KR19980064763A - 고체촬상장치와 그 구동방법 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

반도체기판상에 복수의 광전변환소자가 배열되고, 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 수직 CCD와, 각 수직 CCD로부터 받은 신호전하를 수직 CCD와 직교하는 방향으로 전송하는 수평 CCD와, 수평 CCD로부터 받은 신호전하에 대응하는 신호전압을 출력하는 신호출력회로를 구비하고 있다. 수직 CCD에 의한 전하전송은 수평 CCD에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상모드와, 수평 CCD에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 가진다. 수평 CCD의 수직 CCD와의 접속부와 반대측 변을 따라, 전위장벽영역 및 전하배출영역이 배설되고, 전하배출영역의 저항(R)과 정전용량(C)과의 곱이 수직 CCD의 고속모드에서의 전송주기의 거의 10배 보다 작다.

Description

고체촬상장치와 그 구동방법 및 제조방법
본 발명은 전하전송소자를 이용한 고체촬상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화상품질을 향상시킬 수 있는 고체촬상장치와 그 구동방법 및 제조방법에 관한 것이다.
전하결합소자(CCD라고도 한다) 등의 전하전송소자를 이용한 고체촬상장치는, 그 저잡음특성 등의 우위성에 의해 비디오카메라 등에 넓게 이용되고 있다.
도 12는 종래의 기본적인 고체활상장치의 개략구성을 도시하는 평면도이다.
이 도면에 있어서, 복수의 포토다이오드(광전변환소자)(91)와 수직 CCD(제1의 신호전하전송소자)(2)가 1열씩 교호로 배치되어 있다. 각각의 포토다이오드(1)는 대응하는 수직 CCD(2)에 접속되어 있다. 각각의 수직 CCD(2)의 종단부는 수평 CCD(제2의 신호 전하전송소자)(3)에 접속되어 있다. 수평 CCD(3)의 종단부는 출력앰프(신호출력회로)(4)에 접속되어 있다.
포토다이오드(1)에서 광전변환되어 발생한 화소마다의 신호전하는 수직 CCD(2)에 부여되고, 수직 CCD(2) 내를 전송된다. 각 수직 CCD(2)로부터 동시에 수평 CCD(3)에 전송된 1수평라인 분의 신호전하는 수평 CCD(3) 내를 전송되고, 출력앰프에서 전압으로 변환되어 순차 출력된다.
수평 CCD(3)의 구체구조로서, 이상구동방식의 수평 CCD를 도 13~도 15에 도시한다. 도 13은 도 12의 수평 CCD(3)를 90도 회전한 방향에서 도시하는 부분평면도이다. 도 14는 도 13의 a'-a선을 따르는 단면과 채널부의 전위(포텐셜)분포를 도시하고 있다. 도 15는 도 13의 a-a'선을 따르는 단면과 채널부의 전위분포를 도시하고 있다.
도 13~도 15에 있어서, 5는 p형 영역, 즉 p형 확산층 또는 p형 반도체기판이다. 6은 소위 매립형 채널 CCD의 채널부가 되는 n형 영역 즉 n형 확산층이다. 7은 n형 영역 즉 n형 확산층이다. 8a, 8b는 구동펄스가 인가되는 제1층전극이고, 9a,9b는 구동펄스가 인가되는 제2층전극이다. 제1층전극(8a)과 제2층전극(9a)은 전압인가단자(10)에 접속되고, 제1층전극(8b)과 제2층전극(9b)은 전압인가단자(11)에 접속되어 있다. 또한, 도 14에는 수직 CCD의 종단부의 전극(12)이 도시되어 있다.
전압인가단자(10,11)에 인가되는 이상구동펄스(H1,H2)의 전압파형을 도 16에 도시한다. 이 도면의 시각(t1)에 있어서의 채널부의 전위분포가 도 14 및 도 15에 실선으로 표시되고, 시각(t2)에 있어서의 채널부의 전위분포가 도 14 및 도 15에 파선으로 표시되어 있다. 도 16에 있어서, 시각(t1)에서는 전압인가단자(10)에 H레벨의 전압이 인가되고, 전압인가단자(11)에 L레벨의 전압이 인가된다. 이로써, 도 15에 실선으로 표시하는 바와 같이, 제1층 전극(8b) 및 제2층 전극(9b)에 대향하는 전송채널의 전위(포텐셜)가 제1층 전극(8a) 및 제2층 전극(8a)에 대향하는 전송채널의 전위보다 높아진다. 이와 같이 전극에 전압을 인가함으로써 형성되는 포텐셜우물에 신호전하(13)가 축적된다.
다음에 시각(t2)에서는 전압인가단자(11)가 L레벨에서 H레벨로 변화하고, 전압인가단자(10)가 H레벨에서 L레벨로 변화한다. 이 결과, 도 15에 파선으로 표시하는 바와 같이, 제1층 전극(8b)에 대향하는 채널의 포텐셜우물에 축적되어 있던 신호전하(13)는 제1층 전극(8a)에 대향하는 채널의 포텐셜우물로 전송되고, 신호전하(14)가 된다. 신호전하(14)는 이상적으로는 신호전하(13)와 같은 전하량을 가진다.
상기와 같은 동작이 반복됨으로써, 수평 CCD내를 신호전하가 순차 전송된다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, n형 영역(6)의 제2층전극(9a,9b)에 대향하는 부분에 n형 영역(7)을 배설하고 있는 것은, 제1층전극(8a)에 대항하는 부분과 제1층전극(8b)에 대항하는 부분과의 사이의 전위균배를 가능한한 원활하게 하여 신호전하의 이동이 부드러워지도록 하기 위해서이다.
도 12의 수직 CCD(2)에 있어서의 전하전송도 기본적으로는 수평 CCD(3)의 전하전송과 마찬가지로 이루어지지만, 수직 CCD(2)의 전송속도는 수평 CCD(3)의 전송속도에 비해 상당히 늦어도 된다. 이 때문에 수평 CCD(3)에 있어서의 n형 영역(7)과 같은 구조는 수직 CCD(2)에는 통상 배설되지 않는다. 구동펄스를 3상 또는 4상으로 함으로써 전위균배를 가능한한 원활히 한다.
상기와 같은 고체촬성소자를 이용한 비디오카메라에 있어서, 예를 들면 수동보정을 행하기 위해 화면의 주변부에 상당하는 화소의 신호전하를 버리는 조작이 이루어진다. 예를 들면, 필드마다에 수직 CCD로부터 수평 CCD로 전소외는 신호전하 중, 최초와 최후의 수십~수백라인 분의 신호전하를 버린다.
이 동작을 수직블랭킹(blanking)기간 내에 효율적으로 행하기 위해, 수평 CCD의 수직 CCD와의 접속부와 반대측 변을 따라 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성하고, 수직 CCD로부터 수평 CCD에 전송되어 오는 신호전하를 수평 CCD의 측부부터 전하배출영역을 통하여 전원에 직접 배출하도록 한 것이 있다(예를 들면 일본국 특개평 2-205359호 공보 참조). 이 경우, 수직 CCD에 의한 전하전송은 수평 CCD에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상모드와는 별도로, 수평 CCD에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 구비한다. 그리고, 불필요 전하의 배출시에는 고속모드로 수직 CCD를 구동한다.
상기와 같은 종래의 고체촬상장치에 있어서, 화면주변부의 불필요한 화소의 신호전극을 버리는 동작은 수직부 랭킹기간내에 완료할 필요가 있다. 만약, 수직랭킹기간내에 다 버려지지 않은 신호전하가 수평 CCD에 남게 되면, 예를 들면 화면상부에 흰선이 나타나는 부적합한 현상이 발생한다. 전위장벽영역 및 전하배출영역을 가지는 수평 CCD로 효율좋게 버림과 동시에, 남은 신호전하를 수직랭킹기간내에 확실히 배출할 수 있는 고체촬상장치의 구조와 그 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 그와 같은 고체촬상장치의 효율적인 제조방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 고체촬상장치를 구성하는 2상구동방식의 수평 CCD의 평면도,
도 2는 도 1의 b-b선을 따르는 단면도,
도 3은 도 1의 b-b'-b선을 따르는 전위분포도,
도 4는 실시형태 1에 있어서의 수평 CCD의 드레인영역의 등가회로도,
도 5는 실시형태 1에 있어서의 수평 CCD의 일단당 전위변동을 도시하는 그래프도,
도 6은 본 발명의 실시형태 2에 관한 고체촬상장치를 구성하는 2상구동방식의 수평 CCD의 평면도,
도 7은 도 6의 d'-d선을 따르는 단면도,
도 8은 도 6의 d-d'-d선을 따르는 전위분포도,
도 9은 실시형태 2의 고체촬상장치의 화소부의 단면도,
도 10은 실시형태 2의 고체촬상장치의 제조공정을 도시하는 단면도,
도 11은 본 발명에 관한 고체촬상장치의 구동파형을 도시하는 도면,
도 12는 종래의 고체촬상장치의 구성도,
도 13은 종래의 고체촬상장치를 구성하는 2상구동방식의 수평 CCD의 평면도,
도 14는 도 13의 a'-a선을 따르는 단면과 전위분포를 도시하는 도면,
도 15는 도 13의 a-a'선을 따르는 단면과 전위분포를 도시하는 도면,
도 16은 종래의 고체촬상장치를 구상하는 2상구동방식의 수평 CCD의 구동전압파형도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1:포토다이오드2:수직 CCD
3:수평 CCD4:출력앰프
5,35:p형 영역6,33,36:n형 영역
8a,8b:제1층전극(수평 CCD전극)9a,9b:제2층전극(수평 CCD전극)
10,11:전압인가단자12,39:수직 CCD전극
21,25:전위장벽영역22,26:드레인영역
23:전원24:신호전하
31:n형 기판32,37,38:p-형 영역
34:p+형 영역40:차광막
본 발명에 의한 고체촬상장치의 제1의 구성은 반도체기판상에 배치된 복수의 광전변환소자와, 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호 전하전송소자(수직 CCD)와, 각각의 제1의 신호전한전송소자의 종단측에 접속되고, 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하를 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 전송하는 제2의 신호전하전송소자(수평 CCD)와, 제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하에 대응하는 신호전압을 출력하는 신호출력회로와, 제2의 신호전하전송소자의 제1의 신호전하전송소자와의 접속부와 반대측 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비하고 있다. 그리고, 제1의 신호전하전송소자에 의한 전하전송은 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상모드와, 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속 모드를 가지고, 전하배출영역의 저하(R)과 정전용량(C)과의 곱이 제1의 신호전하전송소자의 고속 모드에서의 전송주기의 거의 10배 보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 전하배출영역의 시정수(CR)를 적절한 값으로 함으로써, 상세하게는 후술하는 바와 같이, 제1의 신호전하전송소자로부터 고속모드로 전송되어 온신호전하가 제2의 전하전송소자에 배설된 전위장벽 영역을 넘어 전하배출영역으로부터 전원으로 이동하는 동작이 지체없이 이루어진다.
또, 전위장벽영역 및 전하배출영역이 광전변환소자 또는 제1의 신호저하전송소자를 형성하는 공정과 동일 공정으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상세하게는 후술하는 바와 같이, 공정수를 증가하지 않고, 전위장벽영역 및 전하배출영역을 제2의 전하전송소자로 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 고체촬상장치의 제2의 구성은 반도체기판 상에 배치된 복수의 광전변환소자와, 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호전하전송소자와, 각각의 제1의 신호전하전송소자의 종단측에 접속되고, 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하를 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 전송하는 제2의 신호전하전송소자와, 제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하에 대응하는 신호전압을 출력하는 신호출력회로와, 제2의 신호전하전송소자의 제1의 신호전하전송소자와의 접속부와 반대측 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비하고, 제1의 신호전하전송소자에 의한 전하전송은, 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상 모드와, 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 가진다. 그리고, 고속모드의 종료부터 통상모드의 개시까지의 시간이 제2의 신호전하전송소자의 전체 전송주기인 수평주사기간의 k배일때, 전위장벽영역의 전위와 제2의 신호전하전송소자의 전위로 규정되는 축적전하량이 제3의 신호전하전송소자의 전송용량의 거의 k배 보다 작은 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 제2의 신호전하전송소자만에 의해 결정되는 전송용량에 대해, 전위장벽영역의 내측에 축적가능한 전하량을 k배 보다 작게 설정하면, 최후에 쌓인 불필요한 신호전하를 k회의 수평전송에 의해 확실히 배출할 수 있다. 이 결과, 상술한 바와 같은 화면품질의 문제는 발생할 수 없다. 또한, 이 구성에서도 전위장벽영역 및 전하배출영역이 광전변환소자 또는 제1의 신호전하전송소자를 형성하는 공정과 동일 공정으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 전위장벽영역의 전위가 제2의 신호전하전송소자의 전송용량을 규정하는 낮은 쪽 전위에 대해 거의 같거나 또는 낮은 것이 바람직하다. 제2의 신호전하전송소자가 제1층전극과 제2층전극을 가지고, 제1층전극에 대향하는 반도체기판의 전위가 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위보다 높게 형성되고, 제2층전극이 전하전송방향에 인접하는 제1층전극과 접속되고, 전위장벽영역의 전위가 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위와 거의 같은 구조도 바람직하다.
또한, 제2의 신호전하전송소자가 제1층전극과 제2층전극을 가지고, 제1층전극에 대항하는 반도체기판의 전위가 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위보다만큼 높게 형성되고, 제2층전극이 전하전송방향에 인접하는 제1층전극과 접속되고, 제1층전극의 반도체기판에 대향하는 면적이 제2층전극의 반도체기판에 대향하는 면적의 x배일때, 전위장벽영역의 전위(1)와 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위(2)와의 사이에 다음식의 관계가 성립하는 것이 바람직하다.
2-1(k-1)/(x+1)
본 발명에 의한 고체촬상장치의 구동방법은, 반도체기판상에 배치된 복수의 광전변환소자, 복수의 제1의 신호전하전송소자, 제2의 신호전하전송소자, 신호출력회로, 제2의 신호전하전송소자의 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비한 고체촬상장치의 구동방법으로서, 상기 광전변환소자로부터의 신호전하를 전송하는 제1의 신호전하전송소자의 구동을 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상모드와, 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 절환하면서 행하고, 상기 전위장벽영역의 전위와 상기 제2의 신호전하전송소자의 전위로 규정되는 축적전하량이 상기 제2의 신호전하전송소자의 전송용량의 k배일때, 상기 고속모드의 종료부터 상기 통상모드의 개시까지의 시간을 제2의 신호전하전송소자의 전체 전송주기인 수평주사기간의 k배 이상으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기의 구동방법에 의하면, 고체촬상장치의 전위장벽영역내측에 최후에 쌓인 불필요한 신호전하를 k회의 수평전송에 의해 확실히 배출할 수 있다. 이 결과, 상술한 바와 같은 화면품질의 문제는 발생할 수 없다.
또, 본 발명의 고체촬상장치의 제조방법은, 반도체기판상에 복수의 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호전하전송소자와, 각각의 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 신호전하를 전송하는 제2의 신호전하전송소자와, 제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받아 전압신호로 변환하여 출력하는 신호출력회로와, 상기 제2의 신호전하전송소자의 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성할 때에, 광전변환소자 또는 제1의 신호전하전송소자를 형성하는 공정과 동일 공정으로 상기 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 제조방법에 의하면, 공정수를 늘리지 않고 전위장벽영역 및 전하배출영역을 제2의 전하전송소자에 구비한 고체촬상장치를 제조할 수 있다. 바람직하게는 광전변환소자로부터 제1의 신호전하전송소자에의 신호전하의 이동을 제어하는 영역을 형성하는 공정과 동일 공정으로 전위장벽영역을 형성한다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관한 고체촬상장치에 있어서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 12~도 16을 이용하여 설명한 종래예와 상위하는 점을 중심으로 설명한다.
[실시형태 1]
도 1에 본 발명의 실시형태 1에 관한 고체촬상장치를 구성하는 2상구동방식의 수평 CCD의 평면도를 도시한다. 또, 도 2는 도 1의 b'-b선을 따르는 단면을 도시하고, 도 3은 도 1의 b-b'-b선을 따르는 전위분포를 도시하고 있다. 이 전위분포는 도 16에 도시한 구동펄스의 시각(t1)에 있어서의 전위분포이다.
본 실시형태의 수평 CCD에서는 p형확산층 또는 p형기판인 p형영역(5)의 위에, n형확산층인 n형영역(6)이 형성되어 있다. 이 n형영역(6)이 수평 CCD의 채널영역이 된다. n형영역(6)에는 n-확산층인 전위장벽영역(21)과, n+확산층인 전하배출영역(이하 「드레인영역」이라고 한다)(22)이 형성되어 있다. 즉, n형영역(6)의 수직 CCD에 접속하는 변과 반대측 변을 따라 드레인영역(22)이 형성되고, 이 드레인영역(22)의 내측을 따라 전위장벽영역(21)이 형성되어 있다. 드레인영역(22)은 전원(23)에 접속되어 전압(VD)이 인가되어 있다. 또한, 도 1의 b-b'선을 따르는 단면구조와 전위분포, 그리고 구동방법은 도 15 및 도 16을 이용하여 설명한 종래예와 같다.
도 1의 b-b'-b선을 따르는 전위분포를 도시하는 도 3에 있어서,1은 전위장벽영역(21)의 전위,2는 제2층전극(9b)(도 15 참조)에 대향하는 채널의 전위,3은 제1층전극(8b)(도 15 참조)에 대향하는 채널의 전위,4는 드레인영역(22)의 전위이다.
수직 CCD의 채널로부터 전송된 전하는 제1층전극(8b)에 대향하는 채널(전위3)의 포텐셜우물에 신호전하(24)로서 축적된다. 이 제1층전극(8b)에 대향하는 채널의 용량, 즉 제1층전극(8b)의 면적과 전위차(3-2)로 결정되는 용량이 수평 CCD의 전송용량이다. 통상, 수평 CCD의 전송용량은 수직 CCD의 전송용량 보다 커지도록 설계된다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 수직 CCD가 고속모드로 동작하여, 수평 CCD의 전하전송과 비동기로 불필요 전하를 계속하여 전송해오면, 수평 CCD에 축적되는 전하량이 수평 CCD의 전송용량을 넘어 제2층전극(9b)에 대향하는 채널(전위2)까지 전하가 넘치게 된다.
본 실시형태의 수평 CCD에서는 수평 CCD에 축적되는 전하량이 수평 CCD의 전송용량을 넘은 경우, 전위장벽영역(21)의 전위(1)를 넘는 부분의 전하는 드레인영역(22)을 통하여 전원(23)(VD)에 배출된다. 그리고, 전위장벽영역(21)의 전위(1)를 제2층전극(9b)의 전위(2)와 거의 같게 설정함으로써, 제1층전극(8b) 및 제2층전극(9b)에 대향하는 채널에 축적되는 전하량을 수평 CCD의 전송용량의 근방으로 제한할 수 있다.
수평 CCD가 정상적으로 전하전송할 수 있는 것은 전위(2)와 (3)과의 사이에 신호전하가 존재할 경우로 한정된다. 전위(1)를 전위(2) 보다 높게 설정하면, 수평 CCD의 전송용량은 전위차(2-1)에 상당하는 분만큼 작아지므로, 모든 신호 전하를 정상적으로 전송할 수 없게 되는 경우가 발생한다. 이 경우, 일단 전송할때 마다 신호전하가 드레인영역(22)으로 새어나오고, 전송단수가 많아지는 만큼 신호전하량이 감소한다. 이 때문에, 화면상에서 예를들면 좌측이 밝고 우측이 어두워지는 쉐이딩(shading)현상이 발생한다. 따라서, 전위(1)는 전위(2)에 비해 같거나 낮은 것이 바람직하다.
한편, 전위장벽영역(21)의 전위(1)를 제2층전극(9b)의 전위(2) 보다 낮게 설정한 경우, 그 전위차(2-1)가 너무 크면, 드레인영역(22)을 통하여 불필요전하를 배출할 능력이 불충분해진다. 따라서, 전위(1)의 허용치(하한)를 배설할 필요가 있다.
이 전위(1)의 허용치는 구동방법, 구체적으로는 수직 CCD의 고속모드에 의한 수평 CCD에의 불필요전하전송이 종료하고 나서 수직블랭킹기간이 종료하고, 유효한 신호저하의 통상모드에 의한 전송이 개시되기까지의 시간과 관계한다. 이 시간이 수평 CCD의 전체 전송주기 즉 수평주사기간의 k배라고 가정하면, 이 동안에 수평 CCD의 전송에 의한 불필요전하의 배출을 k회 행할 수 있다. 이 경우, 전위(1)에서 규정되는 축적가능한 전하량이 수평 CCD의 전송용량의 k배 이내이면, 수직블랭킹기간내에 불필요전하를 모두 배출할 수 있다.
예를 들면, 제1층전극(8a)과 제2층전극(9a)의 면적비가 1:x라고 하면, 전위(1)로 규정되는 축적가능한 전하량(Q1)은 다음식으로 나타낼 수 있다.
Q1=((3-2)+(2-1)(1+x))C1…(1)
단, C1은 정수이다. 수평 CCD의 전송용량은 (3-2)C1이기 때문에,1로 규정되는 축적가능한 전하량(Q1)을 수평 CCD의 전송용량의 k배 이내로 하는 데에는 다음식을 만족하면 된다.
2-1(k-1)(3-2)/(x+1)…(2)
예를 들면, x=1, k=2,3=2=1V의 경우를 생각하면, 전위(1)의 허용치(하한치)는 전위(2) 보다 0.5V 낮은 값이 된다.
다음에, 드레인영역(22)의 동작에 대해 설명한다. 일반적으로, 반도체장치에 있어서의 배선 및 확산영역은 저항 및 정전용량의 분포정수회로에 근사할 수 있다. 드레인영역(22)의 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이, 복수의 저항 및 정전용량으로 이루어지는 사다리형 회로로 나타나고, 그 동작을 고려하면, 일단이 전원 VD에 접속되고, 타단에 전압 V0의 펄스가 인가된다. 도 4에 있어서, R, C 및 n은 각각 드레인영역(22)의 전체 저항, 전체 용량 및 수평 CCD의 단수이다. 이 회로의 펄스입력단자(Vi)의 전위변동 ΔV/V0은 다음식으로 나타난다.
ΔV/V0=(4/π)exp(-π2t/4RC)…(3)
식(3)으로 표시되는 전위변동의 수평 CCD 일단당 저항치 의존성을 도 5에 도시한다. 이 도면에서 명백한 바와 같이, 저항치가 커짐에 따라 전위회복에 요하는 시간이 길어진다. 즉, 드레인영역(22)의 저항치가 커지면, 오버플로우한 전하가 전원(23)까지 배출되기 어려워져 드레인영역(22)에 축적되므로, 수평 CCD의 불필요전하의 배출을 할 수 없게 된다.
드레인영역(22)이 오버플로우한 전하로 넘치지 않기 위한 조건을 다음에 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 수직 CCD가 불필요전하를 수평 CCD에 전송하는 주기를 T0, 수직 CCD가 전송하는 불필요전하의 단수를 m, 수직 CCD가 전송한 일단당 불필요전하에 의해 드레인영역(22)에 발생하는 전위의 초기변위를 V0, 전위장벽영역의 전위를1, 드레인영역(22)의 초기전위를4, 식(3)에 t=T0을 대입한 값을 A0이라한다.
우선, 수직 CCD로부터 일단째의 전하가 전송되었을 때의 드레인영역(22)의 전위(v1)는 다음식으로 나타난다.
v1=V0…(4)
이것에 2단째의 전하가 전송되었을때의 전위(v2)는 다음식으로 나타난다.
v2=v1×A0+V0=V0(1+A0)…(5)
이것에 3단째의 전하가 전송되었을 때의 전위(v3)는 다음식으로 나타난다.
v3=v2×A0+V0=(V0×(1+A0))×A0+V0=V0(1+A0+A02)…(6)
이하 동일하게 하여, m단째의 전하가 전송되면 드레인영역(22)의 전위(vm)는 다음식으로 나타난다.
vm=V0(1+A0+A02+A03+…A0m-1)…(7)
가장 엄격한 조건을 고려하면 m은 약 200이고, A01인 것을 고려하면, 식(7)은 다음식과 근사하다.
vm=V0.(1-A0)…(8)
이 전위(vm)가 드레인영역(22)과 전위장벽영역(21)과의 전위차보다 작으면 되기 때문에,
V0/(1-A0)(4-1)…(9)
가 되고, 이 식(9)에는 식(3)을 대입하여 저항(R)에 대해 풀면, 다음식(10)이 얻어진다.
R×C10.2×T0…(10)
이 식(10)이 드레인영역(22)의 저항치 및 허용치의 범위를 결정하는 조건이 된다. 예를 들면, T0=3.3μs, C=5pF일 때, 저항치는 6.7MΩ 이하, 수평 CCD 일단당 고치면 수평 CCD단수 800단의 경우로 8.4kΩ 이하가 아니면 안되게 된다.
[실시형태 2]
다음에, 본 발명의 실시형태 2에 관한 고체촬상장치를 구성하는 2상구동방식의 수평 CCD의 평면도를 도 6에 도시한다. 또, 도 7은 도 6의 d'-d선을 따르는 단면도이고, 도 8은 도 6의 d-d'-d선을 따르는 전위분포를 도시하고 있다.
도 7을 실시형태 1의 도 2와 비교하면 잘 알 수 있듯이, 이 실시형태는 실시형태 1과 달리, 드레인영역은 n형 영역(6)과 그 하층의 p형 영역(p-확산층)(26)으로 구성하고 있다. 이로써, 실시형태 1의 n+확산층(도 2의 22)에 의한 드레인영역과 같은 동작을 할 수 있다. 도 8에 있어서의 전위5 및6의 값, 그리고 드레인영역의 저항치 및 정전용량치에 관하여, 실시형태 1에 있어서의 설명을 이용할 수 있다.
이 실시형태의 이점은 이하에 설명하는 바와 같이, 제조공정을 간소화할 수 있는 점에 있다. 도 9는 이 실시형태에 관한 고체촬상장치의 화소부의 단면을 도시하고 있다. n형 기판(31)상에 p-형영역(32), n형영역(33), p+형영역(34), p형영역(35), n형영역(36), p-형영역(37) 및 p-형영역(38)이 형성되고, n형영역(36)에 대향하여 수직 CCD전극(게이트전극)(39) 및 차광막(40)이 형성되어 있다.
구체적으로는 n형기판(31)상에 형성된 p-형확산층(32) 중에 포토다이오드영역이 되는 n형확산층(33)과 p+형확산층(34)이 형성되어 있다. 또, 수직 CCD의 채널영역이 되는 p형확산층(35)과 n형확산층(36)이 형성되고, n형확산층(36)에 인접하여 p-형확산층(37 및 38)이 형성되어 있다.
도 10(a)~(c)에 본 실시형태에 관한 고체촬상장치의 제조공정을 도시한다. 도면 중, 좌측에 수평 CCD부의 단면이 도시되고, 우측에 화소부의 단면이 도시되어 있다.
우선, 도 10(a)에 도시하는 바와 같이, n형기판(31)상의 형성된 p-형영역(32)에 붕소이온을 주입함으로써 수평 CCD부의 p형영역(5)과 화소부의 p형영역(35)을 형성한다. 다음에 인 또는 붕소이온을 주입함으로써 수평 CCD부의 n형영역(6)과 화소부의 n형영역(36)을 형성한다. 또한, p형영역(5,35)과 n형영역(6,36)의 형성순서는 특별히 한정받지 않는다. 또, p-형영역(32) 중의 드레인영역(26)에는 붕소이온의 주입을 행하지 않도록 하여 p-형영역을 남긴다.
이어서 도 10(b)에 도시하는 바와 같이, 붕소이온의 주입에 의해 수평 CCD부의 n형영역(6)에 전위장벽영역(25)이 되는 n-형영역을 형성함과 동시에, 화소부의 p-형영역(32) 중의 n형영역(36)의 양측에 p-형영역(37,38)을 형성한다.
이어서 도 10(c)에 도시하는 바와 같이, 수평 CCD부에서는 제1층전극(8b)과 수직 CCD전극(12)을 기판상에 형성한다. 또, 화소부에서는 p-형영역(32)에 n형영역(33)과 p+형영역(34)을 형성하고, 기판상에 수직 CCD전극(39)과 차광막(40)을 형성한다.
이상과 같이, 도 10(a)~(c)에 도시한 제조공정을 거침으로써, 본 실시형태에 관한 고체촬상장치의 수평 CCD부와 화소부를 제조할 수 있다. 즉, 화소부(광전변환소자)를 형성하는 공정과 동일 공정으로, 수평 CCD부의 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성할 수 있으므로, 특히 제조공정을 늘리지 않고 효율적으로 본 발명의 고체촬상장치를 제조할 수 있다.
다음에 본 발명에 의한 고체촬상장치의 구동방법에 대해 설명한다. 4상구동형 전하전송장치를 수직 CCD로서 이용하고, 2상구동형 전하전송장치를 수평 CCD로서 이용한 경우의 고체촬상장치의 구동파형을 도 11에 도시한다. 도 11에 있어서, 수직 CCD의 구동펄스V1 및V3으로서 3치펄스가 이용된다. 이 구동펄스가 H레벨일 때에 광전변환부로부터 수직 CCD에 신호전하가 판독된다. 다음에, 중간(M)레벨과 L레벨을 이용하여 신호전하를V1에서V4로 전송한다. 판독된 m단분의 신호전하가 고속모드에 의해 수평 CCD로 전송된다.
수평 CCD의 구동펄스H1,H2에서는 2치펄스가 이용된다. 수직 CCD의 고속모드에 있어서, 전위장벽영역의 전위1에 의해 규정되는 전하량이 수평 CCD의 전송용량의 k배인 경우, 각 수직 CCD로부터 전송된 1단분의 신호전하가 구동펄스H1 및H2에 의해 전체 전송되는 시간을 1H로 하면, 수직 CCD가 고속모드전송을 종료하고 나서 통상 모드전송을 개시하기까지의 시간을 kH 보다 길게 하면, 이 시간내에 모든 불필요전하를 버릴 수 있다.
또한, 이상의 실시형태에는 채널을 n형영역에서 형성하고, 신호전하로서 전자를 이용하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 채널을 p형영역에서 형성하고, 신호전하로서 정공(正孔)을 이용해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 고체촬상장치와 그 구동방법에 의하면, 화면주변부의 화소의 불필요전하를 고속모드에 의해 확실히 버릴 수 있으므로, 화상품질의 저하를 방지할 수 있다. 또, 그와 같은 고체촬상장치를 본 발명의 제조방법에 의해 제조공정수를 늘리지 않고 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체기판상에 배치된 복수의 광전변환소자와,
    상기 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호전하전송소자와,
    각각의 제1의 신호전하전송소자의 종단측에 접속되고, 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하를 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 전송하는 제2의 신호전하전송소자와,
    제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하에 대응하는 신호전압을 출력하는 신호출력회로와,
    제2의 신호전하전송소자의 제1의 신호전하전송소자와의 접속부와 반대측 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비하고,
    상기 제1의 신호전하전송소자에 의한 전하전송은 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상 모드와, 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 가지고,
    상기 전하배출영역의 저항(R)과 정전용량(C)과의 곱이 제1의 신호전하전송소자의 고속모드에서의 전송주기의 거의 10배 보다 작은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전위장벽영역 및 전하배출영역이 상기 광전변환소자 또는 상기 제1의 신호전하전송소자를 형성하는 공정과 동일 공정으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  3. 반도체기판상에 배치된 복수의 광전변환소자와,
    상기 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호전하전송소자와,
    각각의 제1의 신호전하전송소자의 종단측에 접속되고, 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하를 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 전송하는 제2의 신호전하전송소자와,
    제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 그 신호전하에 대응하는 신호전압을 출력하는 신호출력회로와,
    제2의 신호전하전송소자의 제1의 신호전하전송소자와의 접속부와 반대측 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비하고,
    상기 제1의 신호전하전송소자에 의한 전하전송은 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상 모드와, 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 가지고,
    상기 고속모드의 종료부터 상기 통상 모드의 개시까지의 시간이 상기 제2의 신호전하전송소자의 전체 전송주기인 수평주사기간의 k배일때, 상기 전위방벽영역의 전위와 상기 제2의 신호전하전송소자의 전위로 규정되는 축적전하량이 상기 제2의 신호전하전송소장의 전송용량의 거의 k배 보다 작은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전위장벽영역 및 전하배출영역이 상기 광전변환소자 또는 상기 제1의 신호전하전송소자를 형성하는 공정과 동일한 공정으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전위장벽영역의 전위가 상기 제2의 신호전하전송소자의 전송용량을 규정하는 전위와 거의 같은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  6. 제3항에 있어서, 전위장벽영역의 전위가, 상기 제2의 신호전하전송소자의 전송용량을 규정하는 낮은 쪽 전위보다 낮은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제2의 신호전하전송소자가 제1층전극과 제2층전극을 가지고, 상기 제1층전극에 대향하는 반도체기판의 전위가 상기 제02층전극에 대향하는 반도체기판의 전위보다 높게 형성되고, 상기 제2층전극이 전하전송방향에 인접하는 상기 제1층전극과 접속되고, 상기 전위장벽영역의 전위가 상기 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위와 거의 같은 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제2의 신호전하전송소자가 제1층전극과 제2층전극을 가지고, 상기 제1층전극에 대향하는 반도체기판의 전위가 상기 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위보다만큼 높게 형성되고, 상기 제2전극이 전하전송방향에 인접하는 상기 제1층전극과 접속되고, 상기 제1층전극의 반도체기판에 대향하는 면적이 상기 제2층전극의 반도체기판에 대향하는 면적의 x배일 때, 상기 전위장벽영역의 전위(1)와 상기 제2층전극에 대향하는 반도체기판의 전위(2)와의 사이에 다음식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치.
    2-1(k-1)/(x+1)
  9. 반도체기판상에 배치된 복수의 광전변환소자, 복수의 제1의 신호전하전송소자, 제2의 신호전하전송소자, 신호출력회로, 제2의 신호전하전송소자의 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 구비한 고체촬상장치의 구동방법으로서,
    상기 광전변환소자로부터의 신호전하를 전송하는 제1의 신호전하전송소자의 구동을 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 동기를 취하면서 행하는 통상모드와, 상기 제2의 신호전하전송소자에 의한 전하전송과 비동기로 고속으로 행하는 고속모드를 절환하면서 행하고,
    상기 전위장벽영역의 전위와 상기 제2의 신호전하전송소자의 전위로 규정되는 축적전하량이 상기 제2의 신호전하전송소자의 전송용량의 k배일때, 상기 고속모드의 종료부터 상기 통상모드의 개시까지의 시간을 제2의 신호전하전송소자의 전체전송주기인 수평주사기간의 k배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 구동방법.
  10. 반도체기판상에 복수의 광전변환소자와, 상기 광전변환소자로부터 받은 신호전하를 전송하는 복수의 제1의 신호전하전송소자와, 각각의 제1의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받고, 제1의 신호전하전송소자와 직교하는 방향으로 신호전하를 전송하는 제2의 신호전하전송소자와, 제2의 신호전하전송소자에 의해 전송된 신호전하를 받아 전압신호로 변환하여 출력하는 신호출력회로와, 상기 제2의 신호전하전송소자의 변을 따라 배설된 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성하는 고체촬상장치의 제조방법에 있어서,
    상기 광전변환소자 또는 상기 제1의 신호전하전송소자를 형성하는 공정과 동일 공정으로 상기 전위장벽영역 및 전하배출영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광전변환소자로부터 상기 제1의 신호전하전송소자에의 신호전하의 이동을 제어하는 영역을 형성하는 공정과 동일 공정으로 상기 전위장벽영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체촬상장치의 제조방법.
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