JPH04345036A - 電荷結合素子及びその駆動方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電荷結合素子に関し、
特にその電荷検出部の構造及び駆動方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図３（ａ）　は従来の電荷結合素子の電
荷検出部の断面図とそのポテンシャルを示す図である。 図において、１は半導体基板であり、２及び３は半導体
基板１上に設けられた電荷転送のための第１及び第２の
転送電極でりそれぞれクロックφ１　，φ２　が供給さ
れる。４は第２の転送電極３に接して設けられた出力障
壁電極、５は転送電荷を一時蓄積するための浮遊拡散領
域（以下、ＦＤと呼ぶ）、６はＦＤ５に蓄積された電荷
をリセットする動作を制御するリセット電極でありクロ
ックφＲ　が印加される。７はＦＤ５に蓄積された電荷
を排出するためのリセットドレイン、８はＦＤ５に一時
蓄積された電荷を電圧に変換して外部に出力するための
出力アンプである。

【０００３】次に動作について説明する。第１，第２転
送電極２，３及びリセット電極６に各々図３（ｂ）　に
示すクロックパルスφ１　，φ２　及びφＲ　が印加さ
れ、出力障壁電極４及びリセットドレイン７にＤＣバイ
アスが印加される。まず、時刻ｔ１　において、電極２
にはクロックφ１　の低レベルの電圧が、電極３にはク
ロックφ２　の高レベルの電圧が、さらにリセット電極
６にはクロックφＲ　の低レベルの電圧が印加される。 この時、信号電荷は高レベルのクロックφ２が印加され
る電極３下に蓄積される。次に時刻ｔ２　になると、電
極２には高レベルのクロックφ１　が、また電極３には
低レベルのクロックφ２　が印加されるため、クロック
φ２　が印加される電極３下のポテンシャルが低くなり
、信号電荷は出力障壁電極４下を通過してＦＤ５に転送
されここに蓄積される。このＦＤ５に蓄積された信号電
荷は出力アンプ８を通して外部に出力される。そして時
刻ｔ３　になると、クロックφＲ　に高レベルの電圧が
印加されリセット電極６が開き、ＦＤ５がリセットドレ
イン７の電位にリセットされ信号電荷が排出される。

【０００４】次に、電荷検出の原理について説明する。 上記構成においてＦＤ５は一種のコンデンサの働きをし
ている。すなわちリセット電極６のオン動作により、Ｆ
Ｄ５がある電位にリセットされ、その後電荷が転送され
るとＦＤ５の電位はその電荷量に応じて変化する。ＦＤ
５の容量をＣＦＤ、信号電荷量をＱｓｉｇ　とすると、
ＦＤ５の電位変化量ΔＶＦＤは、 ΔＶＦＤ＝Ｑｓｉｇ　／ＣＦＤ で表わされる。この電位変動を出力アンプ（通常ソース
フォロアアンプが用いられる）を用いて増幅し、外部に
出力される。この出力アンプの利得をＧとすると、信号
出力の電位変化量ΔＶｓｉｇ　は、 ΔＶｓｉｇ　＝Ｇ×ΔＶＦＤ＝Ｇ×Ｑｓｉｇ　／ＣＦＤ
で表わされる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の電荷結合素子の
電荷検出部は以上のように構成されているので、ＦＤ５
の容量ＣＦＤや出力アンプの利得Ｇを電気的に変化させ
ることは不可能であり、そのため電荷検出部の感度を変
化させることができないという問題点があった。また、
小信号電荷を高感度で検出するためにはＦＤ５の容量を
小さくしなければならず、そのためダイナミックレンジ
が大きくとれないという問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、電気的に電荷検出部の感度を変
化させることのできる電荷結合素子を得ることを目的と
する。

【０００７】また、小信号電荷を高感度で検出し、かつ
ダイナミックレンジを大きくとることができる電荷結合
素子を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電荷結合
素子は、出力障壁電極と浮遊拡散領域との間に少なくと
の１個以上の感度変換用電極を設け、該電極に所定の電
圧を印加させて浮遊拡散領域の容量を変化させるように
したものである。

【０００９】また、この発明に係る電荷結合素子の駆動
方法は、信号電荷の少ない時には浮遊拡散領域のみに、
かつ信号電荷が多くなるにつれて、浮遊拡散領域と感度
変換用電極下に信号電荷が蓄積するポテンシャルが形成
されるように上記感度変換用電極に所定の電圧を印加す
るようにしたものである。

【００１０】

【作用】この発明における電荷結合素子は、出力障壁電
極と電荷蓄積領域との間に設けられた少なくとの１個以
上の感度変換用電極に印加する電位を変化させることに
よりできるポテンシャルウエルによって浮遊拡散領域の
容量ＣＦＤを変化させることで、電荷検出部の感度を変
化させることができる。

【００１１】また、この発明における電荷結合素子の駆
動方法は、信号電荷の小さい時には浮遊拡散領域のみに
、かつ信号電荷が多くなるにつれて、浮遊拡散領域と感
度変換用電極下に信号電荷が蓄積されるポテンシャルが
形成されるように上記感度変換用電極に所定の電圧を印
加するようにしたから、小信号を高感度で検出し、かつ
ダイナミックレンジを大きくとることができる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図を用いて説明
する。図１及び図２において、図３と同一符号は同一ま
たは相当部分を示し、１１は出力障壁電極４と浮遊拡散
領域５の間に設けられた感度変換電極である。

【００１３】次に動作を低感度モード及び高感度モード
の２つに分けて説明する。まずはじめに高感度モードに
ついて説明する。図１は高感度モード時における電荷検
出部の断面図と各タイミングにおけるポテンシャルを示
した図である。従来と同様に各電極には図３（ｂ）　に
示すクロックφ１　，φ２　，φＲ　を印加し、出力障
壁電極４，リセットドレイン７及び感度変換電極１１に
はＤＣバイアスを印加する。この時、感度変換電極１１
にはＦＤ５のみに電荷が蓄積するようなポテンシャルに
なるようなＤＣバイアスを印加する。

【００１４】時刻ｔ１　において、電極２にはクロック
φ１　の低レベルの電圧が、電極３にはクロックφ２　
の高レベルの電圧が、さらにリセット電極６にはクロッ
クφＲ　の低レベルの電圧が印加される。この時、信号
電荷はクロックφ２　が印加される電極３下に蓄積され
る。次に、時刻ｔ２　になると、電極２には高レベルの
クロックφ１　が、また電極３には低レベルのクロック
φ２　が印加されるため、クロックφ２　が印加される
電極３下のポテンシャルが低くなり、信号電荷は出力障
壁電極４及び感度変換電極１１下を通過してＦＤ５に転
送されここに蓄積される。このＦＤ５に蓄積された信号
電荷は出力アンプ８を通して外部に出力される。そして
時刻ｔ３　になると、クロックφＲ　に高レベルの電圧
が印加されリセット電極６が開き、ＦＤ５がリセットド
レイン７の電位にリセットされ信号電荷が排出される。

【００１５】次に低感度モードに関して説明する。図２
は低感度モード時における電荷検出部の断面図と各タイ
ミングにおけるポテンシャルを示した図である。この低
感度モード時には感度変換電極１１に印加するＤＣバイ
アスレベルが上記高感度モードの時と異なるだけで、そ
の他動作に関しては高感度モードにおけるものと同様で
ある。すなわち低感度モード時には、感度変換電極１１
の電位を十分大きくすることにより、電極３下に転送さ
れてきた信号電荷がＦＤ５と感度変換電極１１下の両方
に蓄積される。これはＦＤ５の領域を増加させたことに
なり、換言すればＦＤ５の容量が大きくなることを意味
し、電荷検出部の感度が下がることになる。

【００１６】このように本実施例によれば、出力障壁電
極４と電荷蓄積領域５との間に感度変換用電極１１を設
け、該電極１１に印加する電圧を変化させ、即ち、低感
度モード時には、感度変換電極１１の電位を大きくして
信号電荷がＦＤ５と感度変換電極１１下の両方に蓄積さ
れ、また高感度モード時には感度変換電極１１の電位を
小さくしてＦＤ５のみに電荷が蓄積されるようなポテン
シャルレベルを形成するようにしたから、ＦＤ５の容量
ＣＦＤを変化させることで、電荷検出部の感度を変化さ
せることができる。

【００１７】次に図４に上記第１の実施例の変形例によ
る電荷結合素子の電荷検出部の断面図とポテンシャル図
を示す。この実施例では、２つの感度変換電極１２，１
３を設け、これら電極に印加するバイアスレベルを変化
させることにより、感度を３種類に変化させるようにし
たものである。すなわち図４（ａ）　は高感度モードの
時刻ｔ２　のポテンシャル図を、同図（ｂ）　は中感度
モードの時刻ｔ２　のポテンシャル図を、同図（ｃ）　
は低感度モードの時刻ｔ２　のポテンシャル図を示す。

【００１８】図５は本発明の第２の実施例を示す電荷結
合素子の断面図とそのポテンシャル図である。この実施
例による動作は感度変換電極１１に印加する電圧レベル
が異なる点を除いて、上記第１の実施例に示したものと
同一である。すなわちこの実施例においては、感度変換
電極１１下のポテンシャルがＦＤ５のリセットレベルよ
りも小さくなるように、感度変換電極１１に印加する電
圧を設定する。このようにすると、ＦＤ５のみに蓄積で
きる信号電荷量Ｑ０　よりも感度変換電極１１下のポテ
ンシャルが小さい時はＦＤ５のみに信号電荷が蓄積され
る（図５（ａ））。この場合、電荷量変化ΔＱｓｉｇ　
に伴う電位変化ΔＶＦＤは、 ΔＶＦＤ＝ΔＱ／ＣＦＤ　　（ＣＦＤはＦＤ５の容量）
となる。

【００１９】一方、感度変換電極１１下のポテンシャル
がＦＤ５のみに蓄積できる信号電荷量Ｑ０　より大きく
なると、感度変換電極１１とＦＤ５の両方に蓄積される
（図５（ｃ））。この場合、電荷量変化ΔＱｓｉｇ　に
伴う電位変化ΔＶＦＤは、 ΔＶＦＤ＝（ΔＱｓｉｇ　／ＣＦＤ）＋Ｃ　　（Ｃは感
度変換電極１１下の容量） となる。つまり、電荷検出感度を転送される電荷量Ｑ０
　を境に変化させ、電荷量が少ない時は検出感度が高く
、逆に電荷量が多い時には検出感度が低くなるようにす
ることができる。図６にこの実施例における信号電荷量
Ｑ０と信号出力電圧との関係を示す。

【００２０】図７は上記第２の実施例の変形例による電
荷結合素子の断面図とそのポテンシャル図である。この
実施例では図４に示した第１の実施例の変形例と同一の
構成の装置構造を有し、２つの感度変換電極１２，１３
に印加する電圧を異なるものとし、かつ感度変換電極１
３下のポテンシャルがＦＤ５のリセットレベルよりも小
さくなるように設定したものであり、その基本的な動作
は上記第２の実施例と同様である。

【００２１】すなわちこの実施例では、ＦＤ５のリセッ
トレベルをΦＦＤ，第２の感度変換電極１３下のポテン
シャルをΦＧ１３　、第１の感度変換電極下のポテンシ
ャルをΦＧ１２　とすると、ΦＦＤ＞ΦＧ１３　＞ΦＧ
１２　の関係になるように第１及び第２の感度変換電極
１２，１３に所定の電圧を印加する。このようにするこ
とにより、検出感度は信号電荷量に応じて３段階に変化
することになる。図８にこの実施例における信号電荷量
と信号出力電圧の関係を示す。

【００２２】なお、上記実施例では１個または２個の感
度変換電極を設けたものを示したが、さらに複数個の感
度変換電極を設け、さらに検出感度を複数段階設定する
ようにしてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る電荷転送
素子によれば、出力障壁電極と電荷蓄積領域との間に設
けられた少なくとの１個以上の感度変換用電極に印加す
る電位を変化させることによりできるポテンシャルウエ
ルによって浮遊拡散領域の容量を変化させるようにしか
ので、電気的に電荷検出部の感度を変化することができ
るという効果がある。

【００２４】また、この発明に係る電荷転送素子の駆動
方法によれば、信号電荷の小さい時には浮遊拡散領域の
みに、かつ信号電荷が多くなるにつれて、浮遊拡散領域
と感度変換用電極下に信号電荷が蓄積されるポテンシャ
ルが形成されるように上記感度変換用電極に所定の電圧
を印加するようにしたので、小信号時には高感度で、か
つダイナミックレンジの大きい電荷結合素子を得ること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例による電荷結合素子の
断面図と高感度時におけるポテンシャル図。

【図２】この発明の第１の実施例による電荷結合素子の
断面図と低感度時におけるポテンシャル図。

【図３】従来の電荷結合素子の断面図とポテンシャル図
とクロックタイミング図。

【図４】この発明の第１の実施例の変形例による電荷結
合素子の断面図とポテンシャル図。

【図５】この発明の第２の実施例による電荷結合素子の
断面図とポテンシャル図。

【図６】この発明の第２の実施例による電荷結合素子の
信号電荷量と信号出力電圧の関係を示す図。

【図７】この発明の第２の実施例の変形例による電荷結
合素子の断面図とポテンシャル図。

【図８】この発明の第２の実施例の変形例による電荷結
合素子の信号電荷量と信号出力電圧の関係を示す図。

【符号の説明】

１　　　　半導体基板 ２　　　　第１の転送電極 ３　　　　第２の転送電極 ４　　　　出力障壁電極 ５　　　　浮遊拡散領域 ６　　　　リセット電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板上に設けられ信号電荷を転
   送するための転送電極を有する電荷転送部と、該電荷転
   送部の最終段に設けられ常時一定の電圧が印加される出
   力障壁電極と、該出力障壁電極に隣接して配置され、上
   記電荷転送部からの信号電荷を一定期間蓄積する浮遊拡
   散領域と、該浮遊拡散領域の電荷を外部に取出す信号出
   力部とを有する電荷結合素子において、上記出力障壁電
   極と上記浮遊拡散領域との間に少なくとも１個以上の感
   度変換用電極を設け、該電極に所定の電圧を印加し該電
   極下に形成されるポテンシャルウエルによって上記浮遊
   拡散領域に蓄積される信号電荷量を可変とするようにし
   たことを特徴とする電荷結合素子。
2. 【請求項２】　　上記感度調整用電極には、電荷転送部
   で転送される信号電荷量に応じてその量が少ない時には
   上記浮遊拡散領域のみに信号電荷が蓄積され、また信号
   電荷量が多くなるにつれて上記浮遊拡散領域及び感度調
   整用電極下にも同時に信号電荷が蓄積されるようなポテ
   ンシャルとなるように電圧が印加されることを特徴とす
   る請求項１記載の電荷結合素子の駆動方法。