JPH0883901A - Ccdの電荷検出装置 - Google Patents

Ccdの電荷検出装置

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JPH0883901A
JPH0883901A JP7214966A JP21496695A JPH0883901A JP H0883901 A JPH0883901 A JP H0883901A JP 7214966 A JP7214966 A JP 7214966A JP 21496695 A JP21496695 A JP 21496695A JP H0883901 A JPH0883901 A JP H0883901A
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JP
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charge
ccd
gate
well
registers
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Application number
JP7214966A
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Inventor
Jaroslav Hynecek
ヒネセク ヤロスラヴ
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Texas Instruments Inc
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Texas Instruments Inc
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Publication date
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N3/00Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages
    • H04N3/10Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
    • H04N3/15Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
    • H04N3/1575Picture signal readout register, e.g. shift registers, interline shift registers
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C27/00Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • G11C27/04Shift registers
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/713Transfer or readout registers; Split readout registers or multiple readout registers

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低雑音、高性能のCCD電荷検出装置を提供す
る。 【解決手段】電荷結合素子(CCD)の電荷検出装置
は、N個(Nは1より大きい整数)の非破壊電荷読み出
しを有する第1のCCDレジスタ(22−27)、N個
の第2のCCDレジスタ(52−57)および加算器7
0を有しており、このN個の第2のCCDレジスタ(5
2−57)のそれぞれは、一つづつ数を減らして対応す
る第1のCCDレジスタに結合され、その出力側が加算
器70に結合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはイメー
ジセンサー、特に電荷結合素子(CCD)の電荷検出装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】高解像度イメージセンサーの開発は、例
えば70MHzのような高周波における電荷(小さな画
素サイズ)の少量を検出する問題に直面している。この
問題の幾つかの解決策は、小さな出力駆動能力を有して
いる小さな検出ノード(小さなキャパシタンスと高感
度)に基づいており、それは、広いバンド幅による遅延
と増大する雑音を導く数個の増幅段(ソースフローワ)
によって、ホローされなければならない。この問題にた
いする他の解決策は、G. F. Amelio & R. H. Dyck によ
SolidState Imaging 605-14 (1976) の" 分布浮動ゲ
ート増幅器 (Distributed Floating Gate Amplifier:DF
GA)"に開示された分布浮動ゲート増幅器に基づいてい
る。DFGAは、CCDにおける信号電荷の非破壊電荷
のセンシングを利用している。CCDの信号電荷は、セ
ンシング電極の下を通って、さらに信号低下のない他の
センシング電極に移送される。非破壊電荷センシングを
用いて、DFGAはそれぞれビデオ信号をサンプルし、
その結果を合成する。信号電荷を繰り返しセンシングす
ることにより、単一段の増幅器に関するS/N比は、信
号がセンスされる回数に依存して改善される。
【0003】DFGAは2つのCCDレジスタを用い
る。信号電荷は、第1のCCDレジスタから非破壊的に
読み出し、第2のCCDレジスタにおいて一緒に加えら
れる。検出された信号は、時間領域における信号の適当
な再生が自動的に得られるように、第2のCCDレジス
タにおいて結合される。DFGAの問題点は、第2のC
CDレジスタにおける電荷ウエルが、繰り返しセンシン
グから一緒に加えられる全ての電荷を保持するために十
分大きくなければならないことである。
【0004】
【本発明の概要】一般に、そして本発明の一形態におい
て、CCD電荷検出装置は、N個(Nは1より大きな整
数)の非破壊的電荷読み出しを有する第1のCCDレジ
スタと、前記N個の非破壊的電荷読み出しに結合された
N個の第2のCCDレジスタを含み、N個の第2のCC
Dレジスタの各々のは前記N個の非破壊的電荷読み出し
の対応する一つに結合されている装置である。
【0005】
【発明の実施の形態】異なる図面において、他に指示さ
れない場合は、対応する符号および記号は対応する部分
を示す。好適な実施の形態の電荷検出装置のための基本
装置構造の構成図が図1に一般的に示されている。図1
の装置は、図においては段22−27だけを示すNステ
ージ(段)、電荷ドレイン30および図においてはノー
ド32−37だけを示すN個の非破壊電荷検出ノードを
持つ垂直CCDレジスタ20;図においては増幅器42
−47だけを示すN個の入力電荷検出増幅器;図におい
てはレジスタ52−57だけを示すN個の水平CCDレ
ジスタ;図においては増幅器62−67だけを示すN個
の検出増幅器;および出力加算ノード70を有する。C
CDレジスタ52は、図においては6つの完全なステー
ジを示すN個のステージを有している。CCDレジスタ
53は、図においては5つの完全なステージを示すN−
1個のステージを有している。CCDレジスタ54は、
図においては4つの完全なステージを示すN−2個のス
テージを有している。CCDレジスタ55は、図におい
ては3つの完全なステージを示すN−3個のステージを
有している。CCDレジスタ56は、図においては2つ
の完全なステージを示すN−4個のステージを有してい
る。CCDレジスタ57は1つのステージを有してい
る。
【0006】電荷は、図1に示されたスCCDステージ
20において、ステージ22から電荷ドレイン30に向
かって伝播し、入力電荷検出増幅器42−47によって
センスされる。電荷が最終的に出力電荷ドレイン30に
伝送される前に、同一なNステージのこれらの増幅器が
ある。入力電荷検出増幅器42−47からの信号は電荷
に変換され、水平のCCDレジスタ52−57に注入さ
れる。レジスタ52−57が示されているN個の水平C
CDレジスタがある。各々の水平CCDレジスタは互い
に異なる長さを有している。図1の頂部から底部へ移動
するにしたがって、各々の水平CCDレジスタは、一つ
前の水平CCDレジスタより一つ少ないステージを有し
ている。好適な実施の形態にとって、水平レジスタ52
−57におけるステージの数は、図1の頂部から底部へ
向かって、N個から1まで減少する。信号電荷が、垂直
CCDレジスタ20において、下方に伝播するにしたが
って、対応する電荷信号は、水平レジスタ52−57に
おいて左から右に伝播する。水平レジスタ52−57の
種々の長さのために、電荷は、同じ時間に各水平レジス
タの出力に到達するであろう。水平レジスタ52−57
からの信号は、ノード72に出力を与える加算ノード7
0で結合される。
【0007】図1に記載された回路において、実際の電
荷は、加算されず、同じ影響を有する、水平レジスタ5
2−57からの出力信号のみが加算される。電荷は、電
荷検出増幅器62−67によって、各水平CCDレジス
タ52−57の終端でセンスされる。電荷検出増幅器6
2−67の出力は、出力加算ノード70に結合される。
出力加算ノード70は、水平CCDレジスタ52−57
からの信号を加算し、ノード72に出力を与える。図1
の装置に対して、上述されたセンシングと加算の繰り返
しは幾つかの利点を有する。一つの利点は、雑音が平均
化の影響により減少されることである。他の利点は、全
ての信号処理がクロックに同期して行われるので、速度
が犠牲にならないことである。この回路の出力駆動能力
は√Nだけ減少される雑音を有するステージの数に比例
する。高い速度信号ステージ出力は負荷を駆動するのに
十分である。好適な実施の形態である低雑音高性能電荷
検出装置の回路図が図2に示される。図2の回路は、垂
直CCDレジスタ106のN個の電荷検出ノードの2つ
102と104、および対応する水平CCDレジスタ1
08と110を示している。図2の回路は、非破壊読み
出し102と104(浮動ゲート)、転送ゲート11
2、114と116、および抵抗性ゲート118と12
0からなるCCDレジスタ106;トランジスタ130
と132、電流源134と136、および寄生レイアウ
トキャパシタンス(parasitic layout capacitances)1
38と140からなる増幅回路126と128;N+入
力領域146と148、およびストローブゲート150
と152からなるCCDレジスタ108と110の入力
ステージ;N型半導体領域147と149;絶縁層15
1と153;仮想ゲート154と156;転送ゲート1
58と160;ドナー注入159と161;電荷検出ノ
ード162と164;リセットノード166と168;
リセットトランジスタ170と172;およびトランジ
スタ178と180、電流源182と184、および寄
生レイアウトキャパシタンス186と188からなる増
幅回路174と176を有している。CCDレジスタ1
06の特別な実施の形態の詳細は図9と図10に示され
ている。
【0008】図2の回路において、入力および出力信号
は、CCD転送ゲートクロック電圧(CCD transfer gate
clocked voltage) ΦSR, 基準電圧VREF , 抵抗性ゲー
トクロック電圧(resistive gate clocked voltage)
ΦRS, リフレッシュクロック電圧(refresh clocked vol
tage) ΦRSL , 出力電圧VO , ストローブゲートクロッ
ク電圧(strobe gate clocked voltage) ΦST, および電
源VDDを含む。図2に示された、好適な実施の形態であ
る低雑音高性能電荷検出装置は、抵抗性ゲートリセット
118と120をもつ浮動ゲート検出ノード102と1
04を用いる分布増幅装置と非破壊電荷検出コンセプト
に基づいている。抵抗性ゲートリセット118と120
はピクセルレートの非破壊読み出しを与える。電荷がセ
ンスされた後、電荷は、繰り返しセンシングのためCC
Dチャネルをとおして他の同様な電荷検出ノードに転送
される。浮動ゲート102と104上のバイアスは所望
の電位を維持するために周期的にリフレッシュされる必
要がある。これは、基準電圧VREF と浮動ゲート10
2,104間に結合されたリセットトランジスタ12
2,124によって達成される。リセットトランジスタ
122と124は、パルスによる低フィードを有する二
重のゲート構造であるのが好ましい。浮動ゲート102
と104は、ΦRSL のクロッキングによってビデオ信号
の各ラインのために1どだけリセットされる。このリセ
ットに関連するkTC雑音は、各ラインの開始におい
て、暗ピクセルの基準減算(reference substruction)に
よって除かれる。このkTC雑音は、ピクセルレート信
号に影響を及ぼさない。
【0009】図3は、図2における装置のクロック信号
のタイミング図である。ΦRSL は、ビデオデータの各ラ
インのために一度だけクロックされるので、ΦRSL は示
されていない。電荷は、図3に示されたクロック信号Φ
SR, ΦRSに応答して、CCDレジスタ106の転送ゲー
ト112から転送ゲート116の方向に伝播する。一群
の電荷がCCDレジスタ106の下方に移動するにした
がって、それは、先ず検出ノード102によってセンス
される。検出ノード102上の信号に応答して、ストロ
ーブゲート150がΦSTによりクロックされると、増幅
器126は、電荷をN+領域146を通して水平CCD
レジスタ108の最初のステージに注入する。信号は、
ダイオードのカットオフメソッドを用いるストローブゲ
ート150によってサンプリングされる。ΦSRとΦRS
次のクロックサイクルで、検出ノード102の下にある
電荷群は、それが検出ノード104の下で止まるまでC
CDレジスタ106を通して続く。電荷群は、増幅器1
28によって検出され、水平CCDレジスタ110の最
初のステージに注入される。ΦRSの同じクロックサイク
ルの間に、レジスタ108の最初のステージに前に注入
された電荷群は、レジスタ108の二番目のステージに
シフトされる。従って、レジスタ108の電荷群は、レ
ジスタ110の対応する電荷群の一つ前のステージにあ
る。CCDレジスタ110は、CCDレジスタ108よ
り一つ少ないステージを有しているので、対応する電荷
群は同時に検出ノード162と164に達する。電荷検
出ノード162と164での信号は、増幅器174と1
76によって検出される。増幅器174と176の出力
は、結合され出力VO を与える。
【0010】図2に示されたDDCレジスタ108と1
10は、この分野で良く知られている埋め込み型チャネ
ル仮想位相CCD装置である。他の型のCCDレジスタ
を用いることもできる。N+領域146と148を含む
電荷注入構造、およびストローブゲート150と152
もこの分野において良く知られている。フィル−アンド
−スピル(fill-and-spill) のような他の型の電荷注入
構造を用いることもできる。図4は、第1の好適な実施
の形態である浮動ゲート電荷検出ノードの平面図であ
る。図4の構造は、転送ゲート1038、浮動ゲート1
040、リセットの金属リード線1060、浮動ゲート
の金属リード線1062、チャネルストップ領域106
4と1066、仮想障壁領域1026、仮想ウエル領域
1028、N+ドレイン領域1030、ドレインの金属
リード線1068、クロックウル領域1070、クロッ
ク障壁領域1072、仮想ウエル領域1074、および
厚いフィールド酸化物1076を含む。図5は、A−
A’に沿った図4の断面図である。図6は、同じ断面の
対応する電位の図である。図5の構造は、P型シリコン
基板1020、その基板1020におけるN型層102
2、このN型層1022の上部に形成されたP+仮想ゲ
ート領域1024,1026と1028、ゲート絶縁層
1034、転送ゲート1036と1038、浮動ゲート
1040、N型層1022のドナー注入1042、仮想
位相領域1024と1028の下にあるドナー注入10
43、トランジスタQ1 、増幅器1050、クロック直
列レジスタ電圧ΦSR、基準電圧VREF2、クロックリセッ
ト電圧ΦRS、クロックリフレッシュ電圧ΦRSL 、出力電
圧VOUT 、およびドレイン電圧VDDを含む。
【0011】図4に示された、リセットの金属リード線
1060と浮動ゲートのリード線1062は、図5にお
いては示されていない。ΦSRは、CCDシフトレジスタ
を制御する、直列レジスタのクロック信号である。ΦRS
は、仮想ゲート1028を制御するリセットクロック信
号である。VOUT は、増幅器1050からの出力信号で
ある。VREF2は、浮動ゲート1040のためのバイアス
信号である。VDDは、ドレーン電圧である。ΦRSL は、
トランジスタQ1 ためのゲート入力信号である。ドレー
ン1030は、図9に示されたように、他の転送ゲート
で置き換えることができる。仮想ゲート領域1028の
下にあるドナー注入1043は、以下に記載されるよう
に、もし低い電圧がVREF2のために用いられるならば、
回路の外に出すことができる。仮想ゲート1028の下
のドナー注入のない図5の装置は、図2に示された電荷
検出ノード162と164、およびリセットノード16
6と168を形成するために用いることができる。図6
の電位図は、電位レベル1102と1104をもつクロ
ックウエル(clocked well)1100、仮想障壁110
6、仮想ウエル1108、電位レベル1112と111
4をもつクロック障壁(clocked barrier) 1110、電
位レベル1118と1120をもつクロックウエル11
16、仮想障壁1122、浮動ゲートウエル1124、
電位レベル1128と1130をもつ仮想ウエル112
6、および電荷ドレイン領域1132を含む。
【0012】図7は、図4のB−B’線に沿った断面図
である。図8は、同じ断面の対応する電位図である。図
7の構造は、P型シリコン基板1020、この基板10
20にあるN型層1022、N型層1022の上部に形
成されたP+仮想位相領域1028、ゲート絶縁層10
34、仮想位相領域1028の下にあるドナー注入10
43、チャネルストップ領域1064と1066、厚い
フィールド酸化物1076、およびリセット金属リード
線1060を含む。図8の電位図は、電位レベル114
2と1144における仮想ウエル1140を示す。電位
レベル1142は、図6の電位レベル1128に対応す
る。電位レベル1144は、図6の電位レベル1130
に対応する。電位レベル1142は、ΦRSがオフのとき
の電位レベルである。電位レベル1144は、ΦRSがオ
ンのときの電位レベルである。標準の仮想位相CCDに
おいては、浮動ゲート上の負のバイアスを必要とし、リ
セットのための能力がないため、浮動ゲート検出ノード
を働かすことは困難である。好適な実施の形態の抵抗性
ゲートへのアプローチは、浮動ゲート上の負のバイアス
の必要性を除去し、リセット能力を与える。
【0013】図6に示された、数ボルトのバイアス電圧
REF2は、電荷を集めるための浮動ゲート1040の下
で電位ウエル1124を発生する。浮動ゲート1040
は、増幅器1050とリセットトランジスタQ1 に結合
されるている。浮動ゲート電位ウエル1124は、Q1
をオンするパルス化によってイメージデータの各線の後
に再び蓄積される。電荷が、ウエル1124に転送され
るにしたがって、浮動ゲート1040上の電圧は変化
し、増幅器1050によってセンスされる。センシング
が完了した後、信号電荷は、仮想ゲート1028を正に
するパルス化によって、浮動ゲートウエル1124外に
転送される。仮想ゲート1028は、チャネルストップ
領域1064と1066をとおして基板1020に抵抗
結合されるので、電流は、このゲートをとおして横の方
に流れるであろう。電位が十分高いと、図6に示され
た、仮想ゲート1028の下にある電位ウエル1126
は、完全なリセットが生じる点まで増加するであろう。
(完全なリセットは、全ての電荷が浮動ゲート電位ウエ
ル1124からクリヤーされるときである。)リセット
中に、電荷は、仮想ウエル1126をとおして浮動ゲー
トウエル1124の外に、そして電荷ドレイン領域11
32に転送されるか、あるいはCCD構造を連続してい
る場合は、クロック障壁および次のCCDステージのク
ロックされたウエルに転送される。
【0014】図4の装置の動作は、図6に示された電位
プロフィールを参照して、詳細に説明される。埋め込み
チャネル(導電バンドは最小)における電子に対するエ
ネルギーレベルが、装置のいろいろな領域に対して、ま
た転送ゲート1036と1038の異なるバイアスレベ
ルおよび仮想ゲート1028(抵抗性ゲート)の異なる
バイアスレベルに対して示されている。基板のバイアス
にほぼ等しい転送ゲートバイアスをもつ転送ゲート10
38の下にあるレベル1114でのクロック障壁111
0にある電子で開始すると、動作は、次のとおりであ
る。最初に、電子は、レベル1120にあるクロックウ
エル1116に移動する。この電子は、転送ゲートバイ
アスが基板のバイアスにほぼ等しい限り、クロックウエ
ル1116に残るであろう。何故ならば、二つの隣接領
域の電位ウエルは低い電位にあるからである。転送ゲー
ト1038が、基板1020に関して、負のバイアスに
スイッチされると、クロックウエル1116の電位レベ
ルは、レベル1118に変化し、クロック障壁1110
の電位レベルは、レベル1112に変化する。結果とし
て、電子はクロックウエル1116から仮想障壁112
2へとおる。電荷の存在が浮動ゲート1040の電位を
センシングすることにより検出される場合、電子は、仮
想障壁1122から浮動ゲートウエル1124に移動す
る。
【0015】リセットに対して、仮想ゲート1028
は、仮想ウエル1126の電位レベルをレベル1128
からレベル1130に変化させるクロック電圧(clocked
voltage) ΦRSによって、正にバイアスされる。結果と
して、電子は、浮動ゲートウエル1124から仮想ウエ
ル1126に移動する。電子は、電子が移動させられた
場合、電荷ドレーン領域1132へ移動する。電子は、
また付加的なセンシングのためゲート1138と同様な
他のゲートまで続いている。ウエル1124からの電荷
移動はリセットと呼ばれる。電荷が、電荷ドレーン領域
1132あるいは次のCCDステージに転送された後、
浮動ゲートウエル1124に残っている電荷がないの
で、このリセットプロセスは、完全なリセットを与え
る。図5に示された転送ゲート1036と1038は、
CCDシフトレジスタの一部を形成する。CCDシフト
レジスタの残りの部分は図示されていない。CCDシフ
トレジスタは、電荷を電荷検出ノードに転送する。転送
ゲートの構造は、図5において、転送ゲート1036と
1038によって示されている。電荷は、転送ゲート上
の電圧をクロッキングすることにより電荷検出ノード
に、シフトレジスタをとおして転送される。電荷が、一
旦浮動ゲートウエル1124に転送されると、電荷は、
浮動ゲート1040において電圧をセンシングすること
により検出される。
【0016】タイミングサイクルは、リセット期間で開
始し、浮動ゲートウエル1124からの電荷をクリヤー
する。リセット期間に対して、リセット信号ΦRSはスイ
ッチオンされる。リセット信号ΦRSは、電流が仮想ゲー
ト1028をとおしてチャネルストップ領域1064と
1066、および基板1020上に流れるようにする。
電流の量は、仮想ゲートの抵抗率と信号ΦRSによって決
められる。ΦRSは、図6に示されるように、仮想ウエル
1126の電位をレベル1130まで増加する。これ
は、電荷を浮動ゲートウエル1124から電荷ドレーン
領域1132まで移動させる。リセット期間後、リセッ
ト信号ΦRSは低電圧に戻る。浮動ゲートウエル1124
はシフトレジスタから電荷を受ける準備をする。直列レ
ジスタのクロック信号ΦSRは、転送ゲートウエル116
をレベル1120からレベル1118へ変化させる低電
圧にスイッチされる。これは、図6に示される最後の転
送ゲートウエル1116にある電荷が浮動ゲートウエル
1124に移動するようにする。電荷が浮動ゲートウエ
ル1124に移動すると、浮動ゲートウエル1124の
電位レベルは変化する。浮動ゲートウエル1124の電
位レベルは、直列レジスタの最後の転送ウエルから転送
される電荷の量に依存する。この電位レベルの変化は浮
動ゲート1040上でセンスされる。
【0017】他の転送ゲートは、電荷をクリヤーするド
レーン1028に変えて、同じ電荷の多重検出を容易に
するために、図4の回路に加えることができる。第2の
好適な実施の形態は、図9に示されるように、直列に接
続された2つの浮動ゲート検出ノードを有している。図
9は、第2の好適な実施の形態である浮動ゲート電荷検
出ノードの平面図である。図9の構造は、転送ゲート1
238,1338,および1438、浮動ゲート124
0と1340、リセットの金属リード線1260と13
60、浮動ゲートの金属リード線1262と1362、
チャネルストップ領域1264と1266、仮想ゲート
領域1274,1226,1228,1326,132
8,および1426、クロックウエル領域1270,1
370,および1470、クロック障壁領域1272,
1372,および1472、および厚いフィールド酸化
物1276を含む。仮想ゲート領域1226と1228
は、図9に示されるように、浮動ゲート1240の下の
領域を囲む仮想ゲートを形成する。仮想ゲート領域13
26と1328は、図9に示されるように、浮動ゲート
1340の下の領域を囲む仮想ゲートを形成する。図1
0は、図9のA−A’線に沿った断面図である。図11
は、同じ断面の対応する電位図である。図10の構造
は、P型シリコン基板1220、基板1220内のN型
層1222、N型層1222の上部に形成されたP+仮
想ゲート領域1224,1226,1228,132
6,1328,および1426、ゲート絶縁層123
4、転送ゲート1238,1338,および1438、
浮動ゲート1240と1340、およびN型層1222
内のドナー注入1242,1342,および1442を
含む。図9に示された、リセットの金属リード線126
0と1360、および浮動ゲートの金属リード1262
と1362は、図10には示されていない。
【0018】図11の電位図は、電位レベル1828と
1830をもつ仮想障壁1826、電位レベル1512
と1514をもつクロック障壁1510、電位レベル1
518と1520をもつクロックウエル1516、仮想
障壁1522、浮動ゲートウエル1524、電位レベル
1528と1530をもつ仮想障壁1526、電位レベ
ル1612と1614をもつクロック障壁1610、電
位レベル1618と1620をもつクロックウエル16
16、仮想障壁1622、浮動ゲートウエル1624、
電位レベル1628と1630をもつ仮想障壁162
6、電位レベル1712と1714をもつクロック障壁
1710、電位レベル1718と1720をもつクロッ
クウエル1716、および仮想障壁1722を含む。図
9の各検出ノードは、図4の電荷ドレーン1030が転
送ゲート1338と1438によって置き換えられてい
る点を除いて、図4の検出ノードと同じである。また、
図6の仮想ウエル1126は、仮想障壁1526と16
26によって置き換えられており、基準電圧VREF が図
5の基準電圧VREF2以外は同じにすることができる。リ
セットの金属リード線1260と1360は、それぞれ
仮想ゲート1228と1328に接続されている。
【0019】図10の装置の動作は、図5の装置の動作
と同様であり、図11に示された電位プロフィールを参
照して説明される。埋め込みチャネル(導電バンドは最
小)における電子に対するエネルギーレベルが、装置の
いろいろな領域に対して、また転送ゲート1238,1
338,および1438の異なるバイアスレベルおよび
仮想ゲート1228,1328,および1274(抵抗
性ゲート)の異なるバイアスレベルに対して示されてい
る。基板のバイアスにほぼ等しい転送ゲートバイアスを
もつ転送ゲート1238の下にあるレベル1514での
クロック障壁1510にある電子で開始すると、動作
は、次のとおりである。最初に、電子は、レベル152
0でクロックウエル1516に移動する。二つの隣接領
域の電位ウエルは低い電位にあるから、この電子は、転
送ゲートバイアスが基板のバイアスにほぼ等しい限り、
クロックウエル1516に残るであろう。転送ゲート1
238が、基板1220に関して、負のバイアスにスイ
ッチされると、クロックウエル1516の電位レベル
は、レベル1518に変化し、クロック障壁1510の
電位レベルは、レベル1512に変化する。結果とし
て、電子はクロックウエル1516から仮想障壁152
2へとおる。電荷の存在が浮動ゲート1240の電位を
センシングすることにより検出される場合、電子は、仮
想障壁1522から浮動ゲートウエル1524に移動す
る。
【0020】仮想ウエル1526の電位レベルをレベル
1528からレベル1530に変化させる仮想ゲート1
228は、正にバイアスされる。結果として、電子は、
浮動ゲートウエル1524から抵抗性ゲートウエル15
26に移動する。電子は、クロック障壁1610まで、
且つクロックウエル1616上に続く。クロックウエル
1616からクロックウエル1716への電荷の転送
は、クロックウエル1516からクロック1616への
転送にたいして上に述べたプロセスと同じである。図5
において、トランジスタQ1 は、浮動ゲート1040上
の電位をレフレッシュするために用いられる。高性能動
作のためには、この構造の付加キャパシタンスが全体の
浮動ゲートノードキャパシタンスを極端に増加して、電
荷検出感度を減少しないように、トランジスタQ1 は非
常に小さくする必要がある。浮動ゲート1040上の電
位をもとに戻すための他の実施の形態が、図12に示さ
れている。図5のトランジスタQ1 が図12の回路にお
いて小さなP−Nダイオード1850で置き換えられて
いる。仮想位相リセットゲート1028からの結合をと
おして、給電は、ダイオード1850が導通し、浮動ゲ
ート1040を新しい基準レベルにチャージするように
する。このレベルは、VREF2のバイアスおよび給電され
るリセットの大きさによって決定される。全てのそれに
続く電荷センシングは、負の方向(電子センシング)に
ある電位変化を生じるので、ダイオード1850は、Φ
RSから次のリセットパルスまで逆にバイアスされたまま
であろう。従って、ダイオード1850を瞬間的に順方
向にバイアスする、ラインの終端にあるリセットパルス
は、ダイオードのリーク電流によりノードから逃げる電
荷を再び補充する。ダイオード1850の利点は、小さ
なサイズ、小さな寄生キャパシタンス、動作の単純性、
および低雑音である。選択的に、リフレッシュパルスΦ
RSL をキャパシタ1852をとおして浮動ゲート104
0に結合することができる。JFETs、二重ゲートM
OSトランジスタ(dual gate MOStransitor)、および
バイポーラトランジスタのような他のリセット構造を図
5のQ1 に代えて用いることもできる。
【0021】上述の電荷検出ノードは、非破壊電荷検出
ノードの利点を提供する。電荷は、直列の、幾つかの非
破壊電荷検出ノードを配置することにより、何倍もセン
スされる。これは、ピクセル領域が小さく、従って入射
光による各ピクセルに発生される電荷の量が少ない場合
に、高解像度イメージセンシングのために重要な電荷増
幅の技術を提供する。また浮動ゲート検出ノードの完全
な電荷をクリヤーするリセットプロセスのために、この
装置は、kTC雑音がない。これは、低雑音性能を導
く。
【0022】以上の記載に関連して次の各項を開示す
る。 (1)CCDの電荷検出装置において、N個の非破壊電
荷読み出しを有する第1のCCDレジスタ(Nは1より
大きい整数)と、前記N個の非破壊電荷読み出しに結合
された第2のN個のCCDレジスタであって、前記第2
のN個のCCDレジスタの各々は、前記N個の非破壊電
荷読み出しの対応する一つと結合していることを特徴と
する装置。 (2)N個の非破壊電荷読み取りの各々は第1のCCD
レジスタの対応するステージに関連している前記(1)
項に記載の装置。 (3)各々の第2のCCDレジスタは、前の第2のCC
Dレジスタより1つすくないステージを有している前記
(1)項に記載の装置。 (4)N個の第2のCCDレジスタの出力は一緒に加算
される前記(1)項に記載の装置。 (5)電荷結合素子(CCD)の電荷検出装置はN個
(Nは1より大きい整数)の非破壊電荷読み出しを有す
る第1のCCDレジスタ、および前記N個の非破壊電荷
読み出しに結合されたN個の第2のCCDレジスタ、前
記N個の第2のCCDレジスタの各々は、前記N個の非
破壊電荷読み出しの対応する一つに結合去れている装
置。
【0023】幾つかの実施の形態が、詳細に記載された
が、本発明の範囲は、特許請求の範囲の範囲内におい
て、記載されたものとは異なる実施の形態を包含するこ
とを理解すべきである。本発明は、図示された実施の形
態について述べられたが、この記載は、限定した意味に
解釈されるべきではない。他の本発明の実施の形態ばか
りでなく、図示された実施の形態のいろいろな変形およ
び組み合わせが、当業者に明らかであろう。従って、特
許請求の範囲は、如何なる変形および実施の形態をも包
含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である低雑音高性能の電
荷検出装置を示す。
【図2】本発明の一実施の形態である低雑音高性能の電
荷検出装置の回路図を示す。
【図3】図2の回路に対するクロック信号の波形図を示
す。
【図4】第一の実施の形態である浮動ゲートの電荷検出
ノードの平面図である。
【図5】図4に示されたA−A’線に沿った第一の実施
の形態である浮動ゲートの電荷検出ノードの断面図であ
る。
【図6】図4の装置によって作られた電位ウエルの図で
ある。
【図7】図4に示されたB−B’線に沿った第一の実施
の形態である浮動ゲートの電荷検出ノードの断面図であ
る。
【図8】図4の装置によって作られた電位ウエルの図で
ある。
【図9】第二の実施の形態である浮動ゲートの電荷検出
ノードの平面図である。
【図10】図9に示されたA−A’線に沿った第二の実
施の形態である浮動ゲートの電荷検出ノードの断面図で
ある。
【図11】図10の装置によって作られた電位ウエルの
図である。
【図12】図5に示された浮動ゲート上の電位をもとに
戻すための他の実施の形態である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CCDの電荷検出装置において、 N個の非破壊電荷読み出しを有する第1のCCDレジス
    タ(Nは1より大きい整数)と、 前記N個の非破壊電荷読み出しに結合された第2のN個
    のCCDレジスタであって、前記第2のN個のCCDレ
    ジスタの各々は、前記N個の非破壊電荷読み出しの対応
    する一つと結合していることを特徴とする装置。
JP7214966A 1994-08-29 1995-08-23 Ccdの電荷検出装置 Pending JPH0883901A (ja)

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US29734094A 1994-08-29 1994-08-29
US08/297340 1994-08-29

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