JPS6194465A - 固体撮像素子 - 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】 技術分野 本発明は固体撮像素子、特に解像度を変更することので
きる固体撮像素子に関する。

背景技術 従来のテレビカメラ等に用いられているたとえばＭＯＳ
型の固体撮像素子は第４図に示したように１種類の解像
度しかもだない。図中、撮像セル（ピクセル）３は、た
とえばフォトダイオードのような感光素子１と、垂直転
送ゲート２とから構成されており、行列状に配列されて
撮像面を形成している。水平転送ラインａｌ＋ｂ＋７・
・・、ａ　　、ｂ　　は交互に配列してインターレース
ｎ　　　　　　　ｎ 回路ｌＯを介して垂直ンフトレノスタ９に接続し、垂直
転送ラインｈ１　＋ｈ２）・・・、ｈｍは各水平転送ケ
８−ト４のソース・ドレイン路゛を介して映像出力端子
５に接続されている。映像出力端子５は電源７と抵抗６
とにより正に付勢されている。なお、水平転送ゲート４
のゲートは水平／フトレジスタ８に接続されている。こ
こで、水平転送ラインａ　Ｉ　　ｒ　ａ２．・・＋　ａ
ｎはＡフィールドインターレース用を示し、水平転送ラ
インｂ１゜ｂ２　、・・・＋　ｂ　　ハＢフィールドイ
ンタニレース用を示している。

このような固体撮像素子をテレビカメラ用に用いる場合
、それから得だ信号はＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式等によ
り標準は号に変換される。しだがって、ＮＴＳＣ方式を
例にとってみれば、固体撮像素子の水平転送ラインａｌ
＋ｔ）１＋・・Ｉａｌｂｎは２ｎ本あり、通常のテレビ
の垂直方向の解像度は５２５本あるが、帰線時間を除い
た４８０〜４９０本程度に設計されている。一方、水平
方向の解像度に寄与する垂直転送ラインｈｌ　。

ｈ２　　＋・・・、ｈｍはｍ本あり、読み出しクロ、り
による応答性の限界があるが、自由に本数を選定でき、
技術的に可能な範囲で大きくすることができるが、これ
とてテレビの解像度にあわせた本数となっている。

このような固体撮像素子を電子式スチルカメラに適用し
た場合、その解像度がテレビにあわせであるので、非常
に粗くスチル画像の見えが悪い。

このため、固体撮像素子の解像度を電子式スチルカメラ
にあわせて作り、その一部をテレビカメラとして使用す
ることも考えられる。しかし、垂直解像度を増すために
、たとえば水平転送ラインａｌ　　＋’）Ｉ　　、・・
・の数を増し、それだけ多くの撮像セル３を設けると、
垂直転送ライ／ｈ、、ｈ２　、　　・　、ｈ　は垂直転
送ゲート２のドしインとの接続が増え、それたけ垂直転
送ライ／の容量が増し、映像信号のＳハが非常に悪くな
ってしまう欠点があった。

目的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、異なった
種類の解像度を有し、各解像度を有する外部機器に適用
可能で互換性を有する適用範囲の広い固体撮像素子を提
供することを目的とする。

発明の開示 本発明によれば第１の転送ゲートと該第１の転送ケ８−
トの一方に接続された第１の感光素子とを有するピクセ
ルの多数からなる固体撮像素子において、上記第１の感
光素子に第２０ゲートを介して第２の感光素子を接続さ
せ、上記第１の転送ゲートの開閉とは別個に上記第２０
ゲートの開閉を行なうように上記第２のゲートの開閉制
御端子を少なくとも１つの接続手段で接続してなること
を特徴とする固体撮像素子である。

る。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実
施例を詳糺に説明する。

第１図は本発明に係る固体撮像素子の一実施、例の概略
構成図である。第４図と同構成のものについては同一の
符号を用いて示しである。図中、撮像セル１３は、垂直
転送ゲート２と、それのノース側と接地間にある感光素
子１と、垂直転送ゲート２のソース側にドレインを接続
された副垂直転送ゲート１２と、副垂直転送ゲート１２
のソース側と接地間にある副感光素子（たとえば、フォ
トダイオード）１１とからなる一対の単位撮像セルから
構成されている。この撮像セル１３は、水平方向にｍ個
、垂直方向に２ｎ個設けられ、行列状に配列されて撮像
面を形成している。

電気的導体からなる水平転送ラインａ１．ｂ１゜・・・
＋　＆ｎｒ　ｂ、は２ｎ本あ−リ、それらのそれぞれに
ｍ個の垂直転送ケ８−ト２のデートがそれぞれ接続され
ている。水平転送ラインａｌｌａ２１　・・。

ａ　はＡフィールドインターレース用を示し、水平転送
ラインｂｌ　、ｂ２　、・・・、ｂｎはＢフィールドイ
ンターレース用を示している。電気的導体で形成されて
いる垂直転送ラインｈｌ＋ｈ２＋・・・、ｈｍのそれぞ
れは、２ｎ個の垂直転送ゲート２のドレインを接続し、
各水平転送ゲート４のソース・ドレイン路を介して共通
に映像信号出力端子５に接続されている。なお、出力端
子５は抵抗６と電源７とにより正電位に付勢されている
。

副垂直転送ゲート１２のゲートはフレームコントロール
端子１４に共通に接続され、この端子１４に正電位の信
号が加えられると副垂直転送ゲート１２はすべてＯＮす
る。

水平シフトレノスタ８には水平転送ケ８−ト４のゲート
がそれぞれ接続され、垂直シフトレジスタ９にはインタ
ーレース用のインターレース回路１０を介して水平転送
ラインａｌ＋ｂ＋＋・・・、ａ　　、ｂ　　が接続され
、インターレース用信ｎ　　　　　　　ｎ 号Ｓ　がインターレース回路１０に印加されている時、
Ａフィールド用の水平転送ラインａ１　。

ａ２　　ｒ・・・、ａｎのみが垂直ンフトレノスタ９か
らの信号を付与されるように構成され、インターレース
用信号Ｓ５がインターレース回路１０に印加されている
時、Ｂフィールド用の水平転送ラインｂ、、ｂ、、、・
・・、ｂ　のみが垂直シフトレノスタ９からの信号を付
与されるように構成されている。なお、固体撮像素子１
５は上記構成要素から構成されている。

第２図には第１図に示しだ構成の固体撮像素子から映像
信号を得るときのタイミングチャートを示しである。

次に第１図および第２図を参照して本実施例の動作説明
をする。まず、撮像セル１３内の感光素子１や側窓光素
子１１には初期設定で励起された電荷が排除されている
ものとする。また、固体撮像素子１５の撮像面の前方に
は不図示の光学系とシャッタが設けられ、シャッタは閉
じられているものとする。

次に、所定時間、不図示の／ヤ、りが開き、不図示の光
学系により被写体の光学像が固体撮像素子１５の撮像面
上に形成される。その間、各感光素子１や各側窓光素子
１１はそれぞれの受光面に入射する光強度に応じた量の
励起された電荷を蓄積する。

不図示のシャッタが閉じた直後、インターレース回路１
０に高レベルのインターレース用信号Ｓａが与えられる
と共に垂直シフトレノスタ９には垂直転送用クロックφ
　が与えられる。これらにより、水平転送ラインａ１＋
ａ２＋・・・、ａｎにこの順で逐次垂直ン７トレノスタ
９によシ選択されて高レベルとなる。

たとえば、水平転送ラインａｉ　（但し、１≦ｉ≦ｎの
任意の整数）が高レベルとなっている時、水平転送ライ
ンａ、に接続されている垂直転送ゲート２はすべてＯＮ
となる。その間、水平／フトレノスタ８に水平転送用ク
ロックφ□が与えられ、各水平転送り゛−ト４が逐次Ｏ
Ｎ　して、垂直転送ラインｈ１１ｔ１２＋・・・、ｈｍ
がこの順で逐次選択されて電源７側と導通状態となる。

たとえば、ここで垂直転送ラインｈ、　（但し、１５３
６ｍの任意の整数）が選択されたとすると、電源７→抵
抗６→ＯＮ　している水平転送ケゞ−ト１４→垂直転送
ラインｈ、→垂直転送ライｙｈｊと水平転送ラインａ１
に接続され且つＯＮ　している垂直転送ケ゛−°ト２→
その垂直転送ゲート２に接続されている１つの感光素子
１との間に閉回路が形成され、その感光素子ｌに蓄積さ
れた電荷に応じた大きさの電流が流れ、映像信号出力端
子５に映像信号が出力される。

このようにして、水平転送ラインａｌ＋ａ２＋・・・＋
　ａｎのそれぞれが逐次選択されて高レベルとなってい
る時、水平／フトレノスタ４８により垂直転送ラインｈ
】　、ｈ２．・・　、ｈｍが選択走査されて端子５にＡ
フィールド分の映像信号が出力される。

次に、Ａフィールドインターレース相信号Ｓが低レベル
となり、Ｂフィールドインターレース用信号Ｓ５が高レ
ベルとなってインターレース回路１０に与えられると共
に垂直転送用クロックφ９が与えられる。これらにより
、水平転送ラインｂＩ＋ｔ’２＋・・・、ｂｎはこの順
で垂直ソフトレノスタ９によシ選択されて逐次高レベル
となる。また、水平ンフトレノスタ８にも水平転送りロ
ック幅が与えられ、垂直転送ライ／ｆｉｌ＋ｈ２　、・
・・、ｈｍも逐次選択されて、Ａフィールド分の映像信
号を上記のようにして得たのと同じくＢフィールド分の
映像信号を得る。このようにして、Ａフィールド、Ｂフ
ィールドの映像信号を得たため、各感光素子１の電荷は
すべて排除され、各側窓光素子１１のみ電荷が蓄積され
ている。

次ニ、フレームコントロール端子１４に高レベルの信号
Ｓｃが与えられ、副垂直転送ゲート１２ばすべてＯＮす
る。各側窓光素子１１の電位は対応する各感光素子１の
電位より低いので、各側窓光素子１１に励起された電子
の一部は対応する各感光素子１に流れ込む。これにより
、各側窓光素子１１と対応する各感光素子１とは等電位
となる。後の動作については前述の動作とまったく同様
で、まず、インターレース回路１０に高レベルの信号Ｓ
ａが与えられ、垂直シフトレノスタ９に垂直転送用クロ
ックφ７が与えられ、これらにより、Ａフィールド用の
水平転送ラインａｌ＋ａ２＋・・・、ａｎばこの順で逐
次垂直ソフトレノスタ９によシ選択されて逐次高レベル
となる。また、水平／フトレノスタ８にも水平転送りロ
ックφ□が与えられ、垂直転送ラインｈＩ　　、ｈ２　
１・・・、ｈｍもサイクリックに逐次選択されてＡ′フ
ィールドの映像信号が得られる。

なお、この場合、たとえば水平転送ラインａ１と垂直転
送ラインｈ、とが垂直、水平シフトレソスタ９，８によ
シそれぞれ選択されて高レベルとなっていると、前述の
閉回路の他にもう１つ、電源７→抵抗６→ＯＮ　してい
る水平転送ゲート４→垂直転送ラインｈ、→水平転送ラ
インａｉと垂直転送ラインｈｊに接続されている１つの
転送ケ・−ト２→その垂直転送ゲート２に接続されてい
る１つの副垂直転送ゲート１２→その副垂直転送ゲート
１２に接続されている湖感光素子１１による閉回路が形
成されて、その側窓光素子１１に蓄積されている電荷に
応じた大きさの電流が流れ、その側窓光素子１１に対応
する感光素子１による電流と共に、映像信号出力端子５
に映像信号が出力される。

このようにして、上記のことが逐次繰返されてｌフィー
ル１分すなわちＡ′フィールド分の映像信号が得られる
わけである。

次に、インターレース回路１０に高レベルの信号Ｓ５が
与えられ、垂直シフトレノスタ９に垂直転送用クロ、り
φ７が与えられ、これらにより、Ｂフィールド用の水平
転送ラインｂ１　、ｂ２１・・・、ｂ　はこの順で逐次
垂直シフトレノスタ９により選択されて逐次高レベルと
なる。捷だ、水平ンフトレノスタ８にも水平転送り口、
りφ、□が与えられ垂直転送ライ／　ｈｌ　　ｌ　１１
２’　＋・・、ｈｍもサイクリックに逐次選択されてＡ
′フィール１゛分の映像信号を得たと同様にＢ′フィー
ルドの映像信号が得られる。

通常のテレビ画面ではＡ、Ｂフィールドで１つのフレー
ムを形成し、また、Ａ’　、　Ｂ’フィールドで１つの
フレームを形成するので、上記のように動作させれば、
解像度は２倍すなわち垂直解像度は２倍となった。

この固体撮像素子１５を通常のビデオカメラ用として用
いる場合、フレームコントロール端子１４に高レベルの
信号Ｓｃを常時与えて、各副垂直転送ゲート１２を常時
ＯＮにしとけばよい。

そうすれば、各感光素子１と各側窓光素子１１とは対に
なって１つの感光素子を形成し、撮像セル１３そのもの
が１つの受光面を有する単位撮像セルと見なせる。これ
から、映像信号を得る場合は上記記載から明らかである
ので説明を省略する。この場合の解像度は前述の解像度
の１／２となる。

第３Ａ図は第１図に示した固体撮像装置の撮像セル等の
１つの上視説明図である。図中、電極２０は水平転送ラ
インａ１　　ｒ　ｂ＋　　＋　”’　＋　ａｎ’ｂ　の
いずれか１つとそれに接続されている垂ｒ句転送ゲート
２のゲート電極を兼用している。この電極２０と関係の
ある１つの撮像セル１３が示されている。垂直転送ライ
ンｈｌ　、ｈ２　、・・・。

騒のいずれかの垂直転送ラインｈＪは金属導体で形成さ
れ、電極２０とは直交している。電極２１は映像信号出
力端子５から導出され、電極２０に併設されてそれと組
をなし、副垂直転送ゲート１２のゲート電極ともなりう
る。電極２２は電極２０の隣りの電極である。ｎ＋型型
数散層２６２７．２８については後述する。

第３Ｂ図は第３Ａ図に示した撮像セル等のＡ−Ａ′線に
沿った断面を示している。図中、ｎ型ンリコン基板３０
上にエピタキンヤル成長させた又は拡散されたｐ型ウェ
ル層２９が形成されている。このｐ型つェル層２９上側
部分に３つの独立した第１〜第３の層型拡巌層２６，２
７゜２８が設けられ、その大きさは第３Ａ図に示しであ
る。

垂直転送ライフｈ、の真下にある第１のｎ＋型Ｊ 拡散層２６は電気的に垂直転送ラインｈＪと接合してい
る。第１の計型拡散層の周辺表面、第２゜第３の層型拡
散層２７．２８の表面、その他の撮（象セル１３のｐ型
ウェル層の表面は透明な絶縁層２５（たとえば、５１０
２　）で被覆されている。

電極２０ば、絶縁層２５に埋設され、第１と第２の層型
拡散層２６と２７の間の上に位置し、撮像セル１３の垂
直転送ゲート２のゲート電極の役割を果す。同じく電極
２１は絶縁層２５に埋設され、第２と第３のｎ＋型型数
散層２７２８の間の上に位置し、撮像セル１３の副垂直
転送ゲート１２のゲート電極の役割を果す。垂直転送ラ
インｈ、の表面は更に絶縁層２４（たとえば、Ｓ＋０２
　）で被覆されている。

第２．第３の層型拡散層２７．２８は垂直転送ライフｈ
、に覆われていないそれぞれの光入射開口３１．３２を
有する。光入射開口３１゜３２から入射したそれぞれの
光は第２．第３のｎ＋型型数散層ｐ型ウェル層の境界に
それぞれ達して電子を励起する。なお、第２のｎ＋型型
数散層２７ｐ型ウェル層２９との接合部は感光素子１に
対応し、第３のｎ＋型型数散層２８ｐ型ウェル層２９と
の接合部は側窓光素子１１に対応している。

次に、との撮像セル１３の動作について前述の第１図等
を用いた説明に対応して説明する。

光入射開口３１．３２をそれぞれ通して光が第２の層型
拡散層２７や第３の層型拡散層２８にそれぞれ入射する
。これにより、第２のｎ＋型型数散層２７ｐ型ウェル層
２９との接合部及び第３のｎ＋型型数散層２８ｐ型ウェ
ル層２９との接合部に入射した光の強弱に応じた量の電
子が励起されて蓄積される。

その後、不図示の／ヤ、りが閉じて、入射光は入射開口
３１．３２に入らなくなり、電極２０が高レベルとなる
と第１と第２の計型拡散層２６と２７の間に空乏層、す
なわちチャネルが形成される。さらに、垂直転送ライン
ｈ、が選択され、それが正電位側に付勢されると前述の
ような閉回路が形成され、第２のｎ＋型型数散層２７ｐ
型ウェル層２９との接合部で励起された電子は第２の層
型拡散層２７→電極２０下の空乏層→第１の層型拡散層
２６を介して垂直転送ラインｈ３側に流れる。これによ
り、１つの映像信号が出力されるわけである。

次に、電極２０下の空乏層のない状態で、電極２１が高
レベルにされると、その電極２１下すなわち第２と第３
のｎ＋型型数散層２７２８の間に空乏層すなわちチャネ
ルが形成される。前述したように、第２のｎ＋型型数散
層２７蓄積電子はすべて排除されているので、第２の層
型拡散層２７と第３の層型拡散層２８との間に電位差が
生じ、その電位差をなくすように、第３のｎ＋型型数散
層２８ｐ型ウェル層２９の接合部で励起された電子の一
部が第２の層型拡散層２７に流入する。この後、電極２
０が選択されて高レベルとなると、前述と同様に電１ｉ
２０下に空乏層が形成される。

きらに、垂直転送ラインｈ、が選択されて正電位側に付
勢されると、第２のｎ＋型型数散層２７内移動した電子
は前述の経路をたどり垂直転送ラインｈｊ側に流れる。

一方、第３の層型拡散層２８内にある残シの励起された
電子は、第３の層型拡散層２８→電隋２１下の空乏層→
第２の層型拡散層２７→電極２０下の空乏層→第１の層
型拡散層２６の経路をたどって垂直転送ラインｈユ側に
流れ、あわせてもう１つの他の映像信号が出力されるわ
けである。

通常のテレビカメラ用の固体撮像素子として用いる時に
は、常時、電極２１は高レベルとなっており、第２のｎ
＋型型数散層２７第３の層型拡散層２８とは常時連通し
ている。したかって、第２の層型拡散層２７とｐ型ウェ
ル層２９との接合部と第３の層型拡散層２８とｐ型ウェ
ル層２９との接合部とは１つの接合部と見なせ、１つの
感光素子として見なせる。前述と同様に、電極２０下に
空乏層を形成し、そして垂直転送ラインｈ　を正電位側
に付勢すれば１つの映像信号が得られる。

勿論、この場合、常時、光入射開口３１゜３２を通して
第２．第３の計型拡散層２７゜２８とｐ型ウェル層との
接合部に光が入射して電子が励起されている。

上記実施例ではＭＯ８型固体撮像素子について説明しだ
が、本発明は電荷結合デバイス（ＣＣＤ）や呼び水転送
方式による固体撮像素子（ＣＰＤ）にも適用可能である
。

効果 本発明による固体撮像素子は１つの固体撮像素子で複数
の解像度をもつことができ、その解像度に対０した外部
機器に利用可能で、外部機器の互換性がある。また、垂
直方向の解像度を増しても垂直転送ラインに接続される
垂直転送ケ８−トのドレインの数は不変なので、垂直転
送ラインの容量が増すことはなく、映像信号のＳハが改
善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る固体撮像素子の一実施し１１の回
路図、 第２図は第１図の動作を示すタイミングチャート、 第３Ａ図は第１図て用いた固体撮像素子の１つの撮像セ
ルの上杭図、 第３Ｂ図は第３Ａ図のＡ　−Ａ’での断面図、第４図は
従来の固体撮像素子の回路図である。 主要部分の符号の説明 ■・・・感光素子 ２・・・垂直転送ゲート １１・・・側窓光素子 １２・・・副垂直転送ゲート １３・・・撮像セル ＦＬｌ、ｂｌ、・・・ｐ　ａ　ｎ　ｐ　ｂ　ｎ・・・水
平転送ライン）１１＋）１２ｙ・・・、ｈｍ・・・垂直
転送ライン特許出願人　富士写真フィルム株式会社　１
−−〜−纂ｌス ｉ２ｆ、、　　５ｂ５α 肌２図 ５、−一ゴー１−ｊ−ヒ ｚ２ 革、３８コ 尾４　閏 手続補正書 昭和６０年２月４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の転送ゲートと該第１の転送ゲートの一方に接続
   された第１の感光素子とを有するピクセルの多数からな
   る固体撮像素子において、上記第１の感光素子に第２の
   ゲートを介して第２の感光素子を接続させ、 上記第１の転送ゲートの開閉とは別個に上記第２のゲー
   トの開閉を行なうように上記第２のゲートの開閉制御端
   子を少なくとも１つの接続手段で接続して成ることを特
   徴とする固体撮像素子。