JPS62181580A - 固体撮像素子の駆動装置 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、電子スチルカメラやビデオカメラ等の固体撮
像素子として使用されるインターライン転送型ＣＣＤの
駆動装置に関し、特に固体搬像素子自身にシャッター機
能をもたせて電子シャッターとして作動させるインター
ライン転送型ＣＣＤの駆動装置に関する。

（発明の背景） 従来、電子スチルカメラに使用される固体撮像素子とし
ては、受光部以外での光信号電荷の一時記憶が可能で且
つ低スミア比をもったインターライン転送型ＣＣＤが使
用されており、このインターライン転送型ＣＣＤにおけ
る電子シャッター機能は、受光部における光信号電荷の
蓄積と排出を制御するオーバーフロードレイン（以下ｒ
ＯＦＤＪという）及びオーバーフローコントロールゲー
ト（以下ｒＯＦｃＧＪという）を使って行なっている（
特開昭５６−４４２７１号）。

即ち、ＯＦＤと０ＦＣＧは受光部で過剰な光信号電荷が
発生した時にブルーミング現象が起きないように余分な
電荷を排出する働きがあり、更に、０ＦＣＧ電圧を調整
することにより受光部で蓄積可能な信号電荷の量を制御
することができる。そこで、電子シャッターとしては、
０ＦＣＧ電圧を時間的に、受光部で信号電荷を蓄積でき
ない状態と、通常の蓄積可能な状態とに制御することで
受光部の露光時間を決め、固体撮像素子自身でシャツタ
ー機能が実現できるようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、近年、固体搬像素子の高解像度化により
受光部の数が増加し、受光部数の増加に伴ないトランス
ファゲートや０ＦＣＧ構造の簡素化が行なわれ、単独に
は０ＦＣＧをコントロールできないインターライン転送
型ＣＣＤが出現している。

このような０ＦＣＧを単独でコントロールできない固体
搬像素子について、従来のような０ＦＣＧ電圧の制御に
よる固体搬像素子自身でのシャッター機能を実現するこ
とは多大な困難を伴ない、旧来のメカニカルシャッター
に依存しなければならないという問題があった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、０ＦＣＧ（オーバーフローコントロールゲート）
を使用せずに固体搬像素子自身にシャッター機能をもた
せることのできるインターライン転送型ＣＣＤの駆動装
置を提供することを目的とする。

（発明の概要） この目的を達成するため本発明にあっては、光信号電荷
を蓄積する受光部にＭＯＳダイオード構造を有し、０Ｆ
ＣＧ単独でのコントロールができない構造のインターラ
イン転送型ＣＣＤの駆動装置として、受光部の状態を制
御するセンサゲート電圧を、信号電荷を蓄積するポテン
シャル状態（反転型）と信号電荷をセンサー基板に排出
するポテンシャル状態（蓄積型）とに時間的に制御し、
露光開始に先だって行う受光部の不要電荷の排出を、受
光部の状態を制御するセンサゲート電圧を蓄積型に制御
すると共に垂直転送部の不要電荷の排出を高速電荷転送
によって行い、受光部からの不要電荷排出の時点から垂
直転送部へ光信号電荷を転送する時点までの期間をシャ
ッタータイムとしたことを技術的要点とする。

（実施例） 第１図は本発明の駆動装置が適用されるインターライン
転送型ＣＣＤの概略説明図である。

第１図において、１は受光部であり、この受光部１はｐ
−ｎ接合フォトダイオードではなく、ＭＯＳダイオード
を使用して光電変換された信号電荷を蓄える構造となっ
ている。２は垂直転送部であり、受光部１の信号電荷を
水平転送部３へ転送する。水平転送部３は垂直転送部２
より転送された水平１ラインの信号電荷をフローティン
グディフュージョンアンプ４に転送する。フローティン
グディフュージョンアンプ４は水平転送部３から送られ
てきた信号電荷を信号電圧に変換して出力する。

一方、５はＯＦＤ及び０ＦＣＧであり、垂直転送部２で
転送可能な電荷以上の信号電荷が受光部１で発生したと
き、過剰な電荷を排出する働きをする。このＯＦＤ及び
０ＦＣＧは単独でコントロールすることができず、０Ｆ
ＣＧ電圧の制御によるシャッタータイムの設定はできな
い。

第２図は第１図に示した受光部１及び垂直転送部２を含
む■−■断面構造及びそのポテンシャル構造を示す。

まず、第２図（ａ　＞の断面構造において、アルミニウ
ム７は垂直転送部２の遮光を行なっており、このアルミ
ニウム７の下にセンサゲート（以下ｒｓＧＪという〉を
形成する透明なポリシリコン電極８ａが設けられている
。また、酸化シリコン（Ｓ！　０２　＞９に囲まれてい
るポリシリコン電極８ｂは垂直転送部２の電極となる。

このような断面構造において、トランスファゲートは垂
直転送部２のポリシリコン電極８ｂが兼ねており、ポリ
シリコン電極８ｂの電極電圧を３準位で動作させ、最も
高い電圧のときにトランス７７グートとしての働きを果
たすようになっている。また、０ＦＣＧ５ａはポリシリ
コン電極８ａで形成されたＳＧと共通になっており、従
って０ＦＣＧ５ａを単独に制御することはできない。

更に受光部１の構造を見ると、ポリシリコン電極８ａで
なるＳＧと酸化シリコン（Ｓｉ０２）９及びＰ型シリコ
ン基板１０の積層構造をもち、ｐ−ｎ接合のフォトダイ
オードではなく、ＭＯ８構造のフォトダイオードを形成
している。尚、表面には透明保護膜１１が形成されてい
る。

ここで、受光部１となるＰ型シリコン基板１０のＭＯ３
構造におけるゲート電圧による電荷分布を示すと、第３
図に示すようになる。

第３図（ａ　）は、ＳＧ電極に＋ＶＯの電圧を加えたと
きのポテンシャル状態と電荷分布状態であり、電子はＰ
型シリコン１０と酸化シリコン（Ｓ！０２）９の界面に
蓄えられる。但し、Ｐ型シリコン基板１０の電位はＯＶ
としている。この電極電圧を直流的にとらえた場合、界
面に蓄えられる電子は熱励起によって生ずる電子となる
が、ＣＣＤの場合は電極電圧をパルス的に加え、熱的に
非定常状態で動作させることで熱励起電子の発生を防ぎ
、光による信号電荷のみをＰ型シリコン基板１０と酸化
シリコン（Ｓｉ０２）９の界面に蓄えている。この第３
図（ａ　＞に示す信号電荷の蓄積状態が反転型と呼ばれ
ている。

これに対し、センサゲートを構成するポリシリコン電極
８ａに−Ｖ（Ｊの電圧を加えたときのポテンシャル状態
と電荷分布状態を第３図（ｂ　）に示す。

電子はＰ型シリコン基板１０と酸化シリコン（Ｓｉ　０
２　）９との界面からＰ型シリコン基板１０内（紙面右
方〉に追いやられ、これに代わってホールが界面部分に
蓄えられる。この状態は蓄積型と呼ばれている。このよ
うに、センサゲート電圧−Ｖｇの印加で蓄積型の状態に
すると、信号電荷の電子をＯＦＤへ排出しなくても基板
側へ全て排出することができ、受光部において信号電荷
の全くない状態をセンサゲート電圧を一■すに制御する
ことで実現できる。

即ち、第３図（ｂ）に示した蓄積型の状態に制御するこ
とで受光部にある不要電荷を基板側に全て排出し、更に
、垂直転送部の高速電荷伝送を行なうことにより、該基
板側への排出動作の際に垂直転送部へ回り込んだ不要電
荷をも排出して、露光開始に先立つセンサー内の全ての
不要電荷を除去し、固体搬像素子自信で良好なシャッタ
ー機能を備え得るようにした駆動装置を与えるものであ
る。

第４図は第３図に示したセンサゲートによる反転型と蓄
積型の状態の制御及び、垂直転送部の高速電荷転送によ
りシャッタータイムを制御するための電子スチルカメラ
におけるインターライン転送型ＣＣＤを駆動する駆動パ
ルスのタイミングチャートを示す。

第４図において、センサゲート電圧ＳＧにより第３図に
示した反転型と蓄積型の状態を制御することができ、セ
ンサゲート電圧ＳＧがＨレベルのとき、即ちセンサゲー
トに＋Ｖｇを印加したときに第３図（ａ　”）に示す受
光部の反転型の状態が得られて光信号電荷の蓄積が可能
となり、一方、センサゲート電圧ＳＧがＬレベル、即ち
−Ｖｇのとき、第３図（ｂ　）に示す蓄積型の状態とな
って受光部に発生した光信号電荷を基板内へ捨てること
ができる。

ところで、実際のＣＣＤ駆動にあっては、第２図（ａ　
）の断面構造から明らかなように、受光部１のポリシリ
コン電極８ａで与えられるＳＧのポテンシャルが回りの
垂直転送部２等のポテンシャル状態と深く関係している
ため、ＳＧ雷電圧コントロールだけでなく、ポリシリコ
ン電極８ａで与えられる垂直転送ゲート電圧のコントロ
ールも必要となる。

このＳＧ雷電圧コントロールに対応した垂直転送ゲート
電圧のコントロールによる各部分のポテンシャル状態を
第２図（ｂ　）〜（ｄ　）のポテンシャル状態図をもっ
て説明する。

まず、通常のビデオ動作時には、受光部１のＳＧに電極
電圧＋Ｖａを常に加えているため、第２図（ｂ　）に示
すように、ＴＧ６のポテンシャルは受光部１及び０ＦＣ
Ｇ５ａのポテンシャルより高い状態にある。

しかし、受光部１のＳＧ雷電圧けを−Ｖｇに変えると、
第２図（Ｃ）に示すように受光部１のポテンシャルだけ
が破線で示す状態に変化し、受光部１及び０ＦＣＧ５ａ
のポテンシャルよりＴＧ６のポテンシャルの方が低くな
り、受光部１から垂直転送部２へ電荷の漏れ込みを生ず
る。そのため、受光部１のポテンシャルよりＴＧ６のポ
テンシャルを高くする必要があり、垂直転送部２に加え
る電圧についてもＳＧ雷電圧り低い電圧を与えてポテン
シャルを高くする必要がある。このように、垂直転送部
２に負の電圧を与えたときのポテンシャル状態を第２図
（ｄ　）に破線で示す。この破線で示すポテンシャル状
態が得られれば、受光部１のポテンシャルは必ず周囲の
ポテンシャルより低い状態におり、ゲート部界面からの
直接の信号の漏れ込みを完全に阻止することができる。

以上の受光部にＭＯＳダイオード構造を有するインター
ライン転送型ＣＣＤの駆動原理に基づいて、第４図のタ
イムチャートに示した本発明の駆動装置を説明すると、
次のようになる。

まず、ＶＤは垂直同期信号であり、垂直同期信号ＶＤの
立上りでフィールドが変わる。シャッター釦を押すとレ
リーズ信号が入り、次の垂直同期信＠ＶＤの立上りから
始まるフィールド内で所定の制御が行なわれる。露光前
のタイミングＴ１では、垂直転送電極の電圧が全て負の
電圧領域で動作している事を除けば、通常のビデオ動作
と同じであり、この時点Ｔ１における界面のポテンシャ
ル状態では、第５図（Ｔ１）に示すように、ＴＧ６のポ
テンシャルが受光部及び０ＦＣＧ５ａのポテンシャルよ
り高い状態にある。

次に、シャッタータイムの開始時点Ｔ３より所定の時間
前の時点Ｔ２より時点子３までの期間（Ｔ２から工３ま
で）ＳＧ雷電圧負にし、この負電圧により受光部からの
不要電圧を排出する。

この排出動作によれば、時刻Ｔ２でのポテンシャル状態
を示す第５図（Ｔ２）と時刻Ｔ３でのポテンシャル状態
を示す第５図（Ｔ３）のように、受光部に蓄積されてい
た不要電荷ｅ１は受光部から基板側に吐き出されるが、
垂直転送部の界面より奥のポテンシャルが基板より低い
ため、排出されるべき電荷の一部が垂直転送部へ回り込
む。

そこで、この垂直転送部へ回り込んだ不要電荷ｅ’ｌを
センサ外部へ吐き出すため、時点Ｔ２から時点Ｔ４まで
の間では垂直転送ゲート電圧Ｖｌ。

Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４の全てを負の電圧領域で動作させ、こ
の時点Ｔ４でのポテンシャル状態は第５図（丁４）のよ
うになるので、垂直転送部の高速電荷転送を行なう。こ
の高速電荷転送により不要電荷ｅ’１がセンサ外部に読
み出され後の時点Ｔ５において、垂直転送ゲート電圧Ｖ
１を３準位内の最も高いＨレベル状態に制御し、第５図
（Ｔ５）に示すように受光部のポテンシャルを垂直転送
部側より高することで、受光部に蓄積した信号電荷ｅ２
を垂直転送部へ転送する。

こうして、垂直転送部へ転送された電荷は、以後通常の
ビデオ動作と同様に読み出され、この時点Ｔ６でのポテ
ンシャルは第５図（Ｔ６）に示すようになる。

以上に説明したように、時点Ｔ３より信号電荷が蓄積さ
れ始め、時点Ｔ６においてトランスファゲートパルスの
印加が終了し、この時点Ｔ３からＴ６までの期間をシャ
ッタータイムＴとし、該シャタータイム下内でのＶＤの
立上がりから信号読み出し期間となる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、光信＠電荷を
蓄積する受光部にＭＯＳダイオード構造を有し０ＦＣＧ
単独でのコントロールができないために、０ＦＣＧによ
るシャッター機能を実現するためには非常な困難を伴う
構造をもったインターライン転送型ＣＣＤについて、０
ＦＣＧを用いずに受光部の状態を制御するセンサゲート
電圧を信号電荷を蓄積する状態と信号電荷をＭＯＳダイ
オードの基板深部に排出する状態とに時間的に制御する
と共に垂直転送部の高速電荷転送を行って全ての不要電
荷排出を可能とし、該センサゲート電圧の制御時点から
垂直転送部へ光信号電荷を転送する時点までの期間をシ
ャッタータイムと設定するようにしたため、０ＦＣＧを
用いずに簡単に固体撮像素子自身によるシャッター機能
を実現することができる。また、ＯＦＤ及び０ＦＣＧの
簡素化で、より高密度化された受光部をもつＣＣＤであ
りながらメカニカルなシャッターをもたない電子スチル
カメラを実現することができ、カメラの高解像度化、コ
ストダウンに大きく寄与するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の駆動装置が適用されるインターライン
転送型ＣＣＤの概略図、第２図は第１図の■−■断面と
そのポテンシャル状態を併せて示した説明図、第３図は
第１図の受光部における信号電荷の蓄積と排出の原理を
示した電荷分布図、第４図は電子スチルカメラについて
の本発明の駆動装置の一実施例を示したタイミングチャ
ート、第５図は第４図のタイミング下１〜Ｔ６における
ポテンシャル状態図である。 １：受光部 ２：垂直転送部 ３：水平転送部 ４：フローティングディフュージョンアンプ５：０ＦＣ
Ｇ及び０ＦＤ ５ａニオ−バーフローコントロールゲート（ＯＦＣＧ＞ ５ｂニオ−バーフロードレイン（ＯＦＤ）６：トランス
ファゲート（工Ｇ） ７：アルミニウム ８ａ　：ポリシリコン電極（センサゲート５Ｇ）８ｂ：
ポリシリコン電極（垂直転送ゲート）９：酸化シリコン
（Ｓｉｎ） １０：Ｐ型シリコン基板 １１：透明保護膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光信号電荷を蓄積する受光部にＭＯＳダイオード構造を
   有するインターライン転送型ＣＣＤの駆動装置において
   、 前記受光部の状態を制御するセンサゲート電圧を蓄積型
   に制御すると共に垂直転送部の高速電荷転送を行うこと
   により、露光開始前の受光部の不要電荷を排出する制御
   手段を備えることを特徴とするインターライン転送型Ｃ
   ＣＤの駆動装置。