JPH02280474A - Ｃｃｄ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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ＣＣＤ固体撮像素子に関し、例えばフレー
ム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子に利用して有効な技術
に関するものである。

〔従来の技術〕

ＣＣＤ型固体撮像素子は、家庭用ビディオカメラの撮像
デバイスとして広く使用されいてる。このＣＣＤ型固体
撮像素子は、フォトダイオードをマトリックス状に配列
し、入射光によりフォトダイオードに発生した光電荷を
ＣＣＤ　（電荷移送素子）を用いて順次転送し、映像信
号として外部へ取り出すものである。このようなＣＣＤ
型固体撮像素子に関しては、例えばラジオ技術社、昭和
６１年１１月３日発行ｒＣＣＤカメラ技術Ｊ竹村裕夫著
がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年において、ビディオカメラの高画質化の要求の高ま
りにより、固体撮像素子では多画素化が進められている
。このような多画素化に伴い、信号量の低下によるＳ／
Ｎ　（信号対雑音比）の劣化が目立つようになってきて
いる。

すなわち、従来のフレーム転送方式のＣＣＤＣＣ型固体
撮像素子光電変換素子で発生した信号電荷を垂直帰線期
間にメモリ領域に転送して蓄積し、映像期間にこのメモ
’Ｊ　８ｉ域から順次水平ＣＣＤを通して外部に読み出
すものである。このため、１層像素子面には光電変換領
域と信号電荷転送用ＣＣＤを作る必要がある。また、信
号転送容量としては、所望のダイナミックレンジを確保
するために光電変換量以上に設定する必要がある。実際
には、ＣＣＤにおける上記のような信号転送容量から光
電変換領域の広さが決まり、この光電変換領域の広さか
ら絶対感度が決定される。感度を高くするためには、上
記の光電変換領域を広く形成する必要があるが信号転送
容量以上にすることはできない。

この発明の目的は、簡単な構成により絶対感度の向上を
実現したＣＣＤ型固体撮像素子を提供することにある。

この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は
、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであ
ろう。

（課題を解決するための手段〕 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記の通りである。

すなわち、隣接する奇数行と偶数行からなる一対の光電
変換素子に対し、偶数行又は奇数行の光電変換素子によ
り発生された信号電荷を垂直方向に転送する転送用垂直
ＣＣＤを設け、垂直帰線期間において上記奇数行の信号
電荷と偶数行の信号電荷とを上記転送用垂直ＣＣＤを通
して時分割的に第１と第２の蓄積用垂直ＣＣＤに転送す
る。

〔作　用〕

上記した手段によれば、光電変換素子２個に対して単位
の転送用の垂直ＣＣＤを構成すればよい。

したがって、小さい占有面積により大きな信号転送容量
を持つＣＣＤが構成できるため、光電変換素子のサイズ
を大きして絶対感度の向上が実現できる。

〔実施例〕

第１図には、この発明に係るＣＣＤ型固体撮像素子の一
実施例のブロック図が示されている。同図に示された各
回路素子及び回路ブロックは、公知の半導体集積回路の
製造技術によって、単結晶シリコンのような１個の半導
体基板上において形成される。同図における各回路素子
及び回路ブロックは、半導体チップ上における実際の幾
何学的な配置に合わせて描かれている。

この実施例のＣＣＤ型固体撮像素子は、フレーム転送方
式とされる。すなわち、半導体チップは、大きく分けて
撮像領域（感光部）とメモリ領域（Ｍ積部）とから構成
される。

撮像領域は、水平及び垂直方向にマトリックス配置され
る光電変換素子としてのフォトダイオードと、列（垂直
）方向に並んで配置されるフォトダイオードに対応して
設けられる転送用の垂直転送回路ＣＣＤ１とから構成さ
れる。すなわち、上記垂直転送回路ＣＣＤ１は、垂直方
向に並んで配置されるフォトダイオードにより光電変換
された信号電荷をパラレルに受けて、垂直方向にシリア
ルに転送するという転送動作を行う。

メモリ領域は、基本的には垂直転送回路ＣＣＤ２と水平
転送回路ＣＣＤ３とから構成される。この実施例のメモ
リ領域は、次に説明するような撮像領域からの読み出し
動作に対応して、奇数行（ライン）の信号電荷に対応し
た蓄積領域しＡと偶数行（ライン）の信号電荷に対応し
た蓄積領域ＬＢとから構成される。上記蓄積領域ＬＡの
蓄積用の垂直転送回路ＣＣＤ２Ａへの転送動作において
は、撮像領域に隣接して配置される蓄積領域ＬＢが介在
することになるからこれを（ＣＣＤ２Ｂ及びＣＣＤ３Ｂ
）上記メモリ領域の垂直転送回路ＣＣＤ　ｌとともに垂
直転送路の一部として利用するものである。

上記蓄積領域ＬＡ及びＬＢに対応して設けられる第１及
び第２の垂直転送回路ＣＣＤ２ＡとＣＣＤ２Ｂには、そ
れぞれ読み出し用の水平転送回路ＣＣＤ３ＡとＣＣＤ３
Ｂが設けられる。これらの水平転送回路ＣＣＤ３ＡとＣ
ＣＤ３Ｂには、信号電荷を電圧信号に変換する出力回路
ＳＡとＳＢが設けられる。これらの出力回路ＳＡとＳＢ
は、特に制限されないが、信号電荷がゲート容量に転送
されるソースフォロワ形態のＭＯＳ　Ｆ　ＥＴから構成
される。

この実施例では、絶対感度を高くするために垂直転送回
路ＣＣＤ１は、例示的に示されているように隣接するＬ
ＡＩ、ＬＢＩないしＬＡ３．ＬＢ３のように奇数行と偶
数行からなる一対のフォトダイオードに対応してそれぞ
れ単位のＣＣＤ転送回路が対応される。すなわち、同図
に示すように垂直転送用のＣＣＤ　ｌは、チャンネル幅
が狭く構成される。ただし、例示的に示されている２つ
の行ＬＡＩとＬＢＩに対応した２つのフォトダイオード
に対応して単位の転送路が構成されるためその分、単位
のチャンネル長が長くされる。言い換えるならば、一定
の転送容量を確保するために上記単位のチャンネル長を
長くした分だけ、チャンネル幅を狭くすることができる
。このようなチャンネル幅を狭くすることに応じてフォ
トダイオードが形成される領域を大きくすることができ
るものである。言い換えるならば、撮像素子の開口率を
向上させることかのできるものとなる。

この実施例のフレーム転送動作においては、垂直帰線期
間に２回に分けて時分割方式により奇数行と偶数行のフ
ォトダイオードの垂直転送動作が行われる。すなわち、
第１のフレーム転送においては、メモリ領域の垂直転送
回路ＣＣＤ　ｌには、奇数行のフォトダイオードにより
形成された信号電荷がパラレルに転送されて、シフトク
ロックパルスに従って高速に垂直方向にシリアル転送動
作を行う。このとき、メモリ領域においては、偶数列に
対応した蓄積領域ＬＢの蓄積用の垂直転送回路ＣＣＤ２
Ｂと水平転送回路ＣＣＤ３Ｂとが、垂直転送路として動
作し、上記撮像領域からの奇数行の信号電荷を蓄積領域
ＬＡの垂直転送回路ＣＣＤ２Ａに転送する際の転送路の
一部として作動させられる。

上記奇数行の信号量の転送動作の終了に引き続き、第２
のフレーム転送が実行される。第１のフレーム転送にお
いては、メモリ領域の垂直転送回路ＣＣＤ１には、偶数
行のフォトダイオードにより形成された信号電荷がパラ
レルに転送されて、シフトクロックパルスに従って高速
に垂直方向にシリアル転送動作を行い、上記蓄積領域Ｌ
Ｂの垂直転送回路Ｃ０Ｄ２Ｂに順次蓄積される。

映像期間において、インタレースモードのときには、奇
数フレームのときには蓄積領域ＬＡにおける垂直転送回
路ＣＣＤ２Ａと水平転送回路ＣＣＤ３Ａを動作させて奇
数行の信号電荷の読み出しが行われる。偶数フレームの
ときには蓄積領域り已における垂直転送回路Ｃ０Ｄ２Ｂ
と水平転送回路ＣＣＤ３Ｂを動作させて偶数行の信号電
荷の読み出しが行われる。ノンインクレースモートのと
きには、上記水平転送回路ＣＣＤ　３　ＡとＣＣＤ３Ｂ
とが１ライン分の信号に対応して交互に転送動作を行う
ようにされる。なお、上記のような水平転送回路ＣＣＤ
３ＡとＣＣＤ３Ｂの動作に対応して、垂直転送回路ＣＣ
Ｄ２ＡとＣＣＤ２Ｂの動作もそれぞれに同期して転送動
作を行うようにされる。

メモリ領域においては、ＣＣＤのみが構成されるから、
言い換えるならば撮像領域のようにフォトダイオードを
形成する必要が無いから垂直転送回路ＣＣＤ２Ａ及びＣ
ＣＤ２Ｂは可能な限り横方向に延びるよう形成される。

すなわち、そのチャンネル幅が太き（形成される。この
ように撮像領域とメモリ領域との垂直転送回路における
チャンネル長とチャンネル幅との組み合わをそれぞれの
動作に応じて設定することによって、高集積化と高感度
化が可能になるものである。

なお、感度可変機能、言い換えるならば、電子式シャッ
ター機能を持たせる場合、撮像領域に形成される垂直転
送回路ＣＣＤ１は、両方向の転送動作を行うようにされ
る。すなわち、上記映像期間において、フォトダイオー
ドに蓄積された信号電荷を垂直転送回路ＣＣＤ　１に読
み出して、フォトダイオードをリセットさせる。上記垂
直転送回路ＣＣＤ１に転送された信号電荷は、逆方向に
シフトして掃き出しようにする。これにより、フォトダ
イオードの実質的な蓄積時間を可変にすることができる
から感度可変とすることができる。上記のような感度可
変動作においても、この実施例のＣＣＤ固体撮像素子は
、奇数行と偶数行と２回に分けて信号の掃き出しを行う
。

以上の実施例から得られる作用効果は、下記の通りであ
る。すなわち、 １１）隣接する奇数行と偶数行からなる一対の光電変換
素子に対し、偶数行又は奇数行の光電変換素子により発
生された信号電荷を垂直方向に転送する転送用垂直ＣＣ
Ｄを設け、垂直帰線期間において上記奇数行の信号電荷
と偶数行の信号電荷とを上記転送用垂直ＣＣＤを通して
時分割的に２回に分けて奇数行と偶数行に対応した蓄積
用垂直転送回路に転送する。この構成においては、光電
変換素子２個分に対して単位の転送用の垂直ＣＣＤを構
成すればよいから、等価的に小さい占有面積により大き
な信号転送容量を持つＣＣＤが構成でき、その分光電変
換素子のサイズを大きくできるから絶対感度を高くでき
るという効果が得られる。

（２）撮像領域に隣接して設けられる蓄積用の垂直転送
回路及び水平転送回路を、それを介在させて配置される
蓄積用垂直転送回路への信号電荷の転送路として用いる
ことにより、高望積度のもとに奇数行及び偶数行に対応
した２つの蓄積領域を構成できるという効果が得られる
。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。例えば、撮像領域を挟ん
で奇数行と偶数行に対応したメモリ領域を分割して配置
するものであってもよい。ただし、この場合には撮像領
域の垂直転送回路ＣＣＤ　１が双方向の転送動作を行う
ことが絶対条件とされる。また、メモリ領域の下側に配
置される蓄積領域においては、画像が上下逆転しないよ
うに、垂直転送回路が転送動作ときには下側に信号電荷
を転送し、読み出し動作のときには上側に信号電荷を転
送するという双方向の転送動作を行うようにするととも
にメモリ領域側に隣接して読み出し用の水平転送回路を
配置する必要がある。

出力回路としては、ソースフォロワ回路の他、増幅！１
／１０３　Ｆ　ＥＴのドレインから出力を得るもの、あ
るはいこのような反転増幅回路をカスケード接続したも
の等種々の実施形態を採ることができる。

この発明は、フレーム転送方式〇ＣＣＤ固体撮像素子と
して広く利用できるものである。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。すなわち、隣接する奇数行と偶数行からなる一対の光
電変換素子に対し、偶数行又は奇数行の光電変換素子に
よ・り発生された信号電荷を垂直方向に転送する転送用
垂直ＣＣＤを設け、垂直帰線期間において上記奇数行の
信号電荷と偶数行の信号電荷とを上記転送用垂直ＣＣＤ
を通して時分割的に２回に分けて奇数行と偶数行に対応
した蓄積用垂直転送回路に転送する。この構成において
は、光電変換素子２個分に対して単位の転送用の垂直Ｃ
ＣＤを構成すればよいから、等価的に小さい占有面積に
より大きな信号転送容量を持つＣＣＤが構成でき、その
分光電変換素子のサイズを大きくできるから絶対感度を
高くできるものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る固体撮像素子の−実施例を示
すブロック図である。 ＬＡ・・奇数行蓄積領域、ＬＢ・・偶数行蓄積領域、Ｃ
ＣＤ　ｌ・・転送用の垂直転送回路、ＣＣＤ２Ａ、ＣＣ
Ｄ２Ｂ・・蓄積用の垂直転送回路、ＣＣＤ３Ａ、ＣＣＤ
３Ｂ・・読み出し用水平転送回路、ＳＡ、ＳＢ・・出力
回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水平及び垂直方向に配列された光電変換素子と、隣
   接する奇数行と偶数行とからなる一対の光電変換素子に
   対応し、上記偶数行又は奇数行の光電変換素子により発
   生された信号電荷を垂直方向に転送する転送用垂直ＣＣ
   Ｄと、上記奇数行の光電変換素子に対応した信号電荷を
   蓄積する第１の蓄積用垂直ＣＣＤと、上記偶数行の光電
   変換素子に対応した信号電荷を蓄積する第２の蓄積用垂
   直ＣＣＤと、上記第１及び第２の蓄積用垂直ＣＣＤに対
   応してそれぞれ設けられる第１及び第２の読み出し用水
   平ＣＣＤとを備え、垂直帰線期間において上記奇数行の
   信号電荷と偶数行の信号電荷とを上記転送用垂直ＣＣＤ
   を通して時分割的に上記第１と第２の蓄積用垂直ＣＣＤ
   に転送することを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。 ２、上記第１と第２の蓄積用垂直ＣＣＤは、その転送方
   向に対して一直線状に並んで配置され、上記転送用垂直
   ＣＣＤに接続するよう構成された第２の蓄積用ＣＣＤ及
   びそれに対応した水平ＣＣＤは、第１の蓄積用ＣＣＤへ
   の信号電荷の転送動作の際には転送用垂直ＣＣＤとして
   用いられるものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のＣＣＤ固体撮像素子。 ３、上記第１と第２の読み出し用水平ＣＣＤは、インタ
   レースモードとノンインタレースモードに応じて選択的
   に動作されるものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１又は第２項記載のＣＣＤ固体撮像素子。