JPH0528031B2

JPH0528031B2 -

Info

Publication number: JPH0528031B2
Application number: JP59090178A
Authority: JP
Inventors: Takuya Imaide; Ryushi Nishimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-05-08
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1993-04-23
Also published as: JPS60235590A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、信号電荷の転送手段としてCCD（電
荷転送装置）を用いた固体撮像素子の駆動方法お
よび駆動回路に関する。

〔発明の背景〕

従来、ビデオカメラにおいては、撮像素子とし
て、ピジコンなどの撮像管が用いられていたが、
半導体基板上に光電変換素子をアレイ状に設けて
集積化した固体撮像素子が、撮像管に比べ、小
型、軽量で消費電力が少なく、しかも、焼付け、
残像、寿命、安定性などの点で有利であることか
ら、近年では、大いに用いられるようになつてき
た。

現在商品化されている固体撮像素子は、MOS
形（Metal Oxide Semiconductor形）、CPD形
（Charge Priming Device形）およびCCD形の３
種類があるが（たとえば、テレビジヨン学会誌
1983年10月号参照）、これらのうちCPD形および
CCD形固体撮像素子は、MOS形固体撮像素子に
比べて、低雑音である点が有利であるが、その反
面、水平方向の電荷転送のためにCCDを用いて
いることから、駆動電圧が高くなるという欠点が
ある。

以下、CPD形固体撮像素子を例にとり、この
駆動電圧が高くなる点について説明する。

第１図はCPD形固体撮像素子の一従来例を示
す構成図であつて、１は水平転送用CCD、２は
入力部、３は転送部、４は出力部、５は結合部、
６はMOSトランジスタ、７は転送ゲート線、８
は光電変換部、９は垂直信号線、１０は垂直
MOSトランジスタ、１１はホトダイオード、１
２は垂直ゲート線、１３は垂直走査回路である。

同図において、光電変換部８には、ホトダイオ
ード１１と垂直MOSトランジスタ１０とが対を
なして絵素を構成し、かかる絵素が多数アレイ状
に配列されている。この光電変換部８に被写体の
光像が結像され、ホトダイオード１１にはその受
光量に応じた信号電荷が発生する。垂直走査回路
１３から垂直ゲート線１２を通して垂直MOSト
ランジスタ１０にパルスが供給されると、ホトダ
イオード１１に生じた信号電荷は、垂直MOSト
ランジスタ１０を通して垂直信号線９に転送され
る。

結合部５は、光電変換部８と水平転送用CCD
１とを結合するものであつて、転送ゲート線７を
通して垂直信号線９の信号電荷を水平転送用
CCD１に転送する。なお、結合部５には、電荷
の転送効率を高めるための回路や垂直スメアなど
の不要信号を外部へ掃き出すための回路などが設
けられているが、ここでは、これらを省略して基
本的な回路構成で示している。

次に、この固体撮像素子の動作原理を説明す
る。

垂直走査回路１３は、各水平帰線期間毎に、垂
直方向（図面の上下方向）に配列された垂直ゲー
ト線１２に順次パルスを出力する。このパルスが
垂直ゲート線１２に出力されると、この垂直ゲー
ト線１２に接続された水平方向（図面の左右方
向）の一列のMOSトランジスタ１０は全てオン
し、ホトダイオード１１に生じた信号電荷は夫々
の垂直信号線９に転送される。次いで転送ゲート
線７にパルスが供給されて結合部５の全ての
MOSトランジスタ６がオンし、全ての垂直信号
線９の信号電荷は、結合部５を介して水平転送用
CCD１の転送部３に転送される。

次に、水平走査期間において、転送部３の信号
電荷は順次水平方向に転送され、これによつて出
力部４からビデオ信号が得られる。

次の水平帰線期間では、垂直走査回路１３は次
の垂直ゲート線１２にパルスを発生し、同様の信
号電荷の転送が行なわれ、以下、順次信号電荷が
読み出されるホトダイオード１１の水列列が垂直
方向に移り、これによつて出力部４からは連続し
たビデオ信号が得られる。

なお、水平転送用CCD１の入力部２は、転送
部３での信号電荷の転送効率を高めるために、結
合部５を通して信号電荷が転送されてくる度に、
転送部３にバイアス電荷を注入する。

かかる固体撮像素子においては、水平転送用
CCD１の出力部４と結合部５とで高い電圧を必
要とする。そこで、まず、この出力部４につい
て、第２図ないし第４図を用いて説明する。

第２図は第１図の水平転送用CCD１の出力部
４近傍を示す構成図であつて、１４はｎ形基板、
１５はｐ形ウエル、１６はｎ形拡散層、１７，１
８はゲート、１９は出力ゲート、２０，２１は
MOSトランジスタ、２２は抵抗、２３，２４は
駆動パルス入力端子、２５は電圧印加端子、２６
はリセツトゲートパルス入力端子、２７はリセツ
ト電圧印加端子、２８はビデオ信号出力端子であ
る。

第２図において、ｎ形基板１４上にｐ形ウエル
１５が形成され、このｐ形ウエル１５上にゲート
１７，１８が交互に配列されて転送部３（第１
図）を構成している。この場合、ゲート１７，１
８間で隙間が生じて不所望なポテンシヤルが生じ
ないように、ゲート１７，１８は互いに一部が重
なり合つている。ゲート１７，１８には、夫々互
いに位相が異なる駆動パルスφ₁，φ₂が供給され
る。

ｐ形ウエル１５の端部には、ｎ形拡散層１６が
形成され、このｎ形拡散層１６と転送部３の終段
ゲート１８との間に出力ゲート１９が設けられ、
電圧印加端子２５から一定の電圧V_pgが印加され
ている。ｎ形拡散層１６には、MOSトランジス
タ２０のソースとMOSトランジスタ２１のゲー
トが接続されており、これらMOSトランジスタ
２０，２１のドレインは電圧印加端子２７に接続
されている。また、MOSトランジスタ２１のソ
ースには抵抗２２が接続され、MOSトランジス
タ２１と抵抗２２とでソースホロワ形出力増幅器
が形成されてビデオ信号の出力端子２８がMOS
トランジスタ２１のソースに接続されている。

以上のｎ形拡散層１６、MOSトランジスタ２
０，２１および抵抗２２によつて水平転送用
CCD１（第１図）の出力部４を構成しており、
MOSトランジスタ２０には、入力端子２６から
リセツトゲートパルスRGが供給され、リセツト
電圧印加端子２７には、リセツト電圧VRが印加
されている。

ｎ形拡散層１６とMOSトランジスタ２１のソ
ース側に浮遊容量があり、これらの合成浮遊容量
（以下、出力容量という）C₀に転送部３からの信
号電荷と先に述べたバイアス電荷とが蓄積され、
MOSトランジスタ２１を通して出力端子２８に
ビデオ信号として取り出されるのである。この場
合、転送部３から信号電荷とバイアス電荷が転送
される前に、リセツトゲートパルスRGによつて
MOSトランジスタ２０がオンし、出力容量C₀の
電位がリセツト電圧印加端子２７からのリセツト
電圧VRによつてリセツトされ、転送部３から電
荷が転送されるときには、出力容量C₀の電位が
一定となるようにしている。なお、リセツト電圧
VRはMOSトランジスタ２１のバイアス電圧にも
なつている。

第３図は第２図の駆動パルスφ₁，φ₂とリセツ
トゲートパルスRGのタイミング関係を示すタイ
ミングチヤートであつて、駆動パルスφ₁，φ₂は
高レベル（以下、“Ｈ”という）でV₁(v)、低レベ
ル（以下、“Ｌ”という）で零(v)であり、リセツ
トゲートパルスRGは“Ｈ”でV₂(v)、“Ｌ”でV₃
(v)としている。駆動パルスφ₁，φ₂とリセツトゲ
ートパルスRGのレベル変化に応じて転送部３で
の電荷転送や出力容量C₀のリセツトが行なわれ
るが、かかる動作を第４図を用いて説明する。な
お、第４図において、t₁，t₂，t₃，t₄は第３図の
各時刻t₁，t₂，t₃，t₄における第２図の各部のポ
テンシヤル状態を示しており、また、第２図の各
部分のポテンシヤルを区別するために、これら各
部の符号を記すとともに、ゲート１７，１８につ
いては、供給される駆動パルスφ₁，φ₂も同時に
記している。なお、e_sは信号電荷、e_bはバイアス
電荷、e_oはリセツト電圧VRによる負電荷である。
さらに、V_t1はゲート１７の閾値電圧、V_t2はゲー
ト１８の閾値電圧、V_t3はMOSトランジスタ２０
の閾値電圧である。

第２図ないし第４図において、駆動パルスφ₁，
φ₂が“Ｌ”でリセツトゲートパルスRGが“Ｈ”
のときには（時刻t₁）、ゲート１７，１８のポテ
ンシヤルは夫々−V_t1，−V_t2（但し、−V_t1＞−V_t2）
と高く（以下、各部のポテンシヤルは夫々に生ず
る電圧で表わす）、駆動パルスφ₁が供給されるゲ
ート１８に信号電荷e_sとバイアス電荷e_bがあり、
MOSトランジスタ２０のポテンシヤルはV₂だけ
低下して（V₂−V_t3）である。ここで、、リセツ
ト電圧VRの電圧値をV_rとすると、電圧値で（V₂
−V_t3）＜V_rであり、出力容量C₀はV_r(v)にリセツ
トされる。

次に、駆動パルスφ₂が“Ｈ”になると（時刻
t₂）、この駆動パルスφ₂が供給されるゲート１７，
１８のポテンシヤルはV₁だけ低下してそのゲー
ト１７のポテンシヤルが、駆動パルスφ₁が供給
されるゲート１８のポテンシヤルよりも低くな
り、矢印で示すように、駆動パルスφ₁が供給さ
れるゲート１８から駆動パルスφ₂が供給される
ゲート１８へ信号電荷e_sとバイアス電荷e_bが移
る。このとき、リセツトゲートパルスRGは
“Ｌ”となるので、MOSトランジスタ２０のポテ
ンシヤルは充分に高くなる。

次に、駆動パルスφ₂が“Ｌ”になると（時刻
t₃）、駆動パルスφ₂が供給されるゲート１７，１
８は元のポテンシヤルは上昇し、転送部３は時刻
t₁におけるポテンシヤル状態に設定される。出力
ゲート１９のポテンシヤルはゲート１７，１８の
ポテンシヤルよりも低く設定されているために、
最終のゲート１８に移された信号電荷e_sとバイア
ス電荷e_bとは、矢印で示すように、出力ゲート１
９を通つて出力容量C₀に移る。しかし、他のゲ
ート１８の信号電荷e_sとバイアス電荷e_bとはゲー
ト１７のポテンシヤルが障壁となつてそのまま保
持される。出力容量C₀に移つた信号電荷e_sとバイ
アス電荷e_bとは、先に説明したように、MOSト
ランジスタ２１を通してビデオ信号として出力端
子２８に取り出される。

次いで、駆動パルスφ₁が“Ｈ”になると（時
刻t₄）、駆動パルスφ₁が供給されるゲート１７，
１８のポテンシヤルがV₁だけ低下し、矢印に示
すように、駆動パルスφ₂が供給されるゲート１
８から駆動パルスφ₁が供給されるゲート１８へ
信号電荷e_sとバイアス電荷e_bとが転送される。そ
して、駆動パルスφ₁が“Ｌ”となるとともに、
リセツトゲートパルスRGが“Ｈ”となり、駆動
パルスφ₁が供給されるゲート１７，１８のポテ
ンシヤルが上昇するとともに、MOSトランジス
タ２０のポテンシヤルが低下して時刻t₁と同様の
ポテンシヤル状態となる。この状態で信号電荷e_s
とバイアス電荷e_bはMOSトランジスタ２０を介
して電圧印加端子２７に排出され、出力容量C₀
はリセツト電圧VRによつてリセツトされる。

以上の動作が繰り返されることにより、転送部
３ではゲート１８から次のゲート１８へ順次移さ
れて水平転送が行なわれ、出力部４では、転送部
３から出力容量C₀への信号電荷e_sとバイアス電荷
e_bの転送と出力容量C₀のリセツトとが交互に繰り
返えされる。

ところで、上記の動作に際しては、転送部３か
ら出力部４に信号電荷e_sとバイアス電荷e_bが全て
転送されなければならず、このためには、第４図
の時刻t₃のポテンシヤル状態において、出力ゲー
ト１９のポテンシヤルはゲート１８のポテンシヤ
ルよりも常に低くなければならず、夫々に生ずる
電圧間に次の関係式が成立しなければならない。

V_pg−V_t1≧−V_t2 ……(1) 一方、同じ時刻t₃において、信号電荷e_sとバイ
アス電荷e_bとが移されたときの出力容量C₀でのポ
テンシヤルが少なくとも出力ゲート１９のポテン
シヤルよりも低くなければ、出力ゲート１９に信
号電荷e_sやバイアス電荷e_bの一部に残つてしま
い、このために、時刻t₄，t₁のポテンシヤル状態
を経て時刻t₂あるいはt₃のポテンシヤル状態にな
つたとき、出力ゲート１９の信号電荷e_sやバイア
ス電荷e_bが次に終段のゲート１８に転送されてき
た信号電荷e_sやバイアス電荷e_bに混入してしまう
ことになる。このことから、 V_r−Q_d／C₀≧V_pg−V_t1 ……(2) 〔但し、Q_dは信号電荷e_sとバイアス電荷e_bの合
計電荷量の最大量〕でなければなららない。したがつて、上記(1)，(2)
式から、次の式が得られる。

V_r≧−V_t2＋Q_d／C₀ ……(3) ところで、一般に、埋込みチヤンネルCCDの
転送特性を良くするためには、閾値V_t2は、低い
値（負方向に大きな値）にする必要があり、一例
として、−７(v)に設定される。また、出力容量C₀
は雑音の点から小さい程好ましく、たとえば、
0.05（pF）としている。そこで、Q_dを0.2（pC）と
すると、上記(3)式から、V_r≧11(v)となる。この
数値は一例にすぎないが、要するに、水平転送用
CCD１の性能（転送特性、雑音、ダイナミツク
レンジなど）を高めようとすると、どうしてもリ
セツト電圧VRは高くなつてしまうのである。

一方、一般に、ビデオカメラにおいては、ビデ
オテープレコーダから供給される10〜13(v)の不安
定な電源電圧から９(v)程度の安定な電圧を作成
し、これを電源電圧としている。このために、た
とえば、上記のように、11(v)の直流のリセツト電
圧VRを得るために、上記９(v)の直流電圧を適当
な周波数のパルス電圧に変換し、これをトランス
に通して昇圧した後、検波、平滑する昇圧回路を
用いる必要があり、必然的にビデオカメラの回路
規模が大きくなり、また、消費電力も増大すると
いう問題があつた。

次に、同じく高い電圧を必要とする結合部５
（第１図）について、第５図ないし第７図を用い
て説明する。

第５図は結合部５の一例を示す等価回路図であ
つて、２９〜３２はMOSトランジスタ、３３は
コンデンサ、３４は垂直信号線９（第１図）の容
量、１８は第２図に示した転送部３のゲートであ
る。

結合部５はMOSトランジスタ２９〜３２とコ
ンデンサ３３からなり、垂直信号線容量３４の信
号電荷を転送部３の駆動パルスφ₁が供給される
ゲート１８に転送する。この際、バイアス電荷を
用いて転送効率を高めているが、垂直信号線容量
３４から結合部５に信号電荷を転送するために、
コンデンサ３３の内部バイアス電荷が垂直信号線
容量３４に注入され、また、結合部５からゲート
１８へ信号電荷を転送するために、ゲート１８か
らコンデンサ３３にバイアス電荷（以下、CCD
バイアス電荷という）が注入される。このゲート
１８からコンデンサ３３へのCCDバイアス電荷
の注入に際して、後述するように、MOSトラン
ジスタ３２を大きな振幅の駆動パルスT₁で駆動
しなければならないのである。

第６図は第５図の各駆動パルスのタイミングチ
ヤートであり、第７図は第６図に示した各時刻に
おける第５図の各部のポテンシヤル状態を示すポ
テンシヤル図であつて、以下、第６図、第７図を
用いて第５図の電荷転送動作を説明する。なお、
第７図において、e_sは信号電荷、e_biはコンデンサ
３４の内部バイアス電荷、e_bcは転送部３（第１
図）のCCDバイアス電荷、e_oは一般の負電荷、
V₁₁，V₁₂は夫々駆動パルスT₁の“Ｈ”，“Ｌ”の
電圧値、V_t9はMOSトランジスタ３２の閾値であ
り、V_t2は第２図と同様にゲート１８の閾値であ
る。

転送部３（第１図）での先に説明した信号電荷
の転送時においては、駆動パルスT₁，T₂，T₃，
T₅は“Ｌ”、駆動パルスT₄は“Ｈ”であり、この
ときの結合部５の各部のポテンシヤルは、時刻
t₁₁におけるようになつている。この状態では、
垂直信号線容量３４には、信号電荷e_bと負電荷e_o
とがあり、また、コンデンサ３３には、負電荷e_o
と内部バイアス電荷e_biとがある。また、ゲート
１８に存在するCCDバイアス電荷e_bcは、転送部
３での電荷転送が終了した後、入力部２から注入
されるものであつて、結合部５から転送部３への
信号電荷の転送および転送部３での信号電荷の転
送に用いられ、第４図のバイアス電荷e_bに等しい
ものである。したがつて、第７図の時刻t₁₁のポ
テンシヤル状態は、転送部３の全ての信号電荷の
出力部４への転送後の状態を示すものである。

次に、駆動パルスT₅が“Ｈ”、駆動パルスT₄が
“Ｌ”となると（時刻t₁₂）、MOSトランジスタ２
９のポテンシヤルが低下し、コンデンサ３３のポ
テンシヤルが上昇してコンデンサ３３の内部電荷
e_biがMOSトランジスタ２９を通して垂直信号線
容量３４に注入される。

次に、駆動パルスT₄が“Ｈ”となると（時刻
t₁₃）、コンデンサ３３のポテンシヤルが低下し、
垂直信号線容量３４からコンデンサ３３へ信号電
荷e_sが内部バイアス電荷e_biとともに転送される。

次に、駆動パルスT₅、φ₁が“Ｌ”となり、駆
動パルスT₁，T₂，T₃が“Ｈ”となると（時刻
t₁₄）、MOSトランジスタ３０，３１，３２のポ
テンシヤルが低下し、ゲート１８のポテンシヤル
が上昇する。この場合、MOSトランジスタ３２
のポテンシヤルがゲート１８のポテンシヤルより
も低くなるように、駆動パルスT₁の“Ｈ”にお
ける電圧値を充分大きくする。このために、ゲー
ト１８のCCDバイアス電荷e_bcはMOSトランジス
タ３２に転送される。

次に、駆動パルスT₁が“Ｌ”となり（時刻
t₁₅）、MOSトランジスタ３２からMOSトランジ
スタ３１にCCDバイアス電荷e_bcが移る。そして、
駆動パルスT₂が“Ｌ”になり（時刻t₁₆）、MOS
トランジスタ３１のポテンシヤルが上昇し、この
ために、CCDバイアス電荷e_bcがMOSトランジス
タ３０が通つてコンデンサ３３に注入される。こ
のとき、駆動パルスφ₁は“Ｈ”となり、ゲート
１８のポテンシヤルは低くなる。

次に、駆動パルスT₁，T₂が“Ｈ”となり（時
刻t₁₇）、MOSトランジスタ３０のポテンシヤル
が低い状態でMOSトランジスタ３１，３２のポ
テンシヤルが低下し、コンデンサ３３の信号電荷
e_sとCCDバイアス電荷e_bcがMOSトランジスタ３
０，３１，３２を通してゲート１８に転送され
る。そして、駆動パルスT₁，T₂，T₃が“Ｌ”と
なり（時刻t₁₈）、転送部３が動作を開始して信号
電荷e_sとCCDバイアス電荷e_bcは、第２図ないし
第４図で説明したように、水平方向に転送され
る。

ところで、第７図の時刻t₁₁におけるポテンシ
ヤル図に示すように、MOSトランジスタ３２と
ゲート１８の境界でポテンシヤルの段部３５が生
ずる。これは、ゲート１８を形成するためにｐ形
ウエル１５（第２図）に打込まれた不純物イオン
がMOSトランジスタ３２の一部に入り込んでい
るために生じるものである。各MOSトランジス
タやゲートはホトマスクによるパターニングによ
つて形成されるが、ホトマスクのずれを考慮し、
最悪の場合でも、ゲート１８の全域に所望の不純
物イオンが打込めるようにするために、必然的
に、その不純物の打込み領域としては、MOSト
ランジスタ３２の領域と一部重なつてしまうこと
になる。すなわち、CCDバイアス電荷e_bcを結合
部５に注入するためには、ゲート１８とMOSト
ランジスタ３２との間にポテンシヤルの障壁が存
在してはならず、これを避けるために、ゲート１
８の全域に打込む不純物イオンがMOSトランジ
スタ３２の領域の一部にも打込まざるを得なくな
るのである。

このポテンシヤルの段部３５のポテンシヤル差
はV_t2であり、時刻t₁₄において、MOSトランジス
タ３２のポテンシヤルがゲート１８のポテンシヤ
ルよりも低くなると、これらの間に深さV_t2のポ
テンシヤルの穴３６が生じ、この中に電荷が入り
込むことになる。

転送部３（第１図）での水平方向の電荷転送時
において、ゲート１８とMOSトランジスタ３２
との間にかかるポテンシヤルの穴が生じ、この穴
に転送される転送電荷（すなわち、信号電荷e_sと
CCDバイアス電荷e_bc）が入り込むと、転送効率
が急激に落ることが発明者等の実験で判明した。
これは、このポテンシヤルの穴の転送部３での電
荷転送方向（すなわち、水平方向）両側に大きな
ポテンシヤル障壁があり、このポテンシヤルの穴
に入り込んだ電荷はこのポテンシヤル障壁を越え
ることができないからと考えられる。

ところで、転送部３の水平方向電荷転送動作
時、駆動パルスT₅は“Ｌ”であつて、MOSトラ
ンジスタ３２のポテンシヤルは（V₁₂−V_t9）で
あり、ポテンシヤルの段部３５の底部のポテンシ
ヤルは、これよりも−V_t2だけ低くて（V₁₂−V_t9
−V_t2）である。このとき、ゲート１８からポテ
ンシヤルの段部３５に転送電荷が入り込まないよ
うにするためには（すなわち、ゲート１８、
MOSトランジスタ３２間にポテンシヤルの穴が
生じないようにするためには）、ゲート１８内の
転送電荷による最大電圧値をV_s1とすると、 V₁₂−V_t9−V_t2≦−V_t2−V_s1 ……(4) が満足されなければならない。いま、V_t9＝２(v)、
V_s1＝1.5(v)とすると、駆動パルスT₁の“Ｌ”の電
圧値V₁₂は0.5(v)以下にする必要がある。

また、ゲート１８から結合部５にCCDバイア
ス電荷e_bcが注入できるためには、時刻t₁₄のポテ
ンシヤル状態のように、駆動パルスT₁が“Ｈ”
となつたときのMOSトランジスタ３２のポテン
シヤル（V₁₁−V_t9）より、少なくともCCDバイ
アス電荷e_bcによるポテンシヤル分だけ、駆動パ
ルスφ₁が“Ｌ”となつたときのゲート１８のポ
テンシヤル（−V_t2）が高くなければならない。
したがつて、CCDバイアス電荷e_bcによる電圧値
をV_s2とすると、 V₁₁−V_t9−V_s2≧−V_t2 ……(5) が満足されなければならない。いま、V_t2＝−７
(v)、V_s2＝1.5(v)とし、また、上記のように、V_t9
＝２(v)とすると、駆動パルスT₁の“Ｈ”の電圧
値V₁₁は10.5(v)以上でなければならない。

以上のように、駆動パルスT₁は、“Ｌ”で0.5(v)
以下、“Ｈ”で10.5(v)以上であるから、結局、振
幅としては10(v)以上と大きくする必要がある。こ
のために、９(v)の電源電圧によりビデオカメラで
は、やはり、昇圧回路が必要となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除き、
低電源電圧を用いることができて、回路規模が小
さく、消費電力を低減することができるようにし
た固体撮像素子の駆動方法および駆動回路を提供
するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本発明は、電源電
圧より高い高レベルのパルス電圧を水平転送用
CCDの出力部のリセツト電圧とした点に特徴が
ある。

また、本発明は、パルス発生回路の出力パルス
を電源電圧が供給されるレベル設定回路に供給
し、該出力パルスの高レベルを該電源電圧よりも
高い電位に高め、該レベル設定回路の出力パルス
を高電圧駆動される被駆動部の入力電圧とした点
を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明す
る。

第８図は本発明による固体撮像素子の駆動方法
の一実施例を示すタイミングチヤートである。こ
の実施例は、第１図および第２図の水平転送用
CCD１の出力部４におけるリセツト電圧VRに関
するものである。なお、第８図において、1Hは
水平期間、HBLは水平帰線期間を示している。

先にも説明したように、出力部４の出力容量
C₀をリセツトするためには、通常、リセツト電
圧VRとして、ビデオカメラの電源電圧よりも高
く設定されなければならない。先の例では、電源
電圧が９(v)であるのに対し、リセツト電圧VRは
11(v)以上でなければならなかつた。

第８図に示すこの実施例では、リセツト電圧
VRとしては、HBLの一部で“Ｌ”となるが、そ
れ以外の期間では“Ｈ”となるパルス電圧を用い
る。この場合、リセツト電圧VRの“Ｈ”の電圧
はビデオカメラの電源電圧よりも高く、出力容量
C₀を所望の電位にリセツト可能に設定する。

固体撮像素子において、HBLは、光電変換部
８（第１図）の信号電荷が結合部５（第１図）を
通して水平転送用CCD１に転送される期間であ
つて、水平転送用CCD１では電荷転送は行なわ
れていない。したがつて、出力部４では出力容量
C₀のリセツトを行なう必要がなく、このために、
リセツト電圧VRは、どのような電圧値であつて
もよく、出力容量C₀をリセツトするに要する電
圧値以下でもよい。このことから、リセツト電圧
VRの“Ｌ”期間はHBL内に設定する。

第９図は第８図に示したパルス状のリセツト電
圧VRを形成するための本発明による固体撮像素
子の駆動回路の一実施例を示す回路図であつて、
３７はパルス発生回路、３８はコンデンサ、３９
はダイオード、４０はコンデンサ、４１，４２は
抵抗、４３は電源、４４は固体撮像素子であり、
２７は第２図で示したリセツト電圧VRの入力端
子である。

第９図において、パルス発生回路３７は“Ｌ”
がHBL内にある周期的なパルスを発生する。こ
の“Ｌ”の電位は零(v)であり、“Ｈ”の電位は
（V_r−V₄）(v)とする。但し、V_rはリセツト電圧
VRの“Ｈ”の電位であり、０V₄＜V_rとする。

一方、電源４３は、たとえば、ビデオテープレ
コーダから供給される電圧V_dd（先の例では、10
〜13(v)に等しい電圧を発生する仮想的な電源であ
つて、この電源４３とコンデンサ４０、抵抗４
１，４２とでビデオカメラの電圧源を構成してお
り、安定した電圧V₄（先の例では、９(v)）を発生
している。また、コンデンサ３８とダイオード３
９とでクランプ回路が形成されている。

パルス発生回路３７からのパルスはコンデンサ
３８に供給され、コンデンサ４０で得られる電源
電圧V₄はダイオード３９に供給される。この結
果、パルスの“Ｌ”は電圧V₄に固定され、これ
とともに、その“Ｈ”の電位はVRになる。この
ようにして、リセツト電圧VRは電源電圧V₄より
も高い電圧に設定できる。パルス発生回路３７を
電源４３の電圧V_ddで駆動した場合には、パルス
発生回路３７で発生するパルスの振幅をほぼV_dd
に設定できるから、リセツト電圧VRは電圧V_dd
の２倍近い大きな値に設定することができる。

このようにして、昇圧回路を用いることなく、
電源電圧よりも充分に高いリセツト電圧VRを得
ることができる。

第１０図はリセツト電圧VR（第８図）が“Ｌ”
であるときの第２図の各部のポテンシヤル状態を
示すポテンシヤル図である。

同図において、リセツト電圧VRが“Ｌ”のと
きには、出力容量C₀のポテンシヤルがゲート１
７のポテンシヤルを越えなければ問題ではなく、
したがつて、 V₄＞−V_t1 でなければならない。いま、V_t1＝−４(v)とする
と、リセツト電圧VRの“Ｌ”は４(v)以上あれば
よい。

第１１図および第１２図は夫々本発明による固
体撮像素子の駆動回路の他の実施例を示す回路図
である。

第１１図の実施例は、第９図の実施例でダイオ
ード３９の代りにトランジスタ４５を用いたもの
であり、入力端子２７に印加されるリセツト電圧
VRの振幅が、あまり大きくなく、トランジスタ
４５の逆方向エミツターベース間耐圧の範囲内に
ある場合には、クランプ動作が高速であるという
利点がある。

第１２図の実施例は同じく第９図のダイオード
３９の代りにツエナダイオード４６を用いたもの
であつて、パルス発生回路３７からのパルスの
“Ｈ”をクランプするものであり、リセツト電圧
VRの平均電圧が電源４３の電圧V_ddよりも低い
場合にしか用いることができないが、リセツト電
圧VRの“Ｈ”を直接所望の電位に決めることが
できるという特徴がある。なお、４７，４８，４
９は抵抗である。

以上示した第９図、第１１図、第１２図の実施
例でも、固体撮像素子４４ではほとんど雑音が増
加しないことが発明者等の実験で確認されている
が、リセツト電圧VRを直流電圧にした場合に比
べて、原理的には多少雑音が増加するはずであ
る。この雑音の増加を防止するためには、パルス
状リセツト電圧VRの“Ｈ”をクリツプするのが
有効である。第１３図、第１４図にそのための実
施例を示す。

第１３図の実施例は、抵抗５０，５１およびコ
ンデンサ５２でクリツプ電位を設定し、抵抗５
４、ツエナーダイオード５３でコンデンサ３８と
ダイオードによつてレベル設定されたパルスの
“Ｈ”をクリツプし、“Ｈ”が所定の電位であるリ
セツト電圧VRを形成している。このために、パ
ルス発生器３７が発生するパルスの振幅は（V_r
−V₄）よりも若干大きくする。

第１４図の実施例は、第１３図のツエナーダイ
オード５３の代りに、ダイオード５５〜５８を用
いたものであつて、第１３図の実施例と同様の効
果が得られる。

なお、第１３図および第１４図において、第９
図に対応する部分には同一符号をつけている。

第１５図は本発明による固体撮像素子の駆動方
法の他の実施例を示すタイミングチヤートであつ
て、第２図に対応する駆動パルスには同一符号を
つけている。

この実施例は、リセツト電圧VRをリセツトゲ
ートパルスRGと同一周波数のパルス電圧とし、
リセツトゲートパルスRGが“Ｌ”となる期間
（すなわち、MOSトランジスタ２０（第２図）が
オフのとき）に、リセツト電圧VRが“Ｌ”とな
るようにしたものでである。

この実施例を実現するための駆動回路として
は、第９図、第１１図〜第１４図に示した実施例
と同様の回路構成とすることができ、しかも、パ
ルスが高速であるために、コンデンサ３８の静電
容量を小さく設計できるという利点がある。しか
し、パルスが高速であるが故に雑音が増加しやす
く、また、リセツト電圧VRの振幅をリセツトゲ
ートパルスRGの振幅よりもある程度小さくする
必要があることから、第８図に示した実施例に比
べて、リセツト電圧VRの上限値が低くなるとい
う欠点がある。

第１６図は第１５図の時刻t₄，t₅における第２
図の各部のポテンシヤル状態を示すポテンシヤル
図であり、第４図に対応する部分には同一符号を
つけている。

第２図、第１５図および第１６図において、リ
セツトゲートパルスRGが“Ｌ”のときには、入
力端子２７、出力容量C₀間はMOSトランジスタ
２０のポテンシヤル（V₃−V_t3）によつて隔離さ
れており、駆動パルスφ₁が“Ｌ”、駆動パルスφ₂
が“Ｈ”、リセツト電圧VRが“Ｈ”のときには
（時刻t₄）、転送部３のゲート１８に信号電荷e_sと
バイアス電荷e_bとが存在する。駆動パルスφ₁が
“Ｈ”、駆動パルスφ₂が“Ｌ”、リセツト電圧VR
が“Ｌ”となると（時刻t₅）、駆動パルスφ₂が印
加されるゲート１８から駆動パルスφ₁が印加さ
れるゲート１８へ信号電荷e_sとバイアス電荷e_bと
が移り、最終段のゲート１８から出力容量C₀に
も同じく電荷が移るが、これとともに、入力端子
２７のポテンシヤルも上昇する。このときに、入
力端子２７から出力容量C₀に負電荷e_oが移らない
ようにするために、リセツト電圧VRの“Ｌ”の
電位V₅を、このときの入力端子２７のポテンシ
ヤルV₅がMOSトランジスタ２０のポテンシヤル
（V₃−V_t3）よりも低くなるように、設定する。
また、リセツトゲートパルスRGを“Ｈ”にし、
リセツト電圧VRが“Ｈ”となつて出力容量C₀が
リセツトされるために、入力端子２７のポテンシ
ヤルV_rがMOSトランジスタ２０のポテンシヤル
（V₂−V_t3）を越えるように、リセツト電圧VRの
“Ｈ”の電位V_rを設定しなければならない。

そこで、リセツトゲートパルスRGの振幅が電
源４３（たとえば、第９図）の電圧V_ddで制限さ
れるとすると、リセツト電圧VRの振幅はこの電
圧V_ddよりも若干小さくせざるを得ない。ここで
は、リセツト電圧VRの“Ｈ”の電位V_rを電圧
V_ddの２倍よりも少し小さい値（たとえば、1.5
倍）まで高めることができる。

第１７図は本発明による固体撮像素子の駆動回
路のさらに他の実施例を示す回路図であつて、５
９はパルス発生回路、６０は増幅器、６１はコン
デンサ、６２はダイオード、６３はコンデンサ、
６４，６５は抵抗、６６は入力端子であり、第９
図に対応する部分には同一符号をつけている。

第１８図は第１７図の各部のパルスのタイミン
グチヤートであつて、第１７図のパルスに対応し
た符号をつけている。

この実施例は、第５図の駆動パルスT₁を発生
する駆動回路であつて、固体撮像素子４４の入力
端子６６は第５図のMOSトランジスタ３２のゲ
ートに接続されている。また、コンデンサ６３、
抵抗６４，６５は電源４３の電圧V_ddから安定な
電圧V₈を形成している。パルス発生回路５９が
発生するパルスａは周期が1HでHBL（水平帰線
期間）で“Ｈ”となり、“Ｌ”の電位は零(v)，
“Ｈ”の電位はV₆(v)である。

パルス発生回路５９からのパルスａはコンデン
サ６１に供給され、コンデンサ６２に供給される
電圧V₈によつて“Ｌ”がV₈(v)にクランプされる。
この結果、“Ｌ”でV₈(v)、“Ｈ”でV₇(v)（＝V₆＋
V₈）のパルスｂが得られる。

このパルスｂは増幅器６０の電源電圧として供
給される。パルスｂとパルスａとの“Ｈ”期間は
一致するので、増幅器６０からは、“Ｌ”のとき
に零(v)、“Ｈ”のときにV₇(v)のパルスｃが得られ
る。このパルスｃは駆動パルスT₁として入力端
子６６に供給される。

いま、パルス発生回路５９の電源電圧を電源４
３の電圧V_ddとすると、パルスａの“Ｈ”の電位
をV_ddに等しくすることができ、かつ、パルスｂ
の“Ｌ”の電位もV_ddに近い値とすることができ
るから、パルスｃ（すなわち、駆動パルスT₁）の
振幅V₇を2V_ddに近い値とすることができる。

第１９図は本発明による固体撮像素子の駆動回
路のさらに他の実施例を示す回路図であつて、６
７はパルス発生回路、６８，６９，７０は抵抗、
７１はコンデンサ、７２はトランジスタであり、
第１７図に対応する部分には同一符号をつけてい
る。

第２０図は第１９図の各部のパルスのタイミン
グチヤートであつて、第１９図に対応するパルス
には同一符号をつけている。

第１９図および第２０図において、パルス発生
回路６７は、第１７図のパルス発生回路５９の出
力パルスａと同様のパルスｄと、このパルスｄを
反転した関係のパルスｅを発生する。パルスｅ
は、コンデンサ７１とダイオード６２により、そ
の“Ｌ”レベル（零(v)）がコンデンサ６３で得ら
れる電圧V₈でクランプされ、“Ｌ”の電位がV₈
(v)、“Ｈ”のレベルがV₇(v)（＝V₆＋V₈）のパル
スｆが得られる。このパルスｆは抵抗６８，６９
とトランジスタ７２からなる反転増幅器に供給さ
れるパルスｄによつて減算され、“Ｌ”の電位が
零(v)、“Ｈ”の電位がV₇(v)のパルスｇが得られ
る。このパルスｇは駆動パルスT₁として入力端
子６６に供給される。

なお、必ずしもパルスｅがパルスｄに反転した
関係にあるようにする必要はなく、パルスｅの
“Ｈ”期間をパルスｄの“Ｌ”期間よりも広くし
てもよい。

ところで、第１７図、第１９図に示した実施例
においては、増幅器６０、トランジスタ７２の電
源電圧はパルス電圧であることから、通常の直流
電源のように、電源を交流接地して低雑音化をは
かることはできない。このために、入力端子６６
に供給されるパルスｃ，ｇ（すなわち、駆動パル
スT₁）に含まれる雑音は、従来技術に比べて多
少増加する。しかし、MOSトランジスタ３２
（第５図）の動作は雑音に影響されることはほと
んどない。すなわち、第５図において、MOSト
ランジスタ２９，３０は、それらのゲートポテン
シヤルによつて隣接せる容量から流れ出す負電荷
を直接制御しているために、駆動パルスT₅，T₃
に雑音が混入していると、固体撮像素子はこの雑
音に敏感に応答してその出力信号の雑音が増加す
る。これに対し、MOSトランジスタ３２は、誇
張して言えば、単にデジタル的に負電荷の流れを
開閉するだけのものであるから、駆動パルスT₁
に雑音が混入しても、固体撮像素子の出力信号の
雑音を増加させることはほとんどない。このこと
からも、第１７図および第１９図に示した実施例
は、MOSトランジスタ３２の駆動回路として好
適なものである。

以上、本発明の実施例について説明したが、第
９図、第１１図〜第１４図、第１７図および第１
９図に示した実施例は、固体撮像素子の駆動回路
としてのみならず、一般に、パルス増幅回路とし
ても適用可能であることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、昇圧回
路を用いることなく、CCDの出力部を電源電圧
よりも高いリセツト電圧でリセツトできるから、
CCDの性能が向上して、しかも、小規模の回路
構成で低電源電圧化、低消費電力化が達成でき、
上記従来技術の欠点を除いて優れた機能の固体撮
像素子の駆動方法および駆動回路を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の一例を示す構成
図、第２図は第１図の水平転送用電荷転送装置の
出力部近傍を示す構成図、第３図は第２図の電荷
転送のための各駆動パルスのタイミングチヤー
ト、第４図は第３図の各時刻における第２図の各
部のポテンシヤル状態を示すポテンシヤル図、第
５図は第１図の結合部の一例を示す等価ブロツク
図、第６図は第５図の各駆動パルスのタイミング
チヤート、第７図は第６図の各時刻における第５
図の各部のポテンシヤル状態を示すポテンシヤル
図、第８図は本発明による固体撮像素子の駆動方
法の一実施例を示すタイミングチヤート、第９図
は本発明による固体撮像素子の駆動回路の一実施
例を示す回路図、第１０図は第８図のリセツト電
圧の低レベル期間における第２図の各部のポテン
シヤル状態を示すポテンシヤル図、第１１図ない
し第１４図は夫々本発明による固体撮像素子の駆
動回路の他の実施例を示す回路図、第１５図は本
発明による固体撮像素子の駆動方法の他の実施例
を示すタイミングチヤート、第１６図は第１５図
の各時刻における第２図の各部のポテンシヤル状
態を示すポテンシヤル図、第１７図は本発明によ
る固体撮像素子の駆動回路のさらに他の実施例を
示す回路図、第１８図は第１７図の各部のパルス
のタイミングチヤート、第１９図は本発明による
固体撮像素子の駆動回路のさらに他の実施例を示
す回路図、第２０図は第１９図の各部のパルスの
タイミングチヤートである。１……水平転送用電荷転送装置、２……入力
部、３……転送部、４……出力部、５……結合
部、１７，１８……ゲート、２０……MOSトラ
ンジスタ、２３，２４……駆動パルス入力端子、
２６……リセツトゲートパルス入力端子、２７…
…リセツト電圧印加端子、２９〜３２……MOS
トランジスタ、３７……パルス発生回路、４４…
…固体撮像素子、５９……パルス発生回路、６０
……増幅器、６７……パルス発生回路。

Claims

【特許請求の範囲】１光電変換部から垂直転送手段を介して転送さ
れてきた信号を、CCDを水平転送手段として、
水平方向に転送する固体撮像素子の駆動方法にお
いて、該CCDの出力部のリセツト電圧をパルス電圧
とし、所定レベルの電圧を用いて該パルス電圧の
高レベルが該固体撮像素子の電源電圧よりも高い
レベルとなるようにし、該CCDの出力部を該パ
ルス電圧の該電源電圧よりも高い高レベルにリセ
ツトすることを特徴とする固体撮像素子の駆動方
法。２光電変換部から垂直転送手段を介して転送さ
れてきた信号を、CCDを水平転送手段として、
水平方向に転送する固体撮像素子の駆動回路にお
いて、パルス電圧の発生回路と、該パルス電圧を、所定レベルの電圧を用いて、
その高レベルが固体撮像素子の電源電圧よりも高
くなるように、変換するレベル変換回路とからなり、該レベル変換回路の出力パルス電圧の
高レベルに該CCDの出力部をリセツトすること
を特徴とする固体撮像素子の駆動回路。