JPH0521349B2 - - Google Patents

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JPH0521349B2
JPH0521349B2 JP60068250A JP6825085A JPH0521349B2 JP H0521349 B2 JPH0521349 B2 JP H0521349B2 JP 60068250 A JP60068250 A JP 60068250A JP 6825085 A JP6825085 A JP 6825085A JP H0521349 B2 JPH0521349 B2 JP H0521349B2
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JP
Japan
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gate
charge
potential
storage
transfer
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JP60068250A
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Akira Takei
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造
の電荷転送装置を利用したイメージセンサにおい
て、複数の電荷蓄積領域上の電極を並列接続して
電位変位検出・制御手段に接続し、その出力で、
各電荷蓄積領域からCCDよりなるシフトレジス
タ部へ電荷を転送するための電送ゲートを制御し
て、自動利得制御を行なう。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] In an image sensor using a charge transfer device with a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure, electrodes on a plurality of charge storage regions are connected in parallel and connected to potential displacement detection/control means. , with its output,
Automatic gain control is performed by controlling a transmission gate for transferring charge from each charge storage region to a shift register section consisting of a CCD.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は電荷転送装置を利用したイメージセン
サに係り、特に実時間でデバイスの光学的状態を
感知し、これによつて電荷蓄積時間を決定する自
動利得制御(AGC)機能を有する電荷転送装置
の改良に関する。
The present invention relates to an image sensor using a charge transfer device, and particularly to an image sensor having an automatic gain control (AGC) function that senses the optical state of the device in real time and determines the charge accumulation time based on this. Regarding improvements.

本発明の用途としては、カメラ等のように、入
力光信号のダイナミツクレンジが大きい分野で、
その偉力を発揮するものと考えられる。
The present invention can be used in fields where the input optical signal has a large dynamic range, such as cameras, etc.
It is thought that it will demonstrate its great power.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第5図に、電荷結合装置を利用したイメージセ
ンサ等を模式的に示している。図において、半導
体基板1上に多数の画素ダイオードDiが複数の列
状に整列して配設されおり、各画素ダイオード列
間に各画素ダイオードDiの列毎に共通な第1の転
送ゲートTG1と水平方向シフトレジスタ(電荷結
合素子)HR1,HR2,HR3,HR4等が配設され、
水平方向シフトレジスタの一端部に各水平方向シ
フトレジスタHR1,HR2,HR3,HR4等に共通
な第2の転送ゲートTG2と垂直方向シフトレジス
タVRが配設され、該垂直方向のシフトレジスタ
VRの一端部に増幅器Aが接続された構造を備え
てなる。なおbはバリア、m1,m2は電荷転送方
向に示す矢印である。
FIG. 5 schematically shows an image sensor using a charge-coupled device. In the figure, a large number of pixel diodes D i are arranged in a plurality of columns on a semiconductor substrate 1, and a first transfer gate common to each column of pixel diodes D i is arranged between each pixel diode column. T G1 and horizontal shift registers (charge-coupled devices) HR 1 , HR 2 , HR 3 , HR 4 , etc. are arranged,
A second transfer gate T G2 common to each horizontal shift register HR 1 , HR 2 , HR 3 , HR 4, etc. and a vertical shift register VR are arranged at one end of the horizontal shift register, and a vertical shift register VR is disposed at one end of the horizontal shift register. shift register
It has a structure in which an amplifier A is connected to one end of the VR. Note that b is a barrier, and m 1 and m 2 are arrows indicating the charge transfer direction.

ところが、第5図の電荷結合装置によるイメー
ジセンサにおいては、光の入射によつて画素ダイ
オードDiで発生蓄積された電荷が唯単に各シフト
レジスタによつて順次増幅器に送られ、電気信号
として出力される機能しか持つていない。
However, in the image sensor using the charge-coupled device shown in Fig. 5, the charges generated and accumulated in the pixel diode D i by the incidence of light are simply sent to the amplifier sequentially by each shift register and output as an electrical signal. It only has the functions to be used.

そのため取扱う光の強さが限られた範囲内に制
限される用途、例えばフアクシミリ装置等におい
ては充分に機能するが、光信号のダイナミツクレ
ンジが大きい場合、例えばカメラ等に用いる時に
は被写体の照度により、光量が過剰になることが
ある。この場合には電荷のオーバフロウ状態が生
じることになる。一方光量が不足の場合には電荷
の不足による感度の低下が生じる等光センサとし
て充分に機能を果たせないという問題がある。
Therefore, it functions well in applications where the intensity of light to be handled is limited within a limited range, such as facsimile equipment, but when the dynamic range of the optical signal is large, such as when used in cameras, it depends on the illuminance of the subject. , the amount of light may become excessive. In this case, a charge overflow condition will occur. On the other hand, if the amount of light is insufficient, there is a problem that the sensor cannot function satisfactorily as an optical sensor, such as a decrease in sensitivity due to insufficient charge.

そこで、本発明による先の発明である特願昭59
−111221号において、実時間のデバイスの光学的
状態を感知し、これによつて電荷蓄積時間を決定
する自動利得制御(AGC)機能を具備せしめた
電荷転送装置を提案した。
Therefore, the patent application filed in 1983, which is an earlier invention according to the present invention,
In No.-111221, we proposed a charge transfer device equipped with an automatic gain control (AGC) function that senses the optical state of the device in real time and determines the charge storage time accordingly.

第6図にこれを表わしており、図は模式平面図
であり、図において、1はp型シリコン基板、2
は光信号の入射により電子−ホール対即ち電荷を
発生するフオトダイオード(PD)、3は障壁ゲー
ト(GB)、4は蓄積ゲート(GST)、5は転送ゲー
ト(Gr)、6はグリアー・ゲート(Gc)、7はド
レイン(d)、8は水平シフトレジスタ(HR)であ
る。そして、10は増幅器を具備する自動利得制
御手段であつて、その出力により電荷の蓄積時間
を制御するようになつている。
This is shown in FIG. 6, which is a schematic plan view. In the figure, 1 is a p-type silicon substrate, 2
3 is a barrier gate ( GB ), 4 is a storage gate ( GST ), 5 is a transfer gate ( Gr ), and 6 is a photodiode (PD) that generates an electron-hole pair, that is, a charge upon the incidence of an optical signal. Grier gate (G c ), 7 is drain (d), and 8 is horizontal shift register (HR). Reference numeral 10 denotes automatic gain control means equipped with an amplifier, and the charge accumulation time is controlled by the output thereof.

かかる構造において、障壁ゲート3、蓄積ゲー
ト4、転送ゲート5にはそれぞれ所定のプラス電
位が与えられ、基板1の表面部に電位のプロフア
イルが形成される。
In this structure, a predetermined positive potential is applied to each of the barrier gate 3, the storage gate 4, and the transfer gate 5, and a potential profile is formed on the surface of the substrate 1.

そして先ずクリアー・ゲート6を開いて蓄積ゲ
ート4下部の電位の井戸に蓄積されている電荷を
完全にドレイン7に放出させた後、所定のタイミ
ング前記クリアー・ゲート6を閉じ、それと同時
にフオトダイオード2から障壁ゲート3を介して
流入する電荷が該蓄積ゲート4の電位の井戸に蓄
積され始め、転送ゲート5が開かれる所定のタイ
ミングまで蓄積が行なわれ、転送ゲート5が開か
れた時点で該蓄積電荷が水平シフトレジスタ8に
転送され、該水平シフトレジスタ8及び図示しな
い垂直シフトレジスタを介して順次図示しない信
号出力用の増幅器に送られ、該増幅器を介して電
気信号として順次出力される。
First, the clear gate 6 is opened to completely release the charge stored in the potential well under the storage gate 4 to the drain 7, and then the clear gate 6 is closed at a predetermined timing, and at the same time, the photodiode 2 is Charges flowing in through the barrier gate 3 begin to accumulate in the potential well of the accumulation gate 4, and the accumulation continues until a predetermined timing when the transfer gate 5 is opened. The charge is transferred to the horizontal shift register 8, and sequentially sent to a signal output amplifier (not shown) via the horizontal shift register 8 and a vertical shift register (not shown), and sequentially output as an electric signal via the amplifier.

上記構成においては光信号の入射によつてフオ
トダイオードに発生した電荷は蓄積ゲート4の下
の半導体基板内に形成された電位の井戸に流入さ
れて一度蓄積されるので、該井戸に電荷が蓄積さ
れる速度を検知することによつて入射光の強さを
知ることができる。
In the above configuration, the charge generated in the photodiode by the incidence of an optical signal flows into the potential well formed in the semiconductor substrate below the storage gate 4 and is accumulated once, so that the charge is accumulated in the well. The intensity of the incident light can be determined by detecting the speed of the incident light.

上記電荷転送装置においては、該蓄積ゲート4
に該蓄積ゲート4の電位が低下する傾斜即ち低下
率を検出する増幅器等を具備した自動利得制御手
段10を接続し、上記電位の低下率の応じた信号
をタイミング系に送り電荷蓄積時間を、電位の低
下率が大きい時即ち入射光が強い時は短く、電位
低下率が小さい時即ち入射光の弱い時は長く調節
する。
In the charge transfer device, the storage gate 4
An automatic gain control means 10 equipped with an amplifier or the like is connected to detect the slope, that is, the rate of decrease in the potential of the storage gate 4, and a signal corresponding to the rate of decrease in the potential is sent to the timing system to determine the charge accumulation time. When the rate of potential decrease is large, that is, when the incident light is strong, the length is adjusted short, and when the rate of potential decrease is small, that is, when the incident light is weak, the length is adjusted.

かくして、前記電位の井戸から電荷がオーバフ
ロウするのを防止し、且つ電荷の不足を補つて、
受光精度及び受光感度を向上している。
In this way, it is possible to prevent charge from overflowing from the potential well, and to compensate for the lack of charge.
Improved light receiving accuracy and light receiving sensitivity.

第6図において、通常においては蓄積ゲート4
と端部がオーバラツプした状態で並んで配設され
る転送ゲート5及びクリアー・ゲート6を、蓄積
ゲート4から離して配設し、該間隙部に電源(n
チヤネルの場合VCC)に直に接続される例えば一
体構造のシールド・ゲート11が設けられてい
る。(参照…pチヤネルの場合にも電源(例えば
−VDD)に接続) このシールド・ゲート11によつて、蓄積ゲー
ト4と転送ゲート5及びクリアー・ゲート6との
間が電気的に遮断されるので、従来転送ゲート1
1又はクリアー・ゲート16の電圧の上昇及び下
降時に発生していた蓄積ゲート4の電位の上昇及
び下降現象は完全に除去される。すなわち蓄積ゲ
ートと転送ゲート及びクリアー・ゲートとが接し
て配設される構造の場合、制御信号の立ち下がり
時にそのオーバラツプ部に寄生する結合容量CN
によつて電荷蓄積前の蓄積ゲートの電位が低下す
ることが防止され、蓄積電荷量の減少或いは増幅
器の直線性の良い高レベル領域で電位の変化率の
信号を供給することができることにより蓄積ゲー
トの電荷変位の検出感度が低下することを防止で
きる。
In FIG. 6, normally the storage gate 4
The transfer gate 5 and the clear gate 6, which are arranged side by side with their ends overlapping, are arranged apart from the storage gate 4, and a power supply (n
For example, a shield gate 11 of monolithic construction is provided which is connected directly to V CC (in the case of the channel). (Reference... also connected to the power supply (for example -V DD ) in the case of p channel) This shield gate 11 electrically isolates the storage gate 4 from the transfer gate 5 and clear gate 6. Therefore, conventional transfer gate 1
The rising and falling phenomenon of the potential of the storage gate 4, which occurred when the voltage of the 1 or clear gate 16 rose and fell, is completely eliminated. In other words, in the case of a structure in which the storage gate, transfer gate, and clear gate are arranged in contact with each other, the coupling capacitance C N parasitic in the overlap part when the control signal falls
This prevents the potential of the storage gate before charge storage from decreasing, and reduces the storage gate by reducing the amount of stored charge or by supplying a signal with a rate of change in potential in a high level region with good linearity of the amplifier. It is possible to prevent the detection sensitivity of charge displacement from decreasing.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかし、上記第6図の電荷転送装置において
は、各画素毎に電位の井戸から電荷がオーバフロ
ウするのを防止し、且つ電荷の不足を補つて、受
光精度及び受光感度を向上することができるが、
本質的にレベル表示素子としての機能を求めたも
のである。そのため、カメラ等の測光機能を有し
たイメージセンサ(何十或いは何百個もの画素を
必要とする)には、本センサ以外の手段により最
適露光量を決定しなければならず、光学装置が複
雑になり、従来のCCDセンサはイメージセンサ
としての機能を十分に発揮してない面があつた。
However, in the charge transfer device shown in FIG. 6, it is possible to prevent the charge from overflowing from the potential well for each pixel and compensate for the lack of charge, thereby improving the light reception accuracy and light reception sensitivity. ,
Essentially, it is intended to function as a level display element. Therefore, for image sensors with photometric functions such as cameras (requiring tens or hundreds of pixels), the optimum exposure amount must be determined by means other than this sensor, and the optical device is complicated. As a result, conventional CCD sensors did not perform adequately as image sensors.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明においては、MIS構造の複数の電荷蓄積
ゲートを並列に接続するとともに、電位変化検出
手段を含む自動利得制御手段に接続し、さらにそ
の出力を転送ゲートに接続する。
In the present invention, a plurality of charge storage gates having an MIS structure are connected in parallel, and connected to automatic gain control means including potential change detection means, and further, the output thereof is connected to a transfer gate.

本発明の構成は下記の通りである。 The structure of the present invention is as follows.

即ち、本発明は複数の受光素子12と、 該受光素子12に対応して設けられ、対応する
受光素子12で発生した電荷を漸次蓄積するMIS
構造の電荷蓄積領域(第2図中のGST14下の
半導体領域)を有し、 該電荷蓄積領域上に存在する電荷蓄積ゲート
(GST14)を互いに並列接続して、各々の該電
荷蓄積ゲート(GST14)の電位を出力する複
数のブロツク(BL1,BL2,BL3,BL4、第
7図)と、 制御信号(φTG)によつて制御され、該電荷蓄
積領域の電荷を複数段の電荷転送素子(CCDレ
ジスタ18)へ転送するための転送ゲート(GT
15)と、 該各電荷蓄積ゲート(GST14)を所定電位
にプリチヤージすると共に該電荷蓄積ゲート
(GST14)をフローテイング状態にするプリチ
ヤージ回路(VCC,Q11,Q12,Q13,Q14,R;第
7図)と を具備し、 前記制御信号φTGを作成するため前記複数のブ
ロツク各々の電荷蓄積ゲート(GST14)電位
VGSTが出力されるように構成されていることを特
徴とするイメージセンサ(第7図)として構成を
有するものである。
That is, the present invention includes a plurality of light receiving elements 12 and an MIS provided corresponding to the light receiving elements 12 and gradually accumulating charges generated in the corresponding light receiving elements 12.
The structure has a charge storage region (semiconductor region under GST14 in FIG. 2), and the charge storage gates (GST14) existing on the charge storage region are connected in parallel to each other so that each charge storage gate (GST14) ) are controlled by a plurality of blocks (BL1, BL2, BL3, BL4, Fig. 7) that output the potential of the charge storage region (φ TG ), and the charge in the charge storage region is transferred to a plurality of stages of charge transfer elements ( Transfer gate (GT) for transferring to CCD register 18)
15), and a precharge circuit (V CC , Q 11 , Q 12 , Q 13 , Q 14 , R; FIG. 7), and the charge storage gate (GST14) potential of each of the plurality of blocks is provided to generate the control signal φTG .
The image sensor (FIG. 7) is configured to output V GST .

〔作用〕 フロウテイング状態にあるMIS構造のキヤパシ
タ中に電荷が注入されると、MIS電極の電位はこ
の注入電荷に比例して変動する現象が知られてい
る。
[Operation] It is known that when a charge is injected into a capacitor of an MIS structure in a floating state, the potential of the MIS electrode changes in proportion to the injected charge.

本発明はこの現象を利用するものであり、MIS
構造の複数の電荷蓄積ゲートを並列に接続し、そ
れらの平均電位の変化を検出することにより、受
光部からの電荷の平均値をリアルタイムに検知す
ることを可能とする。即ち、蓄積電極の電荷を一
度出力ダイオード等に取り出すことなしに検知す
ることができる。
The present invention utilizes this phenomenon, and MIS
By connecting a plurality of charge storage gates in the structure in parallel and detecting changes in their average potentials, it is possible to detect the average value of the charges from the light receiving section in real time. That is, it is possible to detect the charge on the storage electrode without once extracting it to an output diode or the like.

そして、上記で検知された受光部からの電荷の
平均値(全画素を数ブロツクに分けた部分平均値
でも同様)が所定の値となつたときに転送ゲート
をあけてCCDレジスタ部に送り、出力ダイオー
ド部に読み出される。また、転送ゲートをあける
時間と信号の大きさ(前記あらかじめわかつてい
る所定の値)から露光量が算出でき、カメラ等の
最適露光量の決定に利用することができる。
Then, when the average value of the charge from the light receiving section detected above (the same applies to the partial average value of all pixels divided into several blocks) reaches a predetermined value, the transfer gate is opened and the charge is sent to the CCD register section. Read out to the output diode section. In addition, the exposure amount can be calculated from the transfer gate opening time and the signal magnitude (the predetermined value known in advance), and can be used to determine the optimal exposure amount for a camera or the like.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の実施例の要部を示す回路図で
あり、12は受光部のフオトダイオード(PD)、
13は障壁ゲート(GB)、14は蓄積ゲート
(GST)、15は転送ゲート(GT)、16は第1
のグリアー・ゲート(GC1)、17のクリアー・
ゲート(GS2)、18はCCD電荷転送部(CCDレ
ジスタ)19及び20はそれぞれ第1、第2のク
リアー・ゲート16,17に対応するオーバフロ
ウドレイン(拡散領域)である。なお、図におい
て18AはCCDの電極、18Bは電極転送方向
である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the main parts of an embodiment of the present invention, in which 12 is a photodiode (PD) of a light receiving section;
13 is the barrier gate (GB), 14 is the storage gate (GST), 15 is the transfer gate (GT), and 16 is the first
of Greer Gate (GC1), 17 Clear Gates (GC1),
Gate (GS2), 18 is a CCD charge transfer unit (CCD register), and 19 and 20 are overflow drains (diffusion regions) corresponding to first and second clear gates 16 and 17, respectively. In the figure, 18A is the electrode of the CCD, and 18B is the electrode transfer direction.

そして、障壁ゲート(GB)13は所定のDCレ
ベルのラインL1に接続し、第1、第2のクリア
ー・ゲート16,17は所定の電位に制御される
ラインL4及びL5に接続し、オーバフロウドレイ
ン19,20はラインL3に共通接続している。
またφ1,φ2は転送用クロツクで相補関係にある。
The barrier gate (GB) 13 is connected to a line L1 at a predetermined DC level, and the first and second clear gates 16 and 17 are connected to lines L4 and L5 controlled to a predetermined potential. , overflow drains 19, 20 are commonly connected to line L3 .
Further, φ 1 and φ 2 are transfer clocks and have a complementary relationship.

ここで最も特徴的な構成は蓄積ゲート(GST)
14及び転送ゲート15である。各画素の蓄積ゲ
ート(GST)14は、ラインL2に共通接続され、
ラインL2は自動利得制御手段(IC内でもIC外で
も良い)30に接続し、その出力は転送ゲート
(GT)L6に接続している。
The most distinctive configuration here is the storage gate (GST)
14 and transfer gate 15. The storage gate (GST) 14 of each pixel is commonly connected to line L2 ,
Line L2 is connected to an automatic gain control means 30 (which may be within the IC or outside the IC), the output of which is connected to a transfer gate (GT) L6 .

自動利得制御手段は電位比較器21及びタイミ
ング発生回路22を有する。なお、Q1はリセツ
ト用トランジスタ、Q2は増幅用トランジスタで
ある。
The automatic gain control means includes a potential comparator 21 and a timing generation circuit 22. Note that Q1 is a reset transistor, and Q2 is an amplification transistor.

動作は、まずリセツト用トランジスタQ1のゲ
ートにリセツトパルスを入力し、トランジスタ
Q1をオンして、L2と蓄積ゲート(GST)14を
所定の高電位(Vcc)にする。次にリセツト入力
が低レベルになるとQ1がオフしてラインL2とこ
れに接続する各蓄積ゲート(GST)14がフロ
ウテイング状態になる。各画素のフオトダイオー
ド(PD)12において、入射光の強さに応じて
発生した電荷は、バリアゲート13を介して蓄積
ゲート(GST)14下に蓄積される。電荷が蓄
積されるのに応じて、フロウテイング状態の蓄積
ゲートの電位が低下しようとするが、各蓄積ゲー
トはラインL2に並列接続しているから、各蓄積
ゲート14の下の蓄積電荷の平均値に応じて各蓄
積ゲート14とこれに接続するラインL2の電位
が低下することになる。
The operation begins by inputting a reset pulse to the gate of reset transistor Q1 , and then
Turn on Q 1 and set L 2 and the storage gate (GST) 14 to a predetermined high potential (V cc ). Next, when the reset input goes low, Q1 is turned off, causing line L2 and each of the storage gates (GST) 14 connected thereto to be in a floating state. In the photodiode (PD) 12 of each pixel, charges generated according to the intensity of incident light are accumulated under the storage gate (GST) 14 via the barrier gate 13. As charge accumulates, the potential of the storage gate in the floating state tends to decrease, but since each storage gate is connected in parallel to line L2 , the accumulated charge under each storage gate 14 decreases. The potential of each storage gate 14 and the line L2 connected thereto decreases in accordance with the average value.

そして、このラインL2の電位の低下はトラン
ジスタQ2を介して電位比較回路21に入力し、
基準電圧Vrefと比較することによつて、所定の電
位までラインL2の電位が低下、したがつて各
(全)蓄積電極下の電荷の平均値が所定値(CCD
の電荷転送が正常に行なわれる範囲)になつたと
き、電位比較回路21の出力が高レベルとなり、
この立上りをとらえてタイミング発生回路
(TG)22は転送パルスを発生し、ラインL6
介して転送ゲート(GT)15に加える。その結
果、転送ゲート15が開き、各蓄積電極14下の
電荷はCCD転送部(CCDレジスタ18)に送ら
れる。
Then, this decrease in the potential of line L2 is input to the potential comparator circuit 21 via transistor Q2 ,
By comparing with the reference voltage V ref , the potential of line L 2 is reduced to a predetermined potential, so that the average value of the charges under each (all) storage electrodes is reduced to a predetermined value (CCD
(a range in which charge transfer is normally performed), the output of the potential comparator circuit 21 becomes high level,
The timing generation circuit (TG) 22 detects this rising edge and generates a transfer pulse, which is applied to the transfer gate (GT) 15 via the line L6 . As a result, the transfer gate 15 opens and the charges under each storage electrode 14 are sent to the CCD transfer section (CCD register 18).

第2図に第1図の縦断面構成を表わしており、
下方に各部のポテンシヤルを示している。各部の
記号、番号は第1図と統一している。かかる構成
において、障壁ゲート13、蓄積ゲート14には
所定のプラス電位が与えられ、基板SUBの表面
には、図示太線のような電位のプロフアイルが形
成される。
Figure 2 shows the longitudinal cross-sectional configuration of Figure 1.
The potential of each part is shown below. The symbols and numbers of each part are the same as in Figure 1. In this configuration, a predetermined positive potential is applied to the barrier gate 13 and the storage gate 14, and a potential profile as shown by the thick line in the figure is formed on the surface of the substrate SUB.

この状態で蓄積ゲート14はフロウテイング状
態になされ、それとともにフオトダイオード
(PD)12から障壁ゲート13を介して流入する
電荷が該蓄積ゲート14の下の電位の井戸に蓄積
され始め、転送ゲート15が開かれる所定のタイ
ミングまで蓄積が行なわれ、転送ゲート15が開
かれた時点(ポテンシヤルは図示破線のように下
がる)で蓄積されていた電荷はCCDレジスタ1
8に転送される。
In this state, the storage gate 14 is put into a floating state, and at the same time, charges flowing from the photodiode (PD) 12 through the barrier gate 13 begin to be stored in the potential well below the storage gate 14, and the transfer gate 15 The charge is accumulated until a predetermined timing when the transfer gate 15 is opened, and the accumulated charge is transferred to the CCD register 1 at the time when the transfer gate 15 is opened (the potential decreases as shown by the broken line in the figure).
Transferred to 8.

上記において、蓄積ゲート14の電位は前述の
ように各蓄積ゲート14が並列接続されている関
係で並列に接続されている全蓄積ゲートの電荷の
蓄積量の平均値に応じて低下することになる。そ
して、上述のように電荷の蓄積の平均値が所定値
に達すると転送パルスが転送ゲート15に加えら
れ、蓄積電荷が転送される。
In the above, since each storage gate 14 is connected in parallel as described above, the potential of the storage gate 14 decreases according to the average value of the amount of charge accumulated in all the storage gates connected in parallel. . Then, as described above, when the average value of charge accumulation reaches a predetermined value, a transfer pulse is applied to the transfer gate 15, and the accumulated charges are transferred.

第3図に、動作のタイミング波形図を示してあ
り、Rのリセツトパルスの印加によりトランジス
タQ1が導通して蓄積ゲート14の電位VGSTは高
電位にプリチヤージされ、リセツトパルスが切れ
ると蓄積ゲート14は高電位のフロウテイング状
態になる。
FIG. 3 shows a timing waveform diagram of the operation. When the reset pulse R is applied, the transistor Q1 becomes conductive, and the potential V GST of the storage gate 14 is precharged to a high potential. When the reset pulse is cut off, the storage gate 14 is precharged to a high potential. 14 is in a high potential floating state.

蓄積ゲート14下に電荷が蓄積されるのにつれ
てその電位が低下するが、本実施例では前述のよ
うに蓄積ゲート14は全画素について並列接続さ
れているから、全画素の蓄積電荷の平均値に応じ
て(図面に対する入射光量に応じて)低下し、そ
れが所定値に達すると自動利得制御手段30が働
き、転送パルスφTGが転送ゲート(TG)に加え
られ、転送ゲート18が開いてCCDレジスタに
蓄積されていた電荷が送り出される。
As charges are accumulated under the accumulation gate 14, its potential decreases; however, in this embodiment, since the accumulation gates 14 are connected in parallel for all pixels as described above, the average value of the accumulated charges for all pixels When it reaches a predetermined value, the automatic gain control means 30 is activated, a transfer pulse φTG is applied to the transfer gate (TG), the transfer gate 18 is opened, and the CCD The charge stored in the register is sent out.

以上の動作において、画面に入射する光量が大
な時には速くVGSTが所定値に達するから、短かい
周期(t1)で転送ゲートが開き、また光量が小さ
な時には長い周期(t2)で転送ゲートが開くこと
になる。
In the above operation, when the amount of light incident on the screen is large, V GST reaches the predetermined value quickly, so the transfer gate opens in a short cycle (t 1 ), and when the amount of light is small, the transfer gate opens in a long cycle (t 2 ). The gate will open.

このように本実施例のCCDイメージセンサは、
画面に入射する光量の平均値で転送ゲートが開く
周期が自動的に変わり、常に所定量の電荷が
CCDレジスタに送られ、電荷のオーバフロウが
防止される。
In this way, the CCD image sensor of this example is
The frequency at which the transfer gate opens automatically changes depending on the average amount of light incident on the screen, ensuring that a predetermined amount of charge is always maintained.
The charge is sent to the CCD register to prevent charge overflow.

また一方、転送パルスφTGの周期をもとに露光
量を算出することができ、これらカメラのシヤツ
タ時間を決定することができる。
On the other hand, the exposure amount can be calculated based on the period of the transfer pulse φTG , and the shutter time of these cameras can be determined.

次に、第4図に表わすのは、実施例のイメージ
センサの全体的平面図であり、第1図と同一部分
には同一番号を付して指示してある。図におい
て、31はCCDレジスタの出力ゲート、32は
出力回路である。斜線を施した部分は拡散領域を
表わし、白枠(13,14,15,16,17,
18A,31)はMIS構造の電極である。なお、
第4図の回路において、AGCが不要な場合には、
ラインL2に接続するVSTに固定電位を与えれば良
い。
Next, FIG. 4 is a general plan view of the image sensor of the embodiment, and the same parts as in FIG. 1 are designated by the same numbers. In the figure, 31 is an output gate of the CCD register, and 32 is an output circuit. The shaded area represents the diffusion area, and the white frame (13, 14, 15, 16, 17,
18A, 31) is an electrode of MIS structure. In addition,
In the circuit shown in Figure 4, if AGC is not required,
Just give a fixed potential to VST connected to line L2 .

以上は、全画素を並列に接続しCCD受光吹か
らの電荷の全平均をリアルタイムに検知する例で
あつたが、第7図に表わすように画素全体をBL
1,BL2,BL3,BL4等と数ブロツクに分割
して各々の平均値(部分平均値)をとり、これら
のうちの1個のブロツクの平均値を使用したり、
2ブロツク以上の平均値を演算処理してAGCを
かけるようにすることもできる。なお、第7図に
おいて、14(GST)が第1図に示す蓄積ゲー
ト14に相当し、ブロツク毎に並列接続してお
り、第1図のラインL2に対応する各ブロツク毎
のラインL21〜L24を経由して第1図のトランジス
タQ1,Q2に相当してブロツク毎に備えられるト
ランジスタQ11〜Q14,Q21〜Q24の回路に接続し、
自動利得制御電圧VAGC1〜VAGC4が自動利得制御手
段に接続される。
The above was an example of connecting all pixels in parallel and detecting the total average of charges from the CCD light receiving blowout in real time.
Divide into several blocks such as 1, BL2, BL3, BL4, etc., take the average value (partial average value) of each block, and use the average value of one of these blocks,
It is also possible to perform arithmetic processing on the average value of two or more blocks and apply AGC. In FIG. 7, 14 (GST) corresponds to the storage gate 14 shown in FIG. 1, and is connected in parallel for each block, with line L 21 for each block corresponding to line L 2 in FIG. ~ L24 to the circuit of transistors Q11 ~ Q14 , Q21 ~ Q24 , which are provided for each block and correspond to the transistors Q1 , Q2 in FIG.
Automatic gain control voltages V AGC1 to V AGC4 are connected to the automatic gain control means.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、CCD受光部からの電荷の平均値(全画素又
は部分画素に対する)をリアルタイムに検知する
ことができ、蓄積電荷の平均値(又は部分平均
値)が所定値になつたときに、転送ゲートを開い
て電荷を読み出すようにして、電荷のオーバフロ
ウを防止することができる。また、転送パルスの
周期をもとに露光量を算出することができ、これ
を用いてカメラのシヤツタ時間を決定すること等
が可能になる。
As is clear from the above description, according to the present invention, the average value of charges from the CCD light receiving section (for all pixels or partial pixels) can be detected in real time, and the average value (or partial average value) of accumulated charges can be detected in real time. When the value) reaches a predetermined value, the transfer gate is opened and the charge is read out, thereby preventing the charge from overflowing. Further, the exposure amount can be calculated based on the period of the transfer pulse, and this can be used to determine the shutter time of the camera.

また、本発明によれば、蓄積ゲートを数ブロツ
クに分割し、各ブロツクの中で電荷量が最大のブ
ロツクに注目して蓄積時間を決定することもでき
るため、このブロツクの電位によつて制御するな
どということも可能となり、各ブロツクが電気的
に共通に接続されている場合に比べ、読み出し精
度が向上するという利点がある。
Furthermore, according to the present invention, the storage gate can be divided into several blocks, and the storage time can be determined by focusing on the block with the largest amount of charge among each block, so that the storage time can be controlled by the potential of this block. This has the advantage that reading accuracy is improved compared to the case where each block is electrically connected in common.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例の要部構成図、第2図
は本発明の実施例の縦断面図による動作説明図、
第3図は実施例の動作波形図、第4図は実施例の
全体的構成図、第5図は従来のイメージセンサに
用いる電荷結合装置の模式図、第6図は、自動利
得制御機能を持つ電荷転送装置の平面図、第7図
は本発明の実施例で、画素をブロツクに分割した
構成図である。 主な符号、12……フオトダイオード、13…
…バリアゲート(電極)、14……蓄積ゲート
(電極)、15……転送ゲート(電極)、18……
CCDレジスタ(電荷転送部)、30……自動利得
制御手段。
FIG. 1 is a configuration diagram of main parts of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an operational explanatory diagram using a longitudinal cross-sectional view of the embodiment of the present invention,
Fig. 3 is an operational waveform diagram of the embodiment, Fig. 4 is an overall configuration diagram of the embodiment, Fig. 5 is a schematic diagram of a charge-coupled device used in a conventional image sensor, and Fig. 6 shows an automatic gain control function. FIG. 7 is a plan view of a charge transfer device according to an embodiment of the present invention, and is a configuration diagram in which pixels are divided into blocks. Main code, 12...Photodiode, 13...
...Barrier gate (electrode), 14...Storage gate (electrode), 15...Transfer gate (electrode), 18...
CCD register (charge transfer unit), 30... automatic gain control means.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 複数の受光素子と、 該各受光素子に対応して設けられ、対応する受
光素子で発生した電荷を漸次蓄積するMIS構造の
電荷蓄積領域を有し、 該電荷蓄積領域上に存在する電荷蓄積ゲートを
互いに並列接続して、各々の該電荷蓄積ゲートの
電位を出力する複数のブロツクと、 制御信号によつて制御され、該電荷蓄積領域の
電荷を複数段の電荷転送素子へ転送するための転
送ゲートと、 該各電荷蓄積ゲートを所定電位にプリチヤージ
すると共に該電荷蓄積ゲートをフローテイング状
態にするプリチヤージ回路と を具備し、 前記制御信号を作成するため前記複数のブロツ
ク各々の電荷蓄積ゲート電位が出力されるように
構成されていることを特徴とするイメージセン
サ。
[Scope of Claims] 1. A plurality of light-receiving elements, and a charge accumulation region having an MIS structure provided corresponding to each light-receiving element and gradually accumulating charges generated in the corresponding light-receiving element, the charge accumulation region A plurality of blocks that connect charge storage gates located above in parallel to each other and output the potential of each charge storage gate; and a plurality of blocks that output the potential of each charge storage gate; a transfer gate for transferring the charge to the device; and a precharge circuit that precharges each charge storage gate to a predetermined potential and puts the charge storage gate into a floating state, and the plurality of blocks for generating the control signal. An image sensor characterized in that the image sensor is configured so that each charge storage gate potential is output.
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JPS56154880A (en) * 1980-04-30 1981-11-30 Toshiba Corp Solid-state image sensor
JPS5974667A (en) * 1982-10-22 1984-04-27 Toshiba Corp Solid-state image pick-up device

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