JPS58215876A

JPS58215876A - 固体撮像装置の駆動方法

Info

Publication number: JPS58215876A
Application number: JP57099665A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Miyata; 豊宮田; Yoshio Oota; 太田　善夫; Takao Chikamura; 隆夫近村; Kosaku Yano; 矢野　航作; Shinji Fujiwara; 慎司藤原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1982-06-09
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1983-12-15
Also published as: JPH0136753B2

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】本発明は、主に電荷転送素子（ＣＣＤｔたはＢ’ＢＤ）
を用いた固体撮像装置に関するものであり、特に入射光
強度が大きいときに発生するブルーミング現象、残像現
象および白点発生現象を回路的手段をもって大巾に抑制
できる固体撮像装置を提供するものである。

信号走査回路としてＣＣＤ（電荷結合素子）を用いた固
体撮像装置、特に光電変換素子として光導電膜を、Ｓ１
走査回路を有する半導体基板上に積層した構成の固体撮
像装置（以下積層型固体撮像装置と称する。）の構成と
動作を説明し、従来の同装置の欠点を説明する。

第１図は走査デバイスにＣＣＤが用いられている積層型
固体撮像装置における要部平面図であり、絵素が複数個
形成された部分を示している。第２図は第１図の固体撮
像装置の１絵素のＡ−Ｂ’線にこれらの図において、１
０は半導体基板で例えばｐ型Ｓｉ　よりなるものである
。１１ａ、１１ｂ、１１ｃはｎ領域で基板１０とダイオ
ードを形成する。

１２ａ、１２１）はＣＣＤ転送のだめのｎ−領域で、１
３ａ。

１３ｂ、１３ｃは読み込み及び転送を兼ねたゲート電極
である。１４はダイオード領域１１の一部が開孔しかつ
走査部と電荷収集用の第１電極１５を分離するだめの絶
縁体である。１６はホトセンサとしての光導電膜で例え
ばα−８ｉ（アモルファスシツコン）、異種接合Ｚｎ５
ｅ−Ｚｎ１−ｘＣｄｘＴｅ　、　Ｓ　ｅ等を主体として
なるものである。光導電膜１６の上には電圧印加のため
透明電極１７が形成されている。

１８は入射光である。

第３図は、第１図に示した構成の固体撮像装置の一絵素
の等価回路図を示したものである。第３図において２１
はｎ″−領域１１ａ、１１ｂ、１１ｃと基板１０で形成
されるダイオードの容量であり、その大きさｅｃｊで）
わす。２２は光導電膜１６の容量であり、その大きさを
ＣＮで表わす。また、２３５・・−７は第１電極１５とゲート電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃの
間で寄生的に発生する容量で、あり、その大きさをＣ２
で表わす。

いま入射光１８により光導電膜１６で生成した信号電荷
は、上記の三つの容量（Ｃｊ、ＣＮ、Ｃｐ）に゛蓄積さ
れるが、この時の最大蓄積電荷量ＱｒｒｌａＸは、信号
読み込み後の第１電極１５の電位と透明電極１７との電
位差をΔＶとすると、ＱｍａＸ−（Ｃｊ＋ＣＮ十〇ｐ）・ΔＶであられされる
。ＣＣＤ転送段であるｎ−領域１２ａ、１２ｂの最大取
扱い電荷量をＱＳＨＣとすると、第１図の構成の固体撮
像装置の場合には、通常Ｑｍａ　ｘ”ＳＨＣとなり、非
常に強い入射光の場合ΔＱ−ＱＩＴｌａＸ−ＱｓＨｃの
余剰電荷が生ずる。上記第１図構成の固体撮像装置の場
合ΔＱ　”’　７ＱＳＨＣにもおよびこの余剰電荷を伺
らかの形で処理しない場合には、余剰電荷がＣＣＤ転送
段のｎ−領域１２ａ、１２ｂでオーバーフローレプルー
ミンク現象となったり、残像現象が発生したり、後述す
るような白点発生現像が生じたりする。

　　− これらの現象を抑制するために、駆動パルスを工夫する
方法がたとえば特開昭５６−１４０７７３号に提案され
ている。この場合の余剰電荷の掃き出し駆動の方法とそ
の欠点を第４図（ａ）　、　（ｂ）を用いて説明する。

ここで、第４図（ａ）は垂直転送段のたとえばｎ−領域
１２ｂの駆動パルスであり、第４図（ｂ）は、第４図（
ａ）の駆動パルスの垂直消去帰線期間（以下、Ｖ−Ｂ　
ＬＫ期間とよぶ）を拡大して示した図であり、上記の構
成の固体撮像装置の信号読み込みパルス２５による信号
読み込み動作と転送パルス２４による転送動作は、通常
のインクラインＣＣＤを用いた固体撮像装置と何ら変わ
る所がないから省略し、従来の駆動方法にて特に問題と
なるＶ−ＢＬＫ期間中の動作について説明する。この場
合の駆動パルスは第４図（ｂ）から明らかなように、数
回の余剰電荷読み込みパルス３１ａ〜３１ｄと、余剰電
荷読み込みパルスの間の余剰電荷を排き出すだめの転送
パルス３２ａ〜３．１ｄで構成されている。

１ず最初に、−回の余剰電荷読み込みノくルスで、ｎ＋
領域１１ｂから電荷転送段１２ｂへ移送される余剰電荷
が、ＣＣＤ転送段１２ｂの最大取扱い電荷量ＱＳＩ（Ｃ
以上の量である場合の問題点を第５図を用いて説明する
。

第５図は電荷の動きを説明するだめの井戸型ボテン７ヤ
ル図であり、番１図のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ方向に関して示し
ている。第５図の２１ａ、２１１）。

４０ａ、４１．４２ａ、４２１）は第１図に示した領域
に対応している。

すなわち、２１ａはｎ　１域１１ａの範囲、２１１）は
ｎ＋領域１１ｂの範囲、４ｏａは？領域１１ａと電荷転
送段の。−領域１２ａとゲート１３ａとから構成される
ＭＯＳ）ランジスタのチャネル領域の範囲、４０ｂはｎ
＋領域１１ｂと電荷転送段のｎ−領域１２ｂとゲート電
極１３ｂとから構成されるＭＯＳトランジスタのチャネ
ル領域の範囲を示している。

ゲート電極１３ａ、１３ｂがオフ（ＯＦＦ）状態の時の
範囲４Ｑａ、４０ｂの電位ハＭｏ　Ｓ　）ランジスタの
ピンチオフ電圧に等しい。４１は、２相駆動するために
転送段のｎウェル中に設けた電位障壁部であり、４２ａ
、４２１）は転送段の電荷蓄積部である。

ところで、製造工程においてＭＯＳトランジスタのピン
チオフ電圧は全く同一とはならない。第５図においては
、ＭＯＳトランジスタのチャネル領域の電位４ｏａ、４
０ｂの大きさに差を設け、この時に発生する撮像特性の
劣化を説明する。

第６図に示すように時間ｔ。では、余剰電荷掃き出し駆
動パルスが印加される直前の、ダイオード領域２１１）
（１１ｂ）に多量の電荷４３が蓄積され、隣接のダイオ
ード領域４１ａには電荷が蓄積されていない状態を示し
ている。次に時間ｔ１　において、第４図に示す余剰電
荷読み込みパルス３１ａがゲート電極１３ｂに印加され
ると、余剰電荷Ｑ。のうち一部ＣＣＤ転送段４２ｂ（１
２ｂ）に移動する。パルス３１ａがＯＦＦ状態となると
、ＣＣＤ転送段の蓄積領域４２ｂ（１２ｂ）に満杯の電
荷ＱＲ４４が入り、ダイオード領域２１１）（１１ｂ）
には差分の電荷Ｑ。べ社が残る。この状態が時間ｔ２で
ある。次の時間ｔ３において転送パルスがゲート電極１
３ａに印加されると、電荷Ｑ２４４は隣りの蓄積領域４
２ａに転送される。この時、ＭＯＳトランジスタの４チ
ヤネル領域４０ａのピンチオフ電圧が４チヤネル領域４
０ｂのピンチオフ電圧よりも大であるために、電荷ＱＭ
４４の一部の電荷Ｑ、がダイオード領域２１ａに逆流す
る。時間ｔ４は、ゲート１３ａに印加されていた転送パ
ルスがＯＦＦ状態になった時を示している。オイオード
領域２１ａに逆流した電荷Ｑｐ４４ｂは通常の信号電荷
と区別することは不可能であるから、余剰電荷掃き出し
動作期間中もダイオード領株１ａに残り、信号電荷読み
込みパルス印加時に信号として読み出され、出力されて
雑音信号の原因になる。このような動作が第４図のパル
ス３１ｂと３２ｂ。

３１Ｃと３３ｂ、３１　ｄと３４ｄにより砂目くり返え
される。上述したようなピンチオフ電圧のばらつきは、
撮像素子中に不均一に存在し、よりピンチオフ電圧の高
い部分に余剰電荷の逆流が生ずるから、スポット光を撮
像した場合の映像画面としては、スポット上部に無数の
白点を生ずることとなり、著しい画質劣化を引き起こす
。

１だ、移送される余剰電荷が、ＣＣＤ転送段のｎ−領域
１２ａ、１２ｂの最大取扱い電荷量ＱＳＨＣを超えない
場合には、少なくともΔＱ／ＱＳＨＣ回の余剰電荷読み
込みパルスと転送パルスの組みあわせがなければ残像現
象やブルーミング現象を生じさせる。第１図の構成の固
体撮像装置では、この回数は７回となり、かなりの期間
を必要とするとともに、１連の余剰電荷読み込みパルス
３１ａ〜３１ｄにより、ＣＣＤ転送段のｎ−領域１２ａ
、１２ｂに読み込まれる余剰電荷が、その最大取扱い電
荷量を超えないようにするには、信号読み込みパルスの
高さを毎回少しずつ増加させてチャネル部４０ａ　、４
０ｂの電位の高さを減密に制御する必要が生じ、回路的
にも複雑となる。また、余剰電荷ΔＱを処理するに従っ
て光導電膜に印加される送バイアスは大きくなり光感度
は増大する。このため、強い入射光の場合には、読み込
みパルスの間に光生成した電荷が余剰電荷として再びダ
イオード領域２１ａ。

２１ｂに著積され、次の読み込みパルスでＣＣＤ転送段
に移送される余剰電荷が転送段最大取扱い電荷量ＱＳＨ
Ｃ以下に制御することが困難となる。

上記の効果を抑えるには、転送パルス３２ａ〜３２ｄの
転送周波数を」−げ、余剰電荷読み込みパルス３１ａ〜
３１ｄと転送パルス３２ａ〜３２ｄの組みあわぜの回数
をさらに増やさなければいけないという不都合が生ずる
。このため残像現象やブルーミング現象や白点発生現象
の抑制の効果は、非常に制限されることとなる。

本発明の目的はこのような従来の問題を解決するため、
余剰電荷を電荷転送段の最大取扱い電荷量を超えない範
囲で排出し、残像現象やブルーミング現象および白点発
生現象を防止した固体撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置の詳細を図面を用いて実施例とと
もに述べる。

第６図（ａ）　、’　（ｂ）は本発明の一実施例固体撮
像装置における駆動パルス波形を示すもので、第１図の
構成の固体撮像装置に印加する駆動パルスのｖ−ＢＬＫ
期間について示している。第６図（ａ）はゲート電極１
３ｂに印加するパルスであり、第６図（ｂ）は、透明電
極１７に印加するパルスφＩＴＯである。この実施例で
は、鋸歯状のパルスは、透明電極１７に印加するパルス
中に入れており、その動作を第７図ポテンシャル図を用
いて説明する。

第７図は第５図と同様に第１図の固体撮像装置のＡ−Ｂ
−Ｃ−Ｄ方向に関する井戸型ポテンシャル図である。

以下、この固体撮像装置の動作をｔ。−ｔ３の各段階に
分け、１つの絵素に注目して説明する。

（１）ｔ＝ｔｏ時余剰電荷の掃き出し駆動がなされる前の状態である。こ
の時電荷転送段１２ｂの最大取扱い電荷量Ｑ　Ｓ　ＨＣ
よりも多量の電荷がダイオード領域２１ｂに蓄積されて
おり、ダイオード領域２１ｂの電位はｖＸｏである。

（２）ｔ＝ｔ１時透明電極１７に印加するパルスφＩＴＯが■ＩＬからＶ
ｌＨに変化し、ダイオード領域２１ｂの電位は、（３）
ｔ”’ｔ２時余剰電荷読み込みパルスφ十が電極１３ｂに印加され、
チャネル領域４０ｂと電荷転送段２１ｂの電荷蓄積部４
２ｂの電位が深く々る。この時のチャネル領域−４０１
）の電位はゲート電極１３ｂに印加する電圧とチャー”
ｆ−ｆｉ　１６ｂの電位との変換係数をγとし、チャネ
ル領域のピンチオフ電圧を■、とすると、余剰電荷４５
が電荷転送段４２ｂに移動する。

（４）ｔ＝Ｕ３時」ぐ電極１３ａにφ１　と同様な余剰電荷読み込みパルスが
印加され、電荷転送段２１ｂの電位障壁部４１および電
荷蓄積部４２ａの電位が深くなり、電荷蓄積部４２ｂに
あった余剰電荷４５が電荷蓄積部４２ａに転送される。

第７図ではダイオード領域２１ａに電荷がない場合を示
しているが、もしダイオード領域２１ａに過剰な電荷が
存在すれば余剰電荷読み込みパルス印加時と同時に余剰
電荷の読み込み動作が行なわれる。すなわち余剰電荷の
読み込みと電荷転送動作は同時に行なわれる。

＊以上の動作が第６図に示すパルスφ１の印加前後の動作
の説明である。φ１＊がＯＦＦ状態となり、φＪ１が印
加される迄の間にダイオード領域２１ｂの電位ＶマＬは
、２３を通しての容量結合に寄因して低下する電圧であり
、右辺第３項は、本発明にがかる鋸歯状波（期間Ｔｏ）
による電位変化であり、光導電膜容量２２を通しての容
量結合により時間ｔとともにダイオード領域かｂの電位
を除々に浅くする。また、右辺第４項は光導電膜１９に
流れる電流Ｉｐによる寄与を表わしている。

上記の式より明らかなように、φ１＊がＯＦＦした後、
次のφ枦１が印加される迄に、ダイオード領域２１ｂの
電位は所定の電位だけ浅くなっており、φ丈が印加され
ると前記（１）〜（４）（時間ｔ−ｔｏ−ｔ３）に説明
した余剰電荷読み込み動作が再び行なわれる。以下同様
に鋸歯状波の期間Ｔｏ中に存在する１許・・・・・・φ
、木のパルスが印加される間は、前記（１）〜（４）の
動作がくり返される。時間ｔＮで鋸歯状波の終−ｒ後は
、垂直絵素数相描分の個数のφｖ＊ハルパル印加され、
垂直転送段２１ｂに残っている余剰電荷を信号読みパル
スφＲが印加される前に排出し、余剰電荷の処理が完了
する。

次に、上記実施例において従来例の欠点であっ／ζ白点
発生現象の抑制に重要な鋸歯状波の傾斜と余剰電荷読み
込みパルスへ店の周波数について説明する。（１）式か
ら明らかなようにζ余剰電荷読み込みパルス硬の１周期
間τに変化するダイオード領域２１の電位変化Δ■ｅＸ
は、である。従って、−回の、・余剰電荷読み込みパルス吋
６で電荷転送段１２ｂに読み込まれる余剰電荷４５は、となるが、この量が大であれば従来例のように電荷転送
段１２が電荷でいっばいになりあふれる可能性が大きく
、出来るだけ少なくすることが望せしい。この目的のた
めには、鋸歯状波の傾斜み込みパルス９鐘電荷転送段１
２ｂに読み込捷れる余剰電荷４５は、となるが、この量が犬であれば従来例のように電荷転送
段１２が電荷でいっばいになりあふれる可能性が大きく
、出来るだけ少なくすることが望ましい。この目的のだ
めには、鋸歯状波の傾斜Ｔ。

み込みパルスの転送周波数（→を大きくとることτ が有効であり、Ｖ　−ＢＬＫ期間で使用できる最大の期
間を鋸歯状波とし、電荷転送段１２の転送効率の低下し
ない範囲で転送周波数を最大にとればよい。

このような本発明の実施例における固体撮像装置は、従
来例では、飽和照度を超えるとすぐに発生した白点は、
飽和照度の約３００倍抑制可能であわ、−また、電荷バ
ランスに起因する残像現象も、従来例では、飽和照度の
約８０倍であったものが３００倍寸で可能となった。

？本発明の固体撮像装置の別の実施例を第７図を用いて説
明する。第子図は、第６図と同様に、■−ＢＬＫ期間に
ついて示している。第８図（ａ）はゲート電極１３に印
加するパルスであり、第８図（ｂ）は、゛−透明電極１
７に印加するパルスである。第８図かられかるように、
本実施例では余剰電荷の読み込みパルス硬を漸増させ、
第６図をもとにして説明した固体撮像装置の実施例と同
様な機能を持だしている。本実施例の場合、白点抑制の
効果は第６図の場合の実施例に比し、刺子低下する。こ
れは、信号読み込みと電荷転送を共通のゲート電極で行
なうため、余剰電荷読み込みパルスφ？の低い間の転送
効率が悪いためである。従って信号読み込み電極と電荷
転送電極が独立した構成の固体撮像装置の場合には、第
６図の実施例と同程度の効果がある。

本実施例を用いるなら、積層型固体撮像装置でない、Ｓ
ｉダイオードと走査回路だけからなる固体撮像装置にも
適用可能である。

次に白点抑制効果をより向上させた本発明の固体撮像装
置の他の実施例を第９図（ａ）　、　（ｂ）を用いて説
明する。第９図（ｂ）は、透明電極に印加するパルスで
あり、鋸歯状波の前に、光導電膜を順バイアス状態にす
るパルスφ、ｂと、鋸歯状波の後に光導電膜の光感度を
低下あるいはなくすようなパルスφ。８を付加している
。このような構成にすると、１ず順バイアスバルブφ　
により、Ｃｊ、ＣＮおよｂびＣｐに蓄わえられていた余剰電荷の一部は光導電膜を
通して流れ、鋸歯状波φ。５期間で処理する余剰電荷を
減少させるとともに、最初の余剰電荷読み込みパルス硬
印加時に、ノード電位Ｖａｔ）が低くなりすぎて多量の
電荷が電荷転送段へ移送されることを防止する働きをす
る。寸だ、光導電膜の光感度をなくすバ°ルスφｎ８は
、信号読み込みパルスφＲの直前まで印加され、鋸歯状
波φｏｂと信号読み込みパルスφＲの期間で生成する光
電荷を抑制する。本実施例の構成の如く駆動した場合、
−白点の抑制倍率および電荷バランスに起因する残像の
抑制は、飽和照度の約１６００倍まで可能であり、実用
上問題のないレベルとなる。この時、鋸歯状波に順バイ
アスパルスφｆｂの機能を持たせることができることは
言う丑でもない。

上記実施例においては、透明電極１７に印加するパルス
中に鋸歯状波を含んでいるが、ゲート電極１３に印加す
るパルス中に含めても同様な効果が得られる。

本発明の実施例においては、電荷転送素子としてＣＣＤ
を用いたが、ＢＢＤを用いても同様な効果が得られる。

また、信号読み込み電極と電荷転送電極が独立した構成
の固体撮像装置においても同様な効果があることは言う
までもない。

さらに、二つ以上の１駆動パルスに鋸歯状波を含めても
同様な動作をさせることは可能である。

本発明の固体撮像装置は従来飽和照度以上の光が入射す
ると発生していた白点現象や残像現象を、通常７使用さ
れる照度範囲で実用上問題にならないレベルまで抑制可
能であり、その産業上の意義は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、走査デバイス上に光導電膜を積層した構成の
固体撮像装置の要部平面図、第２図は第１図の構成の固
体撮像装置の一絵素の断面図、第だめの図、第５図は従
来の駆動方法の欠点を説明するだめの井戸型ボテン／ヤ
ル図、第６図（ａ）＋　［ｂ）は本発明の実施例の固体
撮像装置に爪いるパルス電圧の波形を示す図、第７図は
同装置の動作を説明するだめのボテンンヤル図、第８図
（ａ）　、　（ｂ）は本発明の他の実施例における固体
撮像装置に用いるパルス電圧の波形を示す図、第９図［
ａ）　、　（ｂ）は本発明の他の実施例における固体撮
像装置に用いるパルス電圧の波形を示す図である。１０１１１１１１１１１１１１半導体基板、１１ａ、１
１ｂ、１１Ｃ，２１Ｂ。２１ｂ・・・・・・記領域、１２ａ　、　１２１）・・
・・・・ｎ−領域、１３ａ、１３ｂ、１３Ｃ−−−−−
−ゲート電極、１４　＠＠＠１１１１１１絶縁体、１５
・・・・・・第１電極、１６・・・・・・光導電膜、１
７・・・・・・透明電極、１８・・・・・・入射光、４
０ａ、４ｏｂφ・・・ｅ拳チャネル領域、４１０・・・
・電位膜壁部、４２ａ、４２ｂ・・・・・・転送段の電
荷蓄積部。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図第３図第４図３２良３２７）　３３ｂ　　σ’ｔｂ第６図り一一一１−一一一第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に光電変換領域と信号走査回路とを
有し、前記光電変換領域の信号電荷を読み出す時のパル
ス電圧の波形中に鋸歯状波を含むことを特徴とする固体
撮像装置。
（２）信号走査回路がＣＣＤもしくはＢＢＤによって構
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
項に記載の固体撮像装置。
（３）鋸歯状波が、垂直消去帰線期間中に存在すること
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第（２）
項に記載の固体撮像装置。
（４）鋸歯状波が、信号走査回路の駆動パルス波形中に
存在することを特徴とする特許請求の範囲第（３）項に
記載の固体撮像装置。
（５）光電変換領域が、半導体基板中に形成されたダイ
オード領域と電気的接続を有して形成され、その上部に
透明電極が形成されることを特徴とする特許請求の範囲
第（１）項に記載の固体撮像装置。
（６）鋸歯状波が、透明電極に印加されるパルス波形中
に存在することを特徴とする特許請求の範囲第（３）項
捷たは第（５）項に記載の固体撮像装置。
（７）半導体基板上に、信号走査回路と、複数個のダイ
オードと、上面に透明電極を有しかつ上記ダイオードと
電気的に接続された光導電膜とを有し、前記光電変換領
域の信号電荷を読み出す時のパル固体撮像装置。
（８）鋸歯状波と第一のパルスと第２のパルスが、垂直
消去帰線期間中に存在することを特徴とする特許請求の
範囲第（７）項に記載の固体撮像装置。
（９）透明電極に印加する駆動パルス中に、鋸歯状波ト
、少すくとも第１のパルスと第２のパ／ｌｚ　スノいず
れかのパルスとが存在することを特徴とする特許請求の
範囲第（７）項または第（８）項記載の固体撮像装置。
（１０）信号走査回路の駆動パルスにより、信号の読み
込み動作と、電荷転送動作を同時に行なうことを特徴と
する特許請求の範囲第（７）項に記載の固体撮像装置。