JP3689866B2

JP3689866B2 - Ｃｍｄ及びｃｍｄ搭載ｃｃｄ装置

Info

Publication number: JP3689866B2
Application number: JP2002157918A
Authority: JP
Inventors: 俊二嘉志摩; 恭一矢幡; 泉小林
Original assignee: 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: US20030223531A1; JP2003347317A; US6862333B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）に係わり、より詳細にはＣＭＤ（Charge Multiplying Device）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤは、周知のように、半導体基板の表面付近に信号電荷を蓄積してこの信号電荷をつぎつぎと転送していくことができる半導体デバイスである。一方、ＣＭＤは、１９９４年８月９日付け発行の米国特許第５，３３７，３４０号で開示された発明に係わるもので、ＣＣＤセル内で電荷増倍または信号増幅機能を奏することができるＣＣＤ応用の半導体デバイスである。
【０００３】
図１０に、ＣＭＤの仕組みを示す。ＣＭＤの基本単位またはＣＭＤユニットＵ_CMDとして、図示のように、シリコン基板上に絶縁膜たとえばシリコン酸化膜１００を介して複数個たとえば４個の電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4が一列に配置される。これらの電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4には図１１に示すような位相およびサイクル関係を有する駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4がそれぞれ印加される。これらの駆動電圧のうち、Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4はクロック動作のパルス電圧として与えられ、Ｐ3は一定レベルの直流電圧として与えられる。ここで、特徴的な点は、電極Ｇ4に対する駆動電圧Ｐ4が他の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3と比較して著しく高いＨレベル電圧（Ｖ_CMG）を有することである。一例として、Ｐ1，Ｐ2がＨレベル＝５Ｖ、Ｌレベル＝−４Ｖに設定され、Ｐ3が０Ｖ（グランド電位）に設定されるとき、Ｐ4はＨレベル（Ｖ_CMG）＝１４Ｖ、Ｌレベル＝１．５Ｖに設定される。
【０００４】
駆動電圧Ｐ2がＨレベルで駆動電圧Ｐ1がＬレベルになっている時は、図１０に示すように、シリコン基板表面上の信号電荷は電極Ｇ1の下から電極Ｇ2の下に移され、電極Ｇ1の下には浅いポテンシャルで画素分離障壁（Pixel Separation Barrier）１０２が形成されるとともに、電極Ｇ2の下には比較的深いポテンシャルで一時蓄積井戸（Temporary Storage Well）１０４が形成される。この時、電極Ｇ3の下には、上記画素分離障壁１０２よりも幾らか深いポテンシャルで電荷転送障壁（Charge Transfer Barrier）１０６が形成されている。
【０００５】
この状態の下で、駆動電圧Ｐ4がＬレベルからＨレベルに変わると、電極Ｇ4の下に非常に深いポテンシャルで、つまり一時蓄積井戸１０４よりも数倍以上深いポテンシャルで、電荷収集井戸（Charge Collection Well）１０８が形成される。そして、直後にＰ2がＨレベルからＬレベルに変わると、一時蓄積井戸１０４のポテンシャルが点線１０４’のレベルまで持ち上がる。そうすると、電極Ｇ2直下の一時蓄積井戸１０４に蓄積されていた信号電荷が、横方向つまり転送方向の高電界の下で、電荷転送障壁１０６の上を通って電極Ｇ4直下の電荷収集井戸１０８に引き込まれ、この井戸１０８の中でシリコン原子（Ｓi）と勢いよく衝突することで、電子−正孔対の二次電子を発生させる。いわゆるインパクトイオン化（Impact Ionization）である。このインパクトイオン化によって発生した電子−正孔対のうち、正孔はシリコン基板の奥または付近の電極に吸収され、電子は電荷収集井戸１０８の中に留まる。
【０００６】
こうして電荷収集井戸１０８で電荷増倍（Charge Multiplication）が行われる。次に、駆動電圧Ｐ1がＬレベルからＨレベルに変わると、図示省略するが、電極Ｇ1の下に一時蓄積井戸１０４が形成される。その直後に駆動電圧Ｐ4がＨレベルからＬレベルに変わると、電荷収集井戸１０８の底が持ち上がるようにして一時蓄積井戸１０４よりも浅くなり、電荷収集井戸１０８から信号電荷が電極Ｇ1の下に移動する。以後、上記と同様の動作が繰り返される。
【０００７】
このように、共通のクロックに同期した同一サイクルまたは周期の駆動電圧（パルス）Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4が所定の位相差をもってそれぞれ対応する電極Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4に与えられ、ＣＭＤユニットＵ_CMDにおいては１サイクル毎に１画素分の転送と電荷増倍が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＣＭＤは、上記のようなＣＭＤユニットＵ_CMD（Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4）を電荷転送方向に多段に（繰り返して）配列し、各ユニットＵ_CMDで１サイクル毎に上記のようなインパクトイオン化による電荷増倍動作を行う。したがって、ＣＭＤを通過する信号電荷はＣＭＤユニットＵ_CMDの段数（総数）に等しい回数だけインパクトイオン化（電荷増倍）を受ける。かかる従来のＣＭＤでは、ＣＭＤ全体の信号増幅率を制御するために、電極Ｇ4に対する電荷収集井戸バイアス電圧つまり駆動電圧Ｐ4のＨレベル電圧（Ｖ_CMG）を可変制御する。
【０００９】
しかしながら、図１２に示すように、ＣＭＤにおける電荷増倍率は電荷収集井戸バイアス電圧（Ｖ_CMG）に対して急峻に変化する特性を示し、大きな増幅率が得られるレンジではバイアス電圧（Ｖ_CMG）のわずかな変化によって増幅率が激しく変動する。このため、電圧制御によって信号増幅率を精細に制御することは非常に難しい課題となっている。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、信号増幅率の制御を簡単かつ精細に行えるＣＭＤおよびＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のＣＭＤは、半導体基板上に絶縁膜を介して複数個の電極を配列し、前記複数個の電極に位相の異なる一組の駆動電圧を印加し、インパクトイオン化を生じさせるための第１相の駆動電圧を他相の駆動電圧に比して間欠的に与える構成とした。
【００１２】
本発明のＣＭＤでは、第１相の駆動電圧の間欠サイクルを可変制御することにより、電極列の下で半導体基板上を転送する信号電荷に対してインパクトイオン化を施す周期または回数を調整し、電荷増倍率または信号増幅率を任意に調整することができる。
【００１３】
本発明のＣＭＤにおいて、好ましくは、１つの画素の信号電荷が前記複数個の電極を一端から他端まで通過する間に前記他相の駆動電圧が与えられる回数をＭ、前記第１相の駆動電圧の１サイクルに含まれる前記他相の駆動電圧のサイクル数をＮとすると、ＮはＭの約数としてよい。この条件を満たすことにより、ＣＭＤを通過する全ての画素の信号電荷に対して同一回数の間欠的インパクトイオン化（電荷増倍）を施し、バラツキのない均一な信号増幅率を得ることができる。
【００１４】
また、好ましい一態様として、信号電荷の転送方向において、前記第１相の駆動電圧を印加する第１の電極の下流側隣に第２の電極を配置し、前記第２の電極の下流側隣に第３の電極を配置し、前記第３の電極の下流側隣に前記第１の電極を配置し、前記第２および前記第３の電極にはその直下に信号電荷を一時的に蓄積するためのポテンシャル井戸と相前後する画素間での信号電荷の混合を防止するためのポテンシャル障壁とを所定のタイミングで交互に形成するための第２相および第３相の駆動電圧をそれぞれ印加する構成としてよい。かかる構成においては、信号電荷が第３の電極の下から第１の電極の下に移動する際に第１の電極に対する第１相の駆動電圧がアクティブなレベルになると、第１の電極の直下付近でインパクトイオン化が起こり、１回分の電荷増倍が行われる。第１の電極と第２の電極との間、第２の電極と第３の電極との間では通常の電荷転送が行われる。
【００１５】
また、好ましい一態様として、前記第３の電極と前記第１の電極との間に第４の電極を配置し、前記第４の電極にはその直下に電荷転送用のポテンシャル障壁を形成するための直流電圧を印加する構成も可能である。
【００１６】
また、好ましくは、信号増幅率を調整するために前記Ｎの値を可変制御するサイクル数制御手段を有してよく、さらには前記第１相の駆動電圧のアクティブな電圧レベルを可変制御する駆動電圧制御手段を有してもよい。
【００１７】
本発明のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置は、本発明のＣＭＤと、前記ＣＭＤの入力端の電極および／または出力端の電極との間で信号電荷を直接に転送可能に接続されたＣＣＤを有する。
【００１８】
本発明のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置では、ＣＭＤとその前段および／後段に直結されたＣＣＤとが同期して信号電荷を同一方向に転送し、ＣＣＤでは通常の電荷転送動作だけが行われ、ＣＭＤでは電荷転送動作と本発明による間欠的電荷増倍動作が行われる。
【００１９】
本発明のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置において、好ましくは、前記ＣＣＤが、前記第２相の駆動電圧および前記第３相の駆動電圧をそれぞれ印加される第５および第６の電極を交互に配置してなる。この場合、信号電荷を転送する方向において前記第６の電極と前記第５の電極の間に前記直流電圧を印加される第７の電極を有する構成も可能である。
【００２０】
また、好ましい一態様として、前記ＣＭＤの入力端側に接続される前記ＣＣＤが、複数個の前記電極に信号電荷をパラレルに入力し、入力した前記信号電荷を前記ＣＭＤに向けてシリアルに出力するパラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤを含む構成であってよい。この場合、前記パラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤの出力端と前記ＣＭＤの入力端との間に接続されるシリアル入力／シリアル出力型のＣＣＤを含む構成も好ましい。さらに、１つの画素の信号電荷が前記シリアル入力／シリアル出力型のＣＣＤを通過する際に前記第２相および第３相の駆動電圧が与えられるサイクル数をＫとすると、ＫはＮの倍数とする構成も好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００２２】
図１に、本発明の一実施形態におけるＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置の基本構成を示す。このＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置１０は、図示のようにＣＭＤ１２の前段（入力側）および／または後段（出力側）にＣＣＤ１４，１６を直列に接続する。ここで、ＣＭＤ１２およびＣＣＤ１４，１６は同一または共通の半導体基板上に同一のプロセスで形成されてよく、基板表面上で前段ＣＣＤ１４の出力端の電極の下からＣＭＤ１２の入力端の電極の下に信号電荷が直接に転送され、ＣＭＤ１２の出力端の電極の下から後段ＣＣＤ１６の入力端の電極の下に信号電荷が直接に転送されるようになっている。後段ＣＣＤ１６の出力端には信号電荷を電気信号に変換するための出力部が設けられており、該出力部より取り出された電気信号は増幅器１８で増幅されてから出力されるようになっている。前段ＣＣＤ１４は、入力信号または電荷をシリアルに入力する形態だけでなく、パラレルに入力する形態も可能である。また、後段ＣＣＤ１６は、出力信号または電荷をシリアルに出力する形態だけでなく、パラレルに出力する形態も可能である。
【００２３】
ＣＭＤ１２は、１単位で電荷増倍動作の可能なＣＭＤユニットＵを直列に複数段たとえばＭ段（Ｕ1〜Ｕ_M）配列してなる。各段のＣＭＤユニットＵiは、たとえば図１０のユニットＵ_CMDと同様の構成、つまりシリコン基板上に絶縁膜たとえばシリコン酸化膜１００を介して複数個たとえば４個の電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4を一列に配置してなる構成でよい。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、これらの電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4には図２に示すようなタイミング（位相およびサイクル）関係を有する駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4がそれぞれ印加される。これらの駆動電圧のうち、Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4はクロック動作のパルス電圧として与えられ、Ｐ3は一定レベルの直流電圧として与えられる。駆動電圧Ｐ1，Ｐ2は、１サイクル毎に１画素の信号電荷を１ユニット分だけ転送するような位相差を有している。インパクトイオン化のための電極Ｇ4に対する駆動電圧Ｐ4のＨレベル（Ｖ_CMG）は、他の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3と比較して著しく高い電圧値に設定される。たとえば、Ｐ1，Ｐ2がＨレベル＝５Ｖ、Ｌレベル＝−４Ｖに設定され、Ｐ3が０Ｖ（グランド電位）に設定されるとき、Ｐ4はＨレベル（Ｖ_CMG）＝１４Ｖ、Ｌレベル＝１．５Ｖに設定されてよい。
【００２５】
この実施形態において特徴的なことは、インパクトイオン化のための電極Ｇ4に対する駆動電圧Ｐ4が他相の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2に比して間欠的に与えられる点である。つまり、転送クロックの１サイクルの時間（周期）をＴckとすると、駆動電圧Ｐ1，Ｐ2の１サイクルはＴckであるのに対して、駆動電圧Ｐ4の１サイクルはＮＴck（Ｎは２以上の整数）である。
【００２６】
したがって、各段のＣＭＤユニットＵiにおいては、各Ｎサイクル中の１サイクル内でのみ図１０につき上述したようなインパクトイオン化による電荷増倍が行われ、各Ｎサイクル中の他の全てのサイクルではインパクトイオン化の電荷増倍が行われることなく通常の電荷転送動作つまりＣＣＤ転送動作が行われる。
【００２７】
この実施形態では、たとえば図２の時刻ｔ1，ｔ2，ｔ3の時間に各段のＣＭＤユニットＵiにおいてＣＣＤ転送動作が行われる。図３〜図５につきこのＣＣＤ転送動作の作用を説明する。
【００２８】
図２において、時刻ｔ1では、Ｐ1がＬレベル、Ｐ2がＨレベル、Ｐ4がＬレベルである。この時は、図３に示すように、シリコン基板表面において、電極Ｇ2の下に比較的深いポテンシャルで一時蓄積井戸１０４が形成され、直前に電極Ｇ1の下から移動して来た信号電荷がこの井戸１０４の中に一時的に蓄積される。電極Ｇ1の下には浅いポテンシャルで画素分離障壁１０２が形成され、電極Ｇ3の下には画素分離障壁１０２よりも幾らか深いポテンシャルで電荷転送障壁１０６が形成され、電極Ｇ4の下には電荷転送障壁１０６よりも幾らか深いポテンシャルで電荷転送井戸またはバッファ１１０が形成される。
【００２９】
この状態から駆動電圧Ｐ2がＨレベルからＬレベルに変わると、電極Ｇ2の下で一時蓄積井戸１０４の底が点線１０４’のレベルまで持ち上がって、この井戸１０４に蓄積されていた信号電荷が画素分離障壁１０６を越えて電極Ｇ4の下の電荷転送バッファ１１０側に移動する。
【００３０】
次に、駆動電圧Ｐ1がＬレベルからＨレベルに変わって、時刻ｔ2では、図４に示すように、シリコン基板表面において、電極Ｇ1の下に一時蓄積井戸１０４が形成され、電極Ｇ4直下の電荷転送バッファ１１０を通って移動した来た信号電荷がこの一時蓄積井戸１０４に蓄積される。なお、当該ＣＭＤユニットＵiの電極Ｇ4直下の電荷転送バッファ１１０から信号電荷が下流側隣のＣＭＤユニットＵi+1の電極Ｇ1直下の一時蓄積井戸１０４へ移動する一方で、上流側隣のＣＭＤユニットＵI-1の電極Ｇ4直下の電荷転送バッファ１１０からの信号電荷（後続画素に対応する信号電荷）が当該ＣＭＤユニットＵiの電極Ｇ1直下の一時蓄積井戸１０４に移動してくる。
【００３１】
次に、駆動電圧Ｐ2がＬレベルからＨレベルに変わって、時刻ｔ3では、図５に示すように、シリコン基板表面において、電極Ｇ1の下だけでなく電極Ｇ2の下にも延長して一時蓄積井戸１０４が形成され、この延長した一時蓄積井戸１０４の中で信号電荷は電極Ｇ2の下に拡散移動する。
【００３２】
次に、駆動電圧Ｐ1がＨレベルからＬレベルに変わると、シリコン基板表面の各部のポテンシャルは図３と同じになり、電極Ｇ2直下の一時蓄積井戸１０４に信号電荷が局所的に蓄積される。以後、駆動電圧Ｐ4がディスエーブル状態（Ｌレベル）の間は、転送クロックの各サイクルで上記と同様のＣＣＤ転送動作が繰り返される。
【００３３】
このように、駆動電圧Ｐ4が間欠している間、つまり転送クロックの（Ｎ−１）サイクルの期間中は、（Ｎ−１）個の画素の信号電荷がインパクトイオン化による電荷増倍を受けることなく各段のＣＭＤユニットＵiをＣＣＤ転送動作でそのまま通り過ぎる。
【００３４】
各画素の信号電荷についてみると、ＣＭＤ１２におけるＭ段のユニット列Ｕ1〜Ｕ_Mを通過する間に、（Ｎ−１）個置きのユニットＵでのみインパクトイオン化による電荷増倍を受けることになる。したがって、Ｎの値つまり駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数を変えることで、ＣＭＤ１２におけるインパクトイオン化（電荷増倍）の回数を制御して、ＣＭＤ１２全体の電荷増倍率または信号増幅率を任意に調整することができる。
【００３５】
この実施形態における好適な条件は、インパクトイオン化のための駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数ＮをＣＭＤ１２に含まれるＣＭＤユニットＵの段数Ｍの約数に選ぶことである。ここで、ＣＭＤ１２にＣＭＤユニットＵの段数Ｍは、１つの画素の信号電荷がＣＭＤ１２を通過する間に駆動電圧Ｐ1，Ｐ2の与えられるサイクル数でもある。
【００３６】
したがって、たとえばＭが４００の場合は、Ｎを４００の約数である２，４，５，８，１０‥‥のいずれかに設定することが好ましい。かかる数値条件を満たすことにより、ＣＭＤ１２を通過する全ての画素の信号電荷を均一な電荷増倍率で増幅することができる。
【００３７】
図６および図７につき、Ｍ＝４００、Ｎ＝４の場合におけるＣＭＤ１２の作用を説明する。図６のタイミング図から理解されるように、Ｎ＝４に設定すると、各段のＣＭＤユニットＵiでは、４サイクル周期（４Ｔck）でインパクトイオン化による電荷増倍が行われる。
【００３８】
図７において、駆動電圧Ｐ4が或る時点で１回目のＨレベルになった時、ＣＭＤ１２の前端部における４個のユニットＵ4，Ｕ3，Ｕ2，Ｕ1内に信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3がそれぞれ位置していたとすると、それらの信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3はユニットＵ4，Ｕ3，Ｕ2，Ｕ1でそれぞれインパクトイオン化による電荷増倍を施される。
【００３９】
このインパクトイオン化の後は、クロックの１サイクル毎に信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3はＣＣＤ転送によりそれぞれ１つ下流側隣のユニットＵに移動する。そして、４サイクル経過した時に、信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3は前回のインパクトイオン化を受けた位置から４つ先のユニットＵ8，Ｕ7，Ｕ6，Ｕ5にそれぞれ到達する。ここで、駆動電圧Ｐ4が２回目のＨレベルになる。これにより、信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3はユニットＵ8，Ｕ7，Ｕ6，Ｕ5でそれぞれインパクトイオン化による電荷増倍を施される。
【００４０】
以後も上記の動作が繰り返され、信号電荷Ｑjが先頭ユニットＵ1に入力された時から４００サイクルの時間が経過して信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3が後端部のユニットＵ400，Ｕ399，Ｕ398，Ｕ397にそれぞれ到達すると、駆動電圧Ｐ4が１００回目のＨレベルになる。これにより、信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3はＵ400，Ｕ399，Ｕ398，Ｕ397でそれぞれインパクトイオン化による電荷増倍を施される。
【００４１】
こうして、４個の信号電荷Ｑj，Ｑj+1，Ｑj+2，Ｑj+3のいずれも４００段のＣＭＤユニットＵ1〜Ｕ400を通過する間に等しく計１００回のインパクトイオン化（電荷増倍）を受ける。要するに、ＣＭＤ１２に入力された各信号電荷Ｑが、４００段のＣＭＤユニットＵ1〜Ｕ400を通過する間に４つのパターン［Ｕ1，Ｕ5，Ｕ9，‥‥Ｕ397］、［Ｕ2，Ｕ6，Ｕ10，‥‥Ｕ398］、［Ｕ3，Ｕ7，Ｕ11，‥‥Ｕ399］、［Ｕ4，Ｕ8，Ｕ12，‥‥Ｕ400］のいずれかで３段または３サイクル置きに計１００回のインパクトイオン化（電荷増倍）を受ける。
【００４２】
上記の例はＮ＝４に選んだ場合であったが、Ｎ＝５に選んだ場合は各入力信号電荷Ｑが、ＣＭＤ１２を通過する間に、つまり４００段のＣＭＤユニットＵ1〜Ｕ400を通過する間に、４段または４サイクル置きに計８０回のインパクトイオン化（電荷増倍）を受ける。また、Ｎ＝８に選んだ場合は、入力信号電荷Ｑのいずれも、ＣＭＤ１２を通過する間に、７段または７サイクル置きに計５０回のインパクトイオン化（電荷増倍）を受ける。
【００４３】
このように、この実施形態のＣＭＤ１２においては、駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数ＮをＣＭＤユニットＵの総数Ｍの約数に選ぶという条件下で可変制御することで、ＣＭＤ１２を通過する全ての信号電荷Ｑに同じ回数（Ｍ／Ｎ）のインパクトイオン化による電荷増倍を施しつつ、つまりバラツキのない均一の電荷増倍率を確保しつつ、ＣＭＤ１２全体の信号増幅率を精細に可変調整することができる。この意味で、この実施形態では、ＣＭＤユニットＵの総数Ｍが、単に約数を有する数であるだけでなく、上記の例の「４００」のように約数を多くとれる数であることが好ましい。
【００４４】
なお、駆動電圧Ｐ4のアクティブレベル（Ｖ_CMG）は一定値（好ましくは最大値付近）に固定されてよい。もっとも、信号増幅率の粗調整として駆動電圧Ｐ4のアクティブレベル（Ｖ_CMG）を可変制御し、本実施形態による駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数制御を信号増幅率の微調整に用いる方法も有効である。
【００４５】
図１において、ＣＭＤ１２の前段および／または後段に設けられるＣＣＤ１４，１６には、図示省略するが、シリコン基板上に酸化膜１００を介して電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3からなる転送専用ユニットつまりＣＣＤユニットが転送方向に多数段繰り返して配置される。これらの電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3には、ＣＭＤ１２の電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3に対するのと同一の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3がそれぞれ印加される。このＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置１０に対して図２に示すような駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3．，Ｐ4が与えられるときは、ＣＭＤ１２で上記のようなＣＣＤ転送動作および間欠的電荷増倍動作が行われるのと並行して、ＣＣＤ１４，１６では各１サイクル毎に１画素の信号電荷をＣＣＤユニット１段だけ転送する仕方で通常の電荷転送動作またはＣＣＤ転送動作が持続的に行われる。
【００４６】
図８に、本実施形態によるＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置の一応用例としてＣＣＤ撮像装置の構成を模式的に示す。図９に、このＣＣＤ撮像装置２０の周辺回路例を示す。このＣＣＤ撮像装置２０は、いわゆるフレーム転送方式のもので、感光部２２、蓄積部２４および水平転送ＣＣＤ２６を有している。
【００４７】
感光部２２は、１フレーム分の画素に相当する多数の光電変換素子をマトリクス状に配置してなり、撮像レンズ２８を通って受光面に結像された光学像を各光電変換素子の光電変換により電荷像に変換する。こうして感光部２２で生成されかつ蓄積された全画素の信号電荷は所定のタイミングで蓄積部２４にすばやく垂直転送される。そして、蓄積部２４から信号電荷が１水平ラインずつ水平転送ＣＣＤ２６に垂直転送される。水平転送ＣＣＤ２６では、信号電荷を１水平ラインずつ水平転送して出力部から電気信号（映像信号）として出力する。
【００４８】
このＣＣＤ撮像装置２０より出力された映像信号は映像信号処理回路３４で所定の信号処理を受けてから、表示出力装置または映像信号記録装置等（図示せず）に送られる。駆動回路３２は、タイミング回路３０の制御の下でＣＣＤ撮像装置２０の感光部２２および蓄積部２４に垂直転送用の駆動電圧（ＡＧ1，ＡＧ2）、（ＳＧ1，ＳＧ2）を供給する。
【００４９】
このＣＣＤ撮像装置２０では、水平転送ＣＣＤ２６に本実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置１０を適用できる。駆動回路３２は、水平転送ＣＣＤ２６（１０）に水平転送および電荷増倍用の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4を与える。駆動回路３２は、本実施形態による駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数Ｎを可変制御する機能を有しており、さらには駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4のレベルを調整する機能、特にＰ4のアクティブレベル（Ｖ_CMG）を可変制御する機能を有してもよい。
【００５０】
水平転送ＣＣＤ２６（１０）において、ＣＭＤ１２の前段に設けられるＣＣＤ１４は、蓄積部２４に直結されるパラレル入力／シリアル出力型のＣＣＤ１４ａと、このパラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤ１４ａとＣＭＤ１２との間に転送冗長部を形成するシリアル入力／シリアル出力型のＣＣＤ１４ｂとに分割される。蓄積部２４からの１水平ライン分の信号電荷はパラレル入力でＣＣＤ１４ａに垂直転送され、このＣＣＤ１４ａからシリアル方向つまり水平方向に冗長部ＣＣＤ１４ｂ、ＣＭＤ１２および出力側の冗長部ＣＣＤ１６を通って増幅器１８より映像信号として読み出される。上記したように、各ＣＣＤ１４ａ，１４ｂ，１６ではＣＣＤ転送動作だけが行われ、ＣＭＤ１２ではＣＣＤ転送動作および間欠的電荷増倍動作が行われる。
【００５１】
このＣＣＤ撮像装置２０では、水平読み出しレートを上げるために、１水平ライン分の信号電荷が冗長部ＣＣＤ１４ｂ、ＣＭＤ１２および冗長部ＣＣＤ１６の範囲内に在る間に、その水平転送動作を一時中断し（つまり駆動電圧Ｐ1〜Ｐ4の供給を中断し）、この水平転送動作の中断時間中に蓄積部２４より後続の１水平ライン分の信号電荷をＣＣＤ１４ａに垂直または並列転送することができる。この時、後段側の冗長部ＣＣＤ１６内で停留している信号電荷は既にＣＭＤ１２により所望またはフル（full）の電荷増倍率まで増幅されている。また、ＣＭＤ１２内で停留している信号電荷はその進入位置に応じた途中または中間の電荷増倍率まで増幅されている。前段側の冗長部ＣＣＤ１４ｂ内で停留している信号電荷は未だ電荷増倍を受けてはいない。
【００５２】
上記のようにして蓄積部２４よりＣＣＤ１４ａへの１水平ライン分の信号電荷の並列転送が行われた後、水平転送動作が再開される。すなわち、ＣＣＤ１４ａから１水平ライン分の信号電荷がシリアルに送り出されると同時に、冗長部ＣＣＤ１４ｂ、ＣＭＤ１２および冗長部ＣＣＤ１６内でそれまで留め置きされていた１つ前の１水平ライン分の信号電荷が出力側に向って移動し始める。ＣＭＤ１２内の途中位置から転送を再開した信号電荷は、残りのＣＭＤユニットで（Ｎ−１）段置きのインパクトイオン化（電荷増倍）を転送再開の位置に応じた残りの回数だけ受けることで、結果的にはＣＭＤ１２に入ってから出る間に所定回数（Ｍ／Ｎ）のインパクトイオン化（電荷増倍）を受けることになり、所望またはフル（full）の電荷増倍率まで増幅される。
【００５３】
上記のような水平転送動作の中断・再開で好適な条件は、クロック動作の駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4のタイミングまたは位相を中断時と再開時とで連続させることである。この条件を満たすことで、ＣＭＤ１２内の任意の位置で水平転送の中断・再開に遭遇した信号電荷に対しても、ＣＭＤ１２を転送中断なしで一気に通り抜けた信号電荷に対するのと同じ電荷増倍率を与えることができる。
【００５４】
また、水平ライン毎のＣＭＤ１２における信号増幅率のバラツキをなくすために、各水平ラインの信号電荷が同一のタイミングまたは位相でＣＭＤ１２に入力するのが好ましい。この条件を満たすためには、冗長部ＣＣＤ１４ｂにおけるＣＣＤユニットの段数つまり１つの画素の信号電荷が冗長部ＣＣＤ１４ｂを通り抜ける間に駆動電圧Ｐ1，Ｐ2の与えられるサイクル数をＫとすると、ＫをＮ（駆動電圧Ｐ4の間欠サイクル数）の倍数に設定すればよい。たとえば、Ｍ＝４００、Ｎ＝４の場合は、Ｋ＝１００と設定すればよい。
【００５５】
この実施形態のＣＣＤ撮像装置２０では、水平転送ＣＣＤ２６に本実施形態のＣＭＤ１２を搭載することにより、感光部２２で生成された全ての信号電荷を同一の増幅率で増幅することができる。もっとも、必要に応じて、本実施形態のＣＭＤ１２を感光部２２または蓄積部２４内のＣＣＤに搭載することも可能である。また、本実施形態のＣＭＤ１２およびＣＭＤ搭載ＣＣＤ１０は、フレーム転送方式のＣＣＤ撮像装置だけでなく、インタライン転送方式等の他の方式のＣＣＤ撮像装置にも適用可能であり、さらには撮像装置以外の画像処理装置にも適用可能である。
【００５６】
上記実施形態におけるＣＭＤ１２およびＣＭＤ搭載ＣＣＤ１０の構成は一例であり、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態では、ＣＭＤ１２の基本単位またはユニットＵ_CMDを４個の電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4で構成した。しかし、直流電圧Ｐ3によって定常的な電荷転送障壁１０６を形成するための電極Ｇ3を省いて、駆動電圧Ｐ1，Ｐ2，Ｐ4によりクロック動作する電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ4だけでＣＭＤユニットＵ_CMDを構成することも可能である。また、電極Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4間の配置関係も種々の変形が可能であり、たとえば相隣接する電極を上下に重ねる構成も可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣＭＤまたはＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置によれば、信号増幅率の制御を簡単かつ精細に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置の基本構成を模式的に示す図である。
【図２】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置における駆動電圧のタイミング（位相およびサイクル）関係を示す信号波形図である。
【図３】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置におけるＣＣＤ転送動作の一段階を示す模式的な断面図である。
【図４】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置におけるＣＣＤ転送動作の一段階を示す模式的な断面図である。
【図５】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置におけるＣＣＤ転送動作の一段階を示す模式的な断面図である。
【図６】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置における駆動電圧のタイミング（位相およびサイクル）関係を示す信号波形図である。
【図７】実施形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置における間欠的電荷増倍動作の回数を説明するための図である。
【図８】一実施形態におけるＣＣＤ撮像装置の構成を模式的に示す図である。
【図９】図９のＣＣＤ撮像装置の周辺回路を示すブロック図である。
【図１０】ＣＭＤの原理を説明するための模式的な断面図である。
【図１１】従来のＣＭＤにおける駆動電圧のタイミング（位相およびサイクル）を示す信号波形図である。
【図１２】ＣＭＤにおける電荷収集井戸バイアス電圧に対する電荷増倍率の特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置
１２ＣＭＤ
１４，１６ＣＣＤ
２２感光部
２４蓄積部
２６水平転送ＣＣＤ
１４ａパラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤ
１４ｂシリアル入力／シリアル出力型ＣＣＤ
３２駆動回路
３４タイミング回路
Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4 電極

Claims

半導体基板上に絶縁膜を介して複数個の電極を配列し、
前記複数個の電極に位相の異なる一組の駆動電圧を印加し、
インパクトイオン化を生じさせるための第１相の駆動電圧を他相の駆動電圧に比して間欠的に与えるＣＭＤ（Charge Multiplying Device）。
１つの画素の信号電荷が前記複数個の電極を一端から他端まで通過する間に前記他相の駆動電圧の与えられるサイクル数をＭ、前記第１相の駆動電圧の１サイクルに含まれる前記他相の駆動電圧のサイクル数をＮとすると、ＮはＭの約数である請求項１に記載のＣＭＤ。
信号電荷の転送方向において、前記第１相の駆動電圧を印加する第１の電極の下流側隣に第２の電極を配置し、前記第２の電極の下流側隣に第３の電極を配置し、前記第３の電極の下流側隣に前記第１の電極を配置し、前記第２および前記第３の電極にはその直下に信号電荷を一時的に蓄積するためのポテンシャル井戸と相前後する画素間での信号電荷の混合を防止するためのポテンシャル障壁とを所定のタイミングで交互に形成するための第２相および第３相の駆動電圧をそれぞれ印加する請求項１または２に記載のＣＭＤ。
前記第３の電極と前記第１の電極との間に第４の電極を配置し、前記第４の電極にはその直下に電荷転送用のポテンシャル障壁を形成するための直流電圧を印加する請求項３に記載のＣＭＤ。
信号増幅率を調整するために前記Ｎの値を可変制御するサイクル数制御手段を有する請求項２〜４のいずれか一項に記載のＣＭＤ。
信号増幅率を調整するために前記第１相の駆動電圧のアクティブな電圧レベルを可変制御する駆動電圧制御手段を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のＣＭＤ。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のＣＭＤと、
前記ＣＭＤの入力端の電極および／または出力端の電極との間で信号電荷を直接に転送可能に接続されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）を有するＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。
前記ＣＣＤが、前記第２相の駆動電圧および前記第３相の駆動電圧をそれぞれ印加される第５および第６の電極を交互に配置してなる請求項７に記載のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。
前記ＣＣＤが、信号電荷を転送する方向において前記第６の電極と前記第５の電極の間に前記直流電圧を印加される第７の電極を有する請求項８に記載のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。
前記ＣＭＤの入力端側に接続される前記ＣＣＤが、複数個の前記電極に信号電荷をパラレルに入力し、入力した前記信号電荷を前記ＣＭＤに向けてシリアルに出力するパラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤを含む請求項７〜９のいずれか一項に記載のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。
前記ＣＭＤの入力端側に接続される前記ＣＣＤが、前記パラレル入力／シリアル出力型ＣＣＤの出力端と前記ＣＭＤの入力端との間に接続されるシリアル入力／シリアル出力型のＣＣＤを含む請求項１０に記載のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。
１つの画素の信号電荷が前記シリアル入力／シリアル出力型のＣＣＤを通過する際に前記第２相および第３相の駆動電圧の与えられるサイクル数をＫとすると、ＫはＮの倍数である請求項１１に記載のＣＭＤ搭載ＣＣＤ装置。