JPH07250286A

JPH07250286A - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JPH07250286A
Application number: JP6042362A
Authority: JP
Inventors: Naoko Endou; 菜穂子遠藤; Masayuki Matsunaga; 誠之松長; Nobuo Nakamura; 信男中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】蓄積ダイオードの飽和バラツキに起因する再
生画像のムラを招くことなく、ダイナミックレンジの拡
大をはかることができ、ハイライト光の被写体について
も潰れないで再生できるような固体撮像装置を提供する
こと。【構成】半導体基板上に二次元配列された光電変換部
１と、複数本の垂直ＣＣＤと、１本の水平ＣＣＤとを備
え、隣接する画素の信号電荷を加算することなく全画素
の信号電荷を別々に読み出せる電極構成の、固体撮像装
置を駆動する方法において、垂直ブランキング期間に同
一画素で信号読み出しを２回行い、１回目の読み出しに
おける信号電荷の垂直方向に隣接する２画素分を垂直Ｃ
ＣＤ内で加算し、２回目の読み出しにおける信号電荷の
垂直方向に隣接する２画素分を垂直ＣＣＤ内で加算し、
各々加算された信号蓄積時間の異なる２種類の信号電荷
を垂直ＣＣＤ内を同時に転送させ、これらの信号電荷を
独立して読み出すこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、信号電荷蓄積部からの
信号電荷の読出しにＣＣＤ（電荷転送素子）を用いた固
体撮像装置に係わり、特にダイナミックレンジの拡大を
はかった固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像装置
は、撮像管に比べて小型軽量，高信頼性といった特長が
あるため、ＮＴＳＣ方式の放送ビデオカメラや民生用ビ
デオカメラ等に普及している。また、次世代のハイビジ
ョンの放送（ＨＤ−ＴＶ）用のビデオカメラとしても期
待されている。

【０００３】図１８に、従来のビデオカメラに用いられ
ているインターライン型ＣＣＤ撮像素子（ＩＴ−ＣＣ
Ｄ）の構成配置図を示す。ＩＴ−ＣＣＤは、光電変換部
１，垂直ＣＣＤ２，水平ＣＣＤ３及び出力アンプ４等か
ら構成される。光電変換部１で光信号を信号電荷に変換
し、垂直ＣＣＤ２にφV1〜φV4の４層のクロックパルス
を印加することで、水平ＣＣＤ３へ信号電荷を転送す
る。そして、水平ＣＣＤ３を２相のクロックパルスφH
1，φH2で駆動し、最終的に信号電荷を出力アンプ４で
電圧に変換して出力する。

【０００４】図１９に、光電変換部での信号電荷の蓄積
動作を示す。ＩＴ−ＣＣＤは、フィールド蓄積モードで
動作している。Ａフィールドでは、光電変換部の垂直方
向の２画素加算の組み合わせを、図１８に示すように１
HA，２HAとして垂直ＣＣＤで加算し、水平ＣＣＤで読み
出す。即ち、１フィールド期間蓄積した信号を垂直ＣＣ
ＤにＰF1のパルスを印加することにより、光電変換部よ
り垂直ＣＣＤに読み出し、垂直ＣＣＤで１HA，２HAの加
算を行う。そして、ラインシフトパルスＰＬを印加して
水平転送パルスφH で水平方向に読み出す。

【０００５】Ｂフィールドでは、Ａフィールド期間蓄積
した信号電荷をＰF2パルスで垂直ＣＣＤに転送し、垂直
ＣＣＤで１HB，２HBの加算動作を行い、ラインシフトパ
ルスＰＬを印加して水平転送パルスφＨで読み出す。

【０００６】図１９において、１フィールド期間に光電
変換部で蓄積される信号電荷をＱで表わす。入力信号が
標準信号量相当のときはＱA のようになり、ＰF1，ＰF2
パルスで１フィールド期間に蓄積した信号電荷を読み出
し、再生画像を得ることができる。しかし、入力信号が
大きいときはＱB のように１フィールド期間の途中で飽
和（Ｑmax ）となる。この場合、再生画像ではハイライ
ト信号が潰れるため真っ白な不自然な画像となってしま
う。また、この問題は、今後微細化が進み、垂直ＣＣＤ
が狭くなると飽和信号量が減少し、ダイナミックレンジ
が低下してさらに顕著に現れる。

【０００７】一方、従来の固体撮像素子をチップとして
用い、この固体撮像素子チップ上に光導電膜を積層した
積層型の固体撮像装置が開発されている。この装置で
は、ＣＣＤ部で光電変換領域が制限されることもなく、
開口率を高くして感度向上をはかることができる。

【０００８】積層型の固体撮像装置における読み出しパ
ルスの駆動タイミングを、図２０に示す。この例では、
垂直ブランキング期間の無効期間に、Ｖ6 の電圧パルス
を読み出しゲートに印加することによって、蓄積ダイオ
ードの信号を垂直電荷転送部の埋め込みチャネルに読み
出す。その後、Ｂのフレームシフトの駆動を行うことに
より、信号電荷を垂直電荷転送部からメモリ部へ転送す
る。なお、この例はＦＩＴ構造の積層型固体撮像装置の
例であるが、ＩＴ型（インターライントランスファ型）
でもよいし、ＦＴ型（フレームトランスファ型）でもよ
い。

【０００９】図２１は、蓄積ダイオードの信号電荷を埋
込みチャネルに読み出す別の駆動方法を示す。この例で
は、透明電極にマイナスの電圧パルス“Ｖ2 ”を印加す
ることによって読み出している。

【００１０】図２０や図２１の読み出しのタイミングで
は、図２２に示すように、入射光量に比例して蓄積ダイ
オードの信号電荷量が減少するが、飽和信号量Ｉに達す
るとそれ以上は蓄積できなくなる。そのため、固体撮像
装置のチップサイズの縮小化や画素数の増加によって蓄
積ダイオードの最大蓄積信号量が減少し、入射光量に対
するダイナミックレンジが低下してしまう。また、図２
２において、入射光量がなくても蓄積ダイオードが不完
全転送モードのために信号が出力されるＦの領域が存在
する。

【００１１】ダイナミックレンジの低下を解決する手段
として、文献１（Y.Endo et al.,IEEE,ED-32,No.8,pp.1
511-1513,No.8,Aug.1985）、文献２（H.Shibata et a
l.,ISSCC Dig.Tech.Papers,TP11.1,Feb,1992）に示され
る方法がある。

【００１２】この方法では、図２３に示すように、信号
蓄積期間をＴ1 期間とＴ2 期間（但しＴ１＞Ｔ2 ）に分
割し、Ｔ1 期間蓄積した後で１回目の読み出しのパルス
電圧“Ｖ7 ”を印加し、このときに蓄積ダイオードに残
留している電荷Ｑ1 と、次の２回目の蓄積期間であるＴ
２期間に蓄積ダイオードに蓄積される信号電荷量Ｑ2の
和Ｑ1 ＋Ｑ2 を２回目の読み出しパルス電圧“Ｖ8 ”に
よって垂直電荷転送部の埋込みチャネルに読み出す。そ
して、このＱ1 ＋Ｑ2 の信号電荷をＢのフレームシフト
で転送することにより、入射光量に対するダイナミック
レンジを拡大できる。以下、この駆動方法をニー動作
（knee動作）と呼ぶ。

【００１３】しかしながら、図２３の方法では、読み出
しゲートに電圧を印加することにより信号読み出しを行
っているので、信号電荷は基板とゲート酸化膜の界面を
通り垂直電荷転送部の埋込みチャネルへ読み出される。
このため、文献３（R.Miyagawa et al.,ITEJ Technical
Report,vol.16, No.75,pp13-18,1992）に示されるよう
に、各々の画素毎に固定パターンノイズが発生してま
う。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のビデ
オカメラでは、ダイナミックレンジが足りないため、ハ
イライト光が被写体に入ると標準信号の３〜５倍以上は
つぶれて再生できない。さらに、従来のダイナミックレ
ンジを拡大する方法では、蓄積時間が異なる信号が加算
して読み出されるため、加算点（kneeポイント）が固定
であったため、入力システムでの自由度がないと言う問
題があった。

【００１５】また、積層型固体撮像装置のダイナミック
レンジを拡大する方法としてニー動作があったが、従来
のニー動作は読み出しゲートに電圧パルスを印加するこ
とにより駆動していたため、蓄積ダイオードの信号電荷
が基板とゲート絶縁膜の界面を通り、固定パターンノイ
ズを増加させてしまう。

【００１６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、蓄積ダイオードの飽和
バラツキに起因する再生画像のムラを招くことなく、ダ
イナミックレンジの拡大をはかることができ、ハイライ
ト光の被写体についても潰れないで再生できるような固
体撮像装置を提供することにある。また、本発明の他の
目的は、固定パターンノイズが発生しないニー動作を行
うことのできる積層型固体撮像装置を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち、本
発明（請求項１）は、半導体基板上に二次元的に配列さ
れた信号電荷蓄積部と、これらの信号電荷蓄積部の垂直
配列方向に沿って設けられた複数本の垂直電荷転送部
と、これらの垂直電荷転送部の転送端部に隣接して設け
られた水平電荷転送部とを備え、隣接する画素の信号電
荷を加算することなく、全画素の信号電荷を別々に読み
出せる電極構成の固体撮像装置を駆動する方法におい
て、垂直ブランキング期間に信号読み出しを複数回行
い、同一画素において異なった信号蓄積時間で光電変換
して得られた複数種類の信号電荷を各々読み出し、これ
らの信号電荷を独立して出力することを特徴とする。

【００１８】また、本発明（請求項２）は、半導体基板
上に二次元的に配列された信号電荷蓄積部と、これらの
信号電荷蓄積部の垂直配列方向に沿って設けられた複数
本の垂直電荷転送部と、これらの垂直電荷転送部の転送
端部に隣接して設けられた水平電荷転送部とを備え、隣
接する画素の信号電荷を加算することなく、全画素の信
号電荷を別々に読み出せる電極構成の固体撮像装置を駆
動する方法において、垂直ブランキング期間に同一画素
で信号読み出しを２回行い、１回目の読み出しにおける
信号電荷の垂直方向に隣接する２画素分を垂直電荷転送
部内で加算し、２回目の読み出しにおける信号電荷の垂
直方向に隣接する２画素分を垂直電荷転送部内で加算
し、各々加算された信号蓄積時間の異なる２種類の信号
電荷を垂直電荷転送部内を同時に転送させ、これらの信
号電荷を独立して出力することを特徴とする。

【００１９】また、本発明（請求項３）は、半導体基板
上に複数個の信号電荷蓄積部と複数列の信号電荷転送部
を設け、最上層に信号電荷蓄積部に電気的に接続された
画素電極を設けてなる固体撮像素子チップと、この固体
撮像素子チップ上に形成された光導電膜と、この光導電
膜上に形成された透明電極とを備えた光導電膜積層型固
体撮像装置を用い、信号蓄積期間Ｔを複数に分割して信
号電荷の蓄積を行い、１画素に対し複数回の信号読み出
しを行う固体撮像装置の駆動方法において、各々の信号
読み出しに際して透明電極に信号読み出し電圧を印加す
ることを特徴とする。

【００２０】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 電荷蓄積期間をＴ1 期間とＴ2 期間に２分割して信
号電荷の蓄積を行い、１回目の信号蓄積期間であるＴ1
期間後に透明電極にパルス電圧を印加して１回目の読み
出しを行い、信号電荷蓄積部における不要電荷を排出
し、２回目の信号蓄積期間であるＴ2 期間後に透明電極
にパルス電圧を印加して２回目の読み出しを行い、１回
目の読み出し後に信号電荷蓄積部に残留する信号電荷量
Ｑ1 とＴ2 期間で信号電荷蓄積部に蓄積される信号電荷
量Ｑ2 との和、Ｑ₁ ＋Ｑ₂ 個を読み出す。 (2) 信号蓄積期間をＮ分割し、Ｎ回の信号蓄積期間とＮ
回の信号読出しを行い、Ｎ回の信号読み出しは全て透明
電極に電圧パルスを印加することで行う。 (3) 読み出し動作において、透明電極に印加する電圧を
パルス電圧ではなく、信号蓄積期間にわたって一定電圧
に保つことにより、信号電荷蓄積部の信号電荷を読み出
す。 (4) 読み出し動作において、垂直電荷転送部へ読み出さ
れた一部不要電荷を垂直電荷転送部外に排出する動作を
行っている間に、透明電極に印加する電圧を透明電極の
基準電位よりも大きくしておくことにより、排出動作時
に発生する高輝度光により発生する信号電荷を蓄積ダイ
オードに蓄積しないようにする。

【００２１】

【作用】本発明（請求項１，２）によれば、蓄積時間の
異なる複数種類の信号電荷を各々読み出すことにより、
ダイナミックレンジの拡大をはかることができ、ハイラ
イト光の被写体についても潰れないで再生できる。即
ち、長い信号蓄積時間で光電変換を行って信号電荷を得
る場合には、ハイライト光（入力レベル大）が入射する
と直ぐに飽和してしまうが、短い信号蓄積時間で光電変
換を行って信号電荷を得る場合には、ハイライト光でも
飽和に達しない。また、異なった信号蓄積時間によって
得られた信号電荷を別々に読み出すことにより、２つの
信号を加算するポイントを自由に選択することができ、
カメラシステムでの自由度を拡大することができる。

【００２２】また、本発明（請求項３）によれば、複数
回の信号読み出しに際して常に透明電極側に電圧を印加
して信号読み出しを行うことにより、ダイナミックレン
ジの拡大をはかると共に、固定パターンノイズの発生し
ないニー動作を行うことができる。

【００２３】具体的には、信号蓄積期間を２分割し、１
回目の蓄積期間であるＴ1 期間が終わった後で、透明電
極にマイナスのパルス電圧を印加することで、蓄積ダイ
オードの信号電荷を基板とゲート絶縁膜の界面から離し
た基板内部を通して読出し、基板とゲート絶縁膜の界面
の影響を受けないようにする。また、２回目の読出しも
透明電極にマイナスの電圧パルスを印加することにより
行う。このニー動作の方法により、固定パターンを発生
せず、入射光量に対するダイナミックレンジを拡大する
ことが可能となる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の詳細を実施例によって説明す
る。（実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に使用した
固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。この撮像
装置は、光を信号電荷に変換すると共に信号電荷を蓄積
する光電変換部１，信号電荷を垂直方向に転送する垂直
ＣＣＤ２，信号電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ
３，及び出力アンプ４等から構成される。光電変換部１
は二次元的に配置され、垂直ＣＣＤ２は画素の垂直配列
方向に沿って配列され、水平ＣＣＤ３は垂直ＣＣＤ２の
転送端部に近接して配置されている。

【００２５】図２は、図１の一部を拡大して示す図であ
る。この撮像装置は隣接画素間の信号を加算することな
く、全画素の信号を各々別々に読み出せる電極構成であ
る。垂直ＣＣＤ２の電極構成は、１画素当たり３電極で
あり、例えば図２のような４相（φｖ１〜φｖ４）の電
極構成が考えられる。

【００２６】この撮像装置において、光電変換によって
生成された信号電荷は光電変換部１に蓄積される。変換
蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ２に読み出されて転
送された後、水平ＣＣＤ３で転送される。垂直ＣＣＤ２
は４相のクロックパルスφV1，φV2，φV3，φV4で駆動
され、水平ＣＣＤ４は２相のクロックパルスφH1，φH2
で駆動される。垂直ＣＣＤ２及び水平ＣＣＤ３で転送さ
れた信号電荷は、出力アンプ４で電圧変換されて出力さ
れる。

【００２７】図３は、信号読み出し動作を行うための垂
直転送電極クロックパルスφV1〜φV4のタイミング図を
示す。図４は、光電変換部１から読み出された信号電荷
の転送の様子を示したものである。図２において、信号
転送方向に並ぶ光電変換部１を１₁ から₇ とする。

【００２８】φV1は垂直方向ｎ段目の画素の信号読み出
しゲートのクロックパルスであり、φV4は（ｎ＋１）段
目の信号読み出しゲートのクロックパルスである。長い
蓄積時間Ｔ1 に読み出された信号電荷を○印で表し、短
い蓄積時間Ｔ2 で読み出された信号電荷を△印で表す。
垂直ブランキング期間に、ｎ段目の光電変換部１から信
号を読み出すためのパルスＰFS1 をφV1に印加し、長い
蓄積時間Ｔ1 の間に蓄積された信号電荷を読み出す。読
み出された信号電荷を図４中○印で表す。

【００２９】φV1で光電変換部１₁ から読み出された信
号を○１、光電変換部１₂ から読み出された信号を○
３、光電変換部１₅ から読み出された信号○５、光電変
換部１₇ から読み出された信号を○７とする。φV2，φ
V3により光電変換部１の信号電荷を垂直ＣＣＤ２で転送
し、φV4にＰFS1 を印加して、（ｎ＋１）段目の光電変
換部１から蓄積時間Ｔ1 間に蓄積された信号電荷○２を
読み出し、信号電荷○１に加算して○１・２とする。

【００３０】次いで、φV1に信号読み出しパルスＰFS2
を印加し、短い信号蓄積時間Ｔ2 に蓄積された信号電荷
△１を読み出す。長い蓄積時間に蓄積された信号○１・
２と同様に、φV2，φV3に転送パルスを印加して信号電
荷△１を隣接画素の垂直ＣＣＤ２に転送し、φV4にＰFS
2 を印加して、光電変換部１₂ から蓄積時間Ｔ2 間に蓄
積された信号電荷△２を読み出し加算して△１・２とす
る。

【００３１】その後、ラインシフトパルスＰＬをφV1〜
φV4に印加し、長い蓄積時間に蓄積された信号○と短い
蓄積時間に蓄積された信号△を混じることなく、別々に
図４に示すように垂直ＣＣＤ２で転送する。水平ＣＣＤ
３内も２線読み出しの使用や転送電極数の増加などによ
り、信号を混じることなく別々に転送し、アンプ４によ
って電圧変換して出力する。このようにすることによ
り、１フィールド期間に蓄積される信号電荷を長い信号
蓄積時間Ｔ1 と短い信号蓄積時間Ｔ2 に分けて得ること
ができる。

【００３２】図５に、長い蓄積時間に蓄積された信号○
をＡとし、短い蓄積時間に蓄積された信号△をＢとし
て、入射光に対する信号出力の関係を示す。信号○は蓄
積時間が長いために実線Ａのように信号出力Ｖ点で飽和
するが、短い蓄積時間に蓄積された信号△は点線Ｂのよ
うに入力光に対して信号出力は比例増加する。従って、
出力後に外部で加算して（Ａ＋Ｂ）の信号を得ることに
より、強い入力光に対して飽和することなく、ダイナミ
ックレンジが拡大することが分かる。

【００３３】また、蓄積時間の異なる信号電荷を独立し
て読出すことにより、従来（Ａ＋Ｂ）の加算点Ｘが固定
であったのに対し、（Ａ＋Ｂ）の加算点Ｘ（kneeポイン
ト）を自由に設定することができるようになり、カメラ
システムでの自由度が大きく広がる。（実施例２）図６は、本発明の第２の実施例に使用した
固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。この撮像
装置は、光電変換部１，垂直ＣＣＤ２，水平ＣＣＤ３
（３ａ，３ｂ），出力アンプ４（４ａ，４ｂ）、及びメ
モリ部５（５ａ，５ｂ）等から構成される。光部変換部
１及び垂直ＣＣＤ２は第１の実施例と同様に配置されて
いる。

【００３４】そして、垂直ＣＣＤ２の転送端部の一方
（下側）には信号電荷を一時的に記憶するメモリ部５ａ
が配置され、このメモリ部５ａの下には水平ＣＣＤ３ａ
が配置されている。さらに、垂直ＣＣＤの転送端部の他
方（上側）には信号電荷を一時的に記憶するメモリ部５
ｂが配置され、このメモリ部５ｂの下には水平ＣＣＤ３
ｂが配置されている。そして、水平ＣＣＤ３ａ，３ｂの
転送端部には出力アンプ４ａ，４ｂがそれぞれ配置され
ている。

【００３５】ここで、メモリ部５ｂは信号転送部がサー
クル状に形成されており、このメモリ内を転送すること
によって信号の垂直方向の順序が逆になる。これによ
り、水平ＣＣＤ３ｂで信号電荷を読み出すときに、水平
ＣＣＤ３ａから読み出される信号電荷の順序（画素に対
する順序）と同一順序になるようになっている。

【００３６】電荷転送部の電極構成は第１の実施例と同
じで、隣接画素間の信号を加算することなく、全画素の
信号を各々別々に読み出せる電極構成であり、垂直ＣＣ
Ｄ２の電極構成は１画素当たり３電極で、例えば図２の
ような４相（φV1〜φV4）の電極構成とする。なお、こ
の実施例では必ずしも全画素の信号を各々別々に読み出
せる電極構成である必要はなく、１画素当たり２電極で
もよい。

【００３７】図７に、本実施例の信号読み出しに用いる
クロックパルスφＶを示す。ＰFS1で長い信号蓄積時間
Ｔ1 に蓄積された信号電荷Ａを垂直ＣＣＤ２に読み出
し、メモリ部５₁ に高速転送した後、ＰFS2 のパルスで
短い信号蓄積時間Ｔ2 に蓄積された信号電荷Ｂを読み出
しメモリ部５ｂに高速転送する。その後、水平ＣＣＤ３
ａ，３ｂにより、第１の実施例と同じく信号を混じるこ
となく別々に転送し、アンプ４によって電圧変換して出
力する。

【００３８】長い蓄積時間に蓄積された信号Ａと、短い
蓄積時間に蓄積された信号Ｂを、外部で加算して（Ａ＋
Ｂ）の１画素の信号を得る。入射光に対する信号出力の
関係は前記図５に示すようになり、強い入力光に対して
飽和することなく、ダイナミックレンジの拡大がはかれ
る。また、蓄積時間の異なる信号を独立で読み出すこと
により、その信号の加算点（図５のＸ点）を自由に設定
することが可能となり、カメラシステムにおける自由度
を上げることができる。（実施例３）図８は、本発明の第３の実施例に使用した
積層型固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。

【００３９】ｐ型基板１１の表面部上に、蓄積ダイオー
ド（信号電荷蓄積部）１２と電荷転送部の埋め込みチャ
ネル１３が形成されている。基板１１上には、ゲート絶
縁膜１５を介して読み出し電極を兼ねる転送電極１４が
形成され、その上に平坦化絶縁膜１６が形成されてい
る。平坦化絶縁膜１６上には画素電極１７が形成され、
この画素電極１７は蓄積ダイオード１２に接続されてい
る。

【００４０】上記の１１〜１７からなる固体撮像素子チ
ップ上にはａ−Ｓｉやａ−Ｓｅ等からなる光電変換膜
（光導電膜）１８が堆積され、その上にＩＴ０等からな
る透明電極１９が形成されている。そして、光電変換膜
１８で発生した信号電荷は、画素電極１７を通って蓄積
ダイオード１２に蓄積されるものとなっている。

【００４１】なお、図８はｐ型基板上に形成されたもの
であるが、ｎ型基板上にｐウエル領域を形成（ｐウエル
を図１のｐ型基板とみなす）した構造の積層型固体撮像
装置でも同じである。

【００４２】図９は、上記の積層型固体撮像装置の平面
図を示したものである。蓄積ダイオード２２及び垂直電
荷転送部２１からなるイメージ部２０と、メモリ部２
３，水平電荷転送部２４及び出力検出器２５からなるフ
レーム・インターライン・トランスファ（ＦＩＴ）構造
である。なお、ＦＩＴの構造ではないメモリ部２３のな
いインターライン・トランスファ（ＩＴ）構造や、垂直
電荷転送部２１のないフレーム・トランスファ（ＦＴ）
構造でも、以下の同じ駆動方法よりダイナミックレンジ
を拡大できるが、ここではＦＩＴ構造のみについて説明
する。

【００４３】図１０に、本実施例における駆動方法を説
明する。垂直ブランキングＶＢＬＫの垂直ブランキング
期間に、Ｔ1 期間とＴ2 期間の信号蓄積期間を設ける。
そして、１回目の蓄積期間であるＴ1 期間に１回目の信
号電荷の蓄積を行ったのち、“Ｖ1 ”のパルス電圧を透
明電極１９に印加することにより、信号電荷の一部を垂
直電荷転送部２１の埋込みチャネル１３へ読み出す。

【００４４】埋込みチャネル１３へ読み出した信号電荷
は、Ａのはき出し駆動を行うことで外部に排出する。こ
のはき出し駆動の方法は、基板側へはき出してもよい
し、埋込チャネル１３に隣接して配置されたドレイン側
（図中にはない）へはき出してもよい。要は、読み出し
た信号電荷が垂直電荷転送部２１の埋込みチャネル１３
からなくなればよい。

【００４５】はき出し駆動を行っている間のＴ2 期間に
は蓄積ダイオード１２に２回目の蓄積が始まっているの
で、次にマイナス“Ｖ2 ”のパルス電圧を透明電極１９
に印加し、Ｔ1 期間で蓄積ダイオード１２に残留してい
る信号電荷量Ｑ1 と、Ｔ2 期間に蓄積された信号電荷量
Ｑ2 の和の信号電荷量Ｑ1 ＋Ｑ2 を埋込みチャネル１３
に読み出す。読み出された信号電荷量Ｑ1 ＋Ｑ2 は、フ
レームシフトＢによりメモリ部２３へ出力信号として取
り出される。ここで、１回目の読み出し電圧パルス“Ｖ
1 ”と２回目の読み出し電圧パルス“Ｖ2 ”の間には、
｜Ｖ1 ｜＜｜Ｖ2 ｜の関係がある。

【００４６】このような駆動方法を採用することによ
り、蓄積ダイオード１３の信号電荷を基板とゲート絶縁
膜の界面から離した基板内部を通して読み出し、基板と
ゲート絶縁膜の界面の影響を受けないようにすることが
できる。このため、入射光量に対するダイナミックレン
ジを拡大できるのは勿論のこと、ニー動作に起因する固
定パターンノイズの発生を抑制することができる。

【００４７】図１１にニー動作がある場合と、ない場合
の入射光量と出力信号電圧の関係を示す。入射光量が小
さい間は光量に比例して出力信号電圧が増加する。ニー
動作しない場合、Ｉ点が飽和信号量Ｈになるが、ニー動
作をしている場合はＪ点が飽和信号量になり、入射光量
に対するダイナミックレンジが拡大していることが分か
る。（実施例４）図１２は、本発明の第４の実施例を説明す
るためのもので、ＩＴ型の積層型固体撮像装置の駆動例
を示したものである。図１０との違いは、図１０のフレ
ームシフトＢが、ラインシフトＣに変わっていることで
ある。このような方法であっても、第３の実施例と同様
の効果が得られる。（実施例５）図１３に、本発明の第５の実施例における
駆動方法を示す。これも、透明電極１９に印加するパル
ス電圧を“Ｖ1 ”，“Ｖ2 ”と変えてニー動作を行った
場合であるが、“Ｖ1 ”，“Ｖ2 ”の間の電圧を“Ｖ3
”の大きさだけ“Ｖ1 ”より変えることで、図１１の
飽和信号量Ｈの大きさを変化させている。（実施例６）図１４に、本発明の第６の実施例における
駆動方法を示す。これまでは透明電極１９に印加する読
み出し電圧がパルス電圧であったが、本実施例では一定
電圧を透明電極１９に印加することによって、読み出し
パルス電圧と同じ効果をしている。このときの蓄積期間
は連続となり、図１４のＴITO1期間とＴITO2期間とな
る。但し、２回目の読み出しはパルス電圧“Ｖ2 ”を印
加している。（実施例７）図１５に、本発明の第７の実施例における
駆動方法として、垂直ブランキング（ＶＢＬＫ）期間を
３分割した例を示す。この場合、１回目の読み出しによ
り垂直電荷転送部に溢れる過剰な信号電荷Ｑ3 と２回目
読み出しにより発生する過剰信号電荷Ｑ4 を垂直電荷転
送部から外部へ排出するための排出駆動ＡとＣが必要と
なる。（実施例８）図１６に、本発明の第８の実施例における
駆動方法を示す。本実施例が図１５の実施例と異なる点
は、垂直電荷転送部２１に存在する過剰信号量を垂直電
荷転送部２１からメモリ部２３へ転送するフレームシフ
ト駆動Ｂの間、透明電極１９に印加する電圧を所定の基
準電位“ＶREF1”よりも大きくし、駆動Ｂの間に蓄積ダ
イオード２２への信号電荷が蓄積されないようにしたこ
とである。この駆動方法によって、高輝度光の入射で発
生するスミアやブルーミングの発生を抑えることができ
る。（実施例９）図１７に、本発明の第９の実施例における
駆動方法を示す。この実施例は、垂直ブランキング期間
の蓄積期間を３分割したものである。過剰信号電荷量の
排出動作であるＡ及びＢの間、透明電極１９の電圧を基
準電位Ｖref1より大きくすることにより、図１６と同じ
効果を得ることができる。本実施例では、垂直ブランキ
ング期間の垂直期間を３分割したが、４分割以上に分割
してもよい。

【００４８】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。第１及び第２の実施例では、垂直ブ
ランキング期間に信号読み出しを２回行ったが、この信
号読み出しをＮ回（３以上）行って、Ｎ種類の信号電荷
を各々読み出すようにしてもよい。また、第１及び第２
の実施例における固体撮像装置として、第３の実施例以
降に示す積層型の固体撮像装置を用いることも可能であ
る。さらに、第１及び第２の実施例と第３の実施例以降
とを適宜組み合わせて実施することも可能である。その
他、本発明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。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１，
２）によれば、固体撮像装置の駆動方法において、フィ
ールド蓄積の読み出し方法で、１フィールド期間に信号
読み出しを複数回行って、同一画素において、異なった
信号蓄積時間で光電変換し、信号蓄積時間の異なる複数
種類の信号電荷を別々に読み出すことにより、固体撮像
装置のダイナミックレンジを拡大することができる。ま
た、異なる信号蓄積時間で得た信号電荷を加算する点を
自由に設定できることにより、カメラシステムにおける
自由度が拡大できる。

【００５０】また本発明（請求項３）によれば、積層型
固体撮像装置の駆動方法において、複数回の信号読み出
しに際して常に透明電極側に電圧を印加して信号読み出
しを行うことにより、ダイナミックレンジの拡大をはか
ると共に、固定パターンノイズの発生しないニー動作を
行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に使用した固体撮像装置の概略構
成を示す平面図。

【図２】図１の一部を拡大して示す平面図。

【図３】信号読み出し動作を行うための垂直転送電極φ
V1〜φV4のタイミング図。

【図４】光電変換部から読み出された信号電荷の転送の
様子を示す模式図。

【図５】入射光に対する信号出力の関係を示す特性図。

【図６】第２の実施例に使用した固体撮像装置の概略構
成を示す平面図。

【図７】第２の実施例の信号読み出し電極に用いるクロ
ックパルスφＶを示す図。

【図８】第３の実施例に使用した積層型固体撮像装置の
概略構成を示す断面図。

【図９】図８の積層型固体撮像装置の平面図。

【図１０】第３の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１１】ニー動作がある場合とない場合の入射光量と
出力信号電圧の関係を示す図。

【図１２】第４の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１３】第５の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１４】第６の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１５】第７の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１６】第８の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１７】第９の実施例における駆動方法を説明するた
めの図。

【図１８】従来のＩＴ−ＣＣＤ型撮像素子の配置構成を
示す図。

【図１９】図１８の構成における光電変換部での信号電
荷の蓄積動作を示す図。

【図２０】従来の積層型の固体撮像装置における読み出
しパルスの駆動タイミング図。

【図２１】従来の積層型の固体撮像装置における読み出
しパルスの駆動タイミング図。

【図２２】従来の固体撮像装置における入射光量と出力
信号電圧との関係を示す図。

【図２３】従来のニー動作を利用した駆動方法を説明す
るための図。

【符号の説明】

１…光電変換部２…垂直ＣＣＤ３…水平ＣＣＤ４…出力アンプ５…メモリ部１１…ｐ型基板１２…蓄積ダイオード（信号電荷蓄積部）１３…埋込みチャネル（垂直電荷転送部）１４…転送電極１５…ゲート絶
縁膜１６…平坦化絶縁膜１７…画素電極１８…光電変換膜（光導電膜）１９…透明電極２０…イメージ部２１…蓄積ダイ
オード２２…垂直電荷転送部２３…メモリ部２４…水平電荷転送部２５…出力検出
器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に二次元的に配列された信号
電荷蓄積部と、これらの信号電荷蓄積部の垂直配列方向
に沿って設けられた複数本の垂直電荷転送部と、これら
の垂直電荷転送部の転送端部に隣接して設けられた水平
電荷転送部とを備え、隣接する画素の信号電荷を加算す
ることなく、全画素の信号電荷を別々に読み出せる電極
構成の固体撮像装置を用い、垂直ブランキング期間に信号読み出しを複数回行い、同
一画素において異なった信号蓄積時間で光電変換して得
られた複数種類の信号電荷を各々読み出し、これらの信
号電荷を独立して読み出すことを特徴とする固体撮像装
置の駆動方法。
【請求項２】半導体基板上に二次元的に配列された信号
電荷蓄積部と、これらの信号電荷蓄積部の垂直配列方向
に沿って設けられた複数本の垂直電荷転送部と、これら
の垂直電荷転送部の転送端部に隣接して設けられた水平
電荷転送部とを備え、隣接する画素の信号電荷を加算す
ることなく、全画素の信号電荷を別々に読み出せる電極
構成の固体撮像装置を用い、垂直ブランキング期間に同一画素で信号読み出しを２回
行い、１回目の読み出しにおける信号電荷の垂直方向に
隣接する２画素分を前記垂直電荷転送部内で加算し、２
回目の読み出しにおける信号電荷の垂直方向に隣接する
２画素分を前記垂直電荷転送部内で加算し、各々加算さ
れた信号蓄積時間の異なる２種類の信号電荷を前記垂直
電荷転送部内を転送させ、これらの信号電荷を独立して
読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項３】半導体基板上に複数個の信号電荷蓄積部と
複数列の信号電荷転送部を設け、最上層に信号電荷蓄積
部に電気的に接続された画素電極を設けてなる固体撮像
素子チップと、この固体撮像素子チップ上に形成された
光導電膜と、この光導電膜上に形成された透明電極とを
備えた光導電膜積層型の固体撮像装置を用い、信号蓄積期間Ｔを複数に分割して信号電荷の蓄積を行
い、１画素に対し複数回の信号読み出しを行い、かつ各
々の信号読み出しに際して前記透明電極に信号読み出し
電圧を印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方
法。