JP4373817B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数の画素が配列された画素列を有する固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

図６は、従来の固体撮像装置の概略的な構成を示す平面図である。複数の画素が１列に配列された画素列１に平行して第１、第２の電荷転送部２、３が配置されている。第１、第２の電荷転送部２、３では、それぞれ異なるクロック信号ＣＫ１、ＣＫ２により駆動制御され、互いに隣接して設けられたそれぞれ２個の電極からなる転送電極４が配列されており、終段の転送電極４に隣接して最終段電極５が配置されている。上記両最終段電極５に隣接するように、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷を検出して電圧信号に変換する電荷検出部６が設けられている。

このような構成において、画素列１における奇数番目の各画素で生成された信号電荷は、いったん第１の電荷転送部２に転送された後、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２に同期して第１の電荷転送部２で順次転送され、最終段電極５を介して電荷検出部６に送られ、電圧信号に変換される。同様に、画素列１における偶数番目の各画素で生成された信号電荷は、いったん第２の電荷転送部３に転送された後、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２に同期して第２の電荷転送部３で順次転送され、最終段電極５を介して電荷検出部６に送られ、電圧信号に変換される。

ここで、第１の電荷転送部２の最終段電極５は、クロック信号ＣＫ１とは逆位相のクロック信号ＣＫ１Ｂにより駆動制御され、第２の電荷転送部３の最終段電極５は、クロック信号ＣＫ２とは逆位相のクロック信号ＣＫ２Ｂにより駆動制御される。

図７及び図８は、図６に示す従来の固体撮像装置を、高解像度で読み出し信号が得られるように駆動する場合（高解像度時）と、低解像度で読み出し信号が得られるように駆動する場合（低解像度時）の２通りのタイミングチャートを示している。

高解像度時では、図７に示すように、第１、第２の電荷転送部２、３の各最終段電極５に印加されるクロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがそれぞれローレベルの時に、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷が電荷検出部６に蓄積され、電圧信号に変換される。また、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがハイレベルの時は、最終段電極５がオフとなり、信号電荷が電荷検出部６に流入しなくなる。この期間に、リセット信号ＲＳがハイレベルにされ、予め電荷検出部６に流入した信号電荷をリセット（排出）するリセット動作が行われる。

低解像度時では、図８に示すように、高解像度時の場合と同様に、第１、第２の電荷転送部２、３の各最終段電極５に印加されるクロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがそれぞれローレベルの時に、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷が電荷検出部６に蓄積される。この場合、例えばクロック信号ＣＫ２Ｂがハイレベルの時のリセット動作を省略することで、Ｔ２の期間に、奇数番目の画素とこれに隣接した偶数番目の画素との両画素の信号電荷が電荷検出部６で加算される。つまり、低解像度時には、隣接する２つの画素で生成された信号電荷が加算され、電圧信号に変換されて出力される。

上記従来の駆動方法では、第１、第２の電荷転送部２、３の最終段電極５を交互にオン状態にして、信号電荷を交互に電荷検出部６に転送するようにしているので、低解像度時において、信号電荷が加算される期間Ｔ２が短くなる。すなわち、この期間Ｔ２内で信号出力をサンプリングする必要があるので、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２の周波数を高くして高速動作させるには不向きであるという問題がある。

なお、特許文献１には、複数のセンサ列を有し、異なるセンサ列における各々のセンサで取り込んだ電荷を加算して出力する構成を有することで、複数のセンサ列の各々のセンサで取り込まれた電荷を有効に利用し、信号量を増加させることができる固体撮像装置の駆動方法が開示されている。
特開２００１−１５７１１９号公報

この発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、低解像度時における信号出力のサンプリング期間を十分に確保することができ、もって高速動作させることができる固体撮像装置及びその駆動方法を提供することにある。

この発明の固体撮像装置は、それぞれ信号電荷を生成する複数の画素が１列に配列された画素列と、複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち奇数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち偶数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第２の電荷転送部と、前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を検出する１つの電荷検出部と、前記第１及び第２の電荷転送部において前記複数の転送電極の終段の転送電極に隣接してそれぞれ設けられ、前記電荷検出部への信号電荷の流入を制御する最終段電極とを具備し、前記各転送電極は、第１電極とこの第１電極に隣接して設けられた第２電極とからなり、前記画素列の奇数番目の最初の画素である第１画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第１の電荷転送部に設けられた転送電極の段数と、前記画素列の偶数番目の最初の画素である第２画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第２の電荷転送部に設けられた転送電極の段数とが等しく、かつ前記最終段電極の直前の各々の前記転送電極は同一の駆動パルス信号が印加される電極を有することを特徴とする。

この発明の固体撮像装置の駆動方法は、それぞれ信号電荷を生成する複数の画素が１列に配列された画素列と、複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち奇数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち偶数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第２の電荷転送部と、前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を検出する１つの電荷検出部と、前記第１及び第２の電荷転送部において前記複数の転送電極の終段の転送電極に隣接してそれぞれ設けられ、前記電荷検出部への信号電荷の流入を制御する最終段電極とを具備し、前記各転送電極は、第１電極とこの第１電極に隣接して設けられた第２電極とからなり、前記画素列の奇数番目の最初の画素である第１画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第１の電荷転送部に設けられた転送電極の段数と、前記画素列の偶数番目の最初の画素である第２画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第２の電荷転送部に設けられた転送電極の段数とが等しく、かつ前記最終段電極の直前の各々の前記転送電極は同一の駆動パルス信号が印加される電極を有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１及び第２の電荷転送部の前記最終段電極を独立に駆動制御することを特徴とする。

この発明の固体撮像装置及びその駆動方法によれば、低解像度時における信号出力のサンプリング期間を十分に確保することができ、もって高速動作が実現できる。

以下、図面を参照してこの発明を実施の形態により説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る固体撮像装置の概略的な構成を示す平面図である。複数の画素が１列に配列されて画素列１が構成されている。この画素列１に平行して第１、第２の電荷転送部２、３が配置されている。第１、第２の電荷転送部２、３では、それぞれ異なるクロック信号（駆動パルス信号）ＣＫ１、ＣＫ２により駆動制御される転送電極４が配列されている。また、終段の転送電極４に隣接して最終段電極５が配置されている。さらに、上記両最終段電極５に隣接するように、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷を蓄積し、検出して電圧信号に変換する電荷検出部６が設けられている。

また、画素列１の奇数番目の最初の画素である第１画素Ｓ１で生成される信号電荷を最終段電極５まで転送する第１の電荷転送部２に設けられた転送電極４の段数は例えば５段であり、画素列１の偶数番目の最初の画素である第２画素Ｓ２で生成される信号電荷を最終段電極５まで転送する第２の電荷転送部３に設けられた転送電極４の段数も５段にされている。つまり、画素列１の奇数番目の最初の画素である第１画素Ｓ１で生成される信号電荷を最終段電極５まで転送する第１の電荷転送部２に設けられた転送電極４の段数と、画素列１の偶数番目の最初の画素である第２画素Ｓ２で生成される信号電荷を最終段電極５まで転送する第２の電荷転送部３に設けられた転送電極４の段数とが等しくされている。

また、第１、第２の電荷転送部２、３の最終段電極５が独立に駆動制御できるように、両最終段電極５には例えば異なる配線が接続されている。

上記各転送電極４は、それぞれ第１電極４ａと、これに隣接して設けられた第２電極４ｂとからなり、各第１電極４ａは２相のクロック信号ＣＫ１、ＣＫ２のうちの一方のクロック信号ＣＫ１で駆動されるように例えば共通の配線で結線されており、各第２電極４ｂは他方のクロック信号ＣＫ２で駆動されるように例えば共通の配線で結線されている。

また、第１、第２の電荷転送部２、３に設けられた複数の転送電極４のうち、最終段電極５の直前の転送電極４は同一のクロック信号ＣＫ２が印加される転送電極４ｂを有する。

図２は、図１の固体撮像装置の電荷検出部６付近の詳細な構成を示す平面図である。電荷検出部６は、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷を蓄積するフローティング拡散層７と、所定の電圧のノード、例えば電源電圧Ｖｄｄのノードに接続され、フローティング拡散層７に蓄積された電荷を排出するドレイン拡散層８と、フローティング拡散層７とドレイン拡散層８との間に設けられ、リセット信号ＲＳが印加されることでオン状態に制御されるリセットゲート電極９と、フローティング拡散層７に接続され、フローティング拡散層７に蓄積された信号電荷を電圧信号に変換する増幅回路などからなる変換回路１０とを有する。そして、フローティング拡散層７に隣接して、第１、第２の電荷転送部２、３の終段の最終段電極５が配置されている。

このような構成の固体撮像装置の基本的な動作は以下の通りである。すなわち、画素列１における奇数番目の各画素で生成された信号電荷は、いったん第１の電荷転送部２に転送された後、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２に同期して第１の電荷転送部２で順次転送され、最終段電極５を介して電荷検出部６に送られ、電圧信号に変換される。同様に、画素列１における偶数番目の各画素で生成された信号電荷は、いったん第２の電荷転送部３に転送された後、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２に同期して第２の電荷転送部３で順次転送され、最終段電極５を介して電荷検出部６に送られ、電圧信号に変換される。

この実施の形態における固体撮像装置も、従来のものと同様に、高解像度で読み出し信号が得られるように駆動する場合（高解像度時）と、低解像度で読み出し信号が得られるように駆動する場合（低解像度時）の２通りの駆動方法で駆動される。

図３は、高解像度時の動作の一例を示すタイミングチャートである。高解像度で駆動する場合、第１の電荷転送部２の最終段電極５にはクロック信号ＣＫ１Ｂが印加され、第２の電荷転送部３の最終段電極５にはクロック信号ＣＫ２Ｂが印加される。上記両クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂは互いに位相が異なる。具体的には、図３に示すように、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂは共にクロック信号ＣＫ１、ＣＫ２と同じ周期を持ち、かつクロック信号ＣＫ１Ｂはハイレベルの期間が１周期の３／４の期間を占める信号（3/4 duty）であり、クロック信号ＣＫ２Ｂはハイレベルの期間が１周期の１／４の期間を占める信号（1/4 duty）である。

高解像度時に、第１、第２の電荷転送部２、３の各最終段電極５に印加されるクロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがそれぞれローレベルの時に、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷が電荷検出部６のフローティング拡散層７に蓄積され、変換回路１０で電圧信号に変換される。また、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがハイレベルの時は、最終段電極５がオフとなり、信号電荷が電荷検出部６のフローティング拡散層７に流入しなくなる。この期間に、リセット信号ＲＳがハイレベルにされ、電荷検出部６のリセットゲート電極９がオンし、予めフローティング拡散層７に蓄積されていた信号電荷がドレイン拡散層８に排出されることで、リセット動作が行われる。

すなわち、高解像度時では、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された奇数番目及び偶数番目の画素の信号電荷が交互に電荷検出部６に送られ、ここで電圧信号に変換されて出力される。

図４は、低解像度時の動作の一例を示すタイミングチャートである。低解像度で駆動する場合、第１、第２の電荷転送部２、３の最終段電極５には同じクロック信号ＣＫ１Ｂ（あるいはＣＫ２Ｂ）が印加される。すなわち、第１、第２の電荷転送部２、３の最終段電極５には同じ位相を持つクロック信号が印加される。具体的には、クロック信号ＣＫ１ＢまたはＣＫ２Ｂは、図３に示すように、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２と同じ周期を持ち、かつクロック信号ＣＫ１、ＣＫ２と同様にハイレベルの期間が１周期の１／２の期間を占めるデューティー（duty）が１／２の信号である。

低解像度時では、高解像度時の場合と同様に、第１、第２の電荷転送部２、３の各最終段電極５に印加されるクロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂがそれぞれローレベルの時に、第１、第２の電荷転送部２、３で転送された信号電荷が電荷検出部６のフローティング拡散層７に蓄積される。この場合、クロック信号ＣＫ１Ｂ（またはＣＫ２Ｂ）がローレベルの時のリセット動作を省略することで、Ｔ２´の期間に、奇数番目の画素とこれに隣接した偶数番目の画素との両画素の信号電荷が電荷検出部６で加算される。つまり、低解像度時には、隣接する２つの画素で生成された信号電荷が加算され、電圧信号に変換されて出力される。

ここで、図４に示すように、クロック信号ＣＫ１Ｂ（ＣＫ２Ｂ）がハイレベルに立ち上がった直後に、フローティング拡散層７の電荷のリセット動作を行うことにより、２つの画素の信号電荷が加算されるＴ２´の期間は、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂの１周期の半分の期間となる。

電荷検出部６で変換された電圧信号を外部装置で読み取る場合、リセット信号ＲＳがハイレベルからローレベルに低下した後の図４中のＴ１´の期間の信号出力をサンプリングして信号の基準として用い、この後、信号電荷が蓄積される図４中のＴ２´の期間の信号出力をサンプリングすることで行われる。

ここで、図８に示す従来方法の場合、リセット信号ＲＳがハイレベルからローレベルに低下した後の信号基準期間Ｔ１は、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂの１周期の１／４の期間よりも短く、かつ２つの画素の信号電荷が加算されるＴ２の期間は、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂの１周期の１／４の期間である。これに対し、図４に示される本実施の形態の場合、信号基準期間Ｔ１´及び信号電荷加算期間Ｔ２´共、Ｔ１及びＴ２よりも長くなる。具体的には、信号基準期間Ｔ１´は、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂの１周期の１／２の期間からリセット信号ＲＳのハイレベルの期間を差し引いた期間であり、信号電荷加算期間Ｔ２´は、クロック信号ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂの１周期の１／２の期間である。つまり、本実施の形態の場合、信号基準期間及び信号電荷加算期間共に、従来の２倍の期間を確保することができる。すなわち、信号出力のサンプリング期間が従来の２倍確保できる。このため、電荷検出部６で変換された電圧信号を読み取る外部装置として、安価な低速動作のものでも十分に対応することができ、システム全体の価格の低減化を図ることができる。

また、低解像度時に、従来と同じサンプリング期間で良いならば、図５のタイミングに示すように、クロック信号ＣＫ１、ＣＫ２（ＣＫ１Ｂ、ＣＫ２Ｂ）の周波数を２倍にすることができるので、高速動作が実現できる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能であることはいうまでもない。例えば上記実施の形態では画素列が１つのみ設けられる場合について説明したが、これはＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）及びＢ／Ｗ（白黒）用の４列の画素列が設けられたカラー用固体撮像装置にも実施できる。

この発明の一実施の形態に係る固体撮像装置の概略的な構成を示す平面図。 図１の固体撮像装置の電荷検出部付近の詳細な構成を示す平面図。 図１の固体撮像装置の高解像度時の動作の一例を示すタイミングチャート。 図１の固体撮像装置の低解像度時の第１の動作を示すタイミングチャート。 図１の固体撮像装置の低解像度時の第２の動作を示すタイミングチャート。 従来の固体撮像装置の概略的な構成を示す平面図。 図６の固体撮像装置の高解像度時の動作を示すタイミングチャート。 図６の固体撮像装置の低解像度時の動作を示すタイミングチャート。

符号の説明

１…画素列、２…第１の電荷転送部、３…第２の電荷転送部、４…転送電極、５…最終段電極、６…電荷検出部、７…フローティング拡散層、８…ドレイン拡散層、９…リセットゲート電極、１０…変換回路。

Claims (3)

1. それぞれ信号電荷を生成する複数の画素が１列に配列された画素列と、
   複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち奇数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、
   複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち偶数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第２の電荷転送部と、
   前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を検出する１つの電荷検出部と、
   前記第１及び第２の電荷転送部において前記複数の転送電極の終段の転送電極に隣接してそれぞれ設けられ、前記電荷検出部への信号電荷の流入を制御する最終段電極とを具備し、
   前記各転送電極は、第１電極とこの第１電極に隣接して設けられた第２電極とからなり、
   前記画素列の奇数番目の最初の画素である第１画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第１の電荷転送部に設けられた転送電極の段数と、前記画素列の偶数番目の最初の画素である第２画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第２の電荷転送部に設けられた転送電極の段数とが等しく、かつ前記最終段電極の直前の各々の前記転送電極は同一の駆動パルス信号が印加される電極を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. それぞれ信号電荷を生成する複数の画素が１列に配列された画素列と、
   複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち奇数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第１の電荷転送部と、
   複数の転送電極が設けられ、前記複数の画素のうち偶数番目の各画素で生成される信号電荷を転送する第２の電荷転送部と、
   前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を検出する１つの電荷検出部と、
   前記第１及び第２の電荷転送部において前記複数の転送電極の終段の転送電極に隣接してそれぞれ設けられ、前記電荷検出部への信号電荷の流入を制御する最終段電極とを具備し、
   前記各転送電極は、第１電極とこの第１電極に隣接して設けられた第２電極とからなり、
   前記画素列の奇数番目の最初の画素である第１画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第１の電荷転送部に設けられた転送電極の段数と、前記画素列の偶数番目の最初の画素である第２画素で生成される信号電荷を最終段電極まで転送する第２の電荷転送部に設けられた転送電極の段数とが等しく、かつ前記最終段電極の直前の各々の前記転送電極は同一の駆動パルス信号が印加される電極を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記第１及び第２の電荷転送部の前記最終段電極を独立に駆動制御することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
3. 第１の動作期間では、前記第１及び第２の電荷転送部の前記最終段電極に印加する制御信号の位相を異ならせて、前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を交互に前記電荷検出部に流入させ、
   第２の動作期間では、前記第１及び第２の電荷転送部の前記最終段電極に印加する制御信号の位相を同位相にして、前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を前記電荷検出部に同時に流入させることで、前記第１及び第２の電荷転送部で転送される信号電荷を前記電荷検出部で加算させることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置の駆動方法。

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