JPH02264579A - Driving method for solid-state image pickup element - Google Patents

Driving method for solid-state image pickup element

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JPH02264579A
JPH02264579A JP1086025A JP8602589A JPH02264579A JP H02264579 A JPH02264579 A JP H02264579A JP 1086025 A JP1086025 A JP 1086025A JP 8602589 A JP8602589 A JP 8602589A JP H02264579 A JPH02264579 A JP H02264579A
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JP
Japan
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period
clock signal
level
area
ccd area
Prior art date
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Pending
Application number
JP1086025A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masafumi Ueno
雅史 上野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Publication of JPH02264579A publication Critical patent/JPH02264579A/en
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Abstract

PURPOSE:To prevent the degradation of picture quality by increasing the maximum absolute value of level of the clock signal applied in a period when a CCD area stores the signal charge compared with the maximum absolute value of level of the clock signal applied in a frame transfer period. CONSTITUTION:The signals phiP1, phiP2 and phiP3 are applied to the gate electrode 3 of an image pickup CCD areas A via the terminals 5, 6 and 7. Simultaneously, the clock signals phiS1, phiS2 and phiS3 are applied to the gate electrode 3 of storage CCD area B via the terminals 8, 9 and 10. The maximum absolute value of the level of the clock signal applied in the period when the area A stores the signal charge is set larger than the maximum absolute value of the level of the clock signal applied in a frame transfer FT period when the electric charge is transferred to the area B from the area A. Therefore the level of the clock signal which is applied to the terminal 5 in a charge storing period is set at 'HH' higher than the conventional 'H'. Thus the width of the depletion layer spreading into a substrate 1 is proportional to 1/2 square of applied voltage in the abrupt junction approximation. Consequently, the smear ratio is extremely reduced.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、フレームトランスファ(以下「FT」と略
す)方式の固体撮像素子の駆動方法に関し、特に、スメ
ア(像のにじみ)を抑制する駆動方法に関するものであ
る。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for driving a frame transfer (hereinafter abbreviated as "FT") type solid-state image sensor, and in particular, to a method for driving a solid-state image sensor using a frame transfer (hereinafter abbreviated as "FT") method, and particularly to a method for suppressing smear (image blurring). It is about the method.

[従来の技術] 第2A図はFT方式固体撮像素子の断面構造の一例を示
す模式図である。この図において、たとえばp型半導体
基板1上に薄い誘電体膜2が形成されている。誘電体膜
2上には、受光面内で垂直方向に並んだCCD (電荷
結合デバイス)を構成するための複数のゲート電極3と
水平方向に並んだCCDを構成するための複数のゲート
電極11とが形成されている。ゲート電極11は図の紙
面に直交する方向に並んでいるので、ただ1つのゲート
電極11が図示されている。
[Prior Art] FIG. 2A is a schematic diagram showing an example of a cross-sectional structure of an FT type solid-state image sensor. In this figure, a thin dielectric film 2 is formed on a p-type semiconductor substrate 1, for example. On the dielectric film 2, a plurality of gate electrodes 3 for configuring a CCD (charge-coupled device) arranged vertically within the light-receiving surface and a plurality of gate electrodes 11 for configuring a CCD arranged horizontally. is formed. Since the gate electrodes 11 are arranged in a direction perpendicular to the plane of the drawing, only one gate electrode 11 is shown.

図中の矢印Aで示された範囲は撮像CCD領域を示し、
矢印Bの範囲は蓄積CCD領域であり、矢印Cの範囲は
紙面に直交する方向へ電荷を転送するための水平CCD
領域を示している。蓄積CCD領域Bと水平CCD領域
C上には、光が入らないようにするための遮光膜4が形
成されている。
The range indicated by arrow A in the figure indicates the imaging CCD area,
The area indicated by arrow B is the storage CCD area, and the area indicated by arrow C is the horizontal CCD area for transferring charges in the direction perpendicular to the plane of the paper.
It shows the area. A light shielding film 4 is formed on the storage CCD area B and the horizontal CCD area C to prevent light from entering.

すなわち、この固体撮像素子はゲート電極3側から入射
光を受けるものであり、ゲート電極3は光透過性のある
導電性物質、たとえばポリシリコンなどで形成されてい
る。
That is, this solid-state imaging device receives incident light from the gate electrode 3 side, and the gate electrode 3 is formed of a light-transmitting conductive material, such as polysilicon.

撮像CCD領域Aのゲート電極3には端子5゜6.7を
介してそれぞれクロック信号φP++  φP2+  
φP、が与えられ、蓄積CCD領域Bのゲート電極3に
は端子8. 9. 10を介してそれぞれクロック信号
φ84.φ、2.φ8.が与えられる。すなわち、この
固体撮像素子は3相駆動型であり、垂直画素数が2段の
場合を示している。
Clock signals φP++ and φP2+ are applied to the gate electrode 3 of the imaging CCD area A via terminals 5°6.7, respectively.
φP, and the gate electrode 3 of the storage CCD region B is provided with a terminal 8. 9. 10 respectively via clock signals φ84. φ, 2. φ8. is given. That is, this solid-state image sensor is of a three-phase drive type, and the number of vertical pixels is two.

水平CCD領域Cのゲート電極11には、端子12を介
してクロック信号φHが与えられる。
A clock signal φH is applied to the gate electrode 11 of the horizontal CCD area C via a terminal 12.

第3図は従来のクロック信号φP、〜φP3+φ6.〜
φ3.を示すタイミングチャートである。
FIG. 3 shows conventional clock signals φP, .about.φP3+φ6. ~
φ3. FIG.

第2B図は第3図中の時刻t1における半導体基板1内
のポテンシャル分布を第2A図に対応して示している。
FIG. 2B shows the potential distribution within the semiconductor substrate 1 at time t1 in FIG. 3, corresponding to FIG. 2A.

第3図中の矢印T、τで示された範囲は電荷蓄積期間を
表わし、矢印TFTの期間はフレームトランスファ(F
T)期間を表わしている。
The range indicated by arrows T and τ in FIG. 3 represents the charge accumulation period, and the period indicated by the arrow TFT is the frame transfer (F
T) represents a period.

電荷蓄積期間TST中は、撮像CCD領域Aにおいてク
ロック信号φP、がH(高)レベルにされ、クロック信
号φP2+  φP、がL(低)レベルにされている。
During the charge accumulation period TST, the clock signal φP is set to H (high) level in the imaging CCD area A, and the clock signal φP2+φP is set to L (low) level.

したがって、第2B図に見られるように、クロック信号
φPlが印加されているゲート11極3下の半導体基板
1中の位置W1.W2において空乏層が広がり、ポテン
シャルウェルが形成されている。入射光によって発生さ
せられた電子は、これらのポテンシャルウェルに蓄えら
れて信号電荷となる。この信号電荷ff1Qs+c+は
、光強度I、蓄積時間T、 T 、および空乏層の広さ
Wに比例し、次式(1)で表わされる。
Therefore, as seen in FIG. 2B, the position W1. in the semiconductor substrate 1 below the gate 11 pole 3 to which the clock signal φPl is applied In W2, the depletion layer expands and a potential well is formed. Electrons generated by the incident light are stored in these potential wells and become signal charges. This signal charge ff1Qs+c+ is proportional to the light intensity I, the accumulation time T, T, and the width W of the depletion layer, and is expressed by the following equation (1).

Qs+  G−klT5vW         =(1
)ここで、kはゲート電極3の光透過率などによって決
まる比例定数である。
Qs+ G-klT5vW = (1
) Here, k is a proportionality constant determined by the light transmittance of the gate electrode 3, etc.

蓄積期間TSTが終了してFT期間TFTになれば、撮
像CCD領域Aおよび蓄積CCD領域Bに印加されるク
ロック信号は転送波形となり、撮像CCD領域Aに蓄え
られた信号電荷は遮光された蓄積CCD領域B中を高速
で転送される。このFT期間TFTにおいては第2A図
と第2B図の右方向にポテンシャルウェルが移動するの
で、たとえば第2B図の位置W2にのみ光が入射してい
ても、位置W1にあったポテンシャルウェルが位置W2
を通過するときに光照射を受ける。したがって、正しく
は信号電荷が存在しないはずのポテンシャルウェル内に
偽信号電荷Qsnが発生する。
When the accumulation period TST ends and the FT period TFT begins, the clock signal applied to the imaging CCD area A and the storage CCD area B becomes a transfer waveform, and the signal charges accumulated in the imaging CCD area A are transferred to the storage CCD that is shielded from light. Transferred within area B at high speed. In this FT period TFT, the potential well moves to the right in FIGS. 2A and 2B, so for example, even if light is incident only at position W2 in FIG. 2B, the potential well at position W1 is W2
receives light irradiation when passing through. Therefore, false signal charges Qsn are generated in the potential well where no signal charges should actually exist.

この現象がスメアと呼ばれるものであり、再生画面上で
見れば光照射部の上下に白い筋が発生しているように見
え、画質を著しく劣化させるものである。この偽信号電
荷QSMは式(1)と同様に次式(2)で表わされる。
This phenomenon is called smear, and when viewed on a playback screen, it looks like white streaks are occurring above and below the light irradiation area, and it significantly deteriorates the image quality. This false signal charge QSM is expressed by the following equation (2) similarly to equation (1).

Qs M −k I TF t W    ・・・(2
)信号電荷Qs r aに対する偽信号電荷Qsr+の
割合はスメア比R8Mと呼ばれ、次式(3)で表わされ
る。
Qs M −k I TF t W ... (2
) The ratio of the false signal charge Qsr+ to the signal charge Qs r a is called the smear ratio R8M, and is expressed by the following equation (3).

Rg門″Qs閂/Qs+G mk ITF t W/k I T57 W”=Tpv
/Tg7        ・・・(3)蓄積CCD領域
Bに移された信号電荷は、撮像CCD領域Aが次の蓄積
期間T、Tに入っている間に垂直画素として1段ずつ水
平CCD領域Cに移される。1段分の信号電荷を受取っ
た水平CCD領域Cは、次段の信号電荷が転送されてく
るまでに第2A図の紙面と直交する方向に延びた端に設
けられた出力部(図示せず)へそれらの電荷を転送すす
る。水平CCD領域Cに与えられるクロック信号φ8は
周知であって本発明の特徴に直接関係しないので、その
説明は省略する。
Rg gate "Qs bar/Qs+G mk ITF t W/k I T57 W"=Tpv
/Tg7...(3) The signal charges transferred to the accumulation CCD area B are transferred to the horizontal CCD area C one by one as vertical pixels while the imaging CCD area A enters the next accumulation period T, T. It will be done. The horizontal CCD area C, which has received the signal charges for one stage, is connected to the output section (not shown) provided at the end extending in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2A before the signal charges for the next stage are transferred. ). The clock signal φ8 applied to the horizontal CCD area C is well known and is not directly related to the features of the present invention, so its explanation will be omitted.

[発明が解決しようとする課題] FT方式固体撮像素子の従来の駆動方法においては、式
(3)に示されるスメア比R5Mを小さくするためにF
T期間TFTを蓄積期間TsTに比べて短くすることが
知られている。そのためには、このFT期間TFTにお
いて垂直CCD領域A、Bを高速で駆動しなければなら
ない。しかし、一般に垂直CCD領域A、  Bのゲー
ト電極容量は数千pF以上あり、クロック信号波形の鈍
りによる転送効率や電荷転送容量の低下などの問題から
、FT期間TPTにおけるタロツク信号の周波数(FT
周波数)を高めるには限度があった。
[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional driving method of an FT solid-state image sensor, F is reduced in order to reduce the smear ratio R5M shown in equation (3)
It is known to make the T period TFT shorter than the storage period TsT. For this purpose, the vertical CCD areas A and B must be driven at high speed in this FT period TFT. However, in general, the gate electrode capacitance of vertical CCD regions A and B is several thousand pF or more, and due to problems such as a decrease in transfer efficiency and charge transfer capacity due to the blunting of the clock signal waveform, the frequency of the tarock signal in the FT period TPT (FT
There was a limit to how high the frequency could be raised.

このような先行技術における課題に鑑み、この発明の目
的は、従来と同じFT周波数を用(1てもスメア比R5
Mを改善することができるFT方式固体撮像素子の駆動
方法を提供することである。
In view of such problems in the prior art, an object of the present invention is to use the same FT frequency as the conventional one (even with a smear ratio R5 of 1).
An object of the present invention is to provide a method for driving an FT solid-state image sensor that can improve M.

[課題を解決するための手段] 本発明による固体撮像素子の駆動方法は、所定期間の光
入射によって発生する信号電荷を蓄積するための撮像C
CD領域と、それに隣接して設けられかつ遮光されてい
る蓄積CCD領域とを含むいわゆるフレームトランスフ
ァ方式の固体撮像素子において、撮像CCD領域が信号
電荷を蓄積している期間に印加されるクロ・ツク信号レ
ベルの絶対値の最も大きいものが、撮像CCD領域から
蓄積CCD領域へ電荷を転送するいわゆるフレームトラ
ンスファ期間に印加されるクロ・ツク信号レベルの絶対
値の最も大きなものより大きく設定されることを特徴と
している。
[Means for Solving the Problems] A method for driving a solid-state imaging device according to the present invention includes an imaging C for accumulating signal charges generated by light incidence for a predetermined period.
In a so-called frame transfer type solid-state imaging device that includes a CD area and a storage CCD area that is provided adjacent to the CD area and is shielded from light, a clock is applied during a period when the imaging CCD area is accumulating signal charges. The maximum absolute value of the signal level is set to be higher than the maximum absolute value of the clock signal level applied during the so-called frame transfer period in which charge is transferred from the imaging CCD area to the storage CCD area. It is a feature.

[作用コ 本発明による固体撮像素子の駆動方法にお(島では、電
荷蓄積期間中のクロック信号レベルの絶対値の最も大き
なものがFT期間中のそれより大きいので、電荷蓄積期
間中の空乏層の広さwsTがFT期間中の空乏層の広さ
WF□より大きくなる。
[Function] In the driving method of the solid-state image sensor according to the present invention, (in the island, the largest absolute value of the clock signal level during the charge accumulation period is larger than that during the FT period, so the depletion layer during the charge accumulation period is The width wsT becomes larger than the width WF□ of the depletion layer during the FT period.

すなわち、式(3)で表わされたスメア比R。That is, the smear ratio R expressed by equation (3).

。は次式(4)のようになり、WFT/WsTで示され
る比率だけ小さくなる。
. is expressed as the following equation (4), and becomes smaller by the ratio shown by WFT/WsT.

RsrI−kITFTWF 7 /k ITS 7WB
 y= TF T WF v / T s t Ws 
T  ・・・(4)[実施例] 第1図は、本発明の一実施例による固体撮像素子の駆動
方法に用いられるクロック信号を示すタイミングチャー
トである。第1図は第3図と類似しているが、電荷蓄積
期間T、T中に端子5に印加されるクロック信号φP、
のレベルが従来のHレベルより大きなHHレベルにされ
ている。
RsrI-kITFTWF 7 /k ITS 7WB
y= TF T WF v / T s t Ws
T (4) [Example] FIG. 1 is a timing chart showing a clock signal used in a method for driving a solid-state image sensor according to an example of the present invention. FIG. 1 is similar to FIG. 3, except that the clock signal φP applied to the terminal 5 during the charge accumulation period T,
The level is set to the HH level, which is higher than the conventional H level.

半導体基板1中に広がる空乏層の幅は、階段接合近似の
もとでは印加電圧の1/2乗に比例する。
The width of the depletion layer spreading in the semiconductor substrate 1 is proportional to the 1/2 power of the applied voltage under the step junction approximation.

したがって、たとえばHレベルが5vでHHレベルが1
5Vの場合、式(4)に従ってスメア比RSMを計算す
れば、次式(5)のようになる。
Therefore, for example, when the H level is 5V and the HH level is 1V,
In the case of 5V, if the smear ratio RSM is calculated according to equation (4), the following equation (5) is obtained.

Rs M −TF T J 5/Ts T J 15−
〇、  58TF T /Ts T    ・・・(5
)すなわち、本実施例のスメア比R8゜は、同じFT周
波数を用いる従来方法におけるスメア比R8、のわずか
58%に減少する。
Rs M -TF T J 5/Ts T J 15-
〇, 58TF T /Ts T...(5
) That is, the smear ratio R8 of this embodiment is reduced to only 58% of the smear ratio R8 of the conventional method using the same FT frequency.

ところで、FT期間TFT中のクロック信号φP、〜φ
P、のレベルや、スメア比RsMに関係しない蓄積CC
D領域Bのクロック信号φs1〜φ5.のレベルは従来
と全く同じであるので、転送効率の劣化などの問題を生
じることはない。
By the way, the clock signal φP, ~φ during the FT period TFT
The accumulated CC is not related to the level of P or the smear ratio RsM.
D area B clock signals φs1 to φ5. Since the level is exactly the same as before, problems such as deterioration of transfer efficiency do not occur.

なお、以上の実施例では電子が信号電荷となる場合を説
明したが、本発明は正孔を信号電荷として利用する場合
にも適用し得ることが理解されよう。この場合、ゲート
電極に印加される電圧の極性を反転させればよい。
In the above embodiments, the case where electrons serve as signal charges has been described, but it will be understood that the present invention can also be applied to cases where holes are used as signal charges. In this case, the polarity of the voltage applied to the gate electrode may be reversed.

また、CCDの駆動方法として3相駆動を例にとって説
明したが、2相駆動や4相駆動を用いることもできるこ
とが明らかであろう。
Further, although three-phase drive has been described as an example of a CCD driving method, it is clear that two-phase drive or four-phase drive can also be used.

さらに、FT方式固体撮像素子として表面から光が入射
する型を用いて説明したが、本発明は基板背面から受光
する型固体撮像素子にも適用し得ることが明らかであろ
う。
Further, although the FT type solid-state imaging device has been described using a type in which light enters from the front surface, it is clear that the present invention can also be applied to a type solid-state imaging device that receives light from the back side of the substrate.

[発明の効果] 以上のように、本発明によれば、撮像CCD領域のクロ
ック信号の振幅がFT切期間おけるよりも電荷蓄積期間
における方が大きくなっているので、従来と同じFT周
波数を用いてもスメア比を小さくすることができる。す
なわち、スメアによる画質劣化の少ない固体撮像素子の
駆動方法を提供し得るのである。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the amplitude of the clock signal in the imaging CCD region is larger in the charge accumulation period than in the FT cut-off period, so it is possible to use the same FT frequency as in the conventional case. However, the smear ratio can be reduced. In other words, it is possible to provide a method for driving a solid-state image sensor with less deterioration in image quality due to smear.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の一実施例による固体撮像素子の駆動
方法に用いられるクロック信号を示すタイミングチャー
トである。 第2A図は、FT方式固体撮像素子の断面構造を示す模
式図である。 第2B図は、第2A図に対応したポテンシャルの分布を
示す図である。 第3図は従来の固体撮像素子の駆動方法に用いられるク
ロック信号を示すタイミングチャートである。 図において、φ−7〜φP、は撮像CCD領域Aに印加
されるクロック信号、φ3.〜φ、3は蓄積CCD領域
Bに印加されるクロック信号、T、工は蓄積期間、そし
てTFTはフレームトランスファ期間を示す。 なお、各図において同一符号は同一内容または相当部分
を示す。
FIG. 1 is a timing chart showing clock signals used in a method for driving a solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic diagram showing the cross-sectional structure of the FT solid-state image sensor. FIG. 2B is a diagram showing a potential distribution corresponding to FIG. 2A. FIG. 3 is a timing chart showing clock signals used in a conventional method for driving a solid-state image sensor. In the figure, φ-7 to φP are clock signals applied to the imaging CCD area A, φ3. .about.φ,3 is a clock signal applied to the storage CCD area B, T, is the storage period, and TFT is the frame transfer period. In each figure, the same reference numerals indicate the same contents or corresponding parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 所定期間の光入射によって発生する信号電荷を蓄積する
ための撮像CCD領域と、前記撮像CCD領域に隣接し
て設けられかつ遮光されている蓄積CCD領域とを含む
いわゆるフレームトランスファ方式の固体撮像素子にお
いて、 前記撮像CCD領域が信号電荷を蓄積している期間に印
加されるクロック信号レベルの絶対値の最も大きいもの
は、前記撮像CCD領域から前記蓄積CCD領域へ電荷
を転送するいわゆるフレームトランスファ期間に印加さ
れるクロック信号レベルの絶対値の最も大きなものより
大きく設定されることを特徴とする固体撮像素子の駆動
方法。
[Scope of Claims] A so-called frame transfer system including an imaging CCD area for accumulating signal charges generated by light incidence for a predetermined period, and an accumulation CCD area provided adjacent to the imaging CCD area and shielded from light. In the solid-state imaging device of the above-mentioned method, the one having the largest absolute value of the clock signal level applied during the period when the imaging CCD area is accumulating signal charges transfers the charge from the imaging CCD area to the storage CCD area. A method for driving a solid-state image sensor, characterized in that the level of a clock signal applied during a so-called frame transfer period is set to be higher than the largest absolute value.
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