JPS5940347B2 - 固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体表面に形成した複数個のホトダイオー
ドに蓄積された光情報を読み出す固体撮像素子の駆動方
法に関するものである。

以下に述べる従来例および本発明の説明においては、固
体撮像素子は電子を情報源とするが、これは電荷の極性
および電位関係を逆にすることにより、正孔を情報源と
する固体撮像素子にも全く同様にして適用できる。

第１図は従来電荷移送素子を信号読み出し装置として用
いる固体撮像素子の平面構造の一部を示した概念図の一
例であつて、ホトダイオード１、蓄積ゲート２、移送ゲ
ート３、電荷移送素子４から成つており、ホトダイオー
ド１で光電変換された電荷が蓄積ゲート２の下およびホ
トダイオード１に蓄えられ、これが所定の時間（蓄積時
間）経た後、移送ゲート３を経て電荷移送素子４へ移さ
れ、順次出力側へ読み出される。

第２図は第１図に示した固体撮像素子の従来の駆動方法
と出力波形の例を模式的に示したものである。

第１図、第２図において、蓄積ゲート２には直流の電圧
ＶｐＯが印加されてその下に電荷を蓄積し、移送ゲート
３には、１１に示すように移送時間τ１だけ導通状態（
以下導通状態ないし蓄積状態になるようなパルスの状態
を０オン゛と呼び非導通ないし非蓄積の場合を゛オフ”
と呼為）になるようなパルスφ１が印加さへ電荷移送素
子は２相のパルスφ１，φ２によつて駆動する。同図に
１２，１３で示した如くφ１，φ２は移送時間τ１中は
一力がオン、他方がオフに止まつてオンのパルス（第２
図ではφ１）が印加されている電極下にホトダイオード
１および蓄積ゲート２の下（以下この部分をホトセンサ
部と呼ぶ）から信号電子を受けとる。移送が完了すると
、電荷移送素子４によつて信号電子は順次出力側へ送ら
れる。ホトセンサ部（ホトダイオード１と蓄積ゲート２
の部分をまとめた名称）から電荷移送素子４への電荷の
移送時間τ，以下は移送ゲート３はオフであるので、こ
の間光電変換された電子はホトセンサ部に蓄えられる（
蓄積時間τ８）。近年固体撮像素子は、その軽量、小形
等の利点から各種の用途に用いられるようになつた。

これと共に、第２図に示したような単純な駆動方法では
必ずしもすべてに通用しなくなつている。たとえば画像
信号を電話回線を利用して伝送するような応用の場合、
電話回線に通しうる信号帯域が音声帯域で低いため、低
いデータレートでしか信号が送れない。しかし半導体素
子中では暗電流のわき出しのために、低いデータレート
で読み出すと偽信号が混入し易く、半導体素子からの読
み出しと、伝送との間にデータレートの変換が必要とな
る。この信号処理に要する時間が蓄積時間τ８と移送時
間τ，の和（第２図の駆動方法の場合の１周期）に比べ
長くなるようなときには、第３図に示すように第２図に
示したものとは別の駆動方法が必要である。

第３図は上記のような信号処理の時間が必要な場合の固
体撮像素子の従来の駆動方法の例を示す図であつて、２
１に示す移送時間τ，の後、電荷移送素子による信号読
み出し時間τＲＯを含んで２２で示した信号処理の時間
τ９が長く続く。

この信号処理時間τ，の間、移送ゲートパルスφ１争は
オフであるのでこの間は蓄積時間τ８と同様に信号電荷
がホトセンサ部に蓄積される。

この間に蓄積される電荷は蓄積時間が所定のものでない
ので情報は所望のものとは異なる。そこで第３図にある
ように、蓄積時間２４に入る前に、２３のように一度移
送ゲートパルスφ１をオンにして、信号処理時間τ，２
２の間に蓄えられた電荷を一掃する（以下これをプリン
スキヤンと呼ぶ、この出力は後段へは送らず切りすてる
）。第２図に示したように、１周期の中に蓄積時間τ８
と移送時間τ１のみの駆動方法でも、読み出す信号を適
当に何周期分か間引きすれば、τ８より長いτ が実現
できるが、この場合τ がτｐ ′
ＰＳ＋τ１の整数倍でなくてはならないので不便で
あつて実際のシステムには適用できずプリスキヤンを行
なう第３図のような駆動力法をとる必要がある。

しかし、第３図のような駆動方法は次のような重大な欠
点がある。

すなわち、信号処理に十分な時間をとるためτ，〉τ８
とする。あるいはτ，の期間に強い光が当るようなとき
蓄積されていた電荷の量が多くなつて、電荷移送素子に
完全に収容できず、プリスキヤンで完全に電荷が取り除
くことができずに後に残り、後に続く本来の読み出し信
号２５に重なつて出る場合がある。これはτ２の間に照
射された光信号の強さによつてこの大きさが異なり、一
種の残像現象のように、特に光が強く当つた絵素にはよ
り多くの電荷が残つてしまつて、前の時間の画の情報が
次にくる本信号に重なつて現われる。第３図の例では、
２２で示したτ の期間蓄えられた信号がプリスキヤン
にｐよつて２６のように取出されても、一部が後に残り
、本出力２５に重なつて２７のような出力を与える。

この現象を除くためには光の強さや信号処理時間τ，に
応じて、プリスキヤンの回数を増すなどする必要があり
、周辺回路が複雑になつてシステムを構成するのに高い
費用がかかるなど、固体撮像素子の実用上重大な欠陥と
なつている。

本発明の目的は上記の問題点を解消した駆動力法を提供
することである。

本発明は上記目的を達成するために、信号処理に要する
時間τ 中の少なくとも一部で、移送ゲｐートを導通状
態におくか、又は蓄積ゲートにパルスを印加して、τ
の間に電荷移送素子の電荷保ゝ ｐ持能力を越えるよ
うな電荷の蓄積を防ぐものであつて、これに伴ない、プ
リスキヤンは従来通り１回でも本信号への偽信号の混入
を防ぎ、あるいはプリスキヤンなしでも上記のような問
題のない駆動力法を提供し、これによつて単純な周辺回
路による素子の駆動が可能になり、システム構成の単純
化、低コスト化、ひいては高信頼性が可能になるもので
ある。

実施例 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。

第４図は本発明になる駆動力法の実施例を示すタイミン
グチヤート図であつて、第３図に示した従来のプリスキ
ヤンカ式と比べると明らかなように移送ゲートパルスφ
１は蓄積時間τ８（第４図中３１，３２）においてはオ
フ、他はオンになるようなパルスを印加する。

このようにすると蓄積時間τ８中は信号電荷は蓄積され
るが、他の時間では蓄積されずに常に光信号で発生した
電荷が電荷移送素子に流れ込んで取り除かれ、信号処理
時間中に発生した電荷が、本信号に混入するようなこと
はない。この場合ホトセンサ部から電荷移送素子へ電荷
を移す時間（移送時間τ１）はφ１ではなく、電荷移送
素子の駆動パルスφ１およびφ２がオンおよびオフにホ
ールドする時間（第２図１２，１３）によつて自動的に
決められる。第４図に示した駆動方法によるとτ，の時
間以外は常に光の強さに応じた量の電荷が電荷移送素子
に流れ込むので、読み出し期間τＲＯ３３，３４中も本
信号にこの電荷流入がある。しかし元来原理的にτ５〉
τＲＯであり、実際上はτ８〉τＲＯとすることが容易
であるので、この条件下では、流入する電荷量は十分少
なく、無視することができる。しかし、もしτ８〉τＲ
Ｏの条件に設定できず、あるいは厳密に電荷の流入を防
止したいときには第５図のような駆動力法を採用すれば
よい。

第５図は本発明になる別の実施例を示すタイミングチヤ
ート図で、第４図と比較すると判るように蓄積時間τ，
４１，４２と読み出し時間τＲＯ４３，４４を包括する
時間τＸ４５，４６，φ，はオフになつていて、読み出
し時間中に本信号に光信号による電荷が他から流入しな
いようになつている。第５図に示した駆動方法であれば
、τ８とτＲＯが余り変らない場合でも本発明の効果を
得ることができる。このとき本信号の読み出しを含む時
間τ。

４５，４６中、φ１がオフであるので、この間に蓄積し
た光信号による電荷が、４７，４８に示すように出力さ
れるが、これは、信号処理部で本信号以外読み込まない
ようにすることは容易であるので本発明の効果に変わり
はない。

第６図は本発明になる別の実施例を示す図である。

第６図に示した実施例では、第２図に示すような蓄積ゲ
ートに直流の電圧ＰＧを印加する代りに、蓄積ゲートパ
ルスφＰＧを印加する。φＰＧは蓄積時間τ８と移送時
間τ１以外では５１の期間のようにオフになつているの
で電荷は蓄積されず、本信号に信号処理の間の光照射に
よる電荷が混入することはない。第６図に示した実施例
は、蓄積ゲートにφＰＧなるパルスを印加してτ，＋τ
１とそれ以外の信号処理の時間τ を区別すること以外
は第２図にｐおける従来の単純な駆動力法を大体採用で
き、またプリスキヤンも不要であるので、出力信号処理
回路や駆動回路等の周辺回路が非常に単純となり、本発
明による効果は大である。

本発明の説明で第２図〜第６図に述べている固体撮像素
子の駆動方法で、移送パルスφ１に関して最低限必要な
ことは、φ１が蓄積時間τ８中はオフ、移送時間τ１中
はオンとなつていることである。

従つて第４図に示した実施例において、φ１はτ。の期
間全てにわたつてオンである必要はなく、τ の期間に
蓄積される多量の電荷をゝ ｐτ，の期間中に電荷移
送素子にすべて移してしまえるだけの期間オン状態にな
つていればよい。

たとえば第３図の従来の駆動方法でも、２２で示したτ
，の期間にφ１を適当な時間オンにすることにより、２
６で取り出す電荷量を軽減し、２７のような偽信号の混
入した出力をさけることができ、本発明の効果を得るこ
とができる。第５図に示した実施例でも同様にして、φ
１がτ８，τ、で示した期間はオフ、τ１の期はオンで
あつて、τ，一τ、が、τ，の間に発生する電荷を取り
除くに十分な時間であれば、τｏ≧τＲＯの条件下でτ
、の長さは任意である。

第６図に示した駆動方式でφＰＧに関して５２／に破線
で示すようにτ。

の期間に食い込んでオンであつても、残りのオフの期間
に５２の期間蓄積した電荷を排除することができれば、
本発明の効果に変わりはない。以上第４図〜第６図に説
明した本発明の実施例においては出力の模式的なほうら
く線およびφ１あるいはφＰＧ以外は省略したが、第４
図、第５図では蓄積ゲートには直流のバイアスＰＧが印
加されており、また第４図〜第６図ではφ１，φ２は第
２図と同様に移送時間τ１と記した期間のみ一方がオン
、他力がオフにホールドして電荷を電荷移送素子に移し
、他の期間は常に所定の周波数でこれを駆動しているも
のである。

すなわち本発明の実施例では、移送時間τ１はφ１，φ
２が、電荷移送素子の駆動周期より長い時間、オンおよ
びオフに止まつている時間を指し、蓄積時間τ８はτ１
の直前に先行して、第４図、第５図ではφ１がオフに、
第６図ではφＰＧがオンに各々なつている時間を指して
いる。

また読み出し時間τＲＯは、素子の絵素数とデータレー
トで決まる。外部回路の信号処理は広義には信号が読み
出され始めてから、次の信号がまた読み出され始めるま
で、すなわち、素子の動作上の１周期の間すべてにわた
つて行ないうるものであるが、本発明の説明では便宜上
τ８＋τ，以外の時間を信号処理時間τ，と呼んだ。以
上説明した本発明の実施例は、第１図に概念的に構成を
示した固体撮像素子に適用されるものであるが、これは
素子が１次元、２次元のものであることにかかわりなく
適用できることはもちろんであり、また構造もホトダイ
オード、蓄積ゲート移送ゲートおよび電荷移送素子が順
次接続されているような固体撮像素子であれば何であつ
てもよく、たとえばホトダイオード１に関して線対称な
位置にも蓄積ゲート、移送ゲート、電荷移送素子が配置
されて、交互にホトダイオードがこれらに接続されるよ
うな構造であつてもかまわない。

第１図に示した固体撮像素子の構造ではホトダイオード
１に隣接して蓄積ゲート２が設けられているが、たとえ
ば透明電極を用いるなどして蓄積ゲートにも光電変換機
能を持たせるか、あるいはホトダイオードと蓄積ゲート
を１つの電極で兼ねる構造の素子もある。このような素
子でも本発明が適用できることはいうまでもなく、また
第４図、第５図に示したような実施例は、蓄積ゲートの
ない、ホトダイオードと移送ゲートおよび電荷移送素子
からなる構造の素子でも適用できることは明らかである
。本発明の説明では、電荷移送素子の，駆動はφ１，φ
２の２相のパルスによつているが、これは何相であつて
も本発明の効果に変わりはなく、移送時間τ，中どの相
の駆動パルスをオン又はオフにして電荷を受け取るかは
、それぞれの場合に応じて変わることはもちろんのこと
である。

本発明の実施例では第４図、第５図ではφ，に第６図で
はφＰＯに本発明を適用した例を示したが、これはこれ
らを組合せて、たとえば第４図ないし第５図に示した駆
動方法と同時に第６図に示したタイミングでφＰＧを蓄
積ゲートに印加してもよい。

第７図に第６図を具体的に実施する読み出し制御回路例
を、第８図にそのタイミングチヤートを示す。

外部回路で発生した所定の蓄積時間信号ＩＮＴは、ワン
シヨツトマルチパイプレータ（０Ｎ）７３と０Ｒ回路７
４に加わる。０Ｍ７３は、ＩＮＴ信号の後端でトリカー
されＱ。

Ｍ信号を発生する。ＱＯＭ信号は、０Ｒ７４に加わる。
０Ｒ回路７４の出力は、蓄積ゲート２に加わつている。

０Ｒ回路７４のハイ・レベル値は、固体撮像素子７５を
蓄積モードに対する所定の電圧値である。

したがつてＮＴ信号とＱＯＭ信号が出ている間固体撮像
素子７５は、蓄積モードにある。又ＱＯＭ信号は、Ｄ型
フリツプフロツプ７２に加わりクロツクパルスＣＰと同
期してφ１信号を発生する。従つてＩＮＴ信号期間中に
蓄積された信号は、移送ゲート３を通つて電荷移送素子
４へ転送さ八出力ゲート７６、出力アンプJモVを通つて
出力へ移送される。なお、７１は移相パルスφ１，φ２
を作成するためのＤ型フリツプフロツプ、φＲはりセツ
トパルス、０Ｇは出力ゲートパルスである。以上説明し
たごとく本発明によれば、固体撮像素子を駆動する際、
その出力信号の処理に要する時間中、移送ゲートを導通
状態におくか、又は蓄積ゲートにパルスを印加して、そ
の間非導通状態にし、信号処理の時間に発生する電荷を
排除して所望の蓄積時間に蓄えられる本信号への偽信号
の混入の防止を容易にすることができ、これによつて単
純な周辺回路でも鮮明な信号を得ることができ、固体撮
像素子の画質向上、システム構成の単純化、低コスト化
の点で著しい向上を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の平面構造の一部を模式的
に示した図、第２図、第３図は従来の固体撮像素子の，
駆動力法を示す図、第４図〜第８図は本発明の駆動方法
の実施例を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数個のホトダイオードと、該ホトダイオードで発
   生する信号電荷を信号電圧の印加により蓄積する蓄積ゲ
   ートと、該蓄積ゲートの蓄積電荷を移送する移送ゲート
   と、移送パルスによつて駆動され移送ゲートから移送さ
   れた上記蓄積電荷を順次その出力側に読み出す電荷移送
   素子とを具備した固体撮像素子において、上記固体撮像
   素子の読出しの１周期が上記ホトダイオードにおいて光
   信号を光電変換して信号電荷として蓄積する時間、該信
   号電荷を上記電荷移送素子へ移送する時間、上記電荷移
   送素子で読み出す時間および読み出された信号を外部回
   路で処理する時間からなり、少くとも上記の処理する時
   間の一部において上記蓄積ゲートを非蓄積または上記移
   送ゲートを導通とし、前記処理する時間の一部において
   は電荷を蓄積しないようにすることを特徴とする固体撮
   像素子の駆動方法。