JPS6053945B2 - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の利用分野 本発明は、半導体表面に二次元的に配置した複数個のホ
トダイオードに蓄積された光情報を読み出す固体撮像装
置の性能向上に関するものである。

（２）従来技術 従来例の素子としては、例えば第１図に示すようなもの
がある。

第１図は固体撮像装置の原理的な構成を示すものである
。

１，２は水平、垂直用の走査回路であり、通常２〜４相
のクロックパルスＣＰｘ，ＣＰｙを印加することにより
入力パルスＶａｘ，Ｖａｙがクロックのもつ一定のタイ
ミング時間ずつシフトした出力パルス列、■０ｘ（１）
，ＶＯｘ（２）・・・，ＶＯｙ（１），ＶＯｙ（２）・
・・を走査回路各段の出力線０ｘ（１），０ｘ（２）・
・・，０，（１），０ｙ（２）・・・に出力する。

このパルス列により光電変換素子３に内含したスイッチ
ング素子を順次開閉し、２次元状に配列された個々の光
電変換素子からの信号をビデオ出力線４の上に取り出す
。光電変換素子からの信号はその上に投影された光学像
に対応するので上記動作により映像信号を取り出すこと
ができる。この種の固体撮像装置では高い解像度を得る
ため５００×５０陥程度の光電変換素子、スイッチング
素子および走査用の単位回路が必要になる。

その一ため通常は高集積化が比較的容易でしかも光電変
換素子とスイッチング素子が一体化構造でできるＭＯＳ
上ＳＩ技術で用いて製作される。第２図に固体撮像１Ｃ
の殆んどの面積を占める光電変換素子の構造を示す。５
，６は水平、垂直の位置を選択！するためのＭＯＳスイ
ッチでドレンおよびソースを作る拡散層７，２７と絶縁
酸化膜８を介して設けたゲート電極９，２９で作られる
。

１０は垂直ＭＯＳスイッチのソースを利用した光ダイオ
ードである。

ＭＯＳシフトレジスタ等を利用した走査′回路の出力パ
ルスＶ。ｘ（Ｍ），ＶＯｙ（Ｎ）が出力線０ｘ（Ｍ），
０ｙ（Ｎ）を通してＭＯＳスイッチのゲートに同時に印
加された位置のダイオード１０から入射光量に比例して
放電していた電荷がビデオ電圧１１より充電される。そ
の時の充電電流が負荷抵抗１２を通してビデオ信号とし
て読み出される。しかし、このような従来素子では、次
に示すような原因で、固定パターンノイズ（Ｆｉｘｅｄ
ＰａｔｔｅｒｎＮＯｉｓｅ）が発生し、致命的な欠陥と
なつている。

第３図ａは第２図の構造をさらに簡単に描いたもので、
３０はたとえばｐ形シリコン基板、１０）は１つのホト
ダイオードでｎ＋拡散層から成つている。

また２７は第１図に示した縦の信号線、第３図Ａ７は第
１図の共通水平出力線４に対応しており、第３図２７，
７はそれぞれアルミニウムなどの金属や酎拡散層などの
導電材料から成つている。第３図のｂからｆまではａに
対応してチャネル電位を示してある。

いま電子を信号電荷とするｎチャンネルの素子を考えて
いるので、電位は正方向を下にとつてある。第３図ｂは
、ホトダイオード１０に信号電荷３１が蓄積されており
、垂直トランジスタ（以下ＶＴｒと略す）３２のゲート
２９と水平トランジスタ（以下ＨＴｒと略す）３３のゲ
ート９には０Ｖが印加されており、両トランジ子夕とも
０ｆｆになつている。第３図ｃはＶＴｒ３２が０ｎし、
信号電荷が■Ｔｒ３２のゲート２９の下と垂直信号線２
７に広がつた状態を示している。

第３図ｄはＨＴｒ３３も０ｎし、信号電荷が水平出力線
７にも広がり、出力されている途中の電位を示している
。そして第３図ｅは、信号電荷が一応読み出され、各電
位がＶ。にリセットされている状態を示している。第３
図ｆではＨＴｒ３３が０ｆｆし、次の絵素の信号が読み
出されている。さて、この第３図ｆで、分るように、従
来素子では■Ｔｒ３２のゲート２９の下に信号電荷の一
部３４が残されてしまう事が分る。

この量ＱＲは、ゲート２９下の容量ＣＣｌゲート２９下
のしきい電圧■、、ゲート２９の電圧Ｖｖを用いて、次
式で示される。半導体素子では、しきい電圧や容量が必
ずば゛５゛つくが、残留電荷のバラツキΔＱＲは次の（
２）式で表わされる。

これが固体撮像装置て最大の問題点である固体パターン
ノイズ（ＦｉｘｅｄＰａｔｔｅｍＮＯｉｓｅ）の原因に
なつている。

（３）発明の目的 本発明は固体撮像装置の性能向上に関するものてある。

（４）発明の総括説明上記目的を達成するために、水平
パルスを印加して信号を読み取る前に垂直パルスをオフ
にして、先の残留電荷ＱＲをゼロにする。

なお、この垂直パルスをオフしてから水平パルスをオン
するまでの間隔は垂直ＭＯＳスイッチの特性で決定され
、一般には数Ｎｓ以上あれば良い。（５）実施例以下、
本発明を実施例を参照して詳細に説明する。

第４図は本発明適用による駆動パルスタイミングチャー
トを示している。

図中Ｖ。ｙは垂直パルス、ＶＯｘは水平パルスである。
第３図と第４図から、垂直パルスＶ。

ｙが０ｆｆしてから水平パルスを動かして信号を読み取
る方式とすると、残留電荷Ｑｐ．３４がなくなり、固体
パターンノイズが大幅に軽減されることが判る。第５図
は第４図のＶ。ｙ（ｎ）のように゛細い゛パルスを発生
させるための一具体例を示す図である。第５図では相補
形ＭＯＳ回路を用いてシフトレジスタを構成している。
第５図の回路では垂直同期パルスφＹｌ，φＹ２と同じ
幅のパルス■。ｙ（ｎ），■０ｙ（ｎ＋１）が出力され
ることになる。第６図は別の実施例を示す図である。第
６図の例では、シフトレジスタと水平ＭＯＳスイッチト
ランジスタの間にゲートトランジスタを挿入したもので
、第６図下に示したパルスが得られる。第７図に本発明
適用による信号読み出し手順を第３図と同じ方法で示し
てある。図中ａは信号が蓄積されているところ、ｂは垂
直パルスＶ。ｙが０ｎした時のチャネル電位である。次
に垂直パルスＶＯ，が０ｆｆするとｃのようになる。こ
の時信号電荷３１は、ホトダイオードの容量Ｃ＄と垂直
信号線容量Ｃｖとの容量分割により再分配されることに
なる。次にｄで信号が読み出され、ｅで再び蓄積モード
になつている状態を示している。

ところで、ホトダイオードに再分配された残りの電荷７
１であるが、テレビ用カメラのごとく５００×５（１）
絵素のような大きな撮像素子ではであるので、Ｓ／Ｎ４
ＯｄＢ程度は得られている事になり特に問題とはならな
い。

しかし、仕様により高いＳ／Ｎが要求される場合、次の
第８図に示したような方法で残りの電荷７１をリセット
する事が出来る。

第８図で８１は本発明適用の垂直シフトレジスタ、１は
水平シフトレジスタである。

第８図の下方に各パルスのタイミングチャートを示して
ある。第８図の実施例において、時亥膓の時、垂直パル
スが８１とは別の垂直シフトレジスタ８２から発生する
ようになつている。この時刻ちの時リセットパルスφＲ
を０ｎする事により、時刻ｔ１の以前に信号読み出しを
行なつた同じ列のゲートを同時に０ｎする。したがつて
、この時各絵素に残されていた電荷が全て同時に読み出
され、その列がクリアされる事になる。この時のクリア
電圧Ｖ。は信号出力電圧■。線に等しくするのが一番良
い事はいうまでもない。また、このクリアの作業を終え
る手順は、まず垂直パルスＶ。

，（ｎ）が０ｆｆし、しかる後にリセットパルスを０ｆ
ｆするのが望ましく、こうする事によつて各ゲート下に
トラップされている電荷もクリアする事が出来る。゛（
６）まとめ 以上説明したごとく本発明によれば、絵素が二次元に配
列された固体撮像装置において、垂直パルスが０ｆｆし
た後に、水平パルスが動作して、ある列の信号が読み出
される方式を適用する事により、従来問題となつている
固定パターンノイズを著しく軽減する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は従来例を説明するための図で、第３図
は従来の問題点を説明する図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板上に二次元的に設けられた複数個のホト
   ダイオードと、該ホトダイオードに蓄積した信号電荷を
   垂直信号線に転送する垂直ＭＯＳスイッチと、該垂直Ｍ
   ＯＳスイッチの開閉を制御する第１の垂直シフトレジス
   タと、該垂直信号線の電荷を第１の水平出力線に転送す
   る第１の水平ＭＯＳスイッチと、該第１の水平ＭＯＳス
   イッチの開閉を制御する水平シフトレジスタと、該第１
   の水平出力線に転送された信号電荷を読み出す信号読み
   出し装置とからなる固体撮像装置において、上記垂直Ｍ
   ＯＳスイッチの開閉を制御する第２の垂直シフトレジス
   タと、上記垂直信号線の電荷を第２の水平出力線に転送
   する第２の水平ＭＯＳスイッチとを備え、上記第１の垂
   直シフトレジスタが上記垂直ＭＯＳスイッチを閉じた後
   に、上記水平シフトレジスタが上記第１の水平ＭＯＳス
   イッチを制御し、上記垂直信号線の信号電荷を読み出し
   、該読み出し後に該第２の水平ＭＯＳスイッチを開くと
   同時に、該第２の垂直シフトレジスタが該閉じていた垂
   直ＭＯＳスイッチを再び開き、上記ホトダイオードに残
   されていた電荷を該第２の水平出力線を介して読み出し
   、該第２の垂直シフトレジスタが該垂直ＭＯＳスイッチ
   を閉じた後に該第２の水平ＭＯＳスイッチを閉じること
   を特徴とする固体撮像装置の駆動方法。