JPS6148307B2 - - Google Patents

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JPS6148307B2
JPS6148307B2 JP51070057A JP7005776A JPS6148307B2 JP S6148307 B2 JPS6148307 B2 JP S6148307B2 JP 51070057 A JP51070057 A JP 51070057A JP 7005776 A JP7005776 A JP 7005776A JP S6148307 B2 JPS6148307 B2 JP S6148307B2
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JP
Japan
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charge
imaging device
potential
junction
region
Prior art date
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JP51070057A
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English (en)
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JPS52152111A (en
Inventor
Yasuo Ishihara
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS52152111A publication Critical patent/JPS52152111A/ja
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  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電荷転送装置を用いた撮像装置の光電
変換特性を制御する方法に関するものである。
一般に撮像装置においてダイナミツクレンズを
大きくするために光電変換のガンマ特性を変化さ
せる方法は信号処理または光学素子等を用いて行
なわれている。
従来電荷転送装置特に電荷結合素子(CCD)
を用いた撮像装置の光電変換特性制御方法につい
ては特開昭50―76918号、或いは1976年アイイー
イーイ インターナシヨナル ソリツドステート
サーキツト カンフアレンス(IEEE
International Solid―State Circuits
Conference)のダイジエスト オブテクニカル
ペーパー(Digest of Technical Papers)第38
頁乃至第39頁(Method for Varying Gamma in
Charge―Coupled Imagers)に見られるように
CCD撮像装置の光情報を蓄積する電荷蓄積電極
のバイアス電圧を電荷蓄積期間の初期より終点時
の電極電位を大きくすることにより電荷転送撮像
装置のダイナミツクレンジを広げる方式が提案さ
れている。しかしこの従来の方式において蓄積期
間における最大蓄積電荷量は蓄積電極電位によつ
て決まり、最大蓄積電荷量以上の電荷が発生した
場合、その電荷は基板内に掃き出される。しかし
この掃き出された過剰電荷は基板内を拡散して飽
和した絵素近傍の電位井戸へ吸収される。これは
当業者において知られているブルーミング現象で
撮像装置としては好ましくない。蓄積期間の終点
近くで蓄積電極の電位を大きくするとすでに飽和
している電位井戸は再び電荷蓄積をする。従つて
従来の撮像方式による撮像画面を観察すると光強
度の高い入射像ではブルーミング現象(完全に飽
和はしていない)の上に光の強い部分の画像が現
れるため見苦しい撮像画面になる欠点があつた。
本発明の目的はかかる欠点を除いた新規の電荷
転送撮像装置の光電変換特性制御方法を提供する
ことにある。
本発明によれば、電荷転送撮像装置で、撮像領
域の各チヤネルを分離するチヤネルストツプ領域
内に各絵素を構成する電位井戸に蓄積できうる最
大電荷以上の過剰電荷を吸収するようなオーバー
フロードレインを設けて成る電荷転送撮像デバイ
スにおいて電荷蓄積期の初期におけるチヤネルス
トツプ領域の電位障壁の高さが電荷蓄積期間の最
終時点より低く制御することを特徴とする電荷転
送撮像装置の光電変換特性制御方法が得られる。
さらに具体的にはオーバーフロードレインの電圧
を蓄積期間の初期より終点時の方が低くなるよう
な電圧を印加することにより光電変換特性が制御
される、さらには電荷蓄積の期間にオーバーフロ
ードレインの電位を順次2回以上変化させ階段状
に電位を低くすることにより電荷転送撮像装置の
光電変換特性が制御される。
次に本発明の電荷転送撮像装置の光電変換特性
の制御方法について図面を用いて詳細に説明す
る。
第1図は当業者においてすでに知られている電
荷転送装置を用いた撮像装置の一方式でフレーム
転送方式と呼ばれている装置の平面図を示す。第
1図では例としてNチヤネル3相駆動方式で、3
×3絵素のフレーム転送方式撮像装置についての
例であるが実際には任意のm×n絵素の撮像装置
においても基本動作は変らない。
第1図の撮像装置の基本動作を説明する。
半導体単結晶基板の主表面に絶縁層を介して、
一連の電極群が配置されている。電極群は感光ア
レイ、蓄積アレイ、読み出しアレイに分かれてお
り、感光アレイ部の電極12a―12cは線路
A1に電極13a―13cは線路A2に14a―1
4cは線路A3に、また蓄積アレイ部の電極15
a―15cは線路B1に、電極16a―16cは
線路B2に電極17a―17cは線路B3に、さら
に読み出しアレイ部の電極18a―18cは線路
C1に、電極19a―19cは線路C2に、電極2
0a―20cは線路C3にそれぞれ接続され、線
路A1,A2,A3と線路B1,B2,B3と線路C1,C2,
C3はそれぞれ3相パルスが印加され3相駆動電
荷転送装置を形成しいる。さらに第1図において
破線で示す領域121は例えば基板半導体の不純
物濃度を高くしたり、絶縁層を厚くすることによ
り各垂直チヤネル21,22,23を分離したり
装置の活性領域を規定するチヤネルストツプ領域
である。
感光アレイ部のチヤネルストツプ領域内の各絵
素を構成する電位井戸に蓄積しうる最大電荷量以
上の電荷が発生した場合、その過剰電荷を吸収す
る逆バイアスされたP―N接合(オーバーフロー
ドレイン)24が設けられている。
第1図の撮像装置の動作について簡単に説明す
ると、感光アレイの例えばA2線路に正電圧を、
A1,A3を接地電位にするとA2の接続される電極
群13a―13c直下の半導体表面(斜線部)に
電位井戸が形成される。この状態で半導体表面に
光情報パターンを照射すると光の明暗に応じた電
荷(この場合は少数電荷である電子)が各電位井
戸に蓄積される。そして電荷蓄積期が終了したら
線路A1,A2,A3,B1,B2,B3に3相のクロツク
パルスを印加し感光アレイに蓄積した信号電荷を
蓄積アレイに順次転送させる。このとき電極13
c直下の信号電荷が蓄積アレイの17c直下に転
送されるまでパルスを印加する。感光アレイの信
号電荷が蓄積アレイに転送された後、再び感光ア
レイの線路A2に正のパルス電圧を印加して光情
報による電荷を蓄積する。
一方蓄積部に転送された信号電荷は、読み出し
アレイのクロツクに同期して読み出しアレイの信
号電荷がすべて出力部に取り出される1水平期間
中に1クロツク(3電極転送)分のパルスを印加
する。すなわち、蓄積アレイの下の方から垂直転
送チヤネルの信号電荷を並列に読み出しアレイに
転送し読み出しアレイの信号電荷を線路C1,
C2,C3に高速3相パルスを印加することにより
読み出しアレイ中の電荷を出力部25に時系列の
信号として読み出す。
この方法を順次くり返し蓄積アレイの電荷像を
通常のテレビジヨン方式に準じた映像信号として
取り出す既知の方法である。このようなフレーム
転送の動作のとき、オーバーフロードレイン24
のP―N接合は一定の逆バイアスされた状態に保
たれている。
第2図は上述の動作を説明する本発明に最も関
係の深い感光アレイ領域の各線路のパルス電圧波
形及びオーバーフロードレインを示すものであ
る。このとき感光アレイ部の蓄積期間中に蓄積電
極下に蓄積できうる最大電荷量は蓄積期間のパル
ス電圧の高さV1で決定される。
次に本発明の上述した電荷転送装置を用いた撮
像装置の光電変換特性の制御方法について実施例
を用いて説明する。
第3図a,bは本発明を説明する図で、それぞ
れ第1図に示す感光アレイ部の蓄積電極部(A2
線路に接続されている電極13a―13c)の電
荷の転送方向と垂直方向の概略断面と、その電極
直下の表面電位分布を模式的に示した図で、第1
図と同一部分は同一記号を用いてある。例えばP
型半導体基板27の主表面に絶縁層28を介して
電極13が配置されている。絵素の信号電荷を垂
直方向に転送するチヤネル部分26は例えば基板
P型不純物濃度を高くしたチヤネルストツプ領域
21で隣接する垂直チヤネルと分離している。各
チヤネルストツプ拡散領域21内には過剰電荷を
吸収するN型領域のオーバーフロードレイン24
が設けられている。
第3図bは第3図aにおいて電荷蓄積状態すな
わち電極13に正のパルスバイアス、隣接する電
極(第1図における線路A1,A3)に接続される電
極を接地状態にし、オーバーフロードレインを逆
バイアスしたときの表面電位分布29を模式的に
示したものである。曲線30は比較のために隣接
する電極直下の表面電位分布を示してある。
第3図を用いて感光部での光電変換について説
明する。蓄積期間中に蓄積電極下の電位井戸に蓄
積できる最大電荷量は前に述べたように蓄積電極
のパルス電圧によつて決まる。しかし第3図に示
すようなオーバーフロードレインのある撮像装置
では、各絵素が隣接する電極直下の表面電位φp
と蓄積電極直下のチヤネルストツプ領域の表面電
位φcで囲まれる電位井戸のうちそれぞれの表面
電位がφc>φpの関係になるようにチヤネルスト
ツプ領域の不純物濃度分布を制御し、過剰電荷は
すべてチヤネルストツプ領域の障壁φcを越して
オーバーフロードレインに吸収させることにより
前に述べたブルーミングを抑制する。すなわち、
オーバーフロードレインのある電荷転送撮像装置
の各絵素に蓄積できる最大電荷量QTは蓄積電極
のパルス電圧印加したときの表面電位をφsとす
ると次式で表わされる。
QT=Cpx(φs−φc) …(1) ここでCpxは酸化膜容量である。
また蓄積時間を一定として入射光量に対して各
電位井戸内に発生蓄積される電荷は比例する。す
なわちガンマは1であることも知られている。
また第3図においてオーバーフロードレインの
電圧を高くする(逆バイアス電圧を大きくする)
とオーバーフロードレインのフリンジング電界に
よつてチヤネルストツプ領域の表面電位φcが変
調され第3図bの曲線31のような表面電位にな
りチヤネルストツプ領域の表面電位はφc〜φc′
に変化する。言いかえるとオーバーフロードレイ
ンの電圧によつてφcが変化するため(1)式から理
解できるように蓄積最大電荷量を制御できる。
次に第4図のパルス波形を用いて本発明の光電
変換特性制御について説明する。電荷蓄積電極1
2は電荷蓄積期間中一定のV1の電位に保つてお
きオーバーフロードレインの電位を蓄積期の初期
は高くVD1に保持する。このときのチヤネルスト
ツプ領域の表面電位をφc′とすると蓄積初期にお
ける蓄積最大電荷量QT′はCpx・(φs−φc′)で
ありそれ以上発生した電荷はオーバーフロードレ
インに吸収される。また蓄積期間t0〜t1の任意の
点t1からオーバーフロードレインの電位をVD2に
変化させるとチヤネルストツプ領域の表面電位が
φc′→φcと小さくなり(隔壁電位は大きくな
る)最大蓄積電荷量は(1)式からCpx(φc−φ
c′)だけ大きくなる。従つて蓄積初期期間t0〜t1
間ですでに飽和電荷量に達していた絵素も再び光
情報によつて発生する信号電荷を蓄積できる。こ
のときの入射光量に対する蓄積電荷量の変化を示
し光電変換特性を第5図の実線に示してある。比
較のために従来の光電変換特性を破線で示した。
第5図から撮像可能な入射光範囲が本発明によ
る上述の方法によつて拡大されることが理解でき
る。
第6図は本発明の他の実施例を説明するオーバ
ーフロードレインの蓄積期間中のパルス波形で蓄
積期間t0〜t3中にオーバーフロードレインの電位
をt1,t2と2回変化させると光電変換特性は第7
図に示すように3点の折れ曲がり点ができ、さら
に撮像可能な入射光範囲を拡大することができ
る。また第4図,第6図に示すオーバーフロード
レインの電圧を変化させることによつて輝度の高
い画面のコントラストも調整できる。
以上説明したように本発明によれば過剰電荷を
吸収するオーバーフロードレインを設けた電荷転
送撮像装置において蓄積期間中オーバーフロード
レインの電圧を蓄積期の初期より蓄積期間終点の
電圧を小さくすることによりブルーミング現象の
ない撮像装置の光電変換特性を任意に制御でき
る。
なお、本実施例では二次元のフレーム転送方式
撮像装置について説明したが他の方式の二次元撮
像装置または一次元電荷転送撮像装置にも適用で
きることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用する撮像装置の一実施
例、第2図は第1図に示す実施例に用いる感光部
のパルス波形、第3図は、第1図に示す感光アレ
イ中の電荷蓄積領域の水平方向一部断面図aとそ
の直下の表面電位分布を示す、第4図,第6図は
本発明に用いるオーバーフロードレインのパルス
波形、第5図,第7図は本発明により得られる撮
像装置の光電変換特性を示すものである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 電荷転送素子を用いた撮像装置で、撮像領域
    の転送チヤネルを分離する基板半導体と同一導電
    型で前記基板半導体の不純物濃度より高いチヤネ
    ル分離領域内に前記基板半導体と反対の導電型領
    域を設けてP―N接合を形成し、前記撮像装置の
    絵素を構成する電位井戸に蓄積できる最大電荷量
    以上の過剰電荷を前記P―N接合に吸収する電荷
    転送撮像装置において、電荷蓄積期間に前記P―
    N接合に印加する逆バイアス電圧を前記電荷蓄積
    期間の初期より前記蓄積期間の終期に低くするこ
    とを特徴とする電荷転送撮像装置の光電変換特性
    制御方法。
JP7005776A 1976-06-14 1976-06-14 Photoelectric conversion controller of charge transfer pickup device Granted JPS52152111A (en)

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JPS5726971A (en) * 1980-07-24 1982-02-13 Sanyo Electric Co Ltd Solidstate image sensor
JPS586682A (ja) * 1981-07-06 1983-01-14 Sony Corp 固体撮像装置
JPS59104550U (ja) * 1982-12-29 1984-07-13 ソニー株式会社 固体撮像素子
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