JPH06268916A - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、垂直転送部での待機時間が長くて
もスミアやブルーミングの影響を受けにくくし、信号電
荷が劣化することを防止し得る固体撮像素子の駆動方法
を提供することを目的としている。 【構成】水平及び垂直方向に配列された複数の光電変換
素子にそれぞれ対応して設置されるもので、該光電変換
素子に蓄積された電荷が転送されるためのゲートを有す
る第１の垂直転送素子と、ゲートを有さず第１の垂直転
送素子に転送された電荷が転送される第２の垂直転送素
子とからなる垂直転送部とを備えた固体撮像素子におい
て、光電変換素子に蓄積された電荷がゲートを介して第
１の垂直転送素子に転送された後、該第１の垂直転送素
子の電荷を第２の垂直転送素子に転送し、転送終了後、
第１の垂直転送素子のポテンシャルをバリアとするよう
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばビデオカメラ
や電子スチルカメラ等の撮像装置に使用される固体撮像
素子の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、首記の如き撮像装置で
は、撮影した被写体の光学像を固体撮像素子を介して電
気的な画像信号に変換するようにしている。この場合、
固体撮像素子としては、例えばＩＴ（インターライン・
トランスファ）−ＣＣＤ（チャージ・カップルド・デバ
イス）やＦＩＴ（フレーム・インターライン・トランス
ファ）−ＣＣＤ等が広く用いられている。

【０００３】図２は、このＦＩＴ−ＣＣＤの構造を示し
ている。すなわち、被写体の光学像が結像されるイメー
ジ部１１と、このイメージ部１１で得られた電荷を記憶
するメモリ部１２と、このメモリ部１２に記憶された電
荷が１水平ライン単位で転送される水平転送部１３と、
この水平転送部１３から出力された電荷を増幅してする
出力部１４とから構成されている。

【０００４】そして、上記イメージ部１１は、水平及び
垂直方向に配列された複数（図示の場合は１６個）のフ
ォトダイオードＰＤと、これらフォトダイオードＰＤか
ら得られる電荷がそれぞれ転送され、その転送された電
荷を垂直方向に転送して上記メモリ部１２に送出する垂
直転送ＣＣＤ１５とから構成されている。なお、上記メ
モリ部１２は垂直転送ＣＣＤ１６で構成され、水平転送
部１３は水平転送ＣＣＤで構成され、出力部１４はバッ
ファ回路で構成されている。

【０００５】ここで、図３（ａ）は、上記フォトダイオ
ードＰＤと垂直転送ＣＣＤ１５との関係を示している。
すなわち、垂直転送ＣＣＤ１５は、第１フィールドの信
号電荷を蓄積するフォトダイオードＰＤ１と、このフォ
トダイオードＰＤ１に垂直方向に隣接して設けられる第
２フィールドの信号電荷を蓄積するフォトダイオードＰ
Ｄ２とに対して、４つの電極Ｖ４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が
割り当てられており、電極Ｖ１，Ｖ３がフォトダイオー
ドＰＤ１，ＰＤ２に蓄積された電荷を垂直転送ＣＣＤ１
５に転送するためのシフトゲートＳＧ１，ＳＧ２を兼ね
ている。

【０００６】図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ
図３（ａ）に示したイメージ部１１の断面ａ−ｂ方向の
ポテンシャルの様子を示している。すなわち、図３
（ｂ）に示すように、電極Ｖ３に電圧ＶＭが印加されて
いる状態では、シフトゲートＳＧ２のポテンシャルバリ
アが高く、フォトダイオードＰＤ２に信号電荷ＳＱが蓄
積される。

【０００７】この状態で、図３（ｃ）に示すように、電
極Ｖ３に電圧ＶＨ（＞ＶＭ）を印加すると、シフトゲー
トＳＧ２のポテンシャルバリアが下がり信号電荷ＳＱが
電極Ｖ３に移動される。その後、図３（ｄ）に示すよう
に、電極Ｖ３に電圧ＶＭを印加すると、再びシフトゲー
トＳＧ２のポテンシャルバリアが高くなり、ここに、フ
ォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷ＳＱの垂直
転送ＣＣＤ１５への転送が行なわれる。

【０００８】また、垂直転送ＣＣＤ１５の４つの電極Ｖ
４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、電圧ＶＭまたはＶＬ（＜Ｖ
Ｍ）をそれぞれ選択的に与えることによって、各電極Ｖ
４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３間のポテンシャルバリアを高くし
たり低くしたりすることができる。このため、詳細は後
述するが、垂直転送ＣＣＤ１５に転送された信号電荷Ｓ
Ｑは、各電極Ｖ４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に与える電圧ＶＭ
またはＶＬの関係によって、垂直方向に順次転送される
ようになる。

【０００９】次に、上記のような構造となされたＦＩＴ
−ＣＣＤをフレームシャッタ駆動する場合について、図
４及び図５を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示
す初期状態では、フォトダイオードＰＤに不要電荷ＨＱ
が蓄積されている。そこで、垂直転送ＣＣＤ１５の電極
Ｖ１，Ｖ３に電圧ＶＨを与えてシフトゲートＳＧ１，Ｓ
Ｇ２を開き、図４（ｂ）に示すように、フォトダイオー
ドＰＤの不要電荷ＨＱを垂直転送ＣＣＤ１５に移動さ
せ、以下、メモリ部１２，水平転送部１３及び出力部１
４に順次転送させることで掃き出しが行なわれる。

【００１０】この場合、図５に示すように、垂直転送Ｃ
ＣＤ１５の電極Ｖ１，Ｖ３に電圧ＶＨを与えてシフトゲ
ートＳＧ１，ＳＧ２を開くタイミングＴ１，Ｔ２は、第
１フィールド（シフトゲートＳＧ１）と第２フィールド
（シフトゲートＳＧ２）とで１／３０００ｓの時間差が
生じるが、実用上問題のないものである。

【００１１】このようにシフトゲートＳＧ１，ＳＧ２を
開いて不要電荷ＨＱを掃き出した直後から、図４（ｃ）
に示すように、フォトダイオードＰＤには第１フィール
ド及び第２フィールドに対応する信号電荷ＳＱ１，ＳＱ
２がそれぞれ蓄積し始める。第１フィールドの信号電荷
ＳＱ１は、タイミングＴ１〜Ｔ３の期間（シャッタ時
間）蓄積され、第２フィールドの信号電荷ＳＱ２は、タ
イミングＴ２〜Ｔ４の期間（シャッタ時間）蓄積され
る。第１フィールドと第２フィールドとで信号電荷ＳＱ
１，ＳＱ２の蓄積時間を全く等しくするため、第２フィ
ールドの信号電荷ＳＱ２の蓄積終了タイミングＴ４は、
第１フィールドの信号電荷ＳＱ１の蓄積終了タイミング
Ｔ３よりも１／３０００ｓだけ遅れることになる。

【００１２】第１フィールドの信号電荷ＳＱ１は、タイ
ミングＴ３で電極Ｖ１に電圧ＶＨが与えられシフトゲー
トＳＧ１が開かれることにより垂直転送ＣＣＤ１５に移
動された後、図４（ｄ）に示すように、メモリ部１２に
高速転送される。この高速転送時間が、約１／３０００
ｓとなる。

【００１３】第１フィールドの信号電荷ＳＱ１が高速転
送された直後に、電極Ｖ２に電圧ＶＭを印加しポテンシ
ャルを井戸にしておく。そして、タイミングＴ４で電極
Ｖ３に電圧ＶＨが与えられることでシフトゲートＳＧ２
が開き、図４（ｅ）に示すように、第２フィールドの信
号電荷ＳＱ２が垂直転送ＣＣＤ１５に移動された後、電
極Ｖ３に電圧ＶＭを与えることでシフトゲートＳＧ２を
閉じる。これにより、第２フィールドの信号電荷ＳＱ２
は、電極Ｖ２，Ｖ３下のポテンシャルの井戸で約１フィ
ールド期間の待機状態となり、この期間に第１フィール
ドの信号電荷ＳＱ１の読み出しが行なわれる。

【００１４】すなわち、第１フィールドの信号電荷ＳＱ
１は、この１フィールドの待機期間に、図４（ｆ）に示
すように、メモリ部１２から水平転送部１３及び出力部
１４を介して１水平ラインづつ順次読み出される。そし
て、第１フィールドの信号電荷ＳＱ１の読み出しが終了
すると、垂直転送ＣＣＤ１５に待機されていた第２フィ
ールドの信号電荷ＳＱ２が、図４（ｇ）に示すように、
メモリ部１２に高速転送され、その後、１フィールドの
期間に図４（ｈ）に示すように、メモリ部１２から水平
転送部１３及び出力部１４を介して１水平ラインづつ順
次読み出され、ここに、１フレーム分の信号電荷ＳＱ
１，ＳＱ２の読み出しが終了される。

【００１５】ここで、図６は、先に図３（ａ）に示した
イメージ部１１の断面ｃ−ｄ方向のポテンシャルの様子
と、各電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ１に与える電圧ＶＭ，
ＶＬとを示している。すなわち、図６（ａ）は、第２フ
ィールドの信号電荷ＳＱ２が１フィールド期間待機して
いる様子を示し、図６（ｂ）〜（ｉ）は、第２フィール
ドの信号電荷ＳＱ２が電極Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の順
に垂直移動していく様子を示している。

【００１６】しかしながら、上記のようなＦＩＴ−ＣＣ
Ｄにおける従来の駆動方法では、第２フィールドの信号
電荷ＳＱ２の待機期間に関連して２つの問題が生じてい
る。まず、第１の問題は、第２フィールドの信号電荷Ｓ
Ｑ２が１フィールド期間待機している間に、この待機し
ている信号電荷ＳＱ２にスミア（光が垂直転送ＣＣＤ１
５に漏れ込んで電荷を発生させること）による電荷が重
疂されるため、第１フィールドと第２フィールドとの間
に感度差が生じてしまうということである。

【００１７】また、第２の問題は、一般に、飽和信号量
を越える高輝度の被写体に対しブルーミング（フォトダ
イオードの電荷が垂直転送ＣＣＤ１５に溢れ出すこと）
が発生するが、この発生の程度が、第２フィールドの信
号電荷ＳＱ２が垂直転送ＣＣＤ１５に待機している時間
が長い（第１フィールドの信号電荷ＳＱ１に比して５０
倍）ため、第１フィールドに比べて第２フィールドのブ
ルーミングがかなり大きくなるということである。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
固体撮像素子の駆動方法では、第２フィールドの信号電
荷が垂直転送部で待機している期間が長いためにスミア
やブルーミングの影響を受けるので、第１フィールドの
信号電荷に比して第２フィールドの信号電荷が劣化し易
いという問題を有している。

【００１９】そこで、この発明は上記事情を考慮してな
されたもので、垂直転送部での待機時間が長くてもスミ
アやブルーミングの影響を受けにくくし、信号電荷が劣
化することを防止し得る極めて良好な固体撮像素子の駆
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】この発明に係る固体撮像
素子の駆動方法は、水平及び垂直方向に配列された複数
の光電変換素子にそれぞれ対応して設置されるもので、
該光電変換素子に蓄積された電荷が転送されるためのゲ
ートを有する第１の垂直転送素子と、ゲートを有さず第
１の垂直転送素子に転送された電荷が転送される第２の
垂直転送素子とからなる垂直転送部とを備えた固体撮像
素子を対象としている。そして、光電変換素子に蓄積さ
れた電荷がゲートを介して第１の垂直転送素子に転送さ
れた後、該第１の垂直転送素子の電荷を第２の垂直転送
素子に転送し、転送終了後、第１の垂直転送素子のポテ
ンシャルをバリアとするようにしたものである。

【００２１】

【作用】上記のような方法によれば、光電変換素子に蓄
積された電荷がゲートを介して第１の垂直転送素子に転
送された後、該第１の垂直転送素子の電荷を第２の垂直
転送素子に転送し、転送終了後、第１の垂直転送素子の
ポテンシャルをバリアとするようにしたので、電荷の垂
直転送部での待機時間が長くなってもスミアやブルーミ
ングの影響が受けにくくなり、電荷が劣化することを防
止することができるようになる。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して詳細に説明する。この実施例では、図２に示した
構造のＦＩＴ−ＣＣＤをフレームシャッタ駆動する場合
の駆動方法について説明する。まず、図４（ｄ）に示し
たように、第１フィールドの信号電荷ＳＱ１が、タイミ
ングＴ３で電極Ｖ１に電圧ＶＨが印加されシフトゲート
ＳＧ１が開かれることにより垂直転送ＣＣＤ１５に移動
された後、メモリ部１２に高速転送されるところまで
は、従来と同様である。

【００２３】そして、第１フィールドの信号電荷ＳＱ１
がメモリ部１２に高速転送された後に、電極Ｖ１に電圧
ＶＬを与えてポテンシャルをバリアにする。その直後
に、電極Ｖ２，Ｖ４に電圧ＶＭを印加しポテンシャルを
井戸にしておく。そして、タイミングＴ４で電極Ｖ３に
電圧ＶＨを与えてシフトゲートＳＧ２を開き、図４
（ｅ）に示すように、第２フィールドの信号電荷ＳＱ２
を垂直転送ＣＣＤ１５に移動させる。これにより、信号
電荷ＳＱ２が垂直転送ＣＣＤ１５の電極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ
４下のポテンシャルの井戸に移動したところで、電極Ｖ
３に電圧ＶＬを与えてポテンシャルをバリアにする。こ
のため、第２フィールドの信号電荷ＳＱ２は、電極Ｖ
２，Ｖ４下のポテンシャルの井戸で、約１フィールド期
間待機することになる。

【００２４】図１は、先に図３（ａ）に示したイメージ
部１１の断面ｃ−ｄ方向のポテンシャルの様子と、各電
極Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ１に与える電圧ＶＭ，ＶＬとを
示している。すなわち、図１（ａ）は、第２フィールド
の信号電荷ＳＱ２がフォトダイオードＰＤから電極Ｖ３
下の垂直転送ＣＣＤ１５に移動された直後の様子を示
し、図１（ｂ）は、第２フィールドの信号電荷ＳＱ２が
１フィールド期間待機している様子を示しており、図１
（ｃ）〜（ｊ）は、図６（ｂ）〜（ｉ）と同様の状態を
示している。

【００２５】第２フィールドの信号電荷ＳＱ２が１フィ
ールド期間待機している状態では、ポテンシャルは電極
Ｖ２，Ｖ４の下が井戸になっていて、シフトゲートＳＧ
１，ＳＧ２を兼ねている電極Ｖ１，Ｖ３はバリアになっ
ている。このため、垂直転送ＣＣＤ１５に待機している
第２フィールドの信号電荷ＳＱ２が、スミアやブルーミ
ングの影響を受けにくくなり、第２フィールドの撮像特
性を第１フィールドの撮像特性に近付けることができる
ようになる。なお、この発明は上記実施例に限定される
ものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
垂直転送部での待機時間が長くてもスミアやブルーミン
グの影響を受けにくくし、信号電荷が劣化することを防
止し得る極めて良好な固体撮像素子の駆動方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る固体撮像素子の駆動方法の一実
施例を説明するために示す図。

【図２】ＦＩＴ−ＣＣＤの構造を示す図。

【図３】同ＦＩＴ−ＣＣＤのイメージ部の構造と動作を
説明するために示す図。

【図４】同ＦＩＴ−ＣＣＤをフレームシャッタ駆動した
ときの動作を説明するために示す図。

【図５】同ＦＩＴ−ＣＣＤをフレームシャッタ駆動する
ときのタイミングを説明するために示す図。

【図６】同ＦＩＴ−ＣＣＤにおける垂直転送動作を説明
するために示す図。

【符号の説明】

１１…イメージ部、１２…メモリ部、１３…水平転送
部、１４…出力部、１５，１６…垂直転送ＣＣＤ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水平及び垂直方向に配列された複数の光
   電変換素子にそれぞれ対応して設置されるもので、該光
   電変換素子に蓄積された電荷が転送されるためのゲート
   を有する第１の垂直転送素子と、前記ゲートを有さず前
   記第１の垂直転送素子に転送された電荷が転送される第
   ２の垂直転送素子とからなる垂直転送部とを備えた固体
   撮像素子において、前記光電変換素子に蓄積された電荷
   が前記ゲートを介して前記第１の垂直転送素子に転送さ
   れた後、該第１の垂直転送素子の電荷を前記第２の垂直
   転送素子に転送し、転送終了後、前記第１の垂直転送素
   子のポテンシャルをバリアとするようにしてなることを
   特徴とする固体撮像素子の駆動方法。