JPH09163232A

JPH09163232A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH09163232A
Application number: JP7345459A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nomoto; 哲夫野本
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1995-12-11
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】不要な電力消費をなくして発熱を抑え、暗電
流の発生を低減することが可能な固体撮像装置を提供す
る。【解決手段】複数の画素３をもつ固体撮像素子と、行
方向の画素を選択する垂直走査回路１と、垂直走査回路
で選択された行の画素の出力を順次出力するように選択
する水平走査回路２を備えた固体撮像装置において、画
素の信号電荷蓄積期間に、垂直及び水平走査回路を構成
するシフトレジスタのいずれか一方もしくは両方を、入
力クロックをＬレベルに駆動クロックをＨレベルに固定
して、シフトレジスタ動作を停止するように構成する。
これによりシフトレジスタに入力されるクロックが駆動
されず、クロック駆動に伴う電力消費が抑えられて発熱
が抑えられ、雑音電荷の少ない信号電荷の蓄積が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体撮像装置に
関し、特にその駆動手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ビデオ用の固体撮像装置では、
各画素からの信号を読み出す動作と信号電荷の蓄積動作
は、同時に行われる。このため、各画素の信号電荷蓄積
期間は、通常、フレーム周波数又はフィールド周波数の
逆数で定義される。したがって、１／30秒又は１／60秒
程度となる。この信号電荷蓄積期間内では、入射光によ
り発生する信号電荷のほか、暗電流による雑音電荷も蓄
積される。ビデオ用途の場合１／30秒程度の信号電荷蓄
積期間では、暗電流による雑音電荷数は信号電荷に比較
して十分小さくすることが可能であり、通常大きな問題
となることはない。

【０００３】また、ビデオ用途においては、各画素から
の信号を読み出す動作と信号電荷の蓄積動作が同時に行
われるため、両動作で駆動条件を変更することはできな
い。電荷変調素子（Charge Modulation Device :ＣＭＤ
と略称されている）を受光素子に用いた固体撮像装置で
は、信号電荷蓄積状態にある画素はドレイン電位は3.5
Ｖ，ゲート電位は−６Ｖ，基板電位は−10Ｖ程度とな
る。読み出し動作にある画素はゲート電位は−1.2 Ｖ程
度となり、ドレイン、基板電位は蓄積状態の画素と共通
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、電子スチルカメ
ラに固体撮像装置を用いる場合は、信号電荷蓄積期間は
カメラのシャッタ速度に対応し、この時間は撮像状態に
より１／1000秒程度から１秒以上まで様々な値を取りう
る。この信号電荷蓄積期間は各画素で入射光による信号
電荷を蓄積すると共に、暗電流による雑音電荷も同時に
蓄積する。ビデオ用の固体撮像装置の信号電荷蓄積期間
は１／30秒程度であるので、暗電流による雑音電荷を信
号電荷に比べ十分小さくすることができるが、電子スチ
ルカメラにおいては、長時間の信号電荷蓄積を行うと、
暗電流による雑音電荷数が多くなり、各画素で暗電流生
成速度が異なることによる固定パタン雑音や、また、暗
電流生成揺らぎによるランダム雑音の増大により、撮像
画像の信号対雑音比が減少するという問題がある。暗電
流の生成は温度の上昇により増大することが知られてお
り、撮像中の温度上昇を避けることが信号対雑音比を向
上させるためには重要となる。

【０００５】電荷変調素子を受光素子に用いた固体撮像
装置においては、特開平４−３０４６７２号公報で開示
されているように、その暗電流の発生はドレイン−ゲー
ト間電位が大きい程大きくなることが知られている。電
子スチルカメラにおいて、電荷変調素子を受光素子とし
て用いた固体撮像装置を使用する場合には、信号電荷蓄
積期間中にビデオ用途の場合と同様に、ドレイン電位は
3.5 Ｖ，ゲート電位は−６Ｖ程度とすると、ドレイン−
ゲート間の電位が9.5 Ｖにもなり、暗電流の発生は大き
くなり、蓄積される信号の信号対雑音比が減少するとい
う問題がある。

【０００６】本発明は、電子スチルカメラに固体撮像装
置を用いた場合における上記問題点を解消するためにな
されたもので、請求項１記載の発明は、不要な電力消費
を抑制し暗電流生成量を減少させる固体撮像装置を提供
することを目的とする。また請求項２記載の発明は、固
体撮像素子及びその駆動手段の構成を変えずに、不要な
電力消費を抑制し暗電流生成量を減少させる固体撮像装
置を提供することを目的とする。また請求項３記載の発
明は、外部から供給する駆動クロックを変化させずに、
不要な電力消費を抑制し暗電流生成量を減少させる固体
撮像装置を提供することを目的とする。また請求項４記
載の発明は、信号電荷蓄積期間中の暗電流生成量を低下
させた画素として電荷変調素子を用いた固体撮像装置を
提供することを目的とする。また請求項５記載の発明
は、請求項４記載の固体撮像装置において、蓄積した信
号電荷を無駄にすることなく、又は隣接画素と混合する
ことなく信号の読み出しを可能にすることを目的とす
る。また請求項６記載の発明は、入射光遮断状態が解除
されている期間における電荷蓄積を、雑音電荷の発生を
抑えた状態で行えるようにした画素として電荷変調素子
を用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１記載の発明は、複数の画素を有する固体撮
像素子と、該固体撮像素子の画素信号電荷の蓄積と読み
出しを行うための駆動手段とを有し、信号電荷蓄積期間
と信号読み出し期間が異なり同時に発生しないように駆
動する固体撮像装置において、前記信号電荷蓄積期間に
前記駆動手段の駆動を停止する手段を設けるものであ
る。このように構成することにより、信号電荷蓄積期間
中は固体撮像素子の駆動は停止され、不要な電力消費を
なくして発熱を抑え、暗電流の発生を低く抑えることが
できる。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体撮像装置において、前記駆動手段の駆動停止手段を、
外部から供給される駆動クロックを停止して駆動を停止
するように構成するものである。このように構成するこ
とにより、固体撮像素子と駆動手段の構成を変えずに、
信号電荷蓄積期間の暗電流の発生を低く抑えることがで
きる。

【０００９】請求項３記載の発明は、請求項１記載の固
体撮像装置において、前記駆動手段の駆動停止手段を、
外部から供給される制御信号により内部の駆動クロック
を停止して駆動を停止するように構成するものである。
このように構成することにより、外部から供給する駆動
クロックを変化させることなく制御信号を入力するだけ
で、信号電荷蓄積期間の暗電流の発生を低く抑えること
ができる。

【００１０】請求項４記載の発明は、請求項１記載の固
体撮像装置において、前記画素として電荷変調素子を用
い、前記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には信号読み出
し期間に比べて前記電荷変調素子のゲート電位を上げる
かあるいはドレイン電位を下げるかの少なくとも一方を
行うように駆動するか、又はゲート電位を上げるかある
いはドレイン電位を下げるかの少なくとも一方を行うと
共に基板電位を上げるように駆動する如く構成するもの
である。このように構成することにより、画素として電
荷変調素子を用いた固体撮像装置において、信号電荷蓄
積期間中の暗電流生成量を低下させることができる。

【００１１】請求項５記載の発明は、請求項４記載の固
体撮像装置において、前記駆動手段は、少なくとも前記
ドレイン及びゲート電位の切り替えにおいて、信号読み
出し期間から信号電荷蓄積期間への切り替え時にはゲー
ト電位を変化させた後ドレイン電位を変化させ、信号電
荷蓄積期間から信号読み出し期間への切り替え時にはド
レイン電位を変化させた後ゲート電位を変化させるよう
に構成するものである。このように駆動手段を構成する
ことにより、信号電荷蓄積期間に蓄積した信号電荷を隣
接画素に蓄積された電荷と混ぜ合わせることなく、又は
無駄にすることなく信号を読み出すことができる。

【００１２】請求項６記載の発明は、請求項４又は５記
載の固体撮像装置において、前記駆動手段を、信号読み
出し状態から信号電荷蓄積状態への遷移は入射光遮断状
態が解除される前に行われ、信号電荷蓄積状態から信号
読み出し状態への遷移は入射光遮断状態に入った後に行
われるように構成するものである。このように駆動手段
を構成することにより、入射光遮断手段が開いている期
間における電荷蓄積を、雑音電荷の発生を抑えた状態で
行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

〔第１の実施の形態〕次に、実施の形態について説明す
る。図１は、本発明に係る固体撮像装置の第１の実施の
形態を示す概略回路構成図で、３×３の画素をもつ固体
撮像装置の構成例を示している。図１において、１は行
方向の画素を選択する垂直走査回路、２は垂直走査回路
１で選択された行の画素の出力を順次出力するように選
択する水平走査回路、３は画素、４は垂直選択線、５は
垂直信号線である。一般に、垂直及び水平の各走査回路
１，２の内部のうち、選択信号を順次出力させる部分は
シフトレジスタで構成される。シフトレジスタの構成例
を図２の（Ａ）に示す。図２の（Ａ）において、６はシ
フトレジスタ単位である。シフトレジスタ単位６は、ク
ロック型インバータ２段を直列に接続することにより構
成され、このシフトレジスタ単位６が更に直列に接続さ
れ、シフトレジスタを構成している。

【００１４】シフトレジスタ単位６の構成を、図２の
（Ｂ）に示す。ＰＭＯＳトランジスタＱ１のソースがＶ
ＤＤに、ドレインがＰＭＯＳトランジスタＱ２のソース
に、ＰＭＯＳトランジスタＱ２のドレインがＮＭＯＳト
ランジスタＱ３のドレインに、ＮＭＯＳトランジスタＱ
３のソースがＮＭＯＳトランジスタＱ４のドレインに、
ＮＭＯＳトランジスタＱ４のソースがＶＳＳに接続さ
れ、ＰＭＯＳトランジスタＱ５のソースがＶＤＤに、ド
レインがＰＭＯＳトランジスタＱ６のソースに、ＰＭＯ
ＳトランジスタＱ６のドレインがＮＭＯＳトランジスタ
Ｑ７のドレインに、ＮＭＯＳトランジスタＱ７のソース
がＮＭＯＳトランジスタＱ８のドレインに、ＮＭＯＳト
ランジスタＱ８のソースがＶＳＳに接続されている。ま
た、Ｑ１，Ｑ４のゲートは前段の出力に、Ｑ２のゲート
はクロックＣＫ２の反転クロック＊ＣＫ２に、Ｑ３のゲ
ートはクロックＣＫ２に、Ｑ５，Ｑ８のゲートはＱ２，
Ｑ３のドレインに、Ｑ６のゲートはクロックＣＫ１の反
転クロック＊ＣＫ１に、Ｑ７のゲートはクロックＣＫ１
に接続されている。

【００１５】次に、図２の（Ａ），（Ｂ）に示したシフ
トレジスタの動作を、図３に示したタイミングチャート
をもとに説明する。第１段のシフトレジスタ単位６の入
力端子にはクロックＣＫＩＮが入力される。時刻ｔ₀に
おいてクロックＣＫＩＮにＨレベルを入力すると、クロ
ックＣＫ１，ＣＫ２にしたがって、各シフトレジスタ単
位６の出力ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３には、それぞれ時刻
ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃にＨレベルが出力されているのがわか
る。また、図３の時刻ｔ₅以降に示すように、クロック
ＣＫ１，ＣＫ２をＨレベルで停止すると、シフトレジス
タはインバータチェーンとなり、クロックＣＫＩＮにＬ
レベルが入力されていると各シフトレジスタ単位６の出
力端子ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３にはＬレベルが出力され
る。

【００１６】クロックＣＫＩＮに入力されたＨレベルの
パルスがシフトされていくのを、垂直及び水平走査回路
の選択信号が順次走査されるのに対応させることによっ
て、固体撮像装置の走査を実現することができる。した
がって、クロックＣＫＩＮがＬレベル、ＣＫ１，ＣＫ２
がＨレベルで停止している期間は、画素の選択は行われ
ない。信号電荷蓄積期間において、図１に示した固体撮
像装置の水平、垂直走査回路１，２を構成するシフトレ
ジスタのいずれか一方もしくは両方を、先に説明した方
法で停止することにより、信号電荷蓄積期間には特定の
画素が選択されず、更にシフトレジスタに入力されるク
ロックが駆動されないので、クロック駆動に伴う電力消
費を抑えることができ、それに伴う発熱を抑えることが
できる。したがって、雑音電荷の少ない信号電荷蓄積が
可能となる。

【００１７】以上の説明では、走査回路に入力するクロ
ックを停止することにより電力消費を抑えるようにした
ものを示したが、走査回路に入力するクロックの周波数
を低くすることによっても、同様な効果を得ることがで
きる。

【００１８】〔第２の実施の形態〕次に、前記シフトレ
ジスタの駆動の別の停止手段を第２の実施の形態として
説明する。第１の実施の形態におけるシフトレジスタに
おいては、走査回路の駆動の停止を、信号電荷蓄積期間
にシフトレジスタを駆動するクロックをＨレベルに固定
し、シフトレジスタの駆動を停止することにより行って
いる。一般に固体撮像装置では、水平走査回路は高速で
駆動され、高速のクロックに対応したクロックドライバ
回路により、クロックが供給される。信号電荷蓄積期間
に走査回路の駆動を停止させるために、固体撮像装置の
外部から供給するクロックを停止させようとすると、ク
ロックドライバ回路に新たな回路が追加されることにな
る。高速のクロックを扱わなければならない回路では、
位相の管理等が高画質を維持するためには重要となるの
で、余計な回路はない方が望ましい。また、固体撮像装
置内の電力消費が最も固体撮像素子の温度上昇を招くの
で、固体撮像装置内の電力消費の大きな部分の省電力化
が、高画質の維持には効果的である。固体撮像装置内の
電力消費の大きな部分は、先に述べたように、シフトレ
ジスタのクロック駆動部であるので、固体撮像装置内の
シフトレジスタに供給するクロックを停止することによ
り大きな効果が期待できる。したがって、固体撮像装置
の外部から供給される高速のクロックを停止することな
く、外部から供給される制御信号に応じて固体撮像装置
内の走査回路に供給するクロックを停止する制御回路
を、固体撮像装置と同一基板上に設けることにより、よ
り高画質な映像信号を得ることができる。

【００１９】図２の（Ａ），（Ｂ）に示したシフトレジ
スタにより走査回路が構成されている場合の、本実施の
形態の具体的な構成例を図４に示す。図４において、Ｃ
Ｋ１ｉ，ＣＫ２ｉは固体撮像装置の外部から供給される
クロックである。ＣＫ１，＊ＣＫ１，ＣＫ２，＊ＣＫ２
は固体撮像装置内の走査回路を構成するシフトレジスタ
を駆動するためのクロックである。ＣＮＴ１は固体撮像
装置の外部から入力されるクロック制御信号である。ク
ロックＣＫ１，ＣＫ２は、それぞれクロックＣＫ１ｉ，
ＣＫ２ｉとクロック制御信号ＣＮＴ１のＯＲ出力であ
り、クロック＊ＣＫ１，＊ＣＫ２は、それぞれクロック
ＣＫ１，ＣＫ２の反転出力である。

【００２０】次に、図４に示した制御回路の動作を、図
５に示すタイミングチャートを用いて説明する。時刻ｔ
₆以前は、制御信号ＣＮＴ１がＬレベルであるので、ク
ロックＣＫ１，ＣＫ２にはそれぞれＣＫ１ｉ，ＣＫ２ｉ
に入力されたクロックが出力される。時刻ｔ₆以降、制
御信号ＣＮＴ１がＨレベルとなると、クロックＣＫ１，
ＣＫ２はＣＫ１ｉ，ＣＫ２ｉにかかわらず、Ｈレベルに
固定される。このとき、クロック＊ＣＫ１，＊ＣＫ２
は、それぞれクロックＣＫ１，ＣＫ２の反転であるの
で、Ｌレベルに固定される。クロックＣＫ１，ＣＫ２，
＊ＣＫ１，＊ＣＫ２が第１の実施の形態で説明したシフ
トレジスタに入力され、時刻ｔ₆以降ＣＫＩＮがＬレベ
ルであれば、各シフトレジスタ単位は図３に示したタイ
ミングチャートの時刻ｔ₅以降と同様の動作をする。

【００２１】この操作を信号電荷蓄積期間に行うことに
よって、外部から供給するクロックＣＫ１ｉ，ＣＫ２ｉ
の波形を変形することなく、制御信号ＣＮＴ１をＨレベ
ルにすることにより走査回路内のシフトレジスタの駆動
を停止することが可能となり、信号電荷蓄積期間中の不
要な電力消費を低く抑えることが可能となる。本実施の
形態で示した図４のクロック制御回路は、同等の作用が
得られるものであれば、ＮＡＮＤ回路や、インバータ回
路等を組み合わせた、図４に示した回路以外の構成でも
よい。また、信号電荷蓄積期間中のシフトレジスタの駆
動の停止は、水平走査回路及び垂直走査回路を構成する
シフトレジスタのいずれか一方、もしくは両方に対して
行うことができる。

【００２２】第１及び第２の実施の形態では、走査回路
内のシフトレジスタの構成としてクロック型インバータ
を直列に接続したものを用いて説明したが、入力される
クロックにより信号を順次シフトさせるものであれば、
シフトレジスタの構成は、どのような型のものでも本発
明の効果が得られる。

【００２３】〔第３の実施の形態〕次に、第３の実施の
形態について説明する。この実施の形態は、受光素子と
して電荷変調素子を用いた固体撮像装置に本発明を適用
したものである。第３の実施の形態においては、信号電
荷蓄積期間に電荷変調素子のドレイン、ゲート、基板の
各端子電位を、信号読み出し期間に対し変化させる。こ
の態様を図６に示したタイミングチャートをもとに説明
する。図６のタイミングチャートに示したように、信号
電荷蓄積期間に入ると、まずゲート電位を信号読み出し
時電位より信号電荷蓄積時電位に上げる。ここでいう信
号読み出し時のゲート電位は、信号読み出し時に非選択
画素に加えられる電位を意味する。その後、ドレイン電
位を信号読み出し時電位から信号電荷蓄積時電位に下
げ、基板電位を信号読み出し時電位から信号電荷蓄積時
電位に上げる。

【００２４】また、信号電荷蓄積期間から信号読み出し
期間に移るときは、まずドレイン電位を信号電荷蓄積時
電位から信号読み出し時電位に上げ、基板電位を信号電
荷蓄積時電位から信号読み出し時電位に下げる。その後
ゲート電位を信号電荷蓄積時電位から信号読み出し時電
位に下げる。

【００２５】このように信号電荷蓄積期間に、ドレイン
電位を下げゲート電位を上げることにより、ドレイン−
ゲート間電位を小さくすることができ、暗電流の発生を
低く抑えることができる。また、ドレイン電位を下げる
こと又はゲート電位を上げることにより、信号電荷蓄積
期間中の光電変換領域の境界は表面側に移動し、長波長
光に対する感度は信号読み出し期間の電位状態で信号電
荷を蓄積する場合に比べて低くなる。これに対して、基
板電位を上げることにより光電変換領域の境界を基板側
に移動させることができ、従来の信号読み出し期間の電
位状態での信号電荷蓄積と同様の分光感度をもたせるこ
とができる。

【００２６】図６では、ドレイン、ゲート及び基板の３
種の電位を信号電荷蓄積期間に変化させるように説明し
たが、ドレインもしくはゲート電位の一方又は両方を変
化させても、暗電流低減の効果は得られる。また、信号
電荷蓄積期間にドレイン電位を下げ、且つ基板電位を上
げる、又はゲート電位を上げ、且つ基板電位を上げるこ
とにより、暗電流低減効果と共に従来と同様の分光感度
特性を得ることができる。

【００２７】また、信号電荷蓄積期間から信号読み出し
期間へ遷移するときに、ドレイン及び基板電位を信号読
み出し時電位に戻した後、ゲート電位を信号読み出し時
電位に戻すことにより、信号電荷蓄積期間に各画素に蓄
積された電荷が隣接画素間で混合してしまうのを防ぐこ
とができる。

【００２８】実際の信号電荷蓄積を行っている間は、一
定の光電変換特性を持つ必要がある。一定の光電変換特
性を持たない状態で信号電荷の蓄積を行うと、信号電荷
蓄積期間中に非線形な光電変換を行い、出力信号の線形
性が損なわれる。したがって、信号電荷蓄積時の電位関
係を保った状態でのみ光を入射し、光電変換動作を行わ
せる必要がある。図６に示したように、時刻ｔ_Sにシャ
ッタリリース信号が入力された後に、ゲート電位を信号
読み出し時電位から信号電荷蓄積時電位に変化させた
後、ドレイン及び基板電位を信号読み出し時電位から信
号電荷蓄積時電位に変化させ、その後シャッタを開く。
所定の露光時間経過後、シャッタを閉じ、ドレイン及び
基板電位を信号読み出し時電位に戻した後、ゲート電位
を信号読み出し時電位に戻し、信号を読み出す。このよ
うに操作することで、信号電荷蓄積期間中の電荷変調素
子の各端子の電位は一定となり、線形な光電変換を行っ
た信号を読み出すことができる。ここで、シャッタは固
体撮像装置に入射する光を遮断できるものであれば、そ
の構成に制限はない。

【００２９】図６では、基板電位の変化はドレイン電位
の変化と同一のタイミングで行われるものとして説明を
行ったが、信号読み出し時電位から信号電荷蓄積時電位
への変化は、ゲート電位が信号読み出し時電位から信号
電荷蓄積時電位へ変化した後に行われればよく、また信
号電荷蓄積時電位から信号読み出し時電位への変化は、
ゲート電位が信号電荷蓄積時電位から信号読み出し時電
位に変化する前に行われればよく、ドレイン電位の変化
との関係には特に制限はない。

【００３０】信号電荷蓄積期間の電荷変調素子のドレイ
ン電位、ゲート電位又は基板電位の変化は、各電位供給
端子に各タイミングに応じた電位を供給することで実現
することができる。しかし、この方法では各電位供給端
子に供給される電位が変化することになり、十分なバイ
パスコンデンサを設けることができない。また、出力電
位が可変の電位供給用バッファが必要となる。そのた
め、信号電荷蓄積期間と信号読み出し期間で各端子の電
位を切り替える手段を、固体撮像装置と同一基板上に形
成すればよい。電位切り替え手段の構成を図７に示す。
図７において、10は信号読み出し時電源、11は電荷蓄積
時電源、12は制御信号入力端子、13は信号読み出し時電
位供給端子、14は電荷蓄積時電位供給端子、15は電位切
り替え手段、16は電荷変調素子電源端子である。信号読
み出し時電源10及び電荷蓄積時電源11は固体撮像装置の
外部に、電位切り替え手段は固体撮像装置の内部に構成
される。電位切り替え手段15は２系統の入力を制御信号
により切り替えることができるスイッチで、２系統の入
力のうち一方は信号読み出し時電源に、他方は電荷蓄積
時電源に接続される。電位切り替え手段15の出力は電荷
変調素子の電源端子16に接続される。

【００３１】図７に示すような電位切り替え手段を、固
体撮像装置と同一基板上に形成することによって、外部
から供給する電位はＤＣのまま、制御信号により電荷変
調素子に供給する電位を変化させることが可能となる。
図７に示した電位切り替え手段の構成は、ドレイン、ゲ
ート、基板のいずれの電位の切り替えにも応用できる
が、ドレイン電源に対応させるには、信号読み出し時電
源を信号読み出し時ドレイン電位に、電荷蓄積時電源を
グランド電位とする。また、ゲート電源に対応させるに
は、信号読み出し時電源を信号読み出し時ゲート電位
に、電荷蓄積時電源を電荷蓄積時ゲート電位とし、基板
電源に対応させるには、信号読み出し時電源を信号読み
出し時基板電位に、電荷蓄積時電源を電荷蓄積時基板電
位とする。

【００３２】図７では信号読み出し時電源及び電荷蓄積
時電源は、便宜上正の電位で記述したが、信号読み出し
時ドレイン電位は正の電位となり、電荷蓄積時ドレイン
電位はグランド電位、信号読み出し時ゲート電位、電荷
蓄積時ゲート電位、信号読み出し時基板電位及び電荷蓄
積時基板電位は負の電位となる。

【００３３】更に、電位切り替え手段をＭＯＳトランジ
スタで構成することにより、特別な半導体プロセスを追
加することなく、電位切り替え手段を固体撮像装置と同
一基板上に構成することが可能となる。電位切り替え手
段をＭＯＳトランジスタで構成した構成例を、図８の
（Ａ），（Ｂ）に示す。図８の（Ａ）はＰＭＯＳトラン
ジスタＱ10，ＮＭＯＳトランジスタＱ11によりインバー
タを構成し、高い電位の電源に電源１を、低い電位の電
源に電源２を接続する。更に、制御信号ＣＮＴ２をイン
バータに入力し、インバータの出力を電荷変調素子の電
源端子に接続する。また、図８の（Ｂ）は別の構成例で
あり、ＰＭＯＳトランジスタＱ20とＮＭＯＳトランジス
タＱ21からなるアナログスイッチと、ＰＭＯＳトランジ
スタＱ22とＮＭＯＳトランジスタＱ23からなるアナログ
スイッチの双方の一端を接続し、電荷変調素子の電源端
子に接続し、Ｑ20，Ｑ21からなるスイッチの他端を電源
１に、Ｑ22，Ｑ23からなるスイッチの他端を電源２に接
続し、Ｑ20，Ｑ23のゲートには制御信号ＣＮＴ２を、Ｑ
21，Ｑ22のゲートには制御信号ＣＮＴ２の反転出力を入
力する。

【００３４】図８の（Ａ），（Ｂ）に示した電位切り替
え手段の動作を、図９に示すタイミングチャートをもと
に説明する。図８の（Ａ）の構成の電位切り替え手段で
は、インバータ動作をするので、制御信号ＣＮＴ２がＬ
レベルだと電荷変調素子の端子には高い電位の電源１の
電位が供給され、制御信号ＣＮＴ２がＨレベルだと低い
電位の電源２の電位が供給される。図８の（Ｂ）の構成
の電位切り替え手段では、制御信号ＣＮＴ２がＬレベル
だと、Ｑ22，Ｑ23で構成されるアナログスイッチが導通
し、Ｑ20，Ｑ21で構成されるアナログスイッチが非導通
となり、電荷変調素子の電源端子には電源２の電位が出
力される。制御信号ＣＮＴ２がＨレベルだと、Ｑ22，Ｑ
23で構成されるアナログスイッチが非導通となり、Ｑ2
0，Ｑ21で構成されるアナログスイッチが導通し、電荷
変調素子の電源端子には電源１の電位が出力される。

【００３５】ここで、本切り替え手段をドレイン電位切
り替え手段として用いる場合には、信号電荷蓄積期間に
制御信号ＣＮＴ２をＨレベルとすると、電源１を信号読
み出し時ドレイン電位とし、電源２を電荷蓄積時ドレイ
ン電位とすればよい。また、ゲート電位切り替え手段と
して用いる場合は、電源１を電荷蓄積時ゲート電位と
し、電源２を信号読み出し時ゲート電位とすればよい。
また、基板電位切り替え手段として用いる場合は、電源
１を電荷蓄積時基板電位とし、電源２を信号読み出し時
基板電位とすればよい。

【００３６】なお、ＭＯＳトランジスタで構成する電位
切り替え手段は、図８に示した回路構成に限ったもので
はなく、同様の効果を持つものであれば、その構成に制
限はない。

【００３７】基板電位切り替え手段を構成するＭＯＳト
ランジスタの基板と電荷変調素子の基板が同電位である
と、電荷変調素子の基板電位を変化させた時にＭＯＳト
ランジスタの基板電位が変化してしまい、基板バイアス
効果によりＭＯＳトランジスタの駆動能力が変化してし
まう。したがって、電荷変調素子の基板と電位切り替え
手段を含む回路部の基板を電気的に分離することが望ま
しい。具体的には、例えば図８の（Ａ）に示す電位切り
替え回路においては、トランジスタＱ10の基板は電源１
に、トランジスタＱ11の基板は電源２に接続すればよ
い。この場合、電荷変調素子の基板と各トランジスタが
形成される基板は、電気的に分離されている必要があ
る。

【００３８】電荷変調素子の基板とトランジスタの基板
の電位を同一基板上で分離するための構造を、図10をも
とに説明する。同一の名称が付けられている部分は同電
位となる。Ｐ^-基板部21が表面に露出している部分に電
荷変調素子を形成する。またＰ型ウェル（１）22はＰ^-
基板部21の電位を表面から供給するためのウェルであ
り、Ｎ型ウェル（１）23，Ｐ型ウェル（２）24上に、電
位切り替え手段が形成され、これらのウェル23，24とＰ
^-基板部21の間に、Ｎ型埋め込み層（１）25が形成され
る。また、Ｎ型ウェル（２）26，Ｐ型ウェル（３）27上
に走査回路等のその他の回路が形成され、これらのウェ
ル26，27とＰ^-基板部21の間に、Ｎ型埋め込み層（２）
28が形成される。なお図10において、29は電荷変調素子
形成部、30は電位切り替え手段形成部、31は走査回路形
成部を示している。

【００３９】このように形成することにより、同一基板
上に形成したＰ^-基板部21及びＰ型ウェル（１）22と、
その他のウェルが電気的に絶縁されるため、Ｐ^-基板部
21に供給される電位にかかわらず、各トランジスタの基
板電位は、各トランジスタが形成されるウェルに供給さ
れる電位に固定される。

【００４０】一方、ドレイン、ゲート電位切り替え手段
においても、例えば図８の（Ａ）に示す電位切り替え手
段を用いる場合には、ＰＭＯＳトランジスタＱ10が形成
されるＮウェルの電位が電源１の電位より高い場合や、
ＮＭＯＳトランジスタＱ11が形成されるＰウェルの電位
が電源２の電位より低い場合には、各トランジスタの駆
動能力が十分でなくなるといった問題がある。したがっ
て、基板電位切り替え手段について説明したように、ド
レイン、ゲートの各電位切り替え手段が形成されるＮウ
ェル、Ｐウェルの電位を、それぞれ電源１，電源２とす
ることで、これらの問題は解決される。

【００４１】この際、基板電位切り替え手段と同様に、
他のウェル、基板と電気的分離が必要となるので、それ
ぞれのウェルとＰ^-基板との間に埋め込み層を設ける必
要がある。但し、切り替える電位によっては、走査回路
を形成するウェルの上に電位切り替え手段を形成するこ
とも可能である。

【００４２】一般に、制御信号は固体撮像装置の外部に
設けられる論理回路によって生成される。これらの論理
回路がＴＴＬ回路又はＣＭＯＳ回路で構成される場合、
信号の振幅は０／５Ｖの範囲となる。例えば図８の
（Ａ）に示す電位切り替え手段を用いてゲート電位の切
り替えを行うには、電源１には約−３Ｖ，電源２には約
−７Ｖを供給する場合がある。ＮＭＯＳトランジスタが
形成されるＰウェルを電源２に、ＰＭＯＳトランジスタ
が形成されるＮウェルを電源１に接続すると、切り替え
手段の入力に振幅０／５Ｖの制御信号を加えても、出力
を電源１と電源２に切り替えることはできない。よっ
て、切り替え手段に入力する制御信号の振幅は、電源２
の電位／電源１の電位とすることが望ましい。

【００４３】一方、固体撮像装置の外部で制御信号の振
幅を、電源２の電位／電源１の電位とするには、制御信
号を生成する論理回路の電源範囲を、電源２の電位／電
源１の電位とするか、論理回路と固体撮像装置の間に、
信号の振幅を変換するレベルシフト回路を設ける必要が
あり、固体撮像装置の駆動のための回路規模が大きくな
る等の問題がある。電位切り替え手段の制御信号を、０
／５Ｖ電源系の論理回路で発生させる場合には、ドレイ
ン電位切り替え手段に対しては０／３Ｖ程度に、ゲート
電位切り替え手段に対しては−７／−３Ｖ程度に、基板
電位切り替え手段に対しては−10／−４Ｖ程度にレベル
シフトする必要がある。

【００４４】そこで、固体撮像装置内の制御信号入力端
子と電位切り替え手段の入力の間にレベルシフト回路を
設けることにより、外部から供給する制御信号の振幅は
０／５Ｖのまま、電位切り替え手段に入力される制御信
号の振幅を、電源２の電位／電源１の電位とすることが
でき、上記問題点は解決される。レベルシフト回路の具
体的を構成例は、例えば特開平６−７７８０９号に詳述
されている。

【００４５】以上実施の形態について説明したが、本発
明の態様をまとめて示すと、次の通りである。（１）複数の画素を有する固体撮像素子と、該固体撮
像素子の画素信号電荷の蓄積と読み出しを行うための駆
動手段とを有し、信号電荷蓄積期間と信号読み出し期間
が異なり同時に発生しないように駆動する固体撮像装置
において、前記信号電荷蓄積期間に前記駆動手段の駆動
を停止する手段を備えていることを特徴とする固体撮像
装置。このように構成することにより、信号電荷蓄積期
間中は固体撮像素子の駆動は停止され、不要な電力消費
をなくして発熱を抑え、暗電流の発生を低減することが
できる。（２）前記駆動手段の駆動停止手段は、外部から供給
される駆動クロックを停止して駆動を停止するように構
成されていることを特徴とする上記（１）記載の固体撮
像装置。このように構成することにより、固体撮像素子
と駆動手段の構成を変えずに、信号電荷蓄積期間中の暗
電流の発生を低く抑えることができる。（３）前記駆動手段の駆動停止手段は、外部から供給
される制御信号により内部の駆動クロックを停止して駆
動を停止するように構成されていることを特徴とする上
記（１）記載の固体撮像装置。このように構成すること
により、外部から供給する駆動クロックを変化させるこ
となく制御信号を入力するだけで、信号電荷蓄積期間中
の暗電流の発生を低く抑えることができる。（４）画素として電荷変調素子を用いることを特徴と
する上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の固体撮
像装置。これにより、信号電荷蓄積期間中の暗電流の発
生を低減した高感度の固体撮像装置を実現することかで
きる。（５）前記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には電荷変
調素子のドレイン電位を信号読み出し期間に比べて下げ
るように構成されていることを特徴とする上記（４）記
載の固体撮像装置。このように駆動することにより、信
号電荷蓄積期間の暗電流を低減することができる。（６）前記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には電荷変
調素子のゲート電位を、信号読み出し期間の非選択状態
の電荷変調素子に加えられるゲート電位に比べて上げる
ように構成されていることを特徴とする上記（４）記載
の固体撮像装置。このように駆動することにより、信号
電荷蓄積期間の暗電流を低減することができる。（７）前記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には信号読
み出し期間に比べて電荷変調素子のドレイン電位を下
げ、且つ電荷変調素子のゲート電位を信号読み出し期間
の非選択状態の電荷変調素子に加えられるゲート電位に
比べて上げるように構成されていることを特徴とする上
記（４）記載の固体撮像装置。このように駆動すること
により、信号電荷蓄積期間の暗電流を低減することがで
きる。（８）前記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には信号読
み出し期間に比べて電荷変調素子の基板電位を上げるよ
うに構成されていることを特徴とする上記（５）〜
（７）のいずれか１項に記載の固体撮像装置。このよう
に駆動することにより、信号電荷蓄積期間中の電荷変調
素子の感度を更に高めることができる。（９）前記駆動手段は、電荷変調素子を画素として用
いた固体撮像素子と同一基板上に形成された、電荷変調
素子のドレイン電位を信号電荷蓄積期間と信号読み出し
期間で制御信号に応じて変化させるための切り替え手段
を備えていることを特徴とする上記（５），（７），
（８）のいずれか１項に記載の固体撮像装置。このよう
に構成することにより、外部から供給するドレイン電位
はＤＣのまま特別なドライバ回路を要することなく、上
記（５），（７），（８）記載の固体撮像装置と同等の
効果を得ることができる。（10）前記駆動手段は、電荷変調素子を画素として用
いた固体撮像素子と同一基板上に形成された、電荷変調
素子のゲート電位を信号電荷蓄積期間と信号読み出し期
間で制御信号に応じて変化させるための切り替え手段を
備えていることを特徴とする上記（６），（７），
（８）のいずれか１項に記載の固体撮像装置。このよう
に構成することにより、外部から供給するゲート電位は
ＤＣのまま特別なドライバ回路を要することなく、上記
（６），（７），（８）記載の固体撮像装置と同等の効
果を得ることができる。（11）前記駆動手段は、電荷変調素子を画素として用
いた固体撮像素子と同一基板上に形成された、電荷変調
素子の基板電位を信号電荷蓄積期間と信号読み出し期間
で制御信号に応じて変化させるための切り替え手段を備
えていることを特徴とする上記（８）記載の固体撮像装
置。このように構成することにより、外部から供給する
基板電位はＤＣのまま特別なドライバ回路を要すること
なく、上記（８）記載の固体撮像装置と同等の効果を得
ることができる。（12）前記ドレイン電位切り替え手段は、ＭＯＳトラ
ンジスタにより構成されていることを特徴とする上記
（９）記載の固体撮像装置。これにより、ドレイン電位
切り替え手段を、特別なプロセスを追加することなく、
固体撮像素子と同一基板上に形成することができる。（13）前記ゲート電位切り替え手段は、ＭＯＳトラン
ジスタにより構成されていることを特徴とする上記（1
0）記載の固体撮像装置。これにより、ゲート電位切り
替え手段を、特別なプロセスを追加することなく、固体
撮像素子と同一基板上に形成することができる。（14）前記基板電位切り替え手段は、ＭＯＳトランジ
スタにより構成されていることを特徴とする上記（11）
記載の固体撮像装置。これにより、基板電位切り替え手
段を、特別なプロセスを追加することなく、固体撮像素
子と同一基板上に形成することができる。（15）前記電位切り替え手段の形成領域と前記固体撮
像素子の形成基板とは、電気的分離部により電気的に分
離されていることを特徴とする上記（９）〜（14）のい
ずれか１項に記載の固体撮像装置。これにより、電荷変
調素子を画素として用いた固体撮像素子の基板電位が変
化しても、切り替え特性の変化しない電位切り替え手段
が得られる。（16）前記電気的分離部は、電位切り替え手段の形成
領域と固体撮像素子の形成基板との間に設けられた埋め
込み層で構成されていることを特徴とする上記（15）記
載の固体撮像装置。このように構成することにより、特
別なプロセスを追加することなく電気的分離部を形成す
ることができる。（17）前記切り替え手段に入力される制御信号の振幅
は、電位切り替え手段で切り替える低い電位と高い電位
との間に設定されていることを特徴とする上記（９）〜
（16）のいずれか１項に記載の固体撮像装置。これによ
り、各電位切り替え手段により切り替えられる電位によ
らず、切り替え特性の安定した電位切り替え手段を実現
することができる。（18）前記電位切り替え手段の制御信号入力部と前記
固体撮像装置への該制御信号の入力部との間に、レベル
シフト回路を設けたことを特徴とする上記（９）〜（1
6）のいずれか１項に記載の固体撮像装置。これによ
り、固体撮像装置の外部に設けられる制御信号発生回路
の出力の電位振幅を変化させることなく、各電位切り替
え手段を制御することが可能となる。（19）前記駆動手段は、少なくとも前記ドレイン及び
ゲート電位の切り替えにおいて、信号読み出し期間から
信号電荷蓄積期間への切り替え時にはゲート電位を変化
させた後ドレイン電位を変化させ、信号電荷蓄積期間か
ら信号読み出し期間への切り替え時にはドレイン電位を
変化させた後ゲート電位を変化させるように構成されて
いることを特徴とする上記（４）記載の固体撮像装置。
このように駆動することにより、信号電荷蓄積期間に蓄
積した信号電荷を隣接画素に蓄積された電荷と混ぜ合わ
せることなく、又は無駄にすることなく信号を読み出す
ことができる。（20）前記駆動手段は、信号読み出し状態から信号電
荷蓄積状態への遷移は入射光遮断状態が解除される前に
行われ、信号電荷蓄積状態から信号読み出し状態への遷
移は入射光遮断状態に入った後に行われるように構成さ
れていることを特徴とする上記（４）又は（５）記載の
固体撮像装置。このように駆動することにより、入射光
遮断手段が開いている期間における電荷蓄積を、雑音電
荷の発生を抑えた状態で行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、請求項１記載の発明によれば、信号電荷蓄積期間中
は固体撮像素子の駆動は停止され、不要な電力消費をな
くして発熱を抑え、暗電流の発生を低減した固体撮像装
置を実現することができる。請求項２記載の発明によれ
ば、固体撮像素子と駆動手段の構成を変えずに、信号電
荷蓄積期間の暗電流の発生を低く抑えることができる。
請求項３記載の発明によれば、外部から供給する駆動ク
ロックを変化させることなく制御信号を入力するだけ
で、信号電荷蓄積期間の暗電流の発生を低く抑えること
ができる。請求項４記載の発明によれば、画素として電
荷発生制御素子を用いた固体撮像装置において、信号電
荷蓄積期間中の暗電流生成量を低下させることができ
る。請求項５記載の発明によれば、信号電荷蓄積期間に
蓄積した信号電荷を隣接画素に蓄積された電荷と混ぜ合
わせることなく、又は無駄にすることなく信号を読み出
すことができる。請求項６記載の発明によれば、入射光
遮断手段が開いている期間における電荷蓄積を、雑音電
荷の発生を抑えた状態で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１の実施の形態
を示す概略構成図である。

【図２】図１に示した第１の実施の形態における各走査
回路の一部を構成するシフトレジスタの構成例を示す図
である。

【図３】図２に示したシフトレジスタの動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図４】第２の実施の形態の走査回路を構成するシフト
レジスタにおけるクロック制御回路を示す回路構成図で
ある。

【図５】図４に示したクロック制御回路の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。

【図６】第３の実施の形態における画素として用いる電
荷変調素子への印加電位の変化及び対応するシャッタ状
態を示すタイミングチャートである。

【図７】第３の実施の形態における画素として用いる電
荷変調素子への印加電位の切り替え手段を示す概略構成
図である。

【図８】図７に示した電位切り替え手段をＭＯＳトラン
ジスタで構成した場合の構成例を示す図である。

【図９】図８に示した電位切り替え手段の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。

【図10】固体撮像素子を構成する電荷変調素子の基板と
電位切り替え手段を含む周辺回路部の基板との分離構造
を示す図である。

【符号の説明】

１垂直走査回路２水平走査回路３画素４垂直選択線５垂直信号線６シフトレジスタ単位 10 信号読み出し時電源 11 電荷蓄積時電源 12 制御信号入力端子 13 信号読み出し時電位供給端子 14 電荷蓄積時電位供給端子 15 電位切り替え手段 16 ＣＭＤ電源端子 21 Ｐ^-基板 22 Ｐ型ウェル（１） 23 Ｎ型ウェル（１） 24 Ｐ型ウェル（２） 25 Ｎ型埋め込み層（１） 26 Ｎ型ウェル（２） 27 Ｐ型ウェル（３） 28 Ｎ型埋め込み層（２） 29 電荷変調素子形成部 30 電位切り替え手段形成部 31 走査回路形成部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の画素を有する固体撮像素子と、該
固体撮像素子の画素信号電荷の蓄積と読み出しを行うた
めの駆動手段とを有し、信号電荷蓄積期間と信号読み出
し期間が異なり同時に発生しないように駆動する固体撮
像装置において、前記信号電荷蓄積期間に前記駆動手段
の駆動を停止する手段を備えていることを特徴とする固
体撮像装置。
【請求項２】前記駆動手段の駆動停止手段は、外部か
ら供給される駆動クロックを停止して駆動を停止するよ
うに構成されていることを特徴とする請求項１記載の固
体撮像装置。
【請求項３】前記駆動手段の駆動停止手段は、外部か
ら供給される制御信号により内部の駆動クロックを停止
して駆動を停止するように構成されていることを特徴と
する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】前記画素として電荷変調素子を用い、前
記駆動手段は、信号電荷蓄積期間には信号読み出し期間
に比べて前記電荷変調素子のゲート電位を上げるかある
いはドレイン電位を下げるかの少なくとも一方を行うよ
うに駆動するか、又はゲート電位を上げるかあるいはド
レイン電位を下げるかの少なくとも一方を行うと共に基
板電位を上げるように駆動する如く構成されていること
を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】前記駆動手段は、少なくとも前記ドレイ
ン及びゲート電位の切り替えにおいて、信号読み出し期
間から信号電荷蓄積期間への切り替え時にはゲート電位
を変化させた後ドレイン電位を変化させ、信号電荷蓄積
期間から信号読み出し期間への切り替え時にはドレイン
電位を変化させた後ゲート電位を変化させるように構成
されていることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装
置。
【請求項６】前記駆動手段は、信号読み出し状態から
信号電荷蓄積状態への遷移は入射光遮断状態が解除され
る前に行われ、信号電荷蓄積状態から信号読み出し状態
への遷移は入射光遮断状態に入った後に行われるように
構成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の
固体撮像装置。