JPS6232557B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送素子特に浮遊拡散層によるホ
ールド型電荷検出手段を有する電荷転送素子の駆
動方法に関するものである。

電荷転送素子の電荷を検出する手段として種々
提案されているが、最も一般的に用いられている
方法として浮遊拡散層によるホールド型電荷検出
手段が上げられる。このような電荷検出手段を持
つた電荷転送素子の構造は第１図の模式図に示す
ように、例えばＰ型シリコン基板１上に電荷を検
出するための浮遊拡散層２とこの浮遊拡散層２を
信号転送周期毎に基準電位に設定するリセツトト
ランジスターのゲート電極３とドレインN⁺拡散
層４とを転送出力ゲート部５に隣接して設け、さ
らにN⁺遊浮拡散層２はオンチツプされた出力
MOSトランジスター６のゲートへ接続した構造
となつている。

このような電荷検出部の動作は第２図の信号波
形図に示すごとくリセツトパルス８によつてリセ
ツトトランジスタドレイン電圧（Ｖ_RD）にセツト
された浮遊拡散層２はリセツトパルスがローレベ
ルとなりリセツトトランジスタが非導通状態とな
ることによつて浮遊状態となり、その後電荷転送
部の最終電極クロツクパルス７がローレベルとな
つた時点で電荷転送部から出力ゲート５を通して
信号電荷が転送される。

前記浮遊拡散層の電位は転送電荷量に比例して
変化し、この電位変化は出力トランジスタ６によ
つて信号出力９として外部に取り出される。とこ
ろで、このような浮遊拡散層電荷検出手段を電荷
転送撮像素子のような少ない電荷量を検出する場
合に用いた場合大きな欠点を生じる。すなわち、
第１図に示す浮遊拡散層検出部の等価回路は第３
図に示すように浮遊拡散層２の接合容量及びこれ
に並列に付随する出力トランジスタゲート容量、
配線容量等で構成される電荷検出容量１１と、こ
の電荷検出容量１１をリセツトするリセツトトラ
ンジスタ１２と、このリセツトトランジスタのゲ
ート電極１３と電荷検出容量１１との間に生じる
結合容量１４、そして出力トランジスタ１５及び
その負荷抵抗１６とで表わせる。いまリセツトト
ランジスタゲート電極１３に第２図に示すリセツ
トパルス８が印加されると電荷検出容量１１はリ
セツトトランジスタドレイン電圧であるＶ_RDまで
充電されるが結合容量１４はＶ_RDとリセツトパル
スハイレベルとの差の電圧によつて充電される。
その後リセツトパルス電圧が下がり始めリセツト
トランジスタ非導通となると電荷検出容量１１は
浮遊し、その時点ではＶ_RDの電位に保たれるが、
リセツトパルス電圧が更に下がると結合容量１４
の端子間電圧の増加に共なつて、電荷検出容量１
１から結合容量１１に向つて電荷検出容量１１の
充電電荷が流れ出し始め、この両者の端子間電圧
が等しくなるまで継続する。この電荷の流れ出し
によつて電荷検出容量１１の電位は下りＶ_RDより
低い電位にセツトされることになる。この現象は
フイードスルーと呼ばれ、この現象による電位変
動分は第２図に示す信号出力９中にリセツトノイ
ズ１０として現われる。このフイードスルーによ
るリセツトノイズはリセツトトランジスタゲート
直下にドナーイオンを注入し、Ｖ_RDより低い電圧
でリセツトトランジスタが導通する様な設計を行
なつた素子でも、撮像素子の場合の様に少ない信
号電圧量を検出する場合には信号成分の数倍に達
し、オンチツプ出力アンプのみならずこの信号を
増幅する装置側のアンプのダイナミツクレンジが
広く必要であつたり、さらにはローパスフイルタ
ーによつて転送クロツク成分及びリセツトノイズ
を除去し信号成分を取り出した場合リセツトパル
スに周期的な位相変動があるとリセツトノイズの
位相変動分が信号に加わり固定パターンノイズが
増大する等の欠点を生じていた。

本発明の目的はこのような従来の欠点を除去
し、ダイナミツクレンジを必要以上に広げないこ
とによつて回路の低電圧化さらには低消費電力化
が得られその上撮像装置で最も有害な固定パター
ンノイズの発生の無い撮像装置を可能とする電荷
転送素子の駆動方法を提供することにある。

本発明によれば、同一半導体基板上に浮遊拡散
層によるホールド型電荷検出手段を有する電荷転
送素子の駆動方法において、前記浮遊拡散層の電
位を信号転送周期毎に基準電位に設定するリセツ
トトランジスタの非導通時ゲート電極電圧が、少
なくとも回路上の接地電圧よりリセツトトランジ
スタの導通時ゲート電極電圧に近く、かつ、前記
浮遊拡散層に所要最大電荷量を蓄えた時の前記浮
遊拡散層の電位と前記リセツトトランジスタのゲ
ート電極直下のチヤンネル電位が等しくなる前記
リセツトトランジスタの導通時ゲート電極電圧よ
り回路上の接地電圧に近い電圧であることを特徴
とする電荷転送素子の駆動方法が得られる。

以下本発明を図面と共に説明する。

第４図は浮遊拡散層によるホールド型電荷検出
部を持つた埋込チヤンネル型電荷転送素子の構
造、及びリセツト動作時の各部の転送電荷に対す
る最低電位であるチヤンネル電位の様子を示す模
式図である。１７は浮遊拡散層で、１８はリセツ
トトランジスタドレイン拡散層、１９はリセツト
トランジスタゲート電極、２０は電荷転送部出力
ゲート、２１は電荷転送部最終電極、２２はイオ
ン注入層である。イオン注入層２２はバルク内を
電荷転送するいわゆる埋込チヤンネル電荷転送さ
せるためのもので、リセツトゲート直下もこのイ
オン注入層が形成されている。

いま、浮遊拡散層１７で所要最大電荷量を蓄え
た時の電位を第４図２３に示す値とすると、リセ
ツトゲート直下のチヤンネル電位がこのレベルよ
り浅ければ、この電荷検出量まではリセツトドレ
インの方向へは電荷が流れ出さないため、正常な
電荷検出がなされる。そこでこのような場合は、
リセツトゲート電極へ印加するリセツトパルス電
圧は、第４図２３と等しいゲート直下のチヤンネ
ル電位を与えるゲート電圧以下にする必要は無
く、従来この様なリセツトトランジスタ非導通時
のリセツトパルス電圧を回路上の接地電圧まで下
げていたことは無意味であることが判る。尚、本
明細書において回路上の接地電圧とは、例えばス
イツチング回路におけるスイツチングトランジス
タの飽和コレクター電圧等によつて残留する電圧
があつた場合においても回路上実質的に接地電圧
として取り扱つている電圧を意味する。

一方フイードスルーの量は先に説明したフイー
ドスルーの発生原因から判るように、リセツトト
ランジスタ非導通時のゲート電圧に依存するた
め、フイードスルーによるリセツトノイズを減少
させるにはこのリセツトトランジスタ非導通時の
リセツトパルス電圧を出来るだけ高く設定するこ
とが有効であることが判る。

本発明は、この様な点に鑑み、リセツトトラン
ジスタ非導通時のリセツトパルス電圧を浮遊拡散
層に所要最大電荷量を蓄えた時の浮遊拡散層の電
位とリセツトゲート電極直下が等しくなる様なリ
セツトゲート電極電圧に極力近ずけることによつ
て、フイードスルーを減少させリセツトノイズを
低減させるものである。

次に第５図に示す信号波形を用いて本発明の一
実施駆動方法を詳細に説明する。

第５図は、第４図で示した様な埋込チヤンネル
型電荷転送撮像素子の電荷検出部の駆動方法を示
す信号波形で、電荷転送部最終電極クロツク信号
２４はローレベルOVハイレベル12Vで約50％の
デユーテイを持つクロツク信号である。一方リセ
ツトトランジスタ非導通時のゲート電極に加える
リセツトパルス２５の電圧は8Vで標準撮像条件
での出力電圧0.2Vの２倍の出力電圧となる浮遊
拡散層の電荷量で浮遊拡散層電位とゲート電極直
下のチヤンネル電位が等しくなるように選ばれて
いる。また、リセツト時すなわちリセツトトラン
ジスタ導通時のリセツトパルス２５の電圧は12V
で、第４図に示す様にリセツトゲート直下の埋込
チヤンネル形成用イオン注入層によつてリセツト
トランジスタドレイン（Ｖ_RD）より低い電圧でリ
セツトトランジスタが導通出来る。

この様な駆動信号での出力信号は第５図２６の
波形となりフイードスルーによるリセツトノイズ
２７は0.2V_P―_Pとリセツトトランジスタ非導通
時ゲート電極電圧を接地電圧とした場合に生じる
リセツトノイズ0.7_P―_Pに対し1/3以下の値となり
標準撮像条件での映像信号分２９の0.2Vと同じ
値まで減少した。

この結果オンチツプ出力アンプ及び装置の増幅
用アンプのダイナミツクレンジは従来の1/2以下
で良く電源電圧を下げることによつて消費電力を
30％減少させることが出来た。また、固定パター
ンノイズも測定出来ないレベルまで減少した。

また、このようなリセツトパルスを用いると、
標準撮像条件の２倍以上の電荷量が浮遊拡散層に
送られて来ると浮遊拡散層をあふれ出てリセツト
ドレインに電荷が流れ出るため、標準撮像条件の
２倍で白クリツプがかかつたことになり、高輝度
被写体等が入ることによる異常なハイレベル信号
による回路の飽和現象を防止出来る効果も得られ
た。以上の実施例では、リセツトトランジスタ非
導通時のゲート電極電圧を所要最大電荷量時の浮
遊拡散層電位とリセツトトランジスタゲート電極
直下のチヤンネル電位が等しくなる電圧としてい
るが、リセツトノイズは前記したようにリセツト
トランジスタ非導通時のゲート電極電圧に依存す
るため、前記実施例より回路上の接地電位に近い
電圧に選定しても本発明の効果は失なわれるもの
ではない。

このように本発明の動作方法によれば、従来の
ような広いダイナミツクレンジが不要となるため
低消費電力化が実現され、また固定パターンノイ
ズの発生も大巾に減少し、さらに高輝度被写体等
による回路の飽和の生じない撮像装置を可能とす
るものである。

また前記実施例においては比較的少ない電荷量
を検出する浮遊拡散層によるホールド型電荷検出
手段を有する電荷転撮像素子の場合について述べ
たが、撮像素子以外でも比較的少ない電荷量を取
り扱う電荷転送素子では、本発明の駆動方法が有
効であることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は浮遊拡散層によるホールド型電荷検出
手段を有する電荷転送素子の構造を示す模式図、
第２図は第１図に示す構造の電荷転送素子の電荷
検出部の動作を説明する各部の信号波形図、第３
図は第１図に示す構造の電荷転送素子の電荷検出
部の等価回路、第４図は浮遊拡散層によるサンプ
ルホールド型電荷検出部を持つた埋込チヤンネル
型電荷転送素子の構造とリセツト動作時の各部の
転送電荷に対する最低電位であるチヤンネル電位
の様子を示す模式図、第５図は第４図の構造の素
子を駆動する本発明による駆動方法信号波形図で
ある。 図において、１…Ｐ型シリコン基板、２…N⁺
浮遊拡散層、３…リセツトトランジスタゲート電
極、４…ドレインN⁺拡散層、５…転送出力ゲー
ト、６…出力MOSトランジスタ、７…最終電極
クロツクパルス、８…リセツトパルス、９…信号
出力、１０…リセツトノイズ、１１…電荷検出容
量、１２…リセツトトランジスタ、１３…リセツ
トトランジスタゲート、１４…結合容量、１５…
出力トランジスタ、１６…負荷抵抗、１７…浮遊
拡散層、１８…リセツトトランジスタドレイン、
１９…リセツトトランジスタゲート電極、２０…
電荷転送部出力ゲート、２１…電荷転送部最終電
極、２２…イオン注入層、２３…浮遊拡散層での
所要最大電荷検出時のポテンシヤル、２４…電荷
転送部最終電極クロツク信号波形、２５…リセツ
トパルス、２６…出力信号波形である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一半導体基板上に浮遊拡散層によるホール
   ド型電荷検出手段を有する電荷転送素子の駆動に
   おいて、前記浮遊拡散層の電位を信号転送周期毎
   に基準電位に設定するリセツトトランジスタの非
   導通時ゲート電極電圧が、少なくとも回路上の接
   地電圧よりリセツトトランジスタの導通時ゲート
   電極電圧に近く、かつ前記浮遊拡散層に所要最大
   電荷量を蓄えた時の前記浮遊拡散層の電位と前記
   リセツトトランジスタのゲート電極直下のチヤン
   ネル電位が等しくなる前記リセツトトランジスタ
   の導通時ゲート電極電圧より回路上の接地電圧に
   近い電圧であることを特徴とする電荷転送素子の
   駆動方法。