JPH02254869A - 固体撮像装置の作動方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は固体撮像装置に関し、特に消費電力の小さい
固体撮像素子の作動方法に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は一般のフレームトランスファ型（以下ＦＴとい
う）ＣＣＤ　（Ｃｈａ　ｒｇｅ　　Ｃｏｕｐ　１ｅｄ　
　Ｄｅｖｉｃｅ）を示す概略平面図である。

図を参照して、ＦＴＣＣＤは複数列の撮像部からなる光
電変換を行なう撮像部１と、撮像部１で光電変換された
電荷を読出す際に一時蓄積しておく蓄積部２と、蓄積部
２において蓄積された電荷を転送する水平転送部３と、
水平転送部３によって転送された電荷を出力する出力ア
ンプ４とからなる。撮像部１にはその上方に複数の転送
電極５が形成され、その各々にクロック信号φＡ、〜φ
Ａ、が与えられる。蓄積部２の上方には複数の転送電極
６が形成され、その各々にはクロック信号φＢ、〜φＢ
、が与えられる。

第６図は第５図の転送電極５および転送電極６に与えら
れるクロック信号の波形図である。

以下、第５図および第６図を参照してＦＴＣＯＤの動作
について説明する。

第６図に示すＴＦＴは垂直ブランキング期間であり、こ
の期間の間に撮像部１で光電変換された信号電荷は蓄積
部に高速で転送される。Ｔ、ｏは信号読出期間であり、
複数行からなる蓄積部２の電荷を１行ずつ転送しながら
、順次水平転送部３を介して出力アンプ４から出力する
。このときのクロック信号φＡ、〜φＡ３とφＢ、〜φ
Ｂ、の各々のクロック信号の振幅は、通常負からゼロレ
ベルの範囲のクロックを使用する。すなわち、第６図に
示されている■１は０■に近い値であり、■２は−５〜
−１０Ｖ程度の範囲の値である。このようにして、１フ
レームごとの転送動作が繰返し行なわれる。

第７図は、第５図の固体撮像装置を構成する埋込チャン
ネルのトランジスタのゲート電圧に対するポテンシャル
の状態を示す図である。

図を参照して、横軸にはこのトランジスタのゲート電圧
ｖＧがとられ、縦軸にはＣＣＤのポテンシャルの井戸の
深さに対応するポテンシャルがとられている。

従来の固体撮像装置では、図におけるＡで示す動作領域
において駆動されている。ここでｖＰＩ闘はピンニング
電圧を示している。ピンニング電圧とは、ゲート電圧を
その電圧以下にしても、トランジスタ表面には正孔が蓄
積されて、ポテンシャルがもはやそれ以下に下がらない
電圧をいう。

第８Ａ図はＣＣＤの断面構造を模式的に示した図であり
、第８Ｂ図は第８Ａ図に相当する等価回路図である。

ここで第７図と第８Ａ図および第８Ｂ図とを参照して従
来のＣＣＤの転送動作について説明する。

ＶＦ　Ｉ　Ｎ　＞ＶＧの範囲では、上述のように正孔が
Ｘ点に蓄積されるので、ゲート電極の等価回路としては
、ゲート電極と埋込チャンネルとの間に形成される容ｆ
ｆ１Ｃｏｘのみが支配的になる。一方ＶＧ　＞ＶＰ　Ｉ
　Ｎの範囲では、ゲート電極の等価回路としては第８Ｂ
図に示すように、ゲート電極と埋込チャンネルとの間に
形成される容ｆｆ１ｃｏｘと、埋込チャンネルと基板と
の間に形成される容量ＣａＣとが直列に接続された等価
回路となる。ところが、Ｃｏｘ〉〉Ｃａｃの関係がある
ため、ｖＧ＞ＶＦＩＮの範囲では容ｆｆ１ｃｏｘと容量
ＣａＣの合成容量Ｃは極めて小さくなる。ここでＶＱ＜
ＶＰＩＮの範囲においてＣＣＤを駆動するのは、ＣＣＤ
で発生する暗電流を低減するためである。すなわち、ゲ
ート電極ＶＧをこの範囲で使用することによって、酸化
膜と埋込チャンネルとの界面に正孔を蓄積し、その界面
で発生する暗電流を低減することができるからである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の固体撮像装置では、消費電力の観点
から問題を生じていた。すなわち、ゲート電極ｖＧをピ
ンニング電圧ＶＦＩＮ以下の範囲でも使用しているので
、その範囲でのゲート電極と埋込チャンネルとの間の容
量が大きくなり、その結果消費電力が大となるのである
。

ここでＣＯＤの駆動時における消費電力ＰＣは、従来の
ＣＣＤであれば以下のように記載することができる。

Ｆｃ＃　ｆ　Ｘ　　（Ｃ，ｘＸ　　（鴇−ＶＬ）’　＋
　ＱＣＸ　　（Ｖ）ｌ−ＶＳＲ）”　）　−’−（１）
ここでＶ、、Ｖ、はそれぞれ転送電極のクロック信号の
低レベルおよび高レベルを示し、ｆは転送電極の駆動周
波数である。

特に第６図に示すように、垂直ブランキング期間ＴＦＴ
で示した高速転送の期間は、周波数も高く特にその消費
電力が大きい。したがって、この大きな負荷を高速で駆
動することのできる特殊な駆動回路が必要であった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、ＣＣＤの駆動時の負荷容量を低減させ、消費
電力を減少させることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る固体撮像装置の作動方法は、受光した光
を電荷信号に変換する光電変換素子を含む撮像部と、電
荷信号を一旦蓄積する電荷蓄積部とを備えた固体撮像装
置の作動方法であって、撮像部から電荷蓄積部へ電荷信
号を転送するために、第１のレベルを下限とするクロッ
ク信号を与え、電荷蓄積部に蓄積された電荷信号を出力
するために、第１のレベルより低い第２のレベルを下限
とするクロック信号を与えるものである。

［作用］ この発明においては、高速のフレーム転送時において垂
直ブランキング期間におけるゲート電極のクロックパル
スの低レベルを、信号読出期間におけるタロツクパルス
の低レベルより大きくするので、フレーム転送時におけ
る負荷容量を低減させる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例による転送電極に付加され
るクロック信号の波形図である。

なお、このクロック信号は従来技術で示した第５図の固
体撮像装置の転送電極５および６に与えられる信号であ
る。

したがって以下第１図および第５図を参照して固体撮像
装置の動作について説明する。

通常の読出期間Ｔ、ｏにおいては、従来の固体撮像装置
の駆動信号と同じ電圧範囲内で駆動している。しかし、
高速転送が行なわれる、垂直ブランキング期間ＴＦＴの
期間では、そのクロック信号の振幅にＶ４　　”２　　
（＝Ｖ３−Ｖ＋　）のオフセットが印加されている。す
なわちＴＦＴの期間では、ゲート電圧ｖＧの動作範囲と
しては、第７図に示されているＢ範囲の領域である。結
果として、ゲート電圧ｖＧはこの実施例においては、常
にピンニング電圧ＶＰＩＮ以上の範囲で変化する。した
がって、ＣＣＤの駆動に要する消費電力ＰＣはＰｃ〜ｆ
　Ｘ（：Ｂ　ｃｘ　（Ｖ、　−Ｖ、　）　２．、、　（
２゜−ｆＸｃＢｅ　Ｘ　（Ｖ＋　　Ｖ２）２となり、結
果として（１）式の第１項で示されたＣｏｘに基づいた
消費電力が無視できることになる。言い換えれば容１Ｅ
ｔｃｏｘと容量Ｃ６゜とはこの実施例においては常に直
列接続の状態で駆動されることになり、その合成容量は
Ｃｏｘに比べて極めて小さい値となるからである。この
ようにして、ゲート電極ｖＧが第７図のＢの範囲で変化
するため、消費電力の低減化が可能となる。また、暗電
流の発生は垂直ブランキング期間ＴＦ□が信号読出期間
Ｔｌｌ０に比べて極めて短い期間であるため、その発生
は無視できる程度になる。

第２図は第１図に示したクロック信号を発生させるだめ
の駆動回路の一例を示した図である。

図において、高レベル、低レベルおよび高インピーダン
スの３状態が設定できるバッファ６１ａおよび６１ｂが
並列に接続され、その出力はクロック信号出力６６に接
続される。バッファ６１ａおよび６１ｂの入力には、信
号φ、がクロック信号人力６５として結合される。また
、バッファ６１ａの入力には高インピーダンスを制御す
る信号φＣが制御人力６２ａとして、バッファ６１ｂの
人力には同じく高インピーダンスを制御する信号φ。が
制御人力６２ｂとして各々結合される。さらに、バッフ
ァ６１ａには電位Ｖ、およびｖ２が与えられ、バッファ
６１ｂには電位Ｖ、およびＶ４が与えられる。

以上のように構成された駆動回路は下記の真理値表に従
って、４値の出力Ｖｏが容易に得られる。

ここで信号φＣは第１図で示した垂直ブランキング期間
ＴＦＴと信号読出期間ＴＲｏの期間においてそのレベル
を切換えればよい。

第３図はこの発明の一実施例に用いる駆動回路の別の例
である。

図において、高レベル、低レベルおよび高インピーダン
スの３状態が設定できるバッファ６１ａおよび６１ｂが
並列に接続され、その出力は各々クロック信号出力６６
に接続される。バッファ６１ａの入力には信号φＢが、
クロック信号入力として結合される。バッファ６１ｂの
入力には、信号φＣがクロック信号人力６５ｂとして結
合される。またバッファ６１ａの入力には、信号φ。が
制御人力６２ａとして結合される。バッファ６１ｂの入
力には、信号φ。が制御人力６２ｂとして入力される。

さらに、バッファ６１ａには、電位Ｖ、およびＶ２が与
えられる。バッファ６１ｂには、電位Ｖ、およびＶＩが
与えられる。

以上のように構成された駆動回路は、下記の真理値表に
従って４値の出力Ｖｏが容易に得られる。

＊：不定 この駆動回路においては、垂直ブランキング期間ＴＦＴ
および信号読出期間Ｔ、０の期間においてそれぞれ別の
信号を発生させておき、各バッファの入力に与えること
によって４値の出力が得られる。

なお、上記実施例では、ＦＴＣＣＤの場合について適用
しているが、同様な駆動を行なうフレームインターライ
ン・トランスファ型ＣＣＤ　（以下ＦＩＴＣＣＤという
）にも適用することができる。

第４図はＦＩＴＣＣＤの概略平面構成を示す図である。

図において、撮像部７１には、受光した光を電荷に変換
する光電変換素子７５と、光電変換素子７５において変
換された電荷を転送する転送ゲート７６と、転送された
電荷を蓄積部７２に転送する垂直転送部７７を含む。垂
直転送部７７のゲート電極にも、上記の実施例と同様に
クロック信号φＡ、〜φＡ４が与えられる。また蓄積部
７２においても電荷を転送するためのクロック信号φＢ
、〜φＢ４がそのゲート電極に与えられる。蓄積部７０
に蓄積された電荷は水平転送部７３を介して転送され、
出力アンプ７４によって出力される。

このようなＦＩＴＣＯＤにおいても、垂直転送部７７に
よって、転送ゲート７６から転送された電荷が高速に蓄
積部７２に転送される。したがって、上記の実施例の第
１図で示したような多値のクロックを信号φＡ、〜φＡ
４として与えられることによって、同様に消費電力の低
減が達成される。

また、上記実施例では、垂直ブランキング期間ＴＦＴと
信号読出期間Ｔ、ｏの期間のクロック信号の振幅を、第
７図におけるＡとＢに示すように同様にしているが、垂
直ブランキング期間ＴＦＴ期間のクロック信号は第７図
のＡ２で示す領域での振幅であれば、信号電荷は十分に
転送できるものである。したがって、Ｖ３　ＶＩ＜ＶＩ
　　Ｖ２という設定をすることができ、（２）式で示し
たようにさらに消費電力を低減することができる。

さらに、上記実施例では、駆動回路として第２図および
第３図にその構成例を示しているが、その他の回路等に
よって同様のクロック信号を発生させてもよいのは言う
までもない。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、撮像部から蓄積部への
電荷信号を高速で転送する際に、そのクロック信号の低
レベルを、信号読出時におけるクロック信号の低レベル
より大きくしたので、その負荷容量を低減することがで
き、消費電力の低減に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による固体撮像装置の駆動
信号の波形図、第２図は第１図に示したクロック信号を
発生させるための駆動回路の一例を示す図、第３図は第
１図のクロック信号を発生させるための駆動回路の他の
例を示す図、第４図は一般のフレームインターライン・
トランスファＣＯＤの概略構成を示す平面図、第５図は
一般のフレームトランスファ型ＣＣＤの概略構成を示す
平面図、第６図は第５図のＣＣＤにおける従来のクロッ
ク信号の波形図、第７図は一般のＣＣＤのゲート電圧と
ポテンシャルとの関係を示した図、第８Ａ図はＣＣＤの
断面構成を示した模式図、第８Ｂ図は第８Ａ図に対応す
る等価回路図である。 図において１は撮像部、２は蓄積部、３は水平転送部、
５は転送電極、６は転送電極である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 受光した光を電荷信号に変換する光電変換素子を含む撮
   像部と、電荷信号を一旦蓄積する電荷蓄積部とを備えた
   固体撮像装置の作動方法であって、前記撮像部から前記
   電荷蓄積部へ電荷信号を転送するために、第１のレベル
   を下限とするクロック信号を与え、 前記電荷蓄積部に蓄積された電荷信号を出力するために
   、前記第１のレベルより低い第２のレベルを下限とする
   クロック信号を与える、固体撮像装置の作動方法。