JPS61117978A - 固体撮像素子の駆動方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は固体撮像素子の駆動方法に関する。

〔発明の技術的背景〕

Ｃ０Ｄ２次元イメージセンサとして例えば第９図に示す
ものがある。

第９図には、Ｐ型半導体基板上に、Ｎ型のイオンを打込
んで形成されたＰ−Ｎ接合で構成されるフォトダイオー
ド９０１と、同じくＮ型のイオンを打込んで埋込チャン
ネル形成された垂直転送レジスタ９０２と、水平転送レ
ジスタ９０３を有し、さもＫその基板上に絶縁層を介し
てポリシリコン（よシ形成された垂直転送電極ｖ１〜ｖ
４と水平転送電極Ｈ１、Ｈ２を備えた、水平４００画素
、垂直４９０１ｉｉ素のＮＴＳＣ用インタライン転送形
Ｃ０Ｄ２次元イメージセンナが示されている。

垂直転送電極Ｖｔ、Ｖｓｈフォトダイオード９０１部分
に一部重なるように構成されるが、Ｖ２．Ｖ４は全く重
ならないように構成される。また各電極ｖｌ〜Ｖ４には
転送のためのパルスを印加する端子φＶ１〜φｖ４が接
続されている。

水平転送電極Ｈ］は垂直転送レジスタ９０２を延長した
位置に配置され、その電極の１部が垂直転送レジスタ９
０２に重なっている。水平転送電極Ｈ２は電極Ｈ１の間
に配置されている。これら電極比、Ｈ２には転送のだめ
のパルスを印加する端子φＨ１，φＨ２が接続されてい
る。

今、端子φｖ１にＯＣｖ〕の電位を印加すると、垂直転
送電極ｖｌ直下に第１０図（呻く示すポテンシャルが得
られる。なお第１０図（ａ）は、第９図のＡ−Ａ’線断
面図である。第１０図（ａ）　において第９図と同一部
分に同符号を付す。なお同図９２０は絶縁層である。

このときのフォトダイオード９０１の電位は、最後に信
号電荷をフォトダイオード９０１から垂直転送レジスタ
９０２に転送した際に決定された電位から、光により誘
起された電子９２１が、フォトダイオード９０１付近く
固定された状態により決定される電位となっている◇ 同時にフォトダイオード９０１と垂直転送レジスタの間
の領域は、電極ｖ１が重なる部分９２２４重ならない部
分９２３も非反転状態となっておプ、両者の間は非導通
となっている。

また垂直転送レジスタ９０２部分にはポテンシャル井戸
が形成され、電極ｖｌの電位により定められた電位状態
となっている。

次（端子φＶｘの電位を高電位、例えば９（ＶｌｔＣす
ると、第１０図（Ｃ）に示すように垂直転送レジスタ９
０２部分は、０　［：Ｖ）のときに比べてさらに深いポ
テンシャル井戸を形成する。

このときフォトダイオード９０１と垂直転送レジスタ９
０２の間の領域において、電極ｖｌと重ならない部分９
２３は０〔ｖ〕のときの電位に保たれるが、電極Ｖｘと
重なる部分９２２では、酸化膜との界面の基板表面に反
転層が形成され、垂直転送レジスタ９０２部分のポテン
シャルより浅いポテンシャルとなる。このとき光が照射
されていると、フォトダイオード９０１部分のポテンシ
ャルは光により誘起された電子により、部分９２２０反
転状態電位上り高くなっているので１部分９２２とフォ
トダイオード９０１部分の電位が等しくなるまでフォト
ダイオード９０１から垂直転送レジスタ９０２へと電子
、すなわち信号電荷が流れ込む。最終的にすべてのフォ
トダイオード　９０１　　の電位は部分９２２の電位と
等しくなる（フィールドシフト）。

その時点で第１０図（ｄ）　Ｋ示すよう〈端子φｖ１を
再び０〔ｖ〕にするとフォトダイオード９０１から垂直
転送レジスタ９０２への信号電荷の転送が完鳥する。

次に端子φ自の電位をＯＣＴ）より低い電位１例えば−
８〔ｖ〕にすると、第１０図（６）に示すように垂直転
送レジスタ９０２部分のポテンシャル井戸が浅くなり、
フォトダイオード９０１と垂直転送レジスタ９０２０間
の領域のポテンシャルと等しくなる。このとき１次の垂
直転送電極ｖ２に、高電位を与えると信号電荷は電極Ｖ
ｚの下の垂直転送シフトレジスタ９０２部分に転送され
るっ ここで、フォトダイオードの信号電荷の転送をフィール
ド毎に行なう、いわゆるフィールド蓄積モードで、ＣＣ
Ｄを動作させる場合を考える。

垂直４９０画素のＣＣＤ２次元イメージセンナでは、ｌ
フィールド毎に垂直方向ｉＣ４９０個のフォトダイオー
ドの信号電荷を同時に読み出さなくてはならないが、第
９図に示すように２４５組の垂直転送レジスタしか持た
ないイメージセンサにおいては、垂直方向に隣接する２
つのフォトダイオードに蓄積された信号電荷を加算混合
して読出すととになる。

その続出しを行なうために、端子φＶｔ〜φｖ４に第１
１図に示すパルス信号を印加することが一般に行なわれ
ている。

第１１図においてＶｓは垂直同期信号、φＶ１〜φｖ４
は、それぞれ端子φｖ１〜φＶ４　Ｋ加えられる信号で
ある。

信号φマ１とφマ３はフォトダイオードから信号電荷を
読出すフィールドシフトパルスＶｐｘ　、Ｖｐｚ　ヲ含
み、そのパルスＶｐｘ・ｖｐ２は１水平期間（ＩＨ）の
パルス幅を有する。

時点１１４で光照射によりフォトダイオードで捕獲され
た信号電荷は。時点ｔ２に信号φ’ｉｔφマ３のパルス
ｖｐｌによって、フォトダイオードから垂直転送レジス
タ９０２　Ｋ読出される。それらの信号電荷は時点ｔ３
において、−担電框ｖｔ　、Ｖ２下に蓄えられる。つい
で時点ｔ４にて、信号φｖ２ｒφマ３によって電極ｖｌ
下の信号電荷が電極ｖ２を介して電極Ｖ２．Ｖ３下に流
れ込み、時点ｔ５に信号φｖ２ｔφマ３．φマ４によっ
て電極Ｖ３　、Ｖ４下く流れ込み１時点ｔ６でラインシ
フトされるまで、信号電荷は電極Ｖ３．Ｖ４下に蓄えら
れる。

こうして垂直方向に隣接する２個ずつのフォトダィオー
ド（第９図のＡとＢ）の信号電荷が加算混合され、フィ
ールドシフトが完了する。

次のフィールドの開始においては、ｔｌ−ｔｌ　ｅｔ５
．　ｔ６　　の過糧を経て同様に垂直方向の２個ずつの
フォトダイオードの信号電荷が加算混合されて読出され
るが、この場合、加算混合されるフォトダイオードの対
が前のフィールドと異なシ（第９図のＢとＣ）インター
レースが行なわれる。

各垂直転送レジスタ９０２内においては、次のように信
号電荷の転送が行なわれる。

＠１２図は、Ｋ９図のＢ−Ｂ’線断面図である。第１２
図において端子φｖ１〜φｖ４には、その水平帰線期間
付近く第１３図φマ１〜φマ４に示す信号が印加される
。第１３図においてＨＢＬは水平帰線期間を示し、各信
号φマ１〜φマ４の高レベル部分あるいは低レベル部分
は第１１図においてラインシフトパルスＨｐとして示さ
れている部分を拡大したものである０７オトダイオード
９０１からの信号電荷９２４はまず、前述のようにフィ
ールドシフトによ）電極Ｖａ、Ｖ４下に蓄積される。こ
の状態を第１２図、第１３図において時点ｔ１１で示す
。次に時点’１２　において、φＶ１．φマ３．φｖ４
を０〔ｖ〕、φＶ２を一８ＣＶ）Ｋすると、電極ｖ２下
巻バリアが形成され、電極Ｖ１．Ｖ３゜ｖ４下に井戸が
形成されて、信号電荷９２４はさらに電極ｖｌ下に寸で
広がる。ついで時点ｔ１３において、φＶｌとφＶ４を
Ｏ［：Ｖ）　、　　φＶ２とφＶ３　ｔ−８（Ｖ）　ｉ
Ｃすると電極Ｖ１．Ｖ４下に井戸が形成され、電極ｖ２
．Ｖ３下にバリアが形成されるため信号電荷９２４は電
極Ｖ１゜ｖ４下に移る。以下時点’１４〜【１．のよう
に操シ返す初 ことによシ、当魅Ｘに存在した信号電荷９２４はＹＫ移
る。すなわち１ライン分移動したことになる（ラインシ
フト）０ 垂直転送レジスタ９０２の終端部では電極ｖ２と水平転
送レジスタ９０３の電極Ｈ１と重なり合っている。

最後の水平帰線期間（実際は垂直帰線消去期間中に含ま
れてしまうが、連続して存在したと仮定した場合）〈て
、ラインシフトが始ｔｂ、φＶ２が０〔ｖ〕になると、
電極ｖ２とＨ１間が導通して、信号電荷は垂直レジスタ
９０２から水平レジスタ９０３の電極Ｈ１下へと移動す
る。７ｔ）ダイオード９０１は次に信号が読出されるま
で、光信号電荷を蓄積する。

それ以降１以上説明したような４相３電極転送のメカニ
ズムに従ｒ、１水平走査線分の信号が水平転送レジスタ
９０３　Ｉ’Ｃ順次転送されていく。

水平転送レジスタ９０３に転送された信号電荷はその端
子φＨ１，φＨ２Ｋ″印加される第１３図に示す信号φ
ｈ１．φｈ２により、駆動され、Ｆ　Ｂ　Ｔ　９０４を
介して出力端子９０５から直列信号として取出される。

〔背景技術の問題点〕

上述のフィールドシフトの際、最後のラインシフトが終
了した時点と、フィールドシフト時点との間の時間が第
１１図に示すようにフィールド毎にＩＨ，１／２Ｈと異
なっていた）、信号φＶ１．φマ、のフィールドシフト
パルスの振幅が、φマｌでは一８■〕から９（Ｖ）　Ｏ
１７ＣＶ〕、　φＶ３テは０（Ｖ）から９〔ｖ〕ノ９〔
ｖ〕であるように異なっていると、フィールド毎に加算
混合して読出す２個のダイオードからの信号電荷量が異
なり、フリッカを生ずる。

ＣＯＤの垂直転送電極は基板に対して分布抵抗と分布容
量を持つ。すなわち第１４図（ａ）　、　（ｂ）に示す
ＣＯＤを集中定数的に等価回路で示すと第１４図（Ｃ）
のようＫなる。なお第１２図（ｂ）は第１４図（ａ）　
（Ｄ　Ｃ−Ｃ’線断面図である、この第１４図（Ｃ）　
Ｋ示す等価回路の時定数が大きい場合、第９図に示す電
極ｖｌ下のフォトダイオード９０１の電位は第巧図（１
（ｄ）　Ｋ示すように変化し、最後のラインシフトとフ
ィールドシフトパルスＶｐｘ　、Ｖｐ２の電圧の影響を
受けることになる。このとき、最後のラインシフトパル
スＨｐとフィールドシフトパルスＶｐ１．Ｖｐｚの間隔
がフィールド毎に異なっていて、かつ垂直転送電極９０
２０分布抵抗、分布容量による時定数に比べて充分に長
くない場合、最後のラインシフトが終了した後フィール
ドシフトが開始される時点での電圧８人。

ＰｉＢがフィールド毎く異なるため、フォトダイオード
９０１のポテンシャルがフィールド毎にわずかながら異
なることになる。しかも次の読出しは、次のフィールド
になるため、フォトダイオード９０１の初期ポテンシャ
ル設定時の電圧と読出し時の電圧が異なるととＫなる。

なお第１５図（ａ）　（ｅ）はそれぞれＡフィールド（
偶数フィールド）、Ｂフィールド（奇数フィールド）の
信号φマ１の一部を示す。

このように電圧に差が生じることによに、例えばＡフィ
ールド（第１５図（ａ）　（ｂ）　）でポテンシャルを
決めて、Ｂフィールド（第１５図（Ｃ）（ｄ））で読出
した場合、第１６図の人の部分に示すようく、その電圧
の差（１１３Ｂ−Ｅ人）分Ｂｃだけ余計にフォトダイオ
ード９０１の直流電荷を読出すことになる。逆ＫＢフィ
ールドでポテンシャルを決めて、Ａフィールドで読出し
た場合、第１６図のＢの部分に示すように、その電圧の
差分Ｂ０だけ少ない電圧でフォトダイオード９０１の電
荷を読出すことＫなる。この結果人フィールドと８フイ
ールドの出力信号レベルが異なって７リツカ現象を起す
ことになる。

なお、第１６図は黒から白に変化するパターンと白から
黒く変化するパターンが垂直方向ＶＣ２本配利きれたも
のを撮像した信号をオシロスコープで観測した場合の、
その表示波形である。

以上の現象は特に、ＣＯＤの基板の比抵抗が高い場合、
あるいは垂直転送電極の分布抵抗と電極と基板間の分布
容量とくよる時定数が大なる場合に生じやすい。したが
って第１７図（→に示すＰウェル構造や第１７図（ｂ）
Ｋ示すＶ　ＯＤ　（Ｖｅｒｔｌｃａｌ　０ｖｅｒ　−Ｆ
ｌｏｗ　Ｄｒａｉｎ　）構造のＣＯＤの場合には特に生
じやすくなる。

〔発明の目的〕

この発明社風上の点に対処してなされたもので出力信号
Ｖｃ７リツカを発生させることなく、２次元イメージセ
ンナを駆動する方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明は、フィールドシフトを行なう前Ｋ、転送レジ
スタの動作を停止させる鎮静期間を設はフィールド毎に
フォトダイオードの初期ポテンシャルが変化しないよう
にすることＫよシ、固体撮像素子をフィールド蓄積モー
ドで駆動するときにフリッカ現象が発生しないようくし
たものである。

以下図面に基き、この発明の固体撮像素子駆動方法につ
いて詳細に説明する。

第１図は、この発明の一実施例による第９図に示す固体
撮像素子の駆動パルスを示す波形図である０ 第１図において第１１図と同一パルスに同符号を付す（
以下の図においても同じ）。

図に示すようにフィールドシフトパルスＶｐｔ。

Ｖｐｚ　（）前に、ラインシフトパルスＨｐを３個ずつ
間引いて鎮静期間１１．１２を設けている。

それにより、第２図に示すようＫ、各フィールドの最後
のラインシフトによる影響がなくなり、各フィールドの
フォトダイオードの最終電圧ＥＶｔ。

］１ｉＶｚは等しくなるっ この結果、各フィールドの初期設定電圧と、読出し電圧
が等しくなシ、第３図に示すようにフリッカのない出力
信号が得られる。第３図は第１４図と同様の波形図であ
る。

第４図は、この発明の他の実施例による駆動パルスを示
す波形図である。

この実施例では、鎮静期間くすべての電極ｖｌ〜ｖ４の
電圧を−８〔ｖ〕にして、アキュムレーシ１ン状１ａＫ
して、不要電荷を再結合により、消滅させて第１図と同
様の効果を得るものである０第５図は、ラインシフトパ
ルスを間引くと共にフィールドシフトパルスＶｐ１．Ｖ
ｐｚの波高値を信号φマ、のフィールドシフトパルスＶ
ｐ１．Ｖｐｚと同じ９Ｃｙ）にするために、フロントポ
ーチ部Ｆｐを設けたものである。フロントポーチ部Ｆｐ
の幅は、フィールドシフトパルスＶｐｔ　、Ｖｐｚと略
同じ約ＩＨ１１度にしであるが、素子の時定数に応じて
適宜、選択することができる。これにより、ドライブ回
路が簡単になる他、基板を大振幅で揺すことにより生ず
る白キズの発生を防止できる。

第６図は、第５図に示す信号φマ３．φｖ４を鎮静期間
に−８（Ｖｌのアキュムレーシ璽ン状態にして、基板上
に残存する不要電荷を再結合により消滅させたものであ
る。

第７図は、フォトダイオードと垂直転送レジスタとの間
にフォトゲート電極を有する構造のＣ０Ｄ２次元イメー
ジセンサを駆動する場合の実施例で信号φｐｇが、フォ
トゲート電極に印加され、それによってフォトダイオー
ドから僑直転送レジスタヘの信号電荷の転送が可能とな
る。この場合もアキームレーシ璽ン状態を利用して信号
φマ３．φｖ４を鎮静期間１ｃＯ（Ｖ”ｌとしてもよい
。

なお１以上の説明では、フィールドシフトの前に鎮静期
間を持たせるととに注目したが、水平転送レジスタは感
光領域の最端部において垂直転送レジスタのいずれかの
電極と容量的に結合しており、その動作は、フィールド
シフトの場合と同様にフォトダイオードの初期ポテンシ
ャル設定に関与し、フリッカ発生の原因となる。このた
め、水平転送レジスタ９０３の動作も第８図φｈ１．φ
ｈ、　Ｋ示すように鎮静期間忙停止させる必要がある０
な〉第８図φｈ１．φｈ２は水平転送レジスタ９０３の
駆動パルス信号である。

このように、この発明は、フォトゲート電極を持たない
インターライン転送方式Ｃ０Ｄ２次元イメージセンナの
他、フォトゲートを持つインターライン転送Ｃ０Ｄ２次
元イメージセンナに適用できるばかりでなく、感光領域
としてＭＯ８ダイオードを用い九素子にも適用できる。

また感光領域から信号読出しレジスタあるいはラインシ
フトに相当する垂直アドレスパルスの影響を受けるＭＯ
Ｓデバイス（Ｘ−Ｙアドレス型２次元イメージセンサ）
にも同様九適用できることは述べるまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、フィールドシフト前
に鎮静期間を持たせることにより、出力信号にフリッカ
現象の発生しない、固体撮像素子の駆動方法を提供する
ことができるう

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる固体撮像素子の駆
動信号波形を示す波形図、第２図は第１図の信号によっ
て駆動される固体撮像素子のフォトダイオードの電圧変
化状態を示す波形図、第３図は第１図の信号によって駆
動される固体撮像素子から読出された信号の観測波形図
、第４図〜第８図はそれぞれこの発明の他の実施例に係
わる固体撮像素子の駆動信号波形を示す波形図、第９図
はインターライン転送方式Ｃ０Ｄ２次元イメージ七ンサ
の一例を示す構造図、第】０図は第９図のフィールドシ
フト動作を説明するための説明図、第１１図は従来の固
体撮像素子の駆動信号波形を示す波形図、第１２図は第
９図のラインシフト動作を説明するための説明図、第１
３図は第１１図の信号波形の細部を拡大して示す信号波
形図、第１４図はＣＯＤ固体撮鷹素子の電気的特性を説
明するための説明図、第１５図は第１１図の信号によっ
て駆動される固体撮像素子のフォトダイオードの電圧変
化状態を示す波形図、第１６図は第１１図の信号によっ
て駆動される固体撮像素子から読出された信号の観測波
形図、第１７図はＣ０Ｄ２次元イメージセンサの他の基
板構造を示す構成図である。 ９０１・・・フォトダイオード、 ９０２・・・垂直転送レジスタ、 ９０３・・・水平転送レジスタ、 φマ１〜φＶ、・・・据置駆動パルス、φｈ１．φｈ２
・・・フィールドシフトパルス、Ｈｐ・・・ラインシフ
トパルス。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑（ほか１名）第２１
１Ｉ （ｄ）　　んＶ−逐′Ｖ仏Ｎ仏 第３図 Ａ　　　　　　　　Ｂ　　　　　　Ａ 聾５１！１ ヘー：］ｌ−一」汀下ｉ 第６図 第７ＷＪ 凹 ｐｖａ　’：、汀ヒーー丁四寸 第８図 ｐｈ２Ｉｉ−一一二■団−−Ｉ−一」］コＩ（ｅ） 第１１図 第１４図 ↓　；　寿　↓　↓　↓　毒 第１２囚 ｔｌり 第１５閃 第１６図 Ａ　　　　Ｂ　　　　Ａ 璃１’７区 （ａ）（ｂ） 第１３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）感光領域が２次元に配置された固体撮像素子をフ
   ィールド蓄積モードで駆動する駆動方法において、 前記感光領域から信号転送レジスタに信号電荷を移動さ
   せる前に前記信号転送レジスタの転送動作を所定期間停
   止させる鎮静期間を設けたことを特徴とする固体撮像素
   子の駆動方法。
2. （２）鎮静期間にすべての駆動パルスの印加を禁止した
   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
   素子の駆動方法。