JPS6086977A - 固体撮像装置 - Google Patents

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】 Ｃ発明の利用分野〕 本発明は、固体撮像装置に関し、特に１水平走査にＣＯ
Ｄを用いた撮像素子の垂直スメアを軽減できる固体撮像
装置に関するものである。

〔発明の背景〕

画像を電気信号に変換する撮像装置として、半導体集積
回路技術により得られる固体撮像素子が用いられている
。すなわち、２次元ＭＯＳダイオード・アレイ、２次元
ＣＯＤ等の固体撮像素子は、半導体集積回路技術の発達
に伴って実用の段階に入っている。

固体撮像素子えは、その他ＣＩＤ型等の方式も提案され
ているが、その１つが第１図に示すＭＯＳ型とＣＣＤ型
の組み合わせ構成の撮像素子である。

第１図の撮像素子の動作を説明する。

垂直シフトレジスタｌの出力線２□、２□、・・・。

２１１　に順次送られた出力パルスは、インタレース回
路３に加えられ、奇数フィールドには出力線４□４３、
・・・・・ｍ　４２．Ｉ　Ｋｚまた偶ｗＺフィールドに
は出力線番＠　＃　４４　ｆｆ・・・・・、４２エ　Ｋ
１それぞれ出力パルスを発生する。これにより、例えば
奇数フィールドの最初の水平走査期間には、垂直スイッ
チ・トランジスタ５．５　・・・・・、５□−１が同時
にオン状１−１　．１−１ 態となり、フォトダイオード０□−１１６１−！ｊ・・
・・・。

６□−１で発生した光電荷がそれぞれ対応する垂直信・
号ｌＩ！７１．γ２．・・・・・、７゜Ｋ転送される。

また、同じように１偶数フイールドの最初の水平走査期
間には、垂直スイッチ・トランジスタ６□−１，５□−
２゜・・・・・、５．−ユが同時にオン状態となり、フ
ォトダイオード６　６　・・・・・、６　で発生した光
電！７１１　２−４　＃　２−電 荷が垂直信号４１７□、７３．・・・・・、７ｎＩｃ転
送される。

さらに１制御端子９から加わったオン信号で、水平スイ
ッチ・トランジスタ８□、８２．・・・・・、８ユ　が
同時にオン状態となること忙よって、垂直信号線７□、
７□、・・・・・、７ユの光電荷は水平の電荷転送デバ
イス１０（以下ＣＯＤと記す）Ｋ移される。

ここで、感光性を持つ部分はフォトダイオード６の部分
のみであることが望ましいが、実際にはフォトダイオー
ド６０周辺部、例えば垂直スイッチ・トランジスタ（Ｍ
ＯＳ）ランジスタ）５のドレインも感光性を持つことが
ある。これらトランジスタδのドレインで発生した光電
荷は、垂直スイッチ・トランジスタ５の開閉にかかわり
なく垂直信号線７に転送されるが、各垂直信号線７には
垂直方向に配列された数百の垂直スイッチ・トランジス
タ５のすべてのドレインが接続されているので、垂直信
号Ｍ７にはすべてのドレインで発生した光電荷が混合加
算されて蓄積され墨。蓄積された電荷は、各水平走査期
間ごとにフォトダイオード６で発生した通常の光電荷に
重畳して得られるので、例えば第２図（ａ）　Ｋ示すよ
うな明るい部分のある被写体像を撮像すると、再生画面
上では第２図（ｂ）　Ｋ示すように、上下方向に尾σ１
き状のにせ信号が発生する。このような固体撮像素子に
特有の雑音成分を、垂直スメアと呼ぶ。

垂直スメアとなる電荷の大きさは、垂直信号線７への蓄
積時間に比例する。すなわち、水平スイッチ・トランジ
スタ８がオン状態となったとき、水平ＣＯＤへ移される
垂直スメア電荷の大きさは、それ以前に水平スイッチ・
トランジスタ８が１ｊｌｌ１％’Ｊ動作を行ってからの
時間和比例する。

第１図和水す固体撮像素子では、各水平走査期間に１回
ずつ水平スイッチ・トランジスタ８を開閉するので、垂
直スメアの蓄積時間は１水平走査期間である。

いま、水平スイッチ・トランジスタ８の開放により水平
Ｃ０ＤＩＯに移された垂直スメアの電荷をＱｙｚ　７オ
トダイオード６による光電荷をＱｓ　とすると、これら
の垂直スメア電荷Ｑｖ　と光電荷Ｑｓとは転送パルスに
同期して順次水平ＣＣＤｌ０の出力端に送り出される。

水平Ｃ０ＤＩＯの出力電荷Ｑｖ、Ｑｓは、ソース・７オ
ｐワ・トランジスタ１１のゲート容ｊｉＣＧ　で次の関
係の電圧信号に変換されて、出力端子１２に現われる。

この結果、垂直スメア電荷がＱｙ　／　ＣＧの電圧とな
って出力される。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の欠点を改善し、垂直
スメアの電荷を分離して、取り出し、垂直スメアの発生
を減少させることができる固体撮像装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、水
平および垂直方向に配置された複数の画素列と、該水平
方向の画素列から信号線群に電荷を移動させる第１のス
イッチ手段と、２つの電荷を分離して転送する電荷転送
手段と、該電荷転送手段に上記信号線群から電荷を移動
させる第２のスイッチ手段な備えた固体撮像装ＭＩＣお
いて、上記第２のスイッチ手段の第１の電荷移動動作と
、上記第１のスイッチ手段の電荷移動動作と、上記第２
のスイッチ手段の第２の電荷移動動作を１組として、連
続動作を行わせるため、上記第１．第２のスイッチ手段
にクロック・パルスを供給する駆動手段を有することに
特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面により説明する。

第３図は、本発明の一実施例を示す固体撮像装置の構成
図である。

第３図においては、発生する垂直スメアの電荷の大部分
を光電荷とは分離して取り出すため、水平ＣＯＤ　Ｉ　
Ｏ’として３相電極構造のものを使用し、かつ水平Ｃ０
Ｄ１０′の出力側にサンプリング回路１４□、１４□、
ゲイン・コントレールｌ［ｉｌ路１５、減算回路１６お
よび低域通過フィルタ１７を新たに付加して、光電荷に
混入する垂直スメアな減算することにより除去する。

第３図において、その他の回路構成は、第１図に示す従
来の回路と同じである。

第４Ａ図、第４Ｂ図は、第３図の水平ＣＣＤＩαの３相
電極構造および内部ポテンシャルの遷移状態を示す図で
あって、横軸Ｘは距離、縦軸φ８　はポテンシャルをそ
れぞれ示す。

第３図の水平ＣＯＤ　Ｉ　Ｏ’には、第４Ａ図（ａ）に
示す３相電極構造のものが用いられ、水平スイッチ・ト
ランジスタ８がオフ状態では、各電極に対応するポテン
シャル井戸は、第４Ａ図（ｂ）　Ｋ示すような高低ポテ
ンシャルを１組とした繰り返しの配列となっている。

第５図は、第４Ａ図（ａ）に示す３相の各電極Ｈ１゜Ｈ
２，Ｈ３に印加するクロック・パルスのタイムチャート
である。

各電極Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に、それぞれ第５図（ａ）〜（
０）に示すクロック周波数ｆ０　の３相パルスを加える
ものとする。すなわち、電極ＨＩＣは１１．１．。

ｔ１３・・・・・の時刻にパルスを印加し、電極Ｈ２に
は、１１１　・・・・の時刻にパルスを印加し、電極５
１　１１１　１７ Ｈ３には１１１　・・・・・の時刻にパルスを印加！＋
１　９１　１！＋ する。これＫより、ｔ、、”−ｔ□３の各期間でのポテ
ンシャル井戸は第４Ａ図（ｂ）〜第４Ｂ図（、）に示す
状態に遷移する。ここで、ポテンシャル井戸上の（およ
び喝　は、垂直信号線７から送られてきた光電荷または
垂直スメア電荷である。水平ＣＣＤＩσのＨ１電極に対
応する部分に水平スイッチ・トランジスタ８を接続し、
ｔ１〜ｔ２の期間およびｔ７〜ｔ６　の期間にそれぞれ
水平スイッチ・ｌ・ランジスタ８をオン状態にすれば、
第４人１図（Ｑ）〜第４Ｂ図（ｎ）に示すように、３相
電極の１つの繰り返しの中に２つの電荷ＱＡ　＋　ＱＢ
を取り込み、これらを分離して転送することができる。

すなわち、第４Ａ図（Ｑ）では、ｔ１〜ｔ２の時刻に１
１１電極にパルスが加えられるため、さらに低ポテンシ
ヤルとなり、かつ水平スイッチ・トランジスタ８０オン
状態により電荷ＱＡ　が垂直信号線７から送られてくる
。次に、第４Ａ図（ｅ）では、ｔ３〜ｔ４の時刻ＫＨ３
［極にパルスが加えられるため、低ポテンシヤルとなる
が、電荷ＱＡ　は移動されない。次に、第４Ａ図（ｇ）
では、ｔ、〜ｔ、の時刻にＨ２電極にパルスが加えられ
るため、さらに低ポテンシヤルとなり、隣接の高ポテン
シャルから電荷ＱＡが転送される。

次に、第４Ａ図（１）では、ｔ、〜ｔ８の時刻に、Ｈ１
電極にパルスが加えられ、かつ水平スイッチ・トランジ
スタ８０オン状態により垂直信号＃Ｊ７から電荷ＱＢ　
が送られる。第４Ｂ図θ）〜（旬では、３極電極の１つ
の繰り返しサイクル中ＶＣ２つの１１Ｅ荷ＱＡＩＱＢ　
が分離して転送される状態を示している。

第６図は、本発明の固体撮像装置の電荷転送を示す図で
あり、第７図は第３図における出力波形を示す説明図で
ある。

１水平走査期間内には実際に走査信号を送出する走査期
間と、１面走査終了後走査開始点に戻るまでの水平ブラ
ンキング期間とがある。本発明においては、第６図に示
すように、水平ブランキング期間内のｔ＆〜ｔ０に水平
スイッチ・トランジスタ８を開閉し、１水平走査期間前
のｔｆ／〜ｔｂに蓄積された垂直スメア電荷Ｑｖ□（こ
れは第’４Ａ図のＱＡ　に該当する）を水平ＣＯＤ　Ｉ
　Ｏ’に移す。この期間の動作は、第４Ａ図（０）およ
び第５図に示すｔ工〜ｔ２　の期間の動作に対応する。

続いて、第６図のｔ。Ｎ１．の期間に垂直スイッチ・ト
ランジスタ５を開閉してフォトダイオード６の光電荷Ｑ
ｓ　を垂直信号Ｍ７に転送し、ｔｏ−ｔｆの期間に再び
水平スイッチ・トランジスタ８を開閉することにより、
電荷ＱＢ　を水平ＣＣＤ　１０’に転送する。電荷Ｑ３
　は上記光電荷Ｑｓ　と１ｂ−１，期間に蓄積された垂
直スメア電荷’に２を加えたものである。

なお、第６図におけるｔ、〜１ｏの期間およびｔ。

〜ｔ、の期間の動作は、それぞれ第４Ａ図（ｃｌ）〜（
ｈ）のｔ、〜ｔ７の期間および第４Ａ図（１）のｔ７〜
ｔ８の期間の各動作に対応する。さらに、水平走査期間
に水平スイッチ・トランジスタ８を開閉することなく、
第４．Ａ図（ｃ）〜第４Ｂ図（ス１）のｔ１〜ｔ１１の
動作を繰り返せば、２つの電荷ＱＡ、ＱＢな分離しなが
ら転送だけな行わせることができる。

このようＫＳ第６図において、ｔ＆〜ｔ１）の期間に水
平スイッチ・トランジスタ６を開門することにより、ｔ
ｆ／〜ｔｂの期間に蓄積された垂直スメア電荷Ｑｖ□が
水平ＣＣＤ　Ｉ　Ｑ’に移され、またｔ８〜１ｔ　の期
間に水平スイッチ・トランジスタ８を開閉することＫよ
り、ｔ０〜ｔｄの期間に垂直信号線７に移された光電荷
ＱＢ　と、ｔ１〜ｔ、のＩＪ１間に蓄積された垂直スメ
ア電荷ＱＶ２とが水平ＣＣＤ　Ｉ　Ｑ’忙移される。す
なわち、光電荷には、ｔｂ−ｔｆの期間に蓄積された垂
直スメア電荷Ｑｖ２が混入している。いま、ｔｆｔ’ｙ
ｔ、の期間をＴ工、ｔｂ−ｔｆの期間なＴ、とすると、
１水平走査期間が６４μＳ１水平ブランキング期間が１
１μｓ程度であるから、垂直スメア電荷喝、とＱＶ’２
の関係は、次のよう忙なる。

中５・ＱＹ２ このようにして、水平ＣＯＤ　Ｉ　Ｑ’の出力からは、
垂直スメア電荷Ｑ７□のみと、垂直スメア電荷ＱＶ２の
混入した光電荷Ｑｓ　とが、クロック周波数ｆ０で交互
に転送される。これを、ソース・フォロワ・トランジス
タ１１のゲート容量ＣＧ　で次の関係の電圧信号に変換
し、出力端子１２に送り出す。

ゲートの電荷は、次の電荷が水平〇　Ｃ’　Ｄ　Ｉ　Ｏ
’から転送される前に１周波数がクロック周波数ｆ０に
等しＧ１リセット・パルスで開閉するリセット・°　ト
ランジスタ１３に よって外部に掃き出される。

第７図には、水平ＣＯＤ　Ｉ　Ｕ’の最終段電極Ｈ３Ｋ
　印加されるパルスと、リセット・トランジスタ１３を
開閉するリセット・パルスと、上ｄｒ２　（３）　、　
（４）式に示す出力電圧Ｖ□＋　Ｖ２と、サンプリング
回路１４１．１４２Ｉｃ加えるサンプリング・パルスＳ
ＰＩ。

ＳＦ３が示されている。

り四ツク周波数ｆ０　で交互に得られる出力′電圧Ｖ□
とＶ２は、第３［２１に示すサンプリング回路１４□。

１４２に分離される。サンプリング回路１４１．１４□
には、それぞれサンプリング・パルスＳＰＩ、ＳＰ２が
加えられ、出力電圧Ｖ□ｒ　Ｖ２の信号が取り込まれる
。サンプリング回路１４□で分離され７１に圧Ｖ□は、
ゲイン・コン）ｔｆｆ−ル回路１．！３でｒｌｊｌ　式
（２）に示したＴ、／Ｔ、の値に減衰された後、他方の
１１１圧■２とともに減算回路１６に加えられる。減算
回路１６前式（２）よりＱｖｘ　−（Ｔｚ　／Ｔ２　）
　ＱＶ２であるから、となる。

したがって、減算回路１６の出力を低域通過フィルタ１
７に加えれば、垂直スメアの除去された信号が得られる
。

なお、第４Ａ図に示したように１実施例の水平Ｃ０ＤＩ
Ｏ’には、内部ポテンシャルのある３相電極構造のもの
を用いたが、電極の１組で２つ以上の電荷を転送できる
ものであれば適用可能である。

第８Ａ図、第８Ｂ図は、本発明の他の゛実施例を示す水
平〇ＣＤの電極構造およびポテンシャルの説明図であっ
て、横軸Ｘは距離、縦軸φ８　はポテンシャルを表わし
ている。また、第９図は第８Ａ図の電極に加える駆動パ
ルスのタイミング・チャートである。

第８Ａ図（＆）には、６相電極構造が示され、これらの
電極Ｈ１〜Ｈ６に対し、第９図に示す位相のパルスを印
加することにより、電極の１組の繰り返しの中で２つの
電荷ＱＡＩＱＢを分離して転送することができる。

第８Ａ図（ｂ）では、１′１　の時刻にＨｌとＨ４の電
極にパルスが加えられ、電荷（が水平ＣＯＤのＨＩＫ送
られる。第８Ａ図（０）では、ｔ／、の時刻に１Ｈ１，
Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５の各電極にパルスが加えられるので、
Ｈｌの電極の電荷ＱＡ　がＨ２の電極まで引き延ばされ
る。第８Ａ図（勾では、１′３　の時刻ＫＨ２，Ｈ５の
電極にパルスが加えられるので、電荷ＱえはＨ２の電極
に移される。第８図（ｈ）では、ｔ′７のＩＨＩ、再び
Ｈｌ、Ｈ４の電極にパルスが加えられるので、電荷Ｑ□
がＨ４の電極に移されるとともに、Ｈｌの電極に次の電
荷ＱＢ　が入力される。

このようにして、転送電極の１組の繰り返しの中に２つ
の電荷ＱＡＩＱＢを分離して転送する。

第１Ｏ図は、本発明の他の実施例を示す固体撮像装置の
構成図である。

第３図の実施例では、１つの水平ＣＯＤ　Ｉ　Ｏ’で、
垂直スメアの混入した光電荷と、垂直スメアのみとを同
時に転送する方法について述べたが、ｍｌ。

図に示すように１転送電極の１組の繰り返しの中に１つ
の電荷を取り込んで転送する通常のＣ０Ｄ１０．１０’
　を２個用いれば、全く同じ効果が得られる。この場合
、水平スイッチ・トランジスタ８゜８／を各水平ＣＣＤ
ｌ０，１０’に対応させて２組設け、第６図に示した２
回の開閉動作をそれぞれ分担させる。すなわち、第６図
ｔ、〜ｔｂ　（ｔ’、〜ｔ７１．）の時ｍにパルスを水
平スイッチ・トランジスタ８に加えて、垂直スメアのみ
の電荷を水平ＣＣＤ１０に送り、第６図ｔ、〜ｔｔ　（
ｔ’、−ゼｆ）の時刻にパルスを水平スイッチ・トラン
ジスタ８’に加えて垂直スメアの混入した光電荷を水平
ｃｃＤｒｏ〃に送る。

そして、水平Ｃ０ＤＩＯの出力電荷をゲイン・コン）ｏ
−ル回路１５でＴ２／ＴＩＫ減衰させた後、水平ＣＯＤ
　Ｉ　Ｏ”の出力電荷とともに、減算回路１６に加える
。これＫより、両式（５Ｌ（６）に示した出力、つまり
垂直スメアの除去された出力が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、垂直スメアの混
入した光電初と、垂直スメアのみの電荷とを分離して取
り出し、これらを減算することにより、垂直スメアを除
去することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像装置の構成を示す図、第２図は
垂直スメアの説明図、第３図は本発明の一実施例を示す
固体撮像装置の構成図、第舎人図。 第４Ｂ図は第３図の水平ＣＯＤの３電極構造および内部
ポテンシャル状態を示す図、第５図は第舎人図に示す水
平ＣＯＤの駆動パルスのタイムチャート、第６図、第７
図は本発明の固体撮像装置の電荷転送および出力電圧波
形の状態を示す図、第８図、第９図は本発明の他の実施
例を示す水平〇ＣＤの６電極構造および内部ポテンシャ
ル状態ならびに駆動パルスのタイムチャート、第１０図
は本発明の他の実施例を示す固体撮像装置の構成を示す
図である。 ｌ：垂直シフトレジスタ、３：インタレース回路、５＝
垂直スイツチ・トランジスタ、６：フォトダイオード、
７：垂直信号線、８：水平スイッチパトランジスタ、Ｎ
ｏ、　ｌＱ’、　ｌｏ”：水平ＣＯＤ。 １１：ソース・フォロワ・トランジスタ、１４１１１４
２：サンプリング回路、１５ニゲイン・コントロール回
路、１６：減算回路、１７：低域通過フィルタ。 第　１　図 リセットパルス ０２ｍ−１”２Ｆ−２ｅ１２ｍ−３６２ｍ−ｎ第　２　
図 （ａ） 第３図 第４Ａ図 第４Ｂ図 第　５　図 第６図 第７図 ノぐルス 第　８　Ａ　図 （ａ） 第１頁の続き ０発　明　者　安　藤　治　久　国分寺市東恋ケ；央研
究所内 ［相］発明者　尼崎　俊文　国分寺市競刺央研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 αン水平方向および垂直方向く配置された複数の画素列
   と該水平方向の画素列から信号線群に電荷を移動させる
   第１のスイッチ手段と、２つの電荷を分離して転送する
   電荷転送手段と、該電荷転送手段に上記信号線群から電
   荷を移動させる第２のスイッチ手段を備えた固体撮像装
   置においで、上記第２のスイッチ手段の第１の電荷移動
   動作と、上記第１のスイッチ手段の電荷移動動作と、上
   記第２のスイッチ手段の第２の電荷移動動作を１組とし
   て、連続動作を行わせるため、上記第１．第２のスイッ
   チ手段にクロック・パルスを供給する駆動手段を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。 ■前記電荷転送手段には、前記第２のスイッチ手段の第
   １の電荷出力を増幅する手段と、前記第２のスイッチ手
   段の第２の電荷移動動作で得られる電荷出力から上記増
   幅手段の出力を減算する手段とが接続されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。