JPH02192372A - 電荷結合型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、画素に相当する多数の光電変換素子に発生す
る信号電荷を重電荷転送路を介して読み出す電荷結合型
固体撮像装置に関し、特に、水平走査方向に並ぶ一列ず
つの光電変換素子群の信号電荷を一水平走査期間毎に読
み出す電荷結合型固体撮像装置に関する。

〔従来の技術］ 従来、インターライン転送方式の電荷結合型固体撮像装
置が知られている。まず、この電荷結合型面体撮像装置
の基本的な構造を第４図に基づいて説明すると、同図に
おいて、Ｄｌｌ−Ｄ４．は画素に相当するフォト・ダイ
オードであり、水平走査方向と垂直走査方向に沿ってマ
トリックス状に整然と配列されている。垂直走査方向に
配列するフォト・ダイオードに沿って垂直電荷転送路２
１〜２、が形成され、夫々の垂直電荷転送路で、〜ｔ、
の終端側の転送ビクセルに水平電荷転送路Ｈが接続して
いる。垂直電荷転送路！１〜１．の上面には水平走査方
向に延びる複数のゲート電極（図示せず）が垂直走査方
向に並設され、これらのゲート電極に所謂４相駆動方式
や２相駆動方弐等の駆動信号を印加することによってフ
ォト・ダイオードに発生した信号電荷を矢印にて示す出
力側へ転送し、更に１水平走査期間毎に転送されて来る
信号電荷を水平電荷転送路Ｈが矢印で示す水平走査方向
へ転送することによって順次に出力する。

このようなインターライン転送方式の電荷結合型固体撮
像装置は、例えば、垂直走査方向に並ぶＤ　Ｉ　Ｉ　＋
　　Ｄ２　！　＋　　Ｄ　３１　＋　　Ｄ　４１に発生
した夫々の信号電荷を同時に隣の垂直電荷転送路ｌｌで
転送する様にして、垂直走査方向に並ぶ複数のフォト・
ダイオードで発生した複数の信号電荷を１つの垂直電荷
転送路でもって同時に転送する。従って、転送時に複数
の信号電荷が混ざり合わない様にして転送する必要があ
り、信号電荷を転送するためのポテンシャル井戸が大き
いほど転送効率が良くしかもダイナミック・レンジを大
きくすることができる。

しかしながら、該ポテンシャル井戸を大きくするために
は垂直電荷転送路のサイズを大きくすることとなり、フ
ォト・ダイオードの開口率ひいては受光感度を低下させ
る等の問題を生じる。

このような開口率を向上するために水平走査方向に並ぶ
一列ずつの光電変換素子群の信号電荷を１水平走査期間
毎に読み出す方式の電荷結合型固体撮像装置が開発され
た。その構造は第４図に示すインターライン転送方式の
電荷結合型固体撮像装置に類似するが、信号電荷の読み
出し方式に特徴があり、電荷掃きよせ方式を用いた電荷
結合型固体撮像装置として知られている。

この電荷掃きよせ方式を用いた電荷結合型固体撮像装置
の構造を第５図に従って説明すると、第５図において、
Ｄ、〜Ｄ　＋ｓ　＋　Ｄ　！ｌ−Ｄ　２イ、・・・・・
・Ｄ０〜ＤｆｉｌＩが画素に相当するフォト・ダイオー
ドであり、水平走査方向と垂直走査方向に沿ってマトリ
ックス状に整然と配列されている。垂直走査方向に配列
するフォト・ダイオードに沿って垂直電荷転送路Ｌ１〜
Ｌ１が形成され、夫々のフォト・ダイオードとそれに隣
接する垂直電荷転送路との間には、トランスファ・ゲー
トとして機能すると共に該垂直電荷転送路中に信号電荷
を転送するためのポテンシャル井戸を発生させるための
転送電極としても機能するゲート電極Ｇｌｌ〜Ｇ３．。

Ｇｅｌ〜Ｇ２１Ｉ、〜、Ｇ□〜Ｇ　ｌ’ｌｌｌが形成さ
れ、水平走査方向に並ぶゲート電極毎に同一の垂直走査
綿ｈｌ、ｈ２＋　〜、ｈ、、−、、ｈ、、が接続してい
る。

例えば、フォト・ダイオードＤ、、ＭｗＪ、に関するゲ
ート電極ＣＩｌ”ＧＩＭは垂直走査線ｈｔにのみ接続し
ている。

更に、夫々の垂直電荷転送路ｈｌ＋ｈ！、〜ｈｎ−＋１
ｈ、は垂直電荷転送路１及びトランスファ・ゲート走査
回路２に接続しており、トランスファ・ゲート走査回路
２は所定タイミングで垂直走査線ｈｌ、ｈ！、〜、ｈ、
１−、、ｈ、％の内の１本にトランスファ・ゲート選択
信号を出力することにより、該トランスファ・ゲート選
択信号が印加された垂直走査線に係るフォト・ダイオー
ドの信号電荷だけを隣の垂直電荷転送路のポテンシャル
井戸に転送する。したがって、例えば、トランスファゲ
ート走査回路２が垂直走査線り、にのみトランスファ・
ゲート選択信号を供給すると、フォト・ダイオードＤｌ
ｌの信号電荷が垂直電荷転送路り、に、ＤＩ２の信号電
荷が垂直電荷転送路Ｌ２に、０１３の信号電荷が垂直電
荷転送路り、にというようにして、夫々の垂直電荷転送
路には必ず１個のフォト・ダイオードよりの信号電荷の
みが存在するように各トランスファ・ゲートの開閉制御
が行われる。

垂直走査回路１は、後述する掃きよせ方式の駆動信号Ｖ
１．Ｖｇ、〜、Ｖ、−，，Ｖ、を夫々の垂直走査線り、
、ｈ、、〜＋　）Ｉｎ−１１ｈｎに供給することによっ
て、各垂直電荷転送路にポテンシャル井戸を形成して信
号電荷を出力側へ転送する。

第６図は垂直走査回路１の更に具体的な構成を示す。即
ち、点線で示す領域Ｅ内に示す１段当たりのシフト・セ
ルの構造は、入力される転送信号をクロック信号φ１　
（あるいはφ２）によって開閉制御するアナログ・スイ
ッチと、該アナログ・スイッチを介して転送信号が入力
される非反転バッファ回路と、該非反転バッファ回路の
入力接点とアース接点間に接続する容量素子から成り、
このシフト・セルが複数段に渡って接続することによっ
て、その段数骨のシフト・レジスタが形成されている。

更に、夫々の非反転バッファ回路は第７図に示すように
、ＣＭＯＳプロセスによって製造されたＰチャンネル型
ＭＯＳトランジスタＱＰｌとＮチャンネル型ＭＯ３Ｉ−
ランジスタＱＦ１＋から成る第１のインバータ回路と、
Ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタＱＰ２とＮチャンネ
ル型ＭＯ３Ｉ−ランジスタＱｎ□から成る第２のインバ
ータ回路と、更に、Ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタ
Ｑｐ３＋ＱＰ４とＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタＱ
ｎｚ＋Ｑ、、４から成る第３のインパーク回路を有し、
第２のインバータ回路の入力接点に転送信号（第７図は
初段の回路を代表しているのでφｉｎ）が印加され、第
１のインバータ回路の入力接点と第３のインバータ回路
のトランジスタＱ７４のゲート接点に制御信号φ。が印
加され、第３のインバータ回路のトランジスタＱＰａの
ゲート接点に第１のインバータ路の出力信号（即ち、制
御信号φ。の反転信号″Ｔ、）が印加される。ここで、
制御信号φ。が“Ｌ　ＩＩ　レベルになるとトランジス
タＱＰ４とＱｌ、４がオフとなるので、第３のインバー
タ回路の出力端子は高インピーダンス状態となり、逆に
制御信号φ。が“Ｈ＋＋レベルになるとトランジスタＱ
ｐａとＱｎ４がオンとなるので、転送信号φ五〇が第２
のインバータ回路及び第３のインバータ回路を介して非
反転のまま出力端子に転送される。そして、このシフト
・レジスタの各非反転バッファ回路の出力接点を第５図
の各垂直走査線り、、ｈ２．〜ｈ、、、ｈ、に接続する
と共に、各垂直走査線に所定の駆動信号Ｌ　、Ｌ　、〜
＋　ｖｎ−＋　ｌ　　ｖ、を供給することによって垂直
走査回路１の機能を発揮している。このように制御信号
φ、によって出力端子を高インピーダンス状態にするの
は、第５図に示すように垂直走査回路１とトランスファ
ゲート走査回路２が同一の垂直走査線り、、ｈ２〜．ｈ
、、、ｈ、を使用して駆動信号Ｖ、、Ｖ２゜〜、Ｖ、、
−、、Ｖ、とトランスファ・ゲート選択信号をゲート電
極Ｇｌｌ”−’Ｇ１ｍに印加するように配線されている
ので、夫々の信号が混信しないようにするために、夫々
のゲート電極Ｇｔｌ〜Ｇ０にトランスファ・ゲート選択
信号を印加する時は制御信号φ。を°“Ｌ　ＩＴレベル
にして垂直走査回路１と垂直走査線り、、ｈ！　、　〜
、ｈ、、、ｈ、の接続関係を遮断するためにある。

更に第５図に戻って構造を説明するに、垂直電荷転送路
り、−Ｌ、の出力端には、転送されて来る信号電荷を一
時的に保持するためのストレージ・ゲートＳＧが設けら
れると共に該ストレージ・ゲートＳＧに隣接してストレ
ージ・コントロール・ゲー）ＳＣＧが設けられ、更に該
ストレージ・コントロール・ゲートＳＣＧに隣接して水
平電荷転送路Ｈが形成されている。尚、ストレージ・コ
ントロール・ゲートＳＣＧはストレージ・ゲートＳＧ下
に転送されてきた信号電荷を水平電荷転送路Ｈ側へ所定
のタイミングで転送するための開閉制御を行うためにあ
る。そして、水平電荷転送路Ｈは信号電荷を水平方向に
転送し、前置増幅器ＰＲを介して出力端子ＯＵＴに信号
を出力する。

次に、かかる電荷結合型固体撮像装置の作動を第８図に
示すタイミング・チャートと第９図に示すポテンシャル
・フロフィールに基づいて説明する。尚、撮影が完了し
て各フォト・ダイオードＤ、〜Ｄ　＋ｓ＋ａに信号電荷
が発生しているものとして説明する。

まず第８図において、制御信号φ。が１水平走査期間（
ＩＨ）毎に“Ｌ“レベルとなり、最初の時点１＋におい
ては、垂直走査回路１の出力端子が全て高インピーダン
ス状態となる間にトランスファゲート走査回路２が第１
の垂直走査線り、にのみトランスファ・ゲート選択信号
を出力し、第１の垂直走査線り、に係るフォト・ダイオ
ードＤ　ｌ　ｌ　”　Ｄ　Ｉ　ＩＩの信号電荷を夫々隣
のゲート電極Ｇｌｌ〜Ｇｌｎ下のポテンシャル井戸へ移
す。この結果、この時点ｔ、における信号電荷転送動作
は第９図（ａ）の斜線部分に示すように、各垂直電荷転
送路には１つのフォト・ダイオードよりの信号電荷が移
される。

次に、制御信号φ。が“Ｈ”レベルに戻るのに伴って、
垂直走査回路ｌに所定期間Ｔで“Ｈ”しベルとなる転送
信号φゑ、が印加されると共に、所定周期の２相りロッ
ク信号φ１．φ２によって転送信号φ五、が順次に転送
される。そして夫々の垂直走査線ｈｌ、ｈ２．〜．ｈ、
−，、ｈ、には順次にクロック信号φ１とφ２の位相差
τ分の遅延を伴った駆動信号Ｖ＋　、Ｖ！　、”’　、
Ｖｎ−＋　、Ｖａ　が供給されることとなり、このよう
な駆動信号Ｖｌ＋■２．〜＋　Ｖｎ−１＋　　Ｖ１％に
よって第９図（ａ）〜（ｅ）に示すように信号電荷をス
トレージ・ゲート側へ掃きよせるようにして転送させる
。そして、１水平走査期間（ＩＨ）の転送動作が完了す
ると、次の水平走査期間までの間に、第９図（ｅ）〜（
ｆ）に示すように、ストレージ・ゲートＳＧとストレー
ジ・コントロール・ゲートＳＣＧに所定の電圧レベルの
制御信号を印加することによって信号電荷を水平電荷転
送路Ｈへ転送し、更に、水平電荷転送路Ｈが出力端子Ｏ
ＵＴ側へ転送する。これによって第１列の信号電荷が読
み出される。

次に、時刻ｔｚにおいて、第２の垂直走査線ｈ２につい
て時刻１１の場合と同様の処理を行うことによって第２
の垂直走査線ｈ２に係るフォト・ダイオードＤ！１〜Ｄ
１の信号電荷を夫々隣のゲート電極ＣＷｔ〜Ｇ！ｏ下の
ポテンシャル井戸に転送し、次に、時刻ｔ１〜１．間と
同様の信号電荷転送を行う。

そして、他の全ての信号電荷もｌ水平走査期間毎に１列
ずつ読み出す。

このように、水平走査方向に並ぶ一列ずつの光電変換素
子群の信号電荷を１水平走査期間毎に読み出すと、１回
の読み出し動作で読み出すべき信号電荷が垂直電荷転送
路の容量に較べて相対的に小さくなるので、夫々の垂直
電荷転送路のゲート電極幅を狭く形成することが可能と
なり、その分だけ開口率を上げて、ダイナミック・レン
ジの向上を図ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の電荷掃きよせ方式電荷
結合型固体撮像装置にあっては、垂直走査回路の構成が
、第６図に示すように、クロック信号φ１．φ２に同期
して転送信号φ、７を転送させることによって駆動信号
■、〜■７を発生させるようになっているので、これら
の２相のクロック信号を発生するための回路や、該回路
と垂直走査回路とを接続するための多数の配線等が必要
であり、半導体集積回路化等を行うと大型且つ複雑とな
ったり、これらのクロック信号が反転動作する際に発生
するノイズがゲート電極を介して電荷検出部へ飛び込む
ので、Ｓ／Ｎ比を低下させる等の問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであり、
極めて簡素な構造にして所望の特性を得ることができる
垂直走査回路を有する電荷掃きよせ方式電荷結合型面体
操像装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は、水平走査方向と垂
直走査方向に配列して形成された複数の画素と、垂直走
査方向に配列されている画素群に隣接して形成された垂
直電荷転送路と、これらの垂直電荷転送路に形成された
ゲート電極と、これらのゲート電極に各々独立に駆動信
号を供給して上記垂直電荷転送路に信号電荷の転送を行
わせる垂直走査回路とを備える電荷結合型固体撮像装置
において、上記垂直走査回路を直列に従属接続した遅延
エレメントで形成すると共に各遅延エレメントより出力
される転送信号を上記夫々のゲート電極に供給するよう
に構成した。

〔作用〕

このような構成を有する電荷結合型固体（最像装置によ
れば、転送信号が特定遅延時間を有する遅延エレメント
を転送するだけで、電荷掃きよせ方式の駆動信号が発生
するので、従来のようなりロック信号が不要になると共
に回路が極めて簡素になり、しかもゲート電極から垂直
電荷転送路への飛び込みノイズを無くすことができるの
でＳ／Ｎ比を向上させることができる。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図面と共に説明する。

まず構成を説明するに、この実施例に係る電荷結合型固
体撮像装置の全体の概略構造は第５図に示すのと同様で
あり、第１図の回路は第５図の垂直走査回路に対応する
。即ち、この実施例における垂直走査回路は、遅延エレ
メント（点線で示す領域Ｆが１段分の遅延エレメントを
示す）が直列に従属接続した構成を有しており、図示す
るように夫々所定の抵抗値の抵抗Ｒと、該抵抗Ｒが入力
接点に接続する非反転バッファ回路ＩＶと、非反転バッ
ファ回路ＩＶの入力接点とアース接点間に接続した容量
素子Ｃから構成されている。更に、夫々の非反転バッフ
ァ回路ＴＶは第７図に示したように、制御信号φ。によ
って出力接点が高インピーダンスとなる回路構成を有し
ている。そして、夫々の非反転バッファ回路ＩＶの出力
接点が第５図に示す垂直走査線り、〜ｈｎに接続するこ
とによって、駆動信号（遅延された転送信号）■１〜■
１を供給する。

次にかかる実施例の作動を第２図に示すタイミング・チ
ャートに従って説明する。尚、撮影が完了して各フォト
・ダイオードに信号電荷が発生しているものとして説明
する。

まず第２図において、制御信号φ。が１水平走査期間（
ＩＨ）毎に“Ｌ゛°°レベルり、この“Ｌ”レベルの間
に、１列ずつのフォト・ダイオードの信号電荷が隣の垂
直電荷転送路に転送される。

第２図中の時刻ｔ、からｔ２までの１水平走査期間の作
動を代表して説明すると、最初の時点ｔ１においては、
第１図に示す垂直走査回路の非反転バッファ回路の出力
端子が制御信号φ。によって全て高インピーダンス状態
となる間に第１の垂直走査線り、（第５図参照）にのみ
トランスファ・ゲート選択信号を出力し、第１の垂直走
査線ｈ＋に係るフォト・ダイオードＤｌｌ−Ｄｌａの信
号電荷を夫々隣のゲート電極Ｇ、、−’−Ｇ、、下のポ
テンシャル井戸へ移す。この結果、この時点ｔｌにおい
ては各垂直電荷転送路には１つのフォト・ダイオードよ
りの信号電荷が移される。

次に、制御信号φ。が“Ｈ“レベルに戻るのに伴って、
垂直走査回路に所定期間Ｔで“′Ｈ°゛レベルとなる転
送信号φ、いが印加され、各遅延エレメントに設けられ
た抵抗Ｒと容量素子Ｃにより設定される遅延時間τずつ
遅延して転送される。したがって第２図に示すように、
位相差τ分の遅延を伴った駆動信号Ｖ、、Ｖ、、〜、Ｖ
ｈ、、Ｖ、が各ゲート電極に順番に印加されることとな
り信号電荷をストレージ・ゲート側へ掃きよせるように
して転送させる。そして、１水平走査期間（ＩＨ）の転
送動作が完了すると、次の水平走査期間までの間に、水
平電荷転送路Ｈが出力端子ＯＵＴ側へ転送する。これに
よって第１列の信号電荷が読み出される。

次に、時刻ｔ２において、第２の垂直走査綿ｈ２につい
て時刻１１の場合と同様の処理を行うことによって第２
の垂直走査線ｈ２に係るフォト・ダイオードＤ２１”’
Ｄ！ｓの信号電荷を夫々隣のゲート電極Ｇ□〜Ｇｔａ下
のポテンシャル井戸に転送し、次に、時刻ｔ、〜ｔ！間
と同様の信号電荷転送を行う。

そして、他の全ての信号電荷も１水平走査期間毎に１列
ずつ読み出す。

このように、遅延エレメントを直列に接続した垂直走査
回路を適用すると回路構成が極めて簡素となると共に、
従来のようなりロック信号に同期して転送信号をシフト
させないので、電荷検出部へのノイズの飛び込みを無く
すことができる。

次に、他の実施例を第３図に基づいて説明する。

尚、同図において第５図と同じ又は相当する部分を同一
符号で示している。即ち、第３図に示すように、水平走
査方向に配列するゲート電極に接続する垂直走査線り、
、ｈ、、〜、ｈ、、、ｈ１１の間に非反転バッファ回路
ＩＶＩ、　ＩＶ！、　ＩＶ３．　ＩＶ４＋　””ＩＶ、
ｌ−１＋ＩＶ、が交互に直列接続し、夫々の非反転バッ
ファ回路は第７図に示すのと同様に制御信号φ、に従っ
て接点が高インピーダンスとなる回路構成を有している
。更に、夫々の水平走査線り、、ｈ２．〜）Ｉｎ−１ｉ
ｎには、トランスファゲート走査回路２の所定の出力接
点が接続し、第２図に示すｌ水平走査期間毎に制御信号
φ。が１１　Ｌ　１１レベルとなるのに同期してトラン
スファゲート走査回路２から水平走査線り、、ｈ、、〜
、　　ｈ、、−ｔ、ｈ−に順番にトランスファ・ゲート
選択信号が供給されるようになっている。転送信号φ、
１は第２図に示したのと同様のタイミングで発生する。

このような構成にすると、夫々の垂直走査線ｈ　ｌ＋　
ｈ　＊＊〜、ｈ、−、、ｈ、自身が持つ抵抗値及び浮遊
容量が第１図に示す抵抗Ｒ及び容量素子Ｃと同等の作用
を発揮するので、第１図に示す抵抗Ｒ及び容量素子Ｃを
省略することができ、回路規模を極めて大幅に低減する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、垂直走査回路を直
列に従属接続した遅延エレメントで形成すると共に各遅
延エレメントより出力される転送信号を上記夫々のゲー
ト電極に供給するように構成したので、転送信号が特定
遅延時間を有する遅延エレメントを転送するだけで、電
荷掃きよせ方式の駆動信号が発生することとなり、従来
のようなりロック信号が不要になると共に回路が極めて
簡素になり、しかもゲート電極から電荷検出部への飛び
込みノイズを無くすことができるのでＳ／Ｎ比を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例構成図； 第２図は実施例の作動を説明するタイミングチャート； 第３図は他の実施例構成図； 第４図は第１の従来例を示す概略構成図：第５図は第２
の従来例を示す概略構成図；第６図は第２の従来例にお
ける垂直走査回路の構成を示す回路図； 第７図は垂直走査回路中の非反転バッファ回路の回路図
； 第８図は第２の従来例の作動を説明するタイミングチャ
ート； 第９図は第２の従来例の作動を説明するためのポテンシ
ャル・プロフィールである。 図中の符号： Ｒ；抵抗 Ｃ；容量素子 Ｆ；１段分の遅延エレメント Ｉν１〜ＩＶ、　　ｉ非反転バフフッ回路Ｇｌｌ〜Ｇ１
１．・・・・・・、Ｇ７．〜Ｇ７．：ゲート電掻Ｄ＋＋
−りＩｓ＋・・・・・・＋　Ｄ　、１１　””’　Ｄ　
ｎ　１％：フォト・ダイオード Ｌ１〜Ｌ、、：垂直電荷転送路 ＳＧ；ストレージ・ゲート； ＳＣＧ、ストレージ・コントロール・ゲートＨ；水平電
荷転送路 ＰＲ；前置増幅器 １；垂直走査回路 ２ニドランスフアゲ一ト走査回路 第　　４　　図 第　５　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水平走査方向と垂直走査方向にマトリックス状に配列し
   て形成された複数の画素と、垂直走査方向に配列されて
   いる画素群に隣接して形成された垂直電荷転送路と、こ
   れらの垂直電荷転送路に形成されたゲート電極と、これ
   らのゲート電極に各々独立に駆動信号を供給して上記垂
   直電荷転送路に信号電荷の転送を行わせる垂直走査回路
   とを備える電荷結合型固体撮像装置において、 前記垂直走査回路を直列に従属接続した遅延エレメント
   で形成すると共に各遅延エレメントより出力される転送
   信号を前記夫々のゲート電極に供給することを特徴とす
   る電荷結合型固体撮像装置