JPS6155784B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電荷の変化分に関する情報を一方向
へ周期的に転送する転送方法、特に、ある大きな
容量に蓄えられた電荷量がたとえば充放電量など
によつて単位時間内にわずかに変化した場合、こ
の電荷量の変化分のみを前記の容量に比べてはる
かに小さな容量へできるだけ高速で効率よく転送
し、また、この転送操作を繰り返し行う場合に有
効な電荷転送方法に関するものである。

第１図は従来のMOS型二次元固体光像検出装
置の構成の一例を示す図であり、その回路構成
は、光検出素子であるフオトダイオード１とこれ
に接続された垂直スイツチング素子（以下
VMOSTと略称する）２とからなる単位絵素をＭ
行Ｎ列に多数配置したものであり、これらを水平
スイツチング素子（以下HMOSTと略称する）
３、水平走査パルス発生手段４ならびに垂直走査
パルス発生手段５によつて作動させることを基本
としている。

以下に、この単位絵素の作動については第１行
第１列の交点に配置された単位絵素を例に説明す
る。出力端子７に現われる出力信号すなわちビデ
オ信号は、垂直走査パルス発生手段５により、た
とえば第１の行母線５１を通じてVMOST２を導
通状態にするとともに、水平走査パルス発生手段
４により、第１列のHMOST３を導通状態とする
とき、フオトダイオード１の接合容量が、抵抗
８、HMOST３、およびVMOST２を通じて電源
６の電圧とほとんど同じ電圧まで充電されるとき
の充電電流である。一方、この充電電流は１走査
周期内にフオトダイオード１がその入射光量に比
例して放電した電気量を補うものであり、したが
つてフオトダイオード１への入射光量に対応す
る。そして、この装置で、列４１，４２………４
Ｎ、および行５１，５２………５Ｍを順次選択的
に走査していくと、その交点ではVMOST２と
HMOST３とに相当するスイツチング素子の論理
積効果により、各フオトダイオード１からのビデ
オ信号が得られ、この信号が出力負荷抵抗８の端
子間電圧として検出される。

しかしながら、このフオトダイオード１を直接
走査し信号を読み出す方式（以下P.D.S方式と略
称する）では、以下のような問題点がある。

(i) 第１図に示す回路を通常のMOS形半導体集
積回路技術を用いて実施する場合、例えば列母
線４１に対するVMOST２の接続部分、すなわ
ちVMOST２のドレイン領域はサブストレート
との間にpn接合を形成する。したがつて行及
び列とも絵素数が多くなると列母線４１につな
がるドレイン数が増し、列母線４１の容量はＭ
個のドレイン接合の容量が加わつて大きな値と
なる。さらに、通常のテレビジヨン撮像条件
（NTSC方式）では一水平走査期間は約60マイ
クロ秒程度と決められており、この時間内に多
数の（たとえば約300個ほどの）水平絵素を走
査するとすれば、絵素数の増加によつて各列の
フオトダイオードを読み出す実効走査時間も短
くなる。この短い時間内にたとえばフオトダイ
オード１のビデオ信号を読み出した場合、
VMOST２の抵抗成分、列母線４１の大きな容
量、さらにHMOST３の抵抗成分などで決まる
回路上の大きな時定数によつて読出速度が低下
するところとなり、このためビデオ端子７で読
み出されるべきフオトダイオード１のビデオ信
号の一部分が列母線４１の大きな容量に読み残
されたままの次の列の走査が開始されてしま
う。なお、列母線４１に読み残された信号は同
列で次の行のビデオ信号を読み出すときに混入
するため、光像検出装置全体としては垂直の解
像度の悪い映像しか得られないことになる。

(ii) フオトダイオードからビデオ信号として取り
出し得る最大電荷量はフオトダイオードの接合
容量と充電電圧の積で決まり、この値が大きい
ほど光像検出装置の入射光に対する使用可能な
範囲（ダイナミツクレンジ）は大きくなる。し
たがつて、フオトダイオードの充電電圧はでき
る限り大きいものであることが望ましい。すな
わち、第１図に示す構成から明らかなように、
フオトダイオード１の充電電圧は電源電圧６で
決まり、この電圧を高めればよいことになる。
ところでフオトダイオード１の微小信号をビデ
オ端子７に導くには、HMOST３のゲートに加
える水平走査パルス電圧をMOSトランジスタ
（以下MOSTと称す）の一般的性質として、こ
の場合少なくとも充電電源電圧Ｖ_Sよりも
MOSTのしきい値電圧（Ｖ_T）だけ大きな値、
Ｖ_S＋Ｖ_T以上のパルス電圧とする必要がある。
しかしながら、走査パルスはHMOST３のゲー
ト容量Cgならびにゲート・ドレイン間の浮遊
容量Ｃ_gdなどを通してビデオ信号線７に乗るス
パイクノイズの原因となり、ビデオ信号の質を
悪くする。したがつて、第１図の方法ではフオ
トダイオード１の充電電圧を、ダイナミツクレ
ンジを大きくする目的のみによつてむやみに高
めることはできない。

以上の問題点に鑑み、第２図に示す構成の二次
元固体光像装置を考案した。

この装置は、基本的には多数行多数列の光検出
部と、それら検出部で得られたビデオ信号のうち
各水平走査線ごとに、その行に対応したビデオ信
号のみを上部水平走査部へ転送するための転送部
と、それら転送された１水平走査分の光情報を時
間順次的に選択読出しをするための走査回路部と
を同一の半構体基体内に一体に作り込んで形成さ
れている。

なお、この装置を実現するにあたつては高集積
化が比較的容易でしかも上記各部が一体化構成で
きるMOS・LSI技術を用いればよい。

第２図において、光検知手段であるフオトダイ
オード１と、これに接続されたVMOST２とから
なる単位絵素は実際にはＭ行Ｎ列に多数配置され
るものであるが、図では説明の便宜上４行２列で
示している。

ところで、フオトダイオード１は実際の集積回
路ではVMOST２のソース接合を利用したもので
接合容量Ｃ_pを各々持つている。他方各列に属す
るＭ個全てのVMOST２のドレイン接合は対応し
た列母線４１，４２………に接続されるため、各
列母線４１は多々のフオトダイオード１の容量Ｃ
_pに比べて十分に大きな容量値Ｃ_Lを持つことにな
る。さらに垂直走査回路により上から下へ向かつ
て５１，５２………５Ｍの順に発生される垂直走
査パルスＶ_Gは、対応した各行のVMOST２の各
ゲートに同時に加えられる。各列母線４１はそれ
ぞれの列に対応したHMOST３との間に転送用
MOST（以下TR―MOSTと略称する）８と転送
用コンデンサＣ_pとからなる信号転送部を有して
いる。なお、各列母線４１に加わつている電圧を
Ｖ_Lとする。さらに、共通接続された各TR―
MOST８のゲートには転送パルスＶ_TGが印加さ
れ、ドレインの接続部Ｘには転送コンデンサC₀
を通じて転送補助パルスＶ_TCが各々加えられる。
なお、接続部ＸはHMOST３のソース部につなが
れており、半導体基板との間に浮遊容量C₀′を形
成している。ここで、HMOST３のゲートには、
走査線１１，１２，………を通して水平走査回路
４により左から右へ向つて順次発生する走査パネ
ルφ_Rが印加される。また、HMOST３の各ドレ
インは全てビデオ出力線７に接続されている。ビ
デオ出力線７とアース（半導体基板）との間には
負荷抵抗Ｒと、電圧Ｖ_Sのビデオ電源６が直列に
接続されている。

なお、HMOST３のゲートとドレインとの間の
浮遊容量をＣ_gdとし、ゲート容量をＣ_gとする。

第３図は第２図で示した二次元固体光像装置を
従来のBBD転送法を用いて駆動する方法を説明
するための図であり、駆動に必要な主要パルス波
形と出力波形の一例を示す。ここでの各MOST
は全てＰチヤンネル・エンハンスメント型につい
て述べるが、Ｎチヤンネル型でも共通の原理によ
り同様に説明される。また各絵素の作動について
は全く同様であり、第２図の第１行に並列配置さ
れた絵素群に注目して述べる。以下の説明では第
１図で述べた公知な基本動作をふまえ、第２図で
示す装置の動作を第３図に示すパルス波形で説明
し、電荷転送を含む撮像素子のP.D.Sに対する優
位性について述べる。

いま１フレームの期間にわたる入射光によつて
完全に放電したフオトダイオード１のビデオ信号
を読み出すという簡単な場合について第２図と第
３図を参照して説明する。水平帰線期間内の時刻
t₁₀で列母線４１が電圧Ｖ_Lに充電されていれば、
前述のようにＣ_P≪Ｃ_Lであるから、時刻t₂₀で行
母線５２のVMOST２にゲート電圧Ｖ_Gが加わる
と、フオトダイオード１はゼロからほぼＶ_Lに再
充電されるため、フオトダイオード１へは列母線
４１からほぼＣ_P・Ｖ_L＝Ｑ_Pの電荷が流れ込んだ
ことになる。換言すれば、フオトダイオード１が
フレーム期間に受けた入射光に関する光情報のほ
とんどが、フオトダイオード１から列母線４１へ
電荷の不足分―Ｑ_P光情報という形で移つたこと
になる。このことは、一方向への充電（電荷の転
送）が、それと逆方向への情報転送と等価である
ことを意味している。

次に列母線に移つた光情報―Ｑ_Pは時刻t₃₀で
TR―MOST８と転送用コンデンサＣ_Oにより接続
部ＸにBBD転送されるが、時刻t₄₀で水平走査期
間に入ると、各々の接続点Ｘに蓄えられた光情報
（−Ｑ_P）はHMOST３を順次導通することで電源
６により中和され、そのときに流れる電流が負荷
抵抗Ｒで検出され端子７にビデオ信号を生じる。
以下この方式をH.T.S方式と略称する。ここで上
記の転送をさらに群しく説明すると、水平走査が
完了した時刻t₁₀における各接続部Ｘの電圧は充
電電源６の電圧Ｖ_Sである。しかし時刻t₃₀の転送
時にはTR―MOST８のドレインにコンデンサC₀
を通してＶ_TCの負のパルス電圧を、また、TR―
MOST８のゲートにはＶ_TGの負のパルス電圧を
同時に加えるため、接続点Ｘの電圧Ｖ_Xは Ｖ_X＝Ｖ_S＋Ｃ_Ｏ／Ｃ_Ｏ＋Ｃ_Ｏ′・Ｖ_TC ……(1) と大きな負の電圧となり、TR―MOST８を通し
て、列母線４１の電圧Ｖ_LはMOSTの飽和特性に
よりつねにＶ_L＝Ｖ_TG−Ｖ_Tの電圧まで充電され
る。接続点Ｘの一時的に大きな負の電圧によつて
列母線４１がつねに同じ電圧まで充電されること
は、かりに列母線４１に−Ｑ_Pの電荷不足分があ
れば列母線４１はＶ_Lまで充電されてこの不足分
が中和され、逆に接続点Ｘには−Ｑ_Pの不足分を
生じるから、結果として光情報（−Ｑ_P）が列母
線４１から接続点Ｘへ転送されたことに等しい。
また、Ｖ_TG，Ｖ_TCが零電位に戻ることによつて
TR―MOST８が遮断状態になると同時に、Ｖ_Xを
示す第(1)式の第２項の電圧成分がなくなるため、
電圧Ｖ_XはＶ_Sより前記光情報（−Ｑ_P）に相当す
る分だけ小さな負の電圧となり、接続点の容量Ｃ
_O＋Ｃ_O′に光情報が蓄積されたことになる。以下
本文全体を通じて、列母線の容量Ｃ_Lにある情報
量のうち、転送によつて接続点Ｘの容量Ｃ_O＋Ｃ
_O′へ移つた情報量の割合を転送効率ηと称し、Ｃ
_Lに取り残された割合を転送損失εとする。ただ
し、上記転送が十分に行なわれるためには、列母
線４１の電圧Ｖ_LがＶ_TG−Ｖ_Tに充電された後で
も、転送パルスＶ_TGが印加される間は電圧Ｖ_Xは
電圧Ｖ_Lより負に大きく、｜Ｖ_X｜＞｜Ｖ｜_L｜を
保つ必要がある。このことにより、Ｖ_TCの最低電
圧として第(1)式とＶ_L＝Ｖ_TG−Ｖ_Tの式から Ｖ_TC＞Ｃ_Ｏ＋Ｃ_Ｏ′／Ｃ_Ｏ・｛Ｖ_TG−（Ｖ_T＋Ｖ_S）｝…
……(2) が、またフオトダイオード１個分の光情報−Ｑ_P
＝−Ｃ_P・Ｖ_Lが接続点Ｘでの電荷不足分として蓄
えられるためには、Ｑ_P＜（Ｃ_O＋Ｃ_O′）Ｖ_Sを満た
す必要があり、 Ｖ_L＜Ｃ_Ｏ＋Ｃ_Ｏ′／Ｃ_Ｐ・Ｖ_S ……(3) の必要条件を得る。

以上説明した第２図の固体光像検出装置（H.
T.S方式）を第１図の装置（P.D.S方式）の問題
点と比較してみると、 (i) H.T.S方式では比較的長時間である水平帰線
期間（約10マイクロ秒）を利用して１行分の光
情報をそれぞれ同時に上部接続部Ｘに転送して
しまうため、水平走査時のビデオ信号の読み出
しに関する時定数にはVMOST２の抵抗成分
や、列母線４１の大きな容量Ｃ_Lが関係しなく
なり、すでに接続点Ｘの容量（Ｃ_O＋Ｃ_O′で、
Ｃ_O＋Ｃ_O′≪Ｃ_L）にそれぞれ蓄えられた情報を
HMOST３の抵抗成分を通して順次読めばよ
く、P.D.S方式に比べて読出速度が大幅に改善
されるため、転送効率ηさえ十分であれば信号
の読み残しがなく、水平および垂直の解像度を
大幅に改善できる。

(ii) H.T.S方式ではフオトダイオードの充電電圧
Ｖ_LがＶ_SではなくＶ_L＝Ｖ_TG−Ｖ_Tであり、転送
パルス電圧Ｖ_TGによつて定まるため、第(2)式の
制限を加味しても、実際にはＶ_LをＶ_Sの15倍程
度まで大きくすることが可能であり、したがつ
て、たとえばＶ_S＝−2Vの電源でフオトダイオ
ードの充電電圧をＶ_L＝−30Vとすることがで
きる。第２図に関連してすでに述べたように、
スパイクノイズの原因である水平走査パルス電
圧を−４〜−6V（〓Ｖ_S＋Ｖ_T）程度に小さく
して、しかもフオトダイオードに加わる充電電
圧を十分大きくすることができるため、ノイズ
が少なくてダイナミツクレンジの大きな光像検
出装置が得ることができる。

以後のH.T.S方式による転送の検討は、この特
長を堅持させるため、全ての場合、電圧Ｖ_LはＶ_S
に比べて十分負に大きい場合に限つて行う。すな
わち、H.T.S方式は転送効率ηさえよければ、全
ての点でP.D.S方式より優れている。しかし、上
記説明では転送パルスＶ_TG、転送補助パルスＶ_TC
が第３図で示したように従来のBBD転送と類似
して同位相であり、実際には水平帰線期間（ｔ_w
≒10マイクロ秒）程度のパルス幅で上記転送を行
なつても転送効率ηが約10％と悪く、H.T.S方式
で期待される効果を得ることはできない。

以下、第３図に示すような転送方法（ここでは
N.B方式と称す）について、さらに詳細に説明す
る。

第４図ａ〜ｃは、N.B方式を詳しく説明するた
めのものである。第４図ａは第２図の転送部分を
実際の半導体構造で具体化し、その動作をわかり
やすくするためのＰチヤンネルによるモデル断面
図であり、両図を見てそれぞれを対応させると列
母線４１に対応して大きな容量Ｃ_Lを持つＰ型領
域ＬがＮ型半導体基板２０上に形成される。ゲー
ト金属膜２１，２２に加わる転送パルスＶ_TG、水
平走査パルスφ_Rはゲート酸化膜２３を通して、
それぞれTR―MOST８およびHMOST３に対応
したMOST８０およびMOST３０を形成してお
り、それらの接続部であるＰ型領域Ｘは接合容量
Ｃ_O′を有するとともにコンデンサＣ_Oを通じて転
送補助パルスＶ_TCが加えられる。MOST３０の
他のＰ型領域には電流計２４をはさんで半導体基
板２０に対して負の電圧Ｖ_Sが加えられている。

以下の図を説明するに先立ち前記の第(2)式、第
(3)式を必要とする転送に関した転送MOSTの転
送時における一般的な式を第４図ａのモデルで整
理しておく。

(i) MOST８０でドレインＸの電圧は転送補助
パルスＶ_TCにより十分大きな負の値となり、チ
ヤンネルのドレイン側が十分負の電圧になるこ
とは、MST８０が飽和領域で動作しており、
ドレインＸからソースＬへ流れるチヤネル電流
Ｉ_Cは次式となる。

Ｉ_C＝−β／２（Ｖ_TG−Ｖ_L−Ｖ_T）^２ ………(4) ここでβはMOST８０の利得定数である。

(ii) 転送パルスＶ_TG、転送補助パルスＶ_TCのパル
ス印加時間が十分長くて完全に飽和したときの
ソースＬの電圧Ｖ_Saは次式となる。

Ｖ_Sa＝Ｖ_TG−Ｖ_T ………(5) (iii) しかし実際の転送はパルス幅ｔ_wで繰り返し
行なわれる。ここでは転送の時間的な描象を与
えるため、Ｖ_Saを基準としたソースＬの瞬時電
圧Ｖ_Aの一般式を与えるにとどめる。

Ｖ_A＝Ｖ_O・〔１＋βＶ_Ｏｔ_ｗ／２Ｃ_Ｌ〕^-1 ………(6) ただし、Ｖ_pはＶ_Saを基準としたソースＬの
初期電圧である。

(iv) ソースＬの光情報に対応した初期電荷量Ｑ_O
＝Ｃ_L・Ｖ_Oが転送パルスにより流れ始めるが、
ｔ_wの後になおソースＬに残つている信号電荷
の一部Ｑ_r（転送によつてソースＬに読み残さ
れた情報に対応する）は Ｑ_r＝Ｃ_L・Ｖ_A＝Ｑ_O・〔１＋βＱ_Ｏｔ_ｗ／２Ｃ_Ｌ ^２〕
^-1……… (7) となる。ここで初期電荷量Ｑ_Oはただ単に信号
電荷量Ｑ_Sと考えてもよいが、転送にバイアス
電荷Ｑ_bを導入するより一般的な場合にはＱ_O＝
Ｑ_S＋Ｑ_bと考えることができる。ここにバイア
ス電荷Ｑ_bとは信号電荷Ｑ_Sのように時々刻々変
化する任意な量ではなく、転送に前もつてつね
にＱ_Sに加えられる一定量の電荷のことであ
り、転送効率に影響を与えようとするものであ
る。

(v) 一般に転送効率ηと転送損失εとの間にはε
＋η＝１の式が成り立ち、第(7)式からεを計算
すると第(8)式を得る。

撮像素子では実際上Ｑ_Sは非常に小さな値
で、Ｑ_S≒０と考えることができる。

以上の準備の下にN.B方式のタイミングを示し
た第４図ｃと、その各時刻における電荷移動の様
子を示した第４図ｂのポテンシヤル図とを用い
て、N.B方式の動作を説明する。

ポテンシヤル図は第４図ａを表現するものであ
るが、上方向に正の電位をとり、扱う電荷は正の
電荷で表示している。

(1) まずソースＬに信号電荷のない場合には以下
のとおりである。

t₀′（t₄′）：水平走査パルスφ_Rの印加に対応
してMOST３０が導通し、障壁Ｒ（以下Ｒの
みで表わす）が下がつてＸの電位はＶ_Sとな
る。

Ｖ_X＝Ｖ_S t₁′：水平走査パルスφ_R消去に対応して
MOST３は非導通となりＲは上がる。

t₂′：転送パルスＶ_TG、転送補助パルスＶ_TC
が同時に印加されるのに対応してMOST８０
が導通し、障壁TG（以下TGのみで表わす）が
下がるとともにＸの電位全体も十分に下げられ
る。このときＬの電位はすでにTGによつて制
限された飽和値Ｖ_SaでＬからＸへの流れは全く
ない。

t₃′：転送パルスＶ_TG、転送補助パルスＶ_TC
が同時に消去され、TGおよびＸの電位はt′₁の
ときと同じになる。

t′₄：t′₄はt′₀と同じでありＸからＶ_Sへの電荷
流は生じない。

以下同じサイクルを繰り返すが、Ｌの電位は
常にＶ_Saを保つ。

(2) 転送サイクルＴ時間内に信号電荷Ｑ_Sがソー
スＬに発生したときの転送は以下のとおりであ
る。

t₀′：第(1)項t′₀に同じ。

t′₁：ＬにＱ_Sの信号電荷が注入される以外は
第(1)項t′₁と同じ。

t′₂：大きな容量Ｃ_Lに溜つたわずかな信号電
荷Ｑ_Sは障壁Ｔ_Gをやつとのことで通過し、Ｘへ
流れるが、転送時間はｔ_wしかないため転送損
失を生じる。その量は第(8)式より で、信号電荷Ｑ_Sが小さくなるとεは１に近づ
く。これは一般に電荷転送を含む撮像での特徴
で暗い画像に対してＱ_Sが小さくηが悪くなる
ため、垂直方向に像のぼけを生じるのに対応し
ている。

t′₃：転送された信号電荷Ｑ_S′（Ｑ_S＝Ｑ_S＋
Q″_S）がＸに移つた以後は第(1)項t′₃と同じ。

t′₄：Ｘの電位はＲの下降により再度Ｖ_Sにな
るのに対応して信号電荷Q′_Sは信号検出用電流
計２４により検出される。以下同様なサイクル
を繰り返すが、次のサイクルでのt′₁では新し
く注入される信号電荷のほかに本サイクルで読
み残された電荷Q″_Sの部分が混入する。

以上説明したように、P.D.S方式より優位なは
ずのH.T.S方式も、そこに用いる転送方法が従来
のBBD転送（ここでのN.B方式）では転送効率η
が約10％と悪く、画像にはならなかつた。

本発明は、上記欠点に鑑み、きわめて大きい転
送効率を得ることができる電荷転送方法を提供す
るものである。

この目的を達成するために、本発明の電荷転送
方法は転送補助パルスＶ_TCを転送パルスＶ_TGより
遅らせて印加しており、これによつて、自動的に
バイアス電荷Ｑ_bを導入して転送効率ηを一挙に
65〜95％に向上させ、H.T.S方式の固体光像検出
装置の特性を飛躍的に向上させることができる。

次に第４図ａのモデル図と第６図ｂのタイミン
グ図および第６図ａのポテンシヤル図を用いて本
発明によるS.B方式の転送動作を説明する。

(1) まずソースＬに信号電荷のない場合は次のよ
うになる。

t₀（t₆）：水平走査パルスφ_Rの印加に対応し
てMOST３０が導通し、Ｒが下がつてＸの電
位はＶ_Sとなる（Ｖ_X＝Ｖ_S）。

t₁：水平走査パルスφ_Rの消去に対応して
MOST３０は非導通となり、Ｒが上がる。こ
のときのＶ_Lの電位をＶ_Kとする（Ｖ_L＝Ｖ_K）。
ただし前記したようにH.T.S方式ではその特徴
を持たせるため、転送の条件として、つねにＶ
_LはＶ_Sに比べて十分負に大きい場合に限つてい
るから、ポテンシヤル図で時刻t₁における電位
Ｖ_Xは電位Ｖ_Kよりも高い。

t₂：転送パルスＶ_TGのみが印加されMOST８
０が導通するのに対してＴ_Gが下がる。このた
めＸは電荷Ｑ_bをＬへ注入してＬと同電位とな
り、その電位はＶ_Kよりも高いＶ_Hとなる。

t₃：さらに転送補助パルスＶ_TCが印加される
ためＸの電位全体が十分に下げられる。このた
めＬからＮに向かつてt₂の場合と反対の方向へ
電荷が流れるが転送時間はｔ_wしかなく電荷Ｑ_b
が流れたところで時刻t₄に移つてしまう。した
がつてこのときのＬの電位はＶ_Saより高いＶ_K
にとどまる。

またＸの最終電荷量はt₁のときと同じＱ_Xに
もどる。

t₄：Ｖ_TCが印加されたままＶ_TGが消去されて
Ｔ_Gが上がり、Ｌ，Ｘ間の電荷の流れはストツ
プする。

t₅：Ｖ_TCも消去されて時刻t₁のときと同じに
なる。

t₆：t₀と同じであり、この場合Ｘから電源Ｖ_S
への電荷流は生じない。

以下同じサイクルを繰り返すが、本発明によ
る電荷転送（S.B）では各サイクルに対して、
Ｌの電位がＶ_HとＶ_Kの間をつねに往復し、Ｌと
Ｘの間では電荷Ｑ_bの往復運動が行なわれる
が、最終的にはＸから電源Ｖ_Sへの電荷流は生
じない。

(2) 転送サイクルＴ時間内に信号電荷Ｑ_Sがソー
スＬに発生したときの転送は次のようになる。

t₀：第(1)項t₀に同じ。

t₁：ＬにＱ_Sの信号が注入される以外は第(1)
項t₁と同じ。

t₂：第(1)項t₂と同じでＬにはＱ_Sに比らべて十
分大きな電荷量Ｑ_bがさらにＸから注入され
る。このＬへ注入される電荷量Ｑ_bは常にほぼ
一定である。

t₃：第(1)項t₃とほぼ同じであるがこの場合Ｌ
からＸへ転送される電荷はＱ_b＋Ｑ_Sが対象であ
り、Ｑ_bはバイアス電荷の働きをするから、こ
の場合の転送損失は第(8)式そのもので表わされ
る。いまかりに第(8)式でＱ_Sより十分大きいＱ_b
を導入するとすれば、同じ転送パルス幅ｔ_wに
対して、S.B方式の転送損失ε_S.Bは第(9)式か
ら導かれるN.B方式の転送損失ε_N.Bに比べて
十分小さくできるので、結果的にはN.B方式に
比べてS.B方式の転送効率ηが格段に改善され
る。さらに第(8)式から信号電荷Ｑ_Sが小さいと
きでも、S.B転送を用いれば転送損失ε_S.Bは
Ｑ_bによつて一定値を示し、暗い画像を撮影す
る場合でも像のぼけを生じなくなる。

t₄：転送された信号電荷Q′_S（Ｑ_S＝Q′_S＋
Q″_S）がＸに移つた以外は第(1)項t₄と同じで、
Ｘの電荷量はＱ_X＋Q′_Sとなる。

t₅：Ｘに信号電荷Q′_Sが加わつた以外は第(1)
項t₅に同じ。

t₆：Ｘの電位はＲの下降により再度Ｖ_Sにな
るのに対応してQ′_Sは信号検出用電流計２４に
より読み出される。

以下同様のサイクルを繰り返すが、次のサイ
クルでの時刻t₁では新しく注入される信号電荷
のほかに本サイクルで読み残されたQ″_Sの部分
が混入する。ただし、このS.B方式ではN.B方
式に比べて混入するQ″_Sの量はきわめて小さな
値となる。

以上、両転送方式を順序立てて説明し、実施例
による結果を含めてまとめると次のとおりにな
る。

(i) S.B，N.B両方式とも第(2)式、第(3)式の条件
を必要とし、さらにH.T.S方式の特徴的動作を
させるため、Ｌの充電電圧Ｖ_SaまたはＶ_Kを、
Ｖ_Sの電圧に比べてできるだけ大きな負の電圧
で使用する。

(ii) N.B方式は第４図ｃのパルスタイミングを使
うのに対して、S.B方式は第６図ｂのパルスタ
イミングを使う。この第６図ｂのパルスタイミ
ングで固体撮像装置を動作させたときの、パル
スタイミングと出力信号との関係は第５図に示
すとおりになる。

(iii) この結果N.B方式ではバイアス電荷の効果が
ないのに対して、S.B方式では信号電荷の転送
に先立ち、その流れと逆方向のＸからＬへ一定
量のバイアス電荷Ｑ_bが自動的に注入される。

(iv) 第６図ａの時刻t₂のポテンシヤル図より、Ｑ
_b∝Ｖ_K−Ｖ_Sであり、Ｌの充電電圧Ｖ_KとＶ_Sの
差が大きいほどバイアス電荷Ｑ_bの値は大きく
なり、転送損失も小さくなる。

(v) S.B方式ではＸからＱ_bが失なわれるが、この
バイアス電荷Ｑ_bは第(8)式にみられるように信
号電荷Ｑ_Sを高効率で転送する役目をし、Q′_S
をＸに移すが、このとき同時にＱ_bも転送され
るため、Ｘの電荷量に関しては転送前に比べて
Q′_Sのみが効率よく移つただけとなる。

(vi) バイアス電荷Ｑ_bの導入によつて転送効率が
高まつたのは、N.B方式では転送の基本レベル
が障壁TGに対してＶ_Saであるのに、S.B方式で
はそれより高いＶ_Kに移つたからである。

(vii) N.B方式では転送効率ηが信号電荷Ｑ_Sの量
に依存し、撮像に応用したときは明るさの変化
によつてぼけを生じるが、S.B方式ではＱ_bの導
入によつてηは一定となり、この種のぼけを生
じない。

(viii) 両方式による転送損失の比は一般にＱ_b≫Ｑ_S
が成り立ち、第(8)式から となつてＱ_bの導入がいかに効果的かがわか
る。

以上説明してきた本発明のH.T.S方式を利用し
て試作した254×244ビツトの２次元固体光像検出
装置の結果では、第３図に示すN.B方式の転送パ
ルスでは転送効率ηが約10％と悪く、画像にはな
らなかつたが、第５図に示すS.B方式ではηが一
挙に65〜95％に上昇し、H.T.S方式に期待された
装置の特性改善および転送効果による画像のぼけ
などに飛躍的な効果が認められ、垂直解像度が
240本の鮮明な撮像結果を得た。

なお、以上の実施例では接続部Ｘに蓄積された
信号電荷の読出しを、MOS型トランジスタのス
イツチング動作による信号電荷の転送によつて行
う場合を示したが、接続部Ｘの信号電荷の読出し
はたとえば電荷転送素子を用いて行うことも勿論
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のMOS型二次元光像検出装置の
回路図、第２図は電荷転送を含む二次元光像検出
装置の一例の回路図、第３図および第５図は第２
図に示す装置を駆動するためのタイミング図、第
４図ａ〜ｃはそれぞれ従来の転送方法を説明する
ための構造図、ポテンシヤル図、タイミング図、
第６図ａ，ｂはそれぞれ本発明の転送方法の一実
施例を説明するポテンシヤル図、タイミング図で
ある。 １…フオトダイオード、２…垂直スイツチング
素子、３，３０…水平スイツチング素子、４…水
平走査パルス発生手段、５…垂直走査パルス発生
手段、４１，４２〜４Ｎ…列母線、５１，５２〜
５Ｍ…行母線、６…ビデオ電源、３０，８０…
MOST、７…出力端子、８，８０…転送用
MOST、１１，１２…走査線、２０…半導体基
板、２１，２２…ゲート金属膜、２３…ゲート酸
化膜、２４…電流計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電界効果トランジスタと、前記電界効果トラ
   ンジスタのソースと接地との間に形成された、信
   号電荷を蓄積する第１の容量素子と、前記電界効
   果トランジスタのドレインと接地との間に形成さ
   れた第２の容量素子と、一端が前記ドレインに接
   続され、他端が転送補助パルス印加端子に接続さ
   れた第３の容量素子と、一端が前記ドレインに接
   続され、他端が出力端に接続された、制御入力端
   子を有するスイツチ手段と、前記電界効果トラン
   ジスタのゲートに接続された転送パルス印加端子
   とを有する電荷転送装置の、前記第１の容量素子
   に蓄積された信号電荷を、前記第２の容量素子に
   転送するにあたり、前記転送補助パルス印加端子
   にパルスを印加する前に、前記転送パルス印加端
   子にパルスを印加することを特徴とする電荷転送
   方法。 ２ 行列状に配列された光検出素子群と、各々の
   第１主電極が前記各光検出素子に接続された垂直
   スイツチング素子と、各行ごとに前記垂直スイツ
   チング素子の制御電極を共通接続する垂直走査パ
   ルス入力線と、各列ごとに前記垂直スイツチング
   素子の第２主電極を共通接続する列母線と、前記
   各列母線に各々の第１主電極が接続される転送用
   電界効果トランジスタと、前記転送用電界効果ト
   ランジスタの制御電極を共通接続する転送パルス
   入力線と、前記転送用電界効果トランジスタの
   各々の第２主電極に各々の一端が接続される容量
   素子と、前記容量素子の各々の他端を共通接続す
   る転送補助パルス入力線と、各々の第１主電極が
   各列ごとで前記転送用電界効果トランジスタの
   各々の第２主電極に接続される水平スイツチング
   素子と、前記水平スイツチング素子の第２主電極
   を共通接続するビデオ出力線と、前記水平スイツ
   チング素子の各々の制御電極に接続された水平走
   査パルス入力線とを具備する固体光像検出装置
   の、前記光検出素子の信号電荷を前記ビデオ出力
   線へ転送するにあたり、前記転送補助パルス入力
   線に転送補助パルスを印加する前に、前記転送パ
   ルス入力線に転送パルスを印加することを特徴と
   する電荷転送方法。