be the bias voltage for discharging the excess charge to the drain when the light is continuously irradiated with the light shielding unit opened.
[0023]
According to this configuration, it is possible to increase the saturation charge signal charge amount accumulated in the photodiode 11 over almost the entire exposure period, improve the photoelectric conversion efficiency in the exposure period, and improve the sensitivity. In particular, the sensitivity can be improved as the wavelength of incident light is longer.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 1 includes a lens 2, a mechanical shutter 3, a driving unit 4, a signal processing unit 5, and a solid-state imaging device 10, and in the frame readout method that sequentially reads a plurality of fields with the mechanical shutter 3 closed. The substrate bias voltage applied to the solid-state imaging device 10 by the driving of is reduced from the first bias voltage to the second bias voltage immediately after the completion of the application of the substrate shutter pulse. Here, the first bias voltage is a bias voltage in the moving image capturing mode when the mechanical shutter 3 is open. The second bias voltage is lower than the first bias voltage, and is a voltage for increasing the overflow barrier and increasing the saturation signal accumulation amount Qs.
[0026]
In this way, by reducing the first bias voltage to the second bias voltage immediately after the application of the substrate shutter pulse, the saturation signal accumulation amount Qs is increased over almost the entire exposure period immediately after the application of the substrate shutter pulse, The photoelectric conversion efficiency is improved to improve sensitivity.
[0027]
In the figure, incident light from a subject (not shown) enters an imaging area of a CCD solid-state imaging device 10 through an optical system such as a lens 2 and a mechanical shutter 3.
[0028]
The mechanical shutter 3 controls incident light to the imaging area of the CCD solid-state imaging device 10. Note that a liquid crystal shutter or the like having a function of shielding light may be provided instead of the mechanical shutter 3.
[0029]
The solid-state image sensor 10 is the same as the solid-state image sensor shown in FIG. FIG. 2A is an example showing the arrangement of photodiodes in the solid-state imaging device 10 and the arrangement of vertical transfer electrodes of the vertical CCD 13. The arrangement of the photodiodes is a so-called Bayer arrangement. Four types of Φ1 to Φ4 corresponding to the four-phase clock pulses ΦV1 to ΦV4 are repeatedly arranged on the vertical transfer electrode of the vertical CCD 13. Of these, Φ1 and Φ3 also serve as readout gate electrodes for reading out signal charges from the photodiodes on the odd and even lines to the vertical CCD, respectively. In frame readout in the still image capturing mode, after the exposure period, readout of the first field composed of odd lines read from the readout gate electrode Φ1 as shown in FIG. 2B, and as shown in FIG. 2C. The second field consisting of even lines read from the read gate electrode Φ3 is sequentially read.
[0030]
The driving unit 4 includes four-phase clock pulses ΦV1 to ΦV4 that control the transfer of the vertical CCD of the solid-state imaging device 10, two-layer clock pulses ΦH1 and ΦH2 that control the transfer of the horizontal CCD, a substrate bias voltage control signal VsubCont, and a substrate shutter pulse. Φsub and the like are generated and supplied to the solid-state imaging device 10. Among the four-phase clock pulses, ΦV1 and ΦV3 are signals that can take three values of low level, middle level, and high level, and the high level pulse is a read pulse XSG applied to the read gate electrode. The drive unit 4 lowers the substrate bias voltage from the first bias voltage to the second bias voltage immediately after applying the substrate shutter pulse in the still image capturing mode (that is, at the start of the exposure period), and after the second field reading is completed, Substrate bias modulation is performed so as to return to 1 bias voltage. Immediately after the completion of the application of the substrate shutter pulse, for example, it is synchronized with the last falling edge of the substrate shutter pulse, or triggered by the last falling edge of the substrate shutter pulse, and lowered to the second bias voltage. It can be realized by.
[0031]
The signal processing unit 5 performs various signal processing such as automatic white balance adjustment on the output signal from the solid-state imaging device 10 and outputs the signal as an imaging signal to the outside.
[0032]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure in the substrate depth direction around the photodiode 11 and the vertical CCD 13. In the figure, for example, a P-type well region 31 is formed on the surface of an N-type substrate 17. An N-type signal charge storage region 32 is formed on the surface of the well region 31, and a P + -type hole storage region 33 is further formed thereon, thereby constituting the photodiode 11.
[0033]
The amount of signal charge e accumulated in the photodiode 11 is determined by the height of the potential barrier of the overflow barrier OFB formed of the P-type well region 31. The overflow barrier OFB determines the saturation signal charge amount Qs accumulated in the photodiode 11. When the accumulated charge amount exceeds the saturation signal charge amount Qs, the excess charge exceeds the potential barrier. Sweeped to the substrate 17 side.
[0034]
In this way, a photodiode 11 having a so-called vertical overflow drain structure is formed.
[0035]
In the lateral direction of the photodiode 11, an N-type signal charge transfer region 35 and a P + -type channel stopper region 36 are formed via a portion of the P-type region 31 that constitutes the readout gate portion 12. Under the signal charge transfer region 35, a P + -type impurity diffusion region 37 is formed for preventing a smear component from being mixed. Further, a transfer electrode 39 made of, for example, polycrystalline silicon is disposed above the signal charge transfer region 35, whereby the vertical CCD 13 is configured. In the transfer electrode 39, the portion located above the P-type region 31 also serves as the gate electrode of the read gate unit 12.
[0036]
A substrate bias Vsub that determines the amount of signal charge accumulated in the photodiode 11 (that is, determines the potential of the overflow barrier OFB) is applied to the substrate 17.
[0037]
<Operation>
FIG. 4 is a time chart showing the operation timing of the solid-state imaging device 10 in frame readout with substrate bias Vsub modulation. In the figure, the open / close state of the mechanical shutter, the substrate bias Vsub (substrate voltage in the drawing), and the vertical transfer clocks ΦV1 and ΦV3 applied to the read gate electrode from the photodiode 11 to the vertical CCD 13 are shown. The high level pulse superimposed on the vertical transfer clocks ΦV1 and ΦV3 is a read pulse XSG applied to the read gate electrode.
[0038]
In the monitor output period (high-speed moving image capturing mode), images are continuously read from the solid-state image sensor and displayed as moving images for display on a viewfinder or a liquid crystal monitor while the mechanical shutter is open.
[0039]
In addition, when a user performs a shutter operation or the like, still image capturing (still image capturing mode) is started by frame readout using a mechanical shutter together. In this still image capturing mode, first, a plurality of substrate shutter pulses ΦSUB are applied to the substrate bias Vsub.
[0040]
FIG. 5A shows the potential distribution when the substrate shutter pulse ΦSUB is applied. XY on the horizontal axis indicates the horizontal direction of the substrate from the vertical CCD 13 to the photodiode 11 shown in FIG. 2, and YZ indicates the substrate depth direction of the photodiode 11 shown in FIG. The vertical axis represents potential. As shown in FIG. 5A, when the substrate shutter pulse is applied, by raising the substrate bias Vsub, the overflow barrier is eliminated and all the signal charges of the photodiode 11 are swept out to the semiconductor substrate. Thus, at the end of application of the plurality of substrate shutter pulses ΦSUB, all signal charges of the photodiode 11 are swept out.
[0041]
Further, immediately after the application of the last substrate shutter pulse among the plurality of substrate shutter pulses is completed, the drive unit 4 performs bias modulation to lower the substrate bias voltage Vsub from the first bias voltage to the second bias voltage.
[0042]
FIG. 5B is a potential distribution diagram when the first bias voltage and the second bias voltage are applied. As shown in the figure, the overflow barrier OFB becomes higher when the second bias voltage is applied than the first bias voltage, and the saturation signal accumulation amount Qs increases. Furthermore, not only the saturation signal accumulation amount Qs is increased, but also the sensitivity is improved. The improvement in sensitivity is due to the fact that the overflow barrier of the photodiode is positioned deeper in the substrate depth direction, so that more signal charges generated by photoelectric conversion can be accumulated in the photodiode, that is, the photoelectric conversion efficiency is improved.
[0043]
FIG. 6 shows the characteristics of the wavelength of incident light and the spectral sensitivity when the first bias voltage and the second bias voltage are applied. A solid line and a broken line indicate characteristics when the first and second bias voltages are applied. The sensitivity is improved as the wavelength of incident light is longer. This is because light having a longer wavelength reaches deeper and the influence of the depth of the overflow barrier becomes larger.
[0044]
In FIG. 4, the operation timing after the exposure period is the same as that in FIG.
[0045]
The second bias voltage is applied immediately after the application of the substrate shutter pulse is completed until the second field readout period is completed. The reason why the first bias voltage is switched to the second bias voltage immediately after the application of the substrate shutter pulse is completed is as follows. (1) This is because the sensitivity is improved by applying the second bias voltage over almost the entire exposure period. (2) If the first bias voltage is lowered from the first bias voltage to the second bias voltage before or during the application of the substrate shutter pulse, the substrate shutter pulse is applied in a state where the overflow barrier OFB is higher. This is because a signal charge cannot be swept out unless a high substrate shutter is applied.
[0046]
In addition, the shorter the time from the end of charge discharge by the electronic shutter to the start of the fall to the second bias voltage, the better in this embodiment. This is because the shorter the time until the start of the fall, the longer the period of the second bias voltage level that occupies the exposure time, and the higher the exposure sensitivity.
[0047]
Generally, at the time of high-speed electronic shutter (for example, 1/2000 second), the mechanical shutter closing time varies due to mechanical factors, and the exposure time, that is, the exposure amount varies by about 10%, but is practically acceptable in a camera system. . Therefore, the time allowed for the exposure time error is about 10% of the exposure time. Therefore, it is desirable that the time from the end of the charge discharge by the electronic shutter to the start of the fall to the second bias voltage be within 10% of the exposure time.
[0048]
Specifically, if the exposure time of the high-speed electronic shutter realized by the substrate shutter is 500 μS, it is desirable that the time is 50 μS or less when the allowable error is within 10%.
[0049]
As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, since the substrate bias Vsub is set to the second bias voltage over almost the entire exposure period, the depth of the overflow barrier becomes deeper and more Is accumulated in the photodiode, the photoelectric conversion efficiency (quantum efficiency) is improved. As a result, the sensitivity can be improved. By improving the sensitivity, the S / N of the color is improved, and the image quality at the time of imaging is improved even at low illumination. Further, since the improvement in sensitivity is high in the longer wavelength, that is, from R (red) to infrared (IR) region, it is possible to improve the performance when the solid-state imaging device is used as a surveillance camera or a night vision camera. it can.
[0050]
Note that the substrate bias voltage generation circuit 20, the transistors Q1 and Q2, and the resistors R1 to R3 and C in FIG. 8 may be formed entirely or partially on the substrate of the solid-state imaging device 10 or outside the substrate. It may be provided. Further, the substrate bias voltage generation circuit 20 may be configured to generate the substrate bias voltage Vsub as a divided value by a resistor connected in series between the power source and the ground.
[0051]
Further, in the above embodiment, the case of frame reading by the interline transfer method in the 2-to-1 interlace scan has been described as an example. However, the solid state in which the exposure time is determined in combination with the substrate shutter and the mechanical shutter. Any image sensor may be used, and the present invention is not limited thereto. For example, it may be a reading of 3 to 1, such as a many-to-one interns race-scan method, it may be a reading of the progressive scan method.
[0052]
Further, the solid-state imaging device having the vertical overflow drain structure has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to a horizontal overflow drain structure.
[0053]
<Modification>
FIG. 7 is a flowchart showing the operation timing in the modification of the solid-state imaging device in the above embodiment.
[0054]
The time chart of FIG. 7 differs from FIG. 4 in the voltage levels in the horizontal effective period of the read gate electrodes ΦV1 and ΦV3. Here, the horizontal effective period is a period in which the horizontal transfer operation is performed in the horizontal CCD 15 and the vertical transfer clock pulse is not changed in the vertical CCD 13.
[0055]
In FIG. 7, in the first field output period, the readout pulse XSG superimposed on the middle level voltage is applied to the readout gate electrode Φ 1, whereby the signal charges constituting the first field are read out to each vertical CCD 13. In the subsequent horizontal effective period, the voltage ΦV1 of the read gate electrode Φ1 in the first field is a middle level voltage (hereinafter referred to as a VM read case). On the contrary, as shown in FIG. 4, there may be a case where the voltage ΦV1 of the read gate electrode Φ1 in the first field is a low level voltage (hereinafter referred to as a VL read case) in the first field output period. Which case is used in the first field readout period is arbitrary. Similarly, in which case the second field is set in the second field readout period is arbitrary.
[0056]
In interlaced reading, it is desirable to use the VM reading case in the first field as shown in FIG. This is because the blooming is less likely to occur in the low level when the voltage of the readout gate electrode Φ3 in the second field where the signal charge is not read out from the photodiode 11 is the middle level and the low level. is there. When the first field is VM readout case, voltage V .phi.3 readout gate electrode .phi.3 of the second field in the horizontal effective period becomes a low level. This is because the vertical transfer clocks ΦV1 and ΦV3 are the first and third phases of the four-phase clock signal, and when one is at a low level during the horizontal scanning period, the other is usually at a middle level.
[0057]
Therefore, when a plurality of fields are sequentially read after the mechanical shutter is closed, as shown in FIG. 7, the read gate electrode Φ3 of the second field that is not read first is set to the low level during the horizontal effective period. Therefore, the first field that is read first is read in the VM case. In other words, the readout gate electrode Φ3 in the second field that stores the signal charge in the photodiode 11 without being read out in the first field period is not at the middle level where blooming is likely to occur, but at the low level where blooming is unlikely to occur. ing. For this reason, since the first field read out first does not generate blooming in the horizontal effective period after reading out, the VM gate in which the read gate electrode Φ1 of the first field becomes the middle level in the horizontal effective period is used. In the case of many-to-one interlace as well as two-to-one interlace, the same effect can be obtained by setting the read gate electrode of a field that is not read out to a low level.
[0058]
【The invention's effect】
According to the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the saturation charge signal charge amount accumulated in the photodiode 11 is increased almost throughout the exposure period, and the photoelectric conversion efficiency in the exposure period is improved and the sensitivity is improved. Can do. In particular, the sensitivity can be improved as the wavelength of incident light is longer. The sensitivity is improved because the depth of the overflow barrier of the photodiode becomes deeper, and more signal charges are accumulated in the photodiode, thereby improving the efficiency (quantum efficiency) of photoelectric conversion. As a result, the S / N of the color is improved, and the image quality at the time of imaging can be improved even at low illuminance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment.
FIG. 2A is an example showing the arrangement of photodiodes in a solid-state imaging device and the arrangement of transfer electrodes of a vertical CCD.
(B) It is explanatory drawing of the read-out of the 1st field which consists of odd lines.
(C) It is explanatory drawing of the reading of the 2nd field consisting of an even number line.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure in a substrate depth direction around a photodiode and a vertical CCD.
FIG. 4 is a time chart showing the operation timing of the solid-state imaging device in frame readout with substrate bias Vsub modulation.
FIG. 5A shows a potential distribution when a substrate shutter pulse is applied.
FIG. 6B is a potential distribution diagram when a first bias voltage and a second bias voltage are applied.
FIG. 6 shows the characteristics of the wavelength of incident light and the spectral sensitivity when a first bias voltage and a second bias voltage are applied.
FIG. 7 is a flowchart illustrating operation timing in a modification of the solid-state imaging device.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a CCD solid-state imaging device.
FIG. 9 is a diagram showing a potential distribution in the substrate depth direction of a photodiode.
FIG. 10 is a time chart showing the operation timing of the solid-state imaging device in frame readout with control of the substrate bias Vsub in the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid-state imaging device 2 Lens 3 Mechanical shutter 4 Drive part 5 Signal processing part 10 Solid-state image sensor 11 Photodiode 12 Read-out gate 13 Vertical CCD
14 Imaging area 15 Horizontal CCD
16 Output amplifier 17 Semiconductor substrate

Claims (5)

フォトダイオードで発生した過剰電荷をドレインに排出するオーバーフロードレイン構造を採り、前記フォトダイオードに蓄積された電荷を前記ドレインに排出する基板シャッターを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子への光の入射を制御する遮光手段とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記遮光手段が閉じるまでを露光期間とし、基板シャッターパルスの印加終了直後である前記露光期間の開始時から、オーバーフローバリアの高さを規定するバイアス電圧を第1バイアス電圧から前記第1バイアス電圧よりも低電圧である第2バイアス電圧に変更して、前記露光期間のほぼ全域に渡って前記バイアス電圧を一定に保ち、
前記第2バイアス電圧への立ち下げ開始時と終了時は時間差があり、前記第2バイアス電圧への立ち下げ開始時を前記露光期間の開始時とし、さらに、前記第2バイアス電圧への立ち下げ終了時を前記露光期間内とする
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
A solid-state imaging device having an overflow drain structure that discharges excess charge generated in the photodiode to the drain, and a substrate shutter that discharges the charge accumulated in the photodiode to the drain; and incidence of light on the solid-state imaging device A method of driving a solid-state imaging device comprising a light-shielding means for controlling
A bias voltage that defines the height of the overflow barrier from the start of the exposure period immediately after the end of application of the substrate shutter pulse is defined as an exposure period from the end of discharge of the electric charge by the substrate shutter to the closing of the light shielding means. change to the second bias voltage is a voltage lower than the first bias voltage from the first bias voltage, Chi coercive the bias voltage constant over substantially the entire area of the exposure period,
There is a time difference between the start and end of the fall to the second bias voltage, the start of the fall to the second bias voltage is set as the start of the exposure period, and the fall to the second bias voltage is further performed. A method for driving a solid-state imaging device, characterized in that the end time is within the exposure period .
前記バイアス電圧の変更は、前記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジに同期して、あるいは記基板シャッターパルスの最後の立下りエッジをトリガーにして行う
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置の駆動方法。
The changing of the bias voltage, the substrate shutter pulse for the last synchronization with the falling edge, or claim 1 wherein the solid and performing by the last falling edge of the previous SL substrate shutter pulse triggers Driving method of imaging apparatus.
前記露光期間の後に複数のフィールドからなる電荷読み出し期間を備え、先に読み出されない前記フィールドの読み出しゲート電極を水平有効期間中にローレベル電圧とするために、先に読み出される前記フィールドをミドルレベル電圧で前記電荷を読み出す
ことを特徴する請求項1あるいは2に記載の固体撮像装置の駆動方法。
A charge readout period consisting of a plurality of fields is provided after the exposure period, and in order to set the readout gate electrode of the field that has not been read out first to a low level voltage during the horizontal effective period, the field read out first is set to the middle level The method of driving a solid-state imaging device according to claim 1, wherein the electric charge is read out with a voltage.
前記第1バイアス電圧は、前記遮光手段を開状態にして連続的に前記フォトダイオードに光が照射されたときに前記過剰電荷を前記ドレインに排出するための前記バイアス電圧である
ことを特徴とする請求項1あるいは2に記載の固体撮像装置の駆動方法。
The first bias voltage is the bias voltage for discharging the excess charge to the drain when the photodiode is continuously irradiated with light with the light shielding means opened. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 1.
前記基板シャッターによる前記電荷の排出終了時から前記第2バイアス電圧への立ち下げ開始時までの時間が、前記露光時間の誤差として許容される時間内になるように前記バイアス電圧を変更し、
前記誤差として許容される時間は、前記露光時間の10%以内である
ことを特徴とする請求項1あるいは2に記載の固体撮像装置の駆動方法。
Changing the bias voltage so that the time from the end of discharge of the charge by the substrate shutter to the start of the fall to the second bias voltage is within a time allowed as an error in the exposure time,
The method of driving a solid-state imaging device according to claim 1, wherein a time allowed as the error is within 10% of the exposure time.
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