JPS60235590A

JPS60235590A - 固体撮像素子の駆動方法および駆動回路

Info

Publication number: JPS60235590A
Application number: JP59090178A
Authority: JP
Inventors: Takuya Imaide; 宅哉今出; Ryushi Nishimura; 龍志西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-05-08
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1985-11-22
Also published as: JPH0528031B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、信号電荷の転送手段としてＣ０Ｄ（電荷転送
装置）を用いた固体撮像素子の駆動方法および駆動回路
に関する。

〔発明の背景〕

従来、ビデオカメラにおいては、撮像素子として、ビジ
コンなどの撮像管が用いられていたが、半導体基板上に
光電変換素子をアレイ状に設けて集積化した固体撮像素
子が、撮像管に比べ、小型。

軽量で消費電力が少なく、しかも、焼付け、残像。

寿命、安定性などの点で有利であることから、近年では
、太いに用いられるようになってきた。

現在商品化されている固体撮像素子は、ＭＯＳ形（Ｍｅ
ｔａ７０ｘｉｄｅ　８ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ形）、
ＣＰＵ形（Ｃｈａｒｇｅ　Ｐｒｉｍｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃ
ｅ形）およびＣＣＤ形の３種類があるが（たとえば、テ
レビジョン学会誌　１９８３年ｌＯ月号参照）。

これらのうちＣＰＤ形およびＣＣＤ形固体撮像素子は、
ＭＯ８形固体撮像素子忙比べて、低雑音である点が有利
であるが、その反面、水平方向の電荷転送のためにＣＣ
Ｄを用いていることから、駆動電圧か高くなるという欠
点がある。

以下、ＣＰＤ形固体撮像素子を例にとり、この駆動電圧
が高くなる点について説明する。

第１図＋ｓ　ＣＰ　Ｄ形固体掃像素子の一従来例を示す
構成図であって、ｌは水平転送用ＣＯＤ、２は入力部、
３は転送部、４は出力部、５は結合部、６はＭＯＳ）ラ
ンジスタ、７は転送ゲート線、８は光電変換部、９は垂
直信号線、ｌＯは垂直ＭＯＳトランジスタ、１１はホト
ダイオード、１２は垂直ゲート線、１３は垂直走査回路
である。

同図において、光電変換部８には、ホトダイオード１１
と垂直ＭＯ８）ランジスタ１０とが対をなして絵素を構
成し、かかる絵素が多数アレイ状に配列さねている。こ
の光電変換部８に被写体の光像が結像され、ホトダイオ
ード１１にはその受光量に応じた信号電荷が発生する。

垂直走査回路１３から垂直ゲート線１２を通して垂直Ｍ
Ｏ８）ランジヌタｌＯにパルスが供給されると、ホトダ
イオードＩＩＫ生じた信号電荷は、垂直ＭＯ８）ランジ
スタＩＯを通して垂直信号線９に転送される。

結合部５は、光電変換部８と水平転送用ＣＣＤ１とを結
合するものであって、転送ゲートｓ！７を通して垂直信
号線９σ）信号電荷を水平転送用ＣＣＤｌＩＣ転送する
。なお、結合部５には、電荷の転送効率を高めるための
回路や垂直スメアなどの不要信号を外部へ掃き出すため
の回路などが設けられているが、ここでは、これらを省
略して基本的な回路＊Ｓで示している。

次に、この固体撮像素子の動作原理を説明する。

垂直走査回路１３は、各水平帰線期間毎に、垂直方向（
図面の上下方向）に配列さねた垂直ゲート線１２に順次
パルスを出力する。このパルスが垂直ゲー）＋１１１２
に出力されると、この垂直ゲート線１２に接続された水
平方向（図面の左右方向）の−列のＭＯＳ）ランジスタ
１０は全てオンし、ホトダイオード１１に生じた信号電
荷は夫々の垂直信号線９に転送される。次いで転送ゲー
ト線７にパルスが供給されで結合部５の全−ｃｏ、＞Ｍ
Ｏ８トランジスタ６がオンし、全ての垂直信号線９の信
号電荷は、結合部５を介して水平転送用ＣＣＤＩの転送
部３に転送される。

次に、水平走査期間において、転送部３の信号電荷は順
次水平方向に転送され、これによって出力部４かもビデ
オ信号が得られる。

次の水平帰線期間では、垂直走査回路１３は次の垂直ゲ
ート線１２にパルスを発生し、同様の信号電荷の転送が
行なわれ、以下、順次信号電荷が読み出されるホトダイ
オード１１の水平列が垂直方向に移り、これによって出
力部４からは連続したビデオ信号が得られる。

なお、水平転送用ＣＣＤＩの入力部２は、転送部３での
信号電荷の転送効率を高めるために、結合部５を逼して
信号電荷が転送されてくる度に、転送部３にバイアス電
荷な注入する。

かかる固体撮像素子においては、水平転送用ＣＣＤ１の
出力部４と結合部５とで高い電圧を必要点する。そこで
、まず、この出力部４について、第２図ないし第４図を
用いて説明する。

第２図は第１図の水平転送用Ｃ０ＤＩの出力部４近傍を
示す構成図であって、１４はｎ形基板、１５はｐ形つェ
ル、１６はｎ膨拡散層、１７゜１８はゲート、１９は出
力ゲート、２０．２１はＭＯＳ）ランジスタ、２２は抵
抗、２３．２４は駆動パルス入力端子、２５は電子印加
端子、２６はリセットゲートパルス入力端子、２７はリ
セット電圧印加端子、２８はビデオ信号出力端子である
。

第２図において、ｎ形基板１４上にｐ形つェル１５が形
成され、このｐ形つェル１５上にゲート１７．１８が交
互に配列されて転送部３（第１図）を構成している。こ
の場合、ゲー）１７．１８間で隙間が生じて不所望なポ
テンシャルが生じないように、ゲー）、ｔ７，１８は互
いに一部が重なり合っている。ゲー）１７．１８には、
夫々互いに位相が異なる駆動パルスφ１．φ２が供給さ
れるＯｐ形つェル１５の端部には、ｎ膨拡散層１６が形成され
、このｎ膨拡散層１６と転送部４の終段グー）１８との
間に出力グー）１９が設けられ、電圧印加端子２５から
一定の電圧■。、が印加されている。ｎ膨拡散層１６に
は、ＭＯＢ）ランジスタ２０のソースとＭＯＢ）ランジ
スタ２１のゲートが接続されており、これらＭＯＢ）ラ
ンジスタ２０．２１のドレインは電圧印加端子２７に接
続されている。また、ＭＯＢ　）ランジスタ２１のソー
スには抵抗２２が接続され、ＭＯＢ）ランジスタ２１と
抵抗２２とでソースホロワ形出力増幅器が形成されてビ
デオ信号の出力端子２８がＭ　ＯＳトランジスタ２１の
ソースに接続されている。

以上のｎ膨拡散層１５．ＭＯＢ　）ランジスタ２０．２
１および抵抗２２によって水平転送用ＣＣＤＩ（第１図
）の出力部４を構成しており、ＭＯＢ）ランジスタ２０
には、入力端子２６からリセットゲートパルスＲＧが供
給され、電圧印加端子２７釦は、リセット電圧ＶＢが印
加されている。

ｎ膨拡散層１６とＭＯＢ）ランジスタ２１のソース側に
浮遊容量があり、これらの合成浮遊容量（以下、出力容
量という）Ｇｏに転送部４からの信号電荷と先に述べた
バイアス電荷とが蓄積され、ＭＯＢ）ランジスタ２１を
通して出力端子２８にビデオ信号として取り出されるの
である。この場合、転送部４から信号電荷とバイアス電
荷が転送される前に、リセットゲートパルスＲＧによっ
てＭＯＢ）ランジスタ２０がオンし、出力容量Ｃ６の電
位が電圧印加端子２７からのリセット電圧■Ｒによって
リセットさね、転送部４から電荷が転送されるときＶＣ
は、出力容量Ｃ６の電位が一定となるようにしている。

なお、リセット電圧ＶＲはＭＯＢ）ラン電圧タ２１σフ
バイアス電田にもなっている。

第３図は第２図の駆動パルスφ１．φ２とリセットケー
トパルスＲＧのタイミング関係を示すタイミングチャー
ト・であって、駆動パルスφ１．φ２は高レベル（以下
、ＩＨＩという）でＶｔ（ｖ）−低レベル（以下、ＩＬ
ＩＩという）で零（Ｖ）　であり、リセットゲートパル
スＲＧはＨ′ｌでＶ２（ｖ）、”Ｌ”でＶ　３　（ｖ）
としている。駆動パルスφ１゜φ２とリセットゲートパ
ルスＲＧのレベル変化に応じて転送部３での電荷転送や
出力容量Ｃ８のりセットが行なわれるが、かかる動作な
第４図を用いて説明する。なお、第４図において、’ｊ
ｐ’２１３．１４　は第３図の各時刻ｔ１１　”２＋　
’３＋　ｔ４における第２図の各部のポテンシャル状態
を示しており、また、第２図の各部分のポテンシャルを
区別するために、これら各部の符号を記すとともに、グ
ー）１７．１８については、供給される駆動パルスφ１
．φ２も同時に記している。なお、ｅ、は信号電荷、ｅ
、はバイアス電荷、ｅ、ｌはリセット電ｐＥＶＲによる
負電荷である。さらＫ、Ｖｔｔ　はゲート１７の閾値電
圧、Ｖｔ２はゲート１８の閾値電圧、Ｖｔ３はＭＯＢ）
ランラスタ２００閾値電圧である。

第２図ないし第４図において、駆動パルスφ１゜φ２が
ＩＬＩＩでリセットゲートパルスＲＧがＩＨ”のときに
は（時刻Ｌｔ）、グー）１７．１８のボｆンシャｋｋｌ
夫ｋ　Ｖ＠ｌｅ　Ｖｔ２（但し、−Ｖｔ１＞Ｖｔｔ）と
高く（以下、各部のポテンシャルは夫々ｆ生ずる電圧で
表わ−ｆ）、駆動パルスφ１が供給されるグー）１８に
信号電荷ｅ、とバイアス電荷ｅｂがあり、ＭＯＢ）ラン
ジスタ２０のポテンシャルは■２だけ低下して（■２−
■ｔ３　）である。ここで、リセット電圧ＶＲの電圧値
をＶ。

とすると、電圧値で（Ｖ２　Ｖｔ３　）＜Ｖ、であり、
出力容量Ｃ８はＶ、（ｖ）にリセットされる。

次に、駆動パルスφ２がｗＨ″になると（時刻ｉｚ）、
この駆動パルスφ２が供給されろゲート１７．１８のポ
テンシャルは■、たけ低下してそのゲート１７のポテン
シャルが１．駆動パルスφ１が供給されろゲート１８の
ポテンシャルよりも低くなり、矢印で示すように、駆動
パルスφ□が供給されるゲート１８から駆動パルスφ２
が供給されるゲート１８へ信号電荷ｅ、とバイアス電荷
ｅ、が移る。このとき、リセットゲートパルスＲＧはＩ
ＩＨ質となるので、ＭＯＢ　）ランジスタ２゜のポテン
シャルは充分に高くなる。

次に、駆動パルスφ２が”　Ｌ″になると（時刻ｔ３）
、ｌｕ動パルスφ２が供給されるゲート１７゜１８は元
のポテンシャルは上昇し、転送部３は時刻ｔ、における
ポテンシャル状態に設定されろ。

出力グー）１９のポテンシャルはグー）１７．１８のポ
テンシャルよりも低く設定されているために、最終のグ
ー）１８に移された信号電荷ｅ、とバイアス電荷ｅ、と
は、矢印で示すように、出力グー）１９を通って出力容
量Ｃ０に移る。しかし、他のグー）１８の信号電荷ｅ、
とバイアス電荷ｅ。

とはグー）１７のポテンシャルが障壁となってそのまま
保持される。出力容量Ｃ６に移った信号電荷ｅ、とバイ
アス電荷ｅｂとは、先に説明したように、ＭＯＳ）ラン
ジスタ２１を通してビデオ信号として出力端子２８に取
り出される。

次いで、電動パルスφ１がＨｗになると（時刻ｔ４　）
、駆動パルスφ１が供給されろゲート１７．１８のポテ
ンシャルが■１だけ低下し、矢印に示すように、駆動パ
ルスφ２が供給されるゲート１８から駆動パルスφ１が
供給されるゲート１８へ信号電荷ｅ、とバイアス電荷ｅ
、とが転送される。そして、駆動パルスφ１が１ｌＬ１
１となるとともに、リセットゲートパルスＲＧがＷＨｌ
ｌとなり、駆動パルスφ１が供給されるゲート１７゜１
８のポテンシャルが上昇するとともに、ＭＯ８トランジ
スタ２０のポテンシャルが低下して時刻ｔ１と同様のポ
テンシャル状態となる。この状態で信号電荷ｅ、とバイ
アス電荷ｅｂはＭＯＳ）ランジスタ２０を介して！Ｅ印
加端子２７に排出され、出力容量Ｃ０はリセット電圧Ｖ
Ｒによってリセットされろ。

以上の動作が繰り返されることにより、転送部３ではグ
ー）１８から次のグー）１８へ順次移されて水平転送が
行なわれ、出力部４では、転送部３から出力容量Ｃ８へ
の信号電荷ｅｌｌとバイアス電荷ｅ、の転送と出力容量
Ｃ６のりセットとが交互ＶＣ繰り返えされる。

ところで、上記の動作に際しては、転送部３から出力部
４に信号電荷ｅ、とバイアス電荷ｅｂが全て転送されな
ければならず、このためには、第４図の時刻ｔ３のポテ
ンシャル状態において、出力グー）１９のポテンシャル
はグー）１８のポテンシャルよりも常に低くなければな
らず、夫々に生ずる電子量に次の関係式が成立しなけれ
ばならない。

■。、−ｖ、３≧−Ｖｔ２　・・・・・・・・・（１）
一方、同じ時刻ｔ３において、信号電荷ｅｌｌとバイア
ス電荷ｅ、とが移されたときの出力容量Ｃ８でのポテン
シャルが少なくとも出力グー）１９のポテンシャルより
も低くなければ、出力ゲート１９に信号電荷ｅ、やバイ
アス電荷ｅ、の一部に残ってしまい、このために、時刻
”４ｅ　’１のポテンシャル状態を経て時刻ｔ２あるい
はｔ３のポテンシャル状態になったとき、出力ゲート１
９の信号電荷ｅ、やバイアス電荷ｅ、が次に終段のゲー
ト１８に転送されてきた信号電荷ｅ、やバイアス電荷ｅ
、に混入してしまうことになる。このことから、でなければならない。したがって、上記（１）、　（２
１式から、次の式が得られる。

ところで、一般に、埋込みチャンネルＣＣＤの転送特性
を良くするためには、閾値■ｔ２は、低い値（９方向に
大きな値）にする必要がちり、−例として、−７（ｙ）
に設定される。また、出力部ｆｔｃ。は雑音の点から小
さい桿好ましく、たとえば、０．０５　（ｐＦ　）とし
ている。そこで、Ｑｄを０．２　（ｐＣ）とすると、上
記（３）式から、■１≧１１　（Ｖ）　となる。この数
値は一例にすぎないが、要するに、水平転送用ＣＣＤ１
Ｑ性態（転送特性。

雑音、ダイナミックレンジなど）を高めようとすると、
どうしてもリセット電圧ＶＲは高くなってしまうのであ
る。

一方、一般に、ビデオカメラにおいては、ビデオテープ
レコーダから供給される１０″′−１３（ｖ）の不安定
な電源電圧から９（ｖ）程度の安定な電圧を作成し、こ
れを電源電圧としている。このために、たとえば、上記
のように、１１（Ｖ）の直流のリセット電圧ＶＲを得る
ために、上記９（ｖ）の直流電子を適当な周波数のパル
ス軍用に変換し、これをトランスに通して弁子した後、
検波、平滑する弁子回路を用いる必要があり、必然的に
ビデオカメラの回路規模が大きくなり、また、消費電力
も増大するという問題があった。

次に、同じく高い電圧を必要とする結合部５（第１図）
について、第５図ないし第７図を用いて説明する。

第５図は結合部５の一例を示す等価回路図であって、２
９〜３２はＭＯＳ　）ランジスタ、３３はコンデンサ、
３４は垂直信号線９（第１図）の容量、１８は第２図に
示した転送部３のゲートである。

結合部５はＭＯＳ）ランジスタ２９〜３２とコンデンサ
３３かもなり、垂直信号線容量３４の信号電荷を転送部
４の駆動パルスφ１が供給されるグー）１８に転送する
。この際、バイアス電荷を用いて転送効率を高めている
が、垂直信号線容量３４から結合部５に信号電荷を転送
するために、コンデンサ３３の内部バイアス電荷が垂直
信号線容量３４に注入され、また、結合部５からゲート
１８へ信号電荷を転送するために、グー）１８からコン
デンサ３３にバイアス電荷（以下、ＣＣＤバイアス電荷
という）が注入される。このゲート１８からコンデンサ
３３へのＣＣＤバイアス電荷の注入に際して、後述する
よ５［、ＭＯＳ　）ランジスタ３２を大きな振幅の駆動
パルスＴ１で駆動しなければならないのである。

第６図は第５図の各駆動パルスのタイミングチャートで
あり、第７図は第６図に示した各時刻におけろ第５図の
各部のポテンシャル状態を示すポテンシャル図であって
、以下、第６図、第７図を用いて第５図の電荷転送動作
を説明’ｆる。なお、第７図において、ｅｌｌは信号電
荷、ｅ５．はコンデンサ３４の内部バイアス電荷、ｅｂ
ｅ　は転送部４（第１図）のＣＣＤバイアス電荷、ｅｎ
は一般の負荷、Ｖｌｌ、Ｖｌ□は夫々駆動パルスＴ１の
ｎ　）ｉ″、“Ｌ″の軍用値、Ｖｔ９　はＭ０８トラン
ジスタ３２の閾値であり、Ｖｔ２　は第２図と同様にグ
ー）１８の閾値である。

転送部３（第１図）での先に説明した信号電荷の転送時
においては１．駆動パルスＴｉｓ　Ｔ２ｅ　ＴＢ＋Ｔ６
はＩＩＬ″、駆動パルスＴ４はＩＩＨ″であり、このと
きの結合部５の各部のポテンシャルは、時刻ｔ１□　に
おけろようになっている。こり状態で１工、垂直信号線
容量３４には、信号雪、荷ｅ、と負電荷ｅｒｌとがあり
、また、コンデンサ３３には、負電荷ｅｎと内部バイア
ス電荷ｅ　ｂ　Ｉ　とがある。

また、ゲート１８に存在するＣＣＵバイアス電荷ｅｂｅ
　は、転送部３での電荷転送が終了した後、入力部２か
ら注入されるものであって、結合部５かも転送部３への
信号電荷の転送および転送部３での信号電荷の転送に用
いられ、第４図のバイアス電荷ｅｂに等しいものである
。したがって、第７図の時刻’１１　のポテンシャル状
態は、転送部３の全ての信号電荷の出力部４への転送後
の状態を示すものである。

次に、駆動パルスＴ５がＨ１゜駆動パルスＴ４が”Ｌｌ
となると（時刻ｔ１□　）、ＭＯＳ）ランジスタ２９の
ポテンシャルが低下し、コンデンサ３３のポテンシャル
が上昇してコンデンサ３３の内部電荷ｅｂｌ　がＭＯＳ
）ランジスタ２９を通して垂直信号線容量３４に注入さ
れる。

水圧、駆動パルスＴ４が″）（Ｉとなると（時刻１．３
　）、コンデンサ３３のポテンシャルが低下し、垂直信
号線容量３４からコンデンサ３３へ信号電荷ｅ、が内部
バイアス電荷ｅｂｌ　とともに転送される。

次圧、駆動パルスＴ５．φ１がＬｌ＋となり、駆動パル
スＴ１．Ｔ２．Ｔ３が６Ｈ″となると（時刻１１４　）
、ＭＯＳ）ランジスタ３０，３１゜３Ｚのポテンシャル
が低下し、ゲート１８のポテンシャルが上昇″′ｔろ。

この場合、ＭＯＳ　）ランジスタ３２のポテンシャルが
グー）１８のポテンシャルよりも低くなるように、駆動
パルスＴ１の”Ｈｌｌにおける軍用値を充分大きくする
。このために、ゲート１８のＣＣＤバイアス電荷ｅｂｅ
はＭＯＳ）ランジスタ３２に転送されろ。

次に、駆動パルスＴ１がＬ″となり（時刻ｔ、５　）、
ＭＯＳ）ランジスタ３２からＭＯＳ）ランジスタ３１に
ＣＣＤバイアス電荷ｅｂｅ　が移る。そして、駆動パル
スＴ２が１ｌＬＨになり（時刻’ｔｓ　）、ＭＯＳ）ラ
ンジスタ３１のポテンシャルが上昇し、このために、Ｃ
ＣＤバイアス電荷ｅｂｅ　′ｈ″−ＭＯ８）ランジスタ
３０が通ってコンデンサ３３に注入される。このとき、
駆動パルスφ１は”Ｈｌｌとなり、ゲート１８のポテン
シャルは低くなる。

次に、駆動パルスＴ１．Ｔ２がＩＨ”となり（時刻ｔ１
．）、ＭＯＳ）ランジスタ３０のポテンシャルが低い状
態でＭＯＳ）ランジスタ３１゜３２のポテンシャルが低
下し、コンデンサ３３の信号電荷ｅ、とＣＯＤバイアス
電荷ｅｂｅ　がＭＯＳトランジスタ３０，３１．３２を
通してゲート１８に転送される。そして、駆動パルスＴ
、、Ｔ２゜Ｔ３がＩＩＩ、″となり（時刻’１８　）＋
転送部３が動作を開始して信号電荷ｅ、とＣＣＤバイア
ス電荷ｅｂｅ　は、第２図ないし第４図で説明したよう
に、水平方向釦転送されろ。

ところで、ｓ７図の時刻’１１　におけるポテンシャル
図に示すように、ＭＯＳ）ランジスタ３２とグー）１８
の境界でポテンシャルの段部３５が生ずる。これは、ゲ
ート１８を形成するためにｐ形つニｆｉ／１５（第２図
）に打込まれた不純物イオンがＭＯＳ）ランジスタ３２
の一部に入り込んでいろために生じるものである。各Ｍ
Ｏ８）ランジスタやゲートはホトマスクによるパターニ
ングによって形成されるが、ホトマスクのずれを考慮し
、最悪の場合でも、グー）１８の全域に所望の不純物イ
オンが打込めるようにするために、必然的に、その不純
物の打込み領域としては、ＭＯＳ）ランジスタ３２の領
域と一部重なってしまうことになる。すなわち、ＣＣＤ
バイアス電荷ｅｂｅ　を結合部５に注入するためには、
グー）１８とＭＯＳ）ランジスタ３２との間にポテンシ
ャルの障壁が存在してはならず、これを避けろために、
ゲート１８の全域に打込む不純物イオンがＭＯＳ）ラン
ジスタ３２の領域の一部にも打込まざるを得なくなるの
である。

このポテンシャルの段部３５のポテンシャル差はＶｔ２
であり、時刻ｔ１４　において、ＭＯＳ）ランジスタ３
２のポテンシャルがゲート１８のポテンシャルよりも低
くなると、これらの間に深さＶｔ２のポテンシャルの穴
３６が生じ、この中に電荷が入り込むことになる。

転送部３（第１図）での水平方向の電荷転送時において
、ゲート１８とＭＯＳ）ランジスタ３２との間にかかる
ポテンシャルの穴か生じ、この穴に転送されろ転送電荷
（すなわち、信号電荷ｅ。

とＣＣＤバイアス電荷ｅｂｅ　）が入り込むと、転送効
率が急激に落石ことか発明者等の実験で判明した。これ
は、このポテンシャルの穴の転送部３での電荷転送方向
（すなわち、水平方向）両側に大きなポテンシャル障壁
があり、このポテンシャルの穴に入り込んだ電荷はこの
ポテンシャル障壁を越えることができないからと考えら
れる。

ところで、転送部３の水平方向電荷転送動作時、駆動パ
ルスＴｓはＩ　Ｌ　Ｉ＋であって、ＭＯＳ）ランジスタ
３２のポテンシャルは（Ｖ１２　Ｖｔ＊　）であり、ポ
テンシャルの段部３５の底部のポテンシャルは、これよ
りも−Ｖｔ２　だけ低くて（■□２−■ｔｓ　Ｖｔ２　
）である。このとき、ゲート１８からポテンシャルの段
部３５に転送電荷が入り込まないようにするためには（
すなわち、ゲートＩＢ、ＭＯ８）２７２１２３２間にポ
テンシャルの穴が生じないようにするためには）、ゲー
ト１８内の転送電荷による最太軍用値を■ｓｌ　とする
と、ｖ１２−ｖ、　、！−ｖ、　２≦−Ｖｔ　２−■ｓ　Ｉ
　・・・・・・（４）が満足されなければならない。い
ま、Ｖｔ９：＝２（ｖ）＊　Ｖ、　、＝　１．５　（Ｖ
）　とすると、駆動ノくルスＴ０の＠Ｌ　Ｉの軍用値Ｖ
１２　は０．５　（ｖ　）以下にする必要がある。

また、ゲート１Ｂから結合部５にＣＣＤノ（イアスミ荷
ｅｂｃが注入できるためには、時刻’１４のポテンシャ
ル状態のように、駆動）（ルスＴ１がＨ＋＋となったと
きのＭＯＳトランジスタ３２のポテンシャル（Ｖｌｌ　
−Ｖｔｅ　）より、少なくともＣＣ’Ｄバイアス電荷ｅ
ｂ、によるポテンシャル分だけ、駆動パルスφ、が”１
．ｗとなったときのゲート１８のポテンシャル（−■ｔ
２　）が高くすければならない。したがって、ＣＣ］）
バイアス電荷ｅｂｅ　による電圧値を■ｓ２　とｆると
、Ｖ口Ｖｔ　ｅ　Ｖ、　ｚ≧Ｖｔ　２　−・”（５）が
満足されなければならない。いま、ｖ、２＝−７（ｖ　
）　、Ｖ　ｓ　２　＝ｔ、　５　（ｖ　）　トＬ、マタ
、上記０）ように、Ｖｔｏ＝２（ｖ）　とすると、駆動
パルスＴＩのＩＩＨｌｌｏ）電圧値Ｖｔｔ　は１０．５
（ｖ）以上でなければならない。

以上のように、駆動パルスＴ１）！、”Ｌ″で０．５（
ｖ）以下、！ｌＨ１′で１０．５（Ｖ）以上であるから
、結局、振幅としては１０　（ｖ）以上と大ぎくする必
要がある。このために、９（ｖ）の電源電圧によるビデ
オカメラでは、やはり、昇圧回路が必要となる。

〔発明の目的〕

本゛発明の目的は、上記従来技術の欠点を除き、低電源
電圧を用いることができて、回路規模が小さく、消費電
力を低減することができるようにした固体撮像素子の駆
動方法および駆動回路を提供するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明は、電源電圧より高
い高レベルのパルス電圧を水平転送用ＣＯＤの出力部の
リセット電圧とした点に特徴がある。

また、本発明は、パルス発生回路の出力パルスを電源電
圧が供給されろレベル設定回路に供給し、該出力パルス
の高レベルを該電源電圧よりも高い電位に高め、該レベ
ル設定回路の出力パルスを高電子駆動される被駆動部の
入力電圧とした点を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第８図は本発明釦よろ固体撮像素子の駆動方法の一実施
例を示すタイミングチャートである。この実施例は、第
１図および第２図の水平転送用ＣＣＤＩの出力部４にお
けろリセット電圧ＶＲに関するものである。なお、第８
図において、ｌＨは水平期間、ＨＢＬは水平帰線期間を
示している。

先にも説明したように、出力部４の出力容量Ｃ８をリセ
ツ）ｆるためには、通常、リセット電圧ＶＲとして、ビ
デオカメラの電源電圧よりも高く設定されなければなら
ない。先の例では、電源電圧が９（ｖ）であるのに対し
、リセット電圧ＶＲは１１（ｖ）以上でなければならな
かった。

第８図に示すこの実施例では、リセット電圧ＶＲとして
は、ＨＢＬの一部で１Ｌ１となるが、それ以外の期間で
はｗＨ”となるパルス電圧を用いる。この場合、リセッ
ト電圧ＶＲ（７，）”Ｈ”の電圧はビデオカメラの電源
電圧よりも高く、出力容量Ｃｏを所望の電位［リセット
可能に設定する。

固体撮像素子において、ＨＢＬは、光電変換部８（第１
図）の信号電荷が結合部５（第１図）を通して水平転送
用ＣＣＤＩに転送される期間であって、水平転送用ＣＯ
Ｄ　ｔでは電荷転送は行な拓れていない。したがって、
出力部４では出力容量Ｃ０のリセットを行なう必要かな
く、このため釦、リセット電圧Ｖ）Ｌは、どのような電
圧値であってもよく、出力容量Ｃ０をリセットするＴ／
Ｃ要する電圧値以下でもよい。このことから、リセット
電圧ＶＲ０）″Ｌ１期間はＨＢＬ内に設定する。

第９図は第８図に示したパルス状のリセット電圧ＶＲを
形成するための本発明による固体撮像素子の駆動回路の
一実施例を示す回路図であって、３７はパルス発生回路
、３８はコンデンサ、３９はダイオード、４０はコンデ
ンサ、４１．４２は抵抗、４３は電源、４４は固体撮像
素子であり、２７は第２図で示したリセット電圧ＶＲの
入力端子である。

第９図において、パルス発生回路３７はＬ１が）ＩＢＬ
内にある周期的なパルスを発生する。このＩＩ　：［、
＠の電位は零（Ｖｌ　であり、′Ｈ″の電位は（Ｖ、−
Ｖ４）（Ｖ）　とｊる。但し、ｖｒはリセット電圧■Ｒ
のｗＨ″の電位であり、０くｖ４〈■アとする。

一方、電源４３は、たとえば、ビデオテープレコーダか
ら供給される電圧■ｄｄ　（先の例では、ｔｏ−ｉ３（
Ｖ）ｉｃ等しい電圧を発生する仮想的な電源であって、
この電源４３とコンデンサ４０゜抵抗４１．４２とでビ
デオカメラの電圧源を構成しており、安定した電圧Ｖ４
（先の例では、９（Ｖ））を発生している。また、コン
デンサ３８とダイオード３９とでクランプ回路が形成さ
れている。

パルス発生回路３７からのパルスはコンデンサ３８に供
給され、コンデンサ４０で得られろ電源電圧■４はダイ
オード３９に供給される。この結果、パルスのＩＬｌｌ
は電圧■４に固定され、これとともに、七〇″Ｈ″の電
位は■Ｒになる。このようにして、リセット電圧ＶＲは
電源電圧■４よりも高い電子に設定できろ。パルス発生
回路３７を電源４３の電圧■ｄｄ　で駆動した場合には
、パルス発生回路３７で発生するパルスの振幅をほぼＶ
、、に設定できるから、リセット電圧ＶＲは電圧■ｄ＆
　の２倍近い大きな値に設定することができる。

このようにして、昇圧回路を用いることなく、電源電圧
よりも充分に高いリセット電圧Ｖｌ（を得ることができ
る。

第１０図はリセット電圧ＶＢ（第８図）がｌ　Ｌ　１で
あるときの第２図の各部のポテンシャル状態を示すポテ
ンシャル図である。

同図において、リセット電ＥＥＶＲが”Ｌｍのときには
、出力容量Ｃ８のポテンシャルがゲート１７のポテンシ
ャルを越えなければ問題ではなく、したがって、Ｖ４　＞　−ｖｔｘでなければならない。いま、■ｔ１＝　４（ｖ）とする
と、リセット電圧■１ｔ０）Ｌ１は４（ｖ）以上あれば
よい。

第１１図および第１２図は夫々本発明による固体撮像素
子の駆動回路の他の実施例を示す回路図である。

第１１図の実施例は、第９図の実施例でダイオード３９
の代りにトランジスタ４５を用いたものであり、入力端
子２７に印加されるリセット電圧Ｖ　Ｒの振幅が、あま
り大きくなり、トランジスタ４５の逆方向エミッターベ
ース間耐圧の範囲内にある場合には、クランプ動作が高
速であるという利点がある。

第１２図の実施例は同じく第９図のダイオード３９０代
りにツェナーダイオード４６を用いたものであって、パ
ルス発生回路４１からのパルスのｌ（ｌをクランプする
ものであり、リセット電圧ＶＲの平均電圧が電源４３の
電圧Ｖｄｄ　よりも低い場合にしか用いることができな
いが、リセット電ｌ１ｆｖ几のＩＨ”を直接所望の電位
に決めることができるという特徴がある。なお、４７，
４８゜４９は抵抗である。

以上示した第９図、第１１図、第１２図の実施例でも、
固体撮像素子４４ではほとんど雑音が増加しないことが
発明者等の実験で確認されているが、リセット電ＥＥｖ
Ｒを直流電圧にした場合に比べて、原理的には多少雑音
が増加するはずである。

この雑音の増加を防止するためには、パルス状リセット
電圧ＶＲのＨ″をクリップするのが有効である。第１３
図。第１４図にそのための実施例を示す。

第１３図の実施例は、抵抗５０．５１およびダイオード
５２でクリップ電位を設定し、抵抗５４゜ツェナーダイ
オード５３でコンデンサ３８とダイオードによってレベ
ル設定されたパルスのｗＨｌｌをクリップし、ＷＨ”が
所定の電位であるリセット電圧Ｖ）Ｌを形成している。

このために、パルス発生器３７が発生するパルスの振幅
は（Ｖ、−Ｖ４）よりも若干大きくする。

第１４図の実施例は、第１３図のツェナーダイオード５
３０代りに、ダイオード５５〜５８を用いたものであっ
て、第１３図の実施例と同様の効果が得られる。

なお、第１３図および第１４図において、第９図に対応
する部分には同一符号をつけている。

第１５図は本発明による固体撮像素子の駆動方法の他の
実施例を示すタイミングチャートであって、第２図に対
応する駆動パルスには同一符号をつけている。

この実施例は、リセット電圧Ｖｌ（、をリセットゲート
パルスＲＧと同一周波数のパルス電圧とし、リセットゲ
ートパルスＲＧがＬ′１となる期間（すなわち、ＭＯＳ
）ランジスタ２０（算２図）がオフのとき）に、リセッ
ト電ＥＶＲ，がｎ　Ｌ　Ｉとなるようにしたものでであ
る。

この実施例４・実現ｆろだめの駆動回路としては、第９
図、第１１図〜第１４図に示した実施例と同様の回路構
成とすることができ、しかも、パルスが高速であるため
に、コンデンサ３８の静電容ｔを小さく設計できるとい
う利点がある。しかし、パルスが高速であるが故ＶＣ＃
音が増加しゃす（、また、リセット電圧ＶＲ，の振幅を
リセットゲートパルスＲＧの振幅よりもある程塵小さく
する必要があることから、第８図に示した実施例に比べ
て、リセット電圧ＶＲの上限値が低くなるという欠点が
ある。

第１６図は第１５図の時刻’４ｅ　ｔ５における第２図
の各部のポテンシャル状態を示すポテンシャル図であり
、第４図に対応する部分には同一符号をつけている。

第２図、第１５図および第１６図において、リセットゲ
ートパルスＲＧがＩＩ　Ｌ　Ｉのときには、入力端子２
７．出力容量Ｃ６間はＭＯＳ）ランジスタ２０のポテン
シャル（ｖｓ　Ｖｔａ　）によって隔離されており、駆
動パルスφ、が＠　：［、Ｉ　、　ｍ　動パルスφ２が
″Ｈ１１，リセット電圧■几がＨ＋＋のときには（時刻
ｔ４）、転送部３のグー）１８に信号電荷ｅ、とバイア
ス電荷ｅ、とが存在する。

駆動パルスφ、が”Ｈ”、駆動パルスφ２がＩＬ″、リ
セット電圧■Ｒがｌ　Ｌ　Ｘとなると（時刻’ｓ）、駆
動パルスφ２が印加さねるグー）１８がら駆動パルスφ
、が印加されるグー）１８へ信号電荷ｅ、とバイアス電
荷ｅｂとが移り、最終段のゲート１８から出力容量Ｃ６
にも同じく電荷が移るが、これとともに、入力端子２７
のポテンシャルも上昇する。このときに、入力端子２７
から出力容量Ｃ０に負電荷ｅｎが移らないようにｆるた
めに、リセット電ＩＥＶ几のＩＬｌｌの電位Ｖ５を、こ
のときの入力端子２７のポテンシャル■、がＭ　ＯＳ　
−）ランジスタ２ｏのポテンシャル（ｖ３−Ｖｔ３　）
よりも低くなるように、設定する。また、リセットゲー
トパルスＲＧを１ｌＨ１１にし、リセット電圧ＶＲ７！
ｌ″−”Ｈｌとなって出方容量Ｃ８かりセットされるた
めに、入力端子２７のポテンシャルＶ　がＭ０８トラン
ジスタ２ｏのポテンシャル（ｖ２−■１３　）を越える
ように、リセット電圧ＶＲのＩＨ″の電位Ｖｒを設定し
なければならない。

そこで、リセットゲートパルスＲＧの振幅が電源４３（
たとえば、第９図）の電圧■ｄｄ　で制限されるとする
と、リセット電圧ＶＲの振幅はこの電圧Ｖｄｄ　よりも
若干小さくせざるを得ない。ここでは、りセット電圧Ｖ
Ｒの”　Ｈ”　ｖ）電位Ｖｒケ電電圧ｄｌＩ　の２倍よ
りも少し小さい値（たとえば、１、５　倍＞まで高めろ
ことができる。

第１７図は本発明による固体撮像素子の駆動回路のさら
に他の実施例を示す回路図であって、５９はパルス発生
回路、６ｏは増幅器、６１はコロ４．６５は抵抗、６６
は入力端子であり、第９図に対応する部分には同一符号
をつけている。

第、ｉｓ図は第１７図の各部のパルスのタイミングチャ
ートであって、第１７図のパルスに対応した符号をつけ
ている。

この実施例は、第５図の駆動パルスＴ１を発生する駆動
回路であって、固体撮像素子４４０入力端子６６は第５
図のＭＯＳ）ランジスタ３２のゲートに接続されている
。また、コンデンサ６３、抵抗６４．６５は電源４３の
電圧■ｄｄから安定な電圧■８を形成している。パルス
発生回路５９が発生するパルスａは周期かｌ’ＨでＨＢ
Ｌ（水平帰線期間）でｌｌＨ″となり、′Ｌ０の電位は
零（Ｖ）、′Ｈ１の電位はＶ　ｓ　（ｖ　）である。

パルス発生回路５９かものパルスａはコンデンサ６１に
供給さね、コンデンサ６２に供給される電圧■８によっ
てＬｌｌがＶｓ（Ｖ）にクランプされる。この結果、′
ＬＩでＶｓ　（ｖ）、＊ＨｗでＶ７（Ｖ）（＝Ｖ６＋　
Ｖｇ　）のパルｘｂが借られこのパルスｂは増幅器６０
の電源電工として供給されろ。パルスｂとパルスａとの
ｌｌＨ″期間は一致′ｆるりで、増幅器６０からは、Ｉ
ＬＩのときに零（Ｖ）、”Ｈ″のとぎにＶ７（ｖ）のパ
ルスＣが得られる。このパルスＣは駆動パルスＴ１とし
て入力端子６６に供給される。

いま、パルス発生回路５９の電源電圧を電、源４３の［
ＥＶｄ、とすると、パルスａの１Ｈ″の電位をＶｄｄ　
に等しくすることができ、かつ、パルスｂ（７）ｌ　Ｌ
　ｌの電位もＶｄｄ　に近い値とすることかで芦るから
、パルスＣ（−ｆなわち、駆動パルスＴ１）の振幅■７
を２■ｄｄに近い値とすることができる。

第１９図は本発明による固体撮像素子の駆動回路のさら
に他の実施例を示す回路図であって、６７＆！パルス発
生回路、６８，６９．７０は抵抗、７１はコンデンサ、
７２はトランジスタであり、第１７図に対応する部分に
は同一符号をつけている。

第２０図は第１９図の各部のパルスのタイミングチャー
トであって、第１９図に対応するパルスには同一符号を
つけている。

第１９図および第２０図において、パルス発生回路６７
は、第１７図のパルス発生回路５９の出カパルスａと同
様のパルスｄと、このパルスｄを反転した関係のパルス
ｅを発生する。パルスｅは、コンデンサ７１とダイオー
ド６２により、そのＩＬＩレベル（零（Ｖ））！ｌ−コ
ンデンサ６３で得られるＭ　Ｅ　Ｖ　ｓでクランプされ
、”Ｌ”の電位がＶ、（ｖ）、”Ｈ”ｏ）ｖベルがｖ７
（Ｖ）（＝Ｖｓ＋Ｖｓ）のパルスｆが得られる。このパ
ルスｆは抵抗６８．６９とトランジスタ７２からなる反
転増幅器に供給されるパルスｄによって減算され、１Ｌ
″の電位が零（１）、１ｌＨＩの電位がＶ、（ｖ）のパ
ルスｇが得られる。このパルスｇは駆動パルスＴ１とし
て入力端子６６に供給されろ。

なお、必ずしもパルスｅがパルスｄに反転した関係にあ
るようにする必要はなく、パルスｅの１Ｈ″期間をパル
スｄ　Ｏ）　”　Ｌ″期間りも広くしてもよい。

ところで、第１７図、Ｍｘ９図に示した実施例において
シエ、増幅器６０、トランジスタダ７２の電源電圧はパ
ルス電圧であることから、通常の直流電源のように、電
源を交流接地して低雑音化をはかることはできない。こ
のために、入力端子６６に供給されろパルスＣ，ｇ（ｆ
なわち、駆動パルスＴ１　）に含まれろ雑音は、従来技
術に比べて多少増加する。しかし、ＭＯＳ）ランジスタ
３２（第５図）の動作は雑音に影響されることはほとん
どない。すなわち、第５図において、ＭＯＳ）ランジス
タ２９．３０は、それらのゲートポテンシャルによって
隣接せる容量から流れ出す負電荷を直接制御しているた
めに、駆動パルスＴ、、Ｔ。

に雑音が混入していると、固体撮像素子はこの雑音に敏
感に応答してその出力信号の雑音が増加する。これに対
し、ＭＯＳ）ランジスタ３２は、誇張して言えば、単に
デジタル的に負電荷の流れを開閉するだけのものである
から、駆動パルスＴ。

＋ｔｒ　＃　８花泪−ス１　イＩｌｌ　田什煤イ栄半ヱ
ｎ１出十Ｒ昌／７−）雑音を増加させることはほとんど
ない。このことからも、第１７図および第１９図に示し
た実施例は、ＭＯＳ）ランジスタ３２の駆動回路として
好適なものである。

以上、本発明の実施例について説明したが、第９図、第
１１図〜第１４図、浜１７図および第１９図に示した実
施例は、固体撮像素子の駆動回路としてのみならず、一
般に、パルス増幅回路としても適用可能であることはい
うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、芥子回路を用い
ることなく、電源電圧よりも高い駆動電子で駆動すΦこ
とができるから、小規模の回路構成で低電、源雷田化、
低消費電力化が達成でき、上記従来技術の欠点を除いて
優れた機能の固体撮像素子の駆動方法および駆動回路を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の一例を示′ｆ構成図−舘
２図は第１図の水平転送用雷ｆ？転送装置の出力部近傍
を示す構成図、第３図は第２図の電荷転送のための各駆
動パルスのタイミングチャート、第４図は第３図の各時
刻における第２図の各部のポテンシャル状態を示すポテ
ンシャル図、第５図は第１図の結合部の一例を示す等価
ブロック図、第６図は第５図の各駆動パルスのタイミン
グチャート、第７図は第６図の各時刻における第５図の
各部のポテンシャル状態を示すポテンシャル図、第８図
は本発明による固体撮像素子の駆動方法の一実施例を示
すタイミングチャート、第９図は本発明による固体撮像
素子の駆動回路の一実施例を示す回路図、第１Ｏ図は第
８図のリセット電子の低レベル期間における第２図の各
部のポテンシャル状態を７ｉ：′すポテンシャル図、第
１１図ないし第１４図は夫々本発明による固体撮像素子
の駆動回路の他の実施例を示す回路図、第１５図は本発
明による固体撮像素子の駆動方法の他の実施例を示すタ
イミングチャート、第１６図は第１５図の各時刻におけ
る第２図の各部のポテンシャル状態を示すポテンシャル
図、第１７図は本発明による固体撮像素子の駆動回路の
さらに他の実施例を示す回路図、第１８図は第１７図の
各部のパルスのタイミングチャート、第１９図は本発明
による固体撮像素子の駆動回路のさらに他の実施例を示
す回路図、第２０図は第１９図の各部のパルスのタイミ
ングチャートである。ｌ・・・・・・水平転送用電荷転送装置、２・・・・・
・入力部、３・・・・・・転送部、４・・・・・・出力
部、５・・・・・・結合部、１７．１８・・・・・・ゲ
ート、２０・・・・・・ＭＯＳ）ランジスタ、２３．２
４・・・・・・駆動パルス入力端子、２６・・・・・・
リセットゲートパルス入力端子、２７・・・・・・リセ
ット電圧印加端子、２９〜３２・・・・・・ＭＯＳ）ラ
ンジスタ、３７・・・・・・パルス発生回路、４４・・
・・・・固体撮像素子、５９・・・・・・パルス発生回
路、６０・・・・・・増幅器、６７・・・・・・パルス
発生回路。第１図第２ｍ第３ｗＡ／／　ｔ２ｆ３ｆ４　１晴藺第４図第５図５ノ第６図ｔｌＩｔＩ２Ｉ１３ｔ１４ｔ１５ｔ１６ｔＩ７ｔ１８□
的習；’ｉ４７図／ｌ。第８図第９図第１Ｏ図第１Ｉ図　第１２図第１５図第１６図一々−卜や州や・千ψ・肥第１７Ｌ￥１第１８’ｌＡ →時間第１９図第２０図 −一時間

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光電変換部から結合部を介して転送された信号電
荷を水平方向に転送してビデオ信号を出力する水平方向
転送手段として、電荷転送装置を用いた固体撮像素子の
駆動方法において、該固体撮像素子の電源電子よりも高
いレベルのパルス電圧をリセツ）ｆｆｉ８Ｅとし、該電
荷転送装置の出力部を該パルス電圧の高レベル電位にリ
セットすることを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
（２）光電変換部から結合部を介して転送された信号電
荷を水平方向に転送してビデオ信号を出力する水平方向
転送する手段として、電荷転送装置を用いた固体撮像素
子の駆動回路において、パルス発生回路と、該パルス発
生回路の出力パルスと該固体撮像素子の電源電子とが供
給され該出力パルスの高レベルを該電源電子よりも高い
所定の電位に設定するレベル設定手段とからなり、前記
信号電荷の転送のための高電田の駆動軍用を得ろことが
できるように構成したことを特徴とする固体撮像素子の
駆動回路。