JP2940801B2 - 固体撮像素子及びその駆動方法 - Google Patents

固体撮像素子及びその駆動方法

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JP2940801B2 JP6277693A JP27769394A JP2940801B2 JP 2940801 B2 JP2940801 B2 JP 2940801B2 JP 6277693 A JP6277693 A JP 6277693A JP 27769394 A JP27769394 A JP 27769394A JP 2940801 B2 JP2940801 B2 JP 2940801B2
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の受光画素がマト
リクス状に配列される2次元の固体撮像素子及びその駆
動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ビデオカメラ等の撮像装置に用いられる
2次元の固体撮像素子、所謂エリアセンサは、複数の受
光画素がマトリクス状に配列され、光電変換によって各
受光画素に発生する情報電荷を複数のシフトレジスタを
介して所定の順序で読み出すように構成される。
【0003】フレームトランスファ方式のCCD固体撮
像素子の場合、図4に示すように、撮像部から蓄積部ま
で連続する垂直シフトレジスタ1が複数本平行に配置さ
れ、これらの垂直シフトレジスタ1の出力側に水平シフ
トレジスタ2が配置される。撮像部は、垂直シフトレジ
スタ1を電気的に分離して複数の受光画素を構成する。
これらの受光画素に発生する情報電荷は、フレーム転送
クロックFSによって各垂直シフトレジスタ1内を撮像
部から蓄積部へ転送されて一時的に蓄積される。蓄積部
に転送された情報電荷は、垂直転送クロックVSによっ
て各垂直シフトレジスタ1から水平シフトレジスタ2の
各ビットへ1行単位で転送される。そして、水平シフト
レジスタ2に転送された情報電荷は、水平転送クロック
HSによって1行毎にシリアルに出力部3へ転送され、
この出力部3で電荷量が電圧値に変換されることによっ
て映像信号として出力される。一方、インターライン方
式のCCD固体撮像素子の場合、図5に示すように、行
列配置される複数の受光画素4の各列の間にそれぞれ垂
直シフトレジスタ5が配置され、これらの垂直シフトレ
ジスタ5の出力側に水平シフトレジスタ6が配置され
る。各受光画素4に発生する情報電荷は、垂直シフトレ
ジスタ5へ転送された後、垂直転送クロックVSによっ
て垂直シフトレジスタ5から1行単位で水平シフトレジ
スタ6へ転送される。そして、水平シフトレジスタ6へ
転送された情報電荷は、フレームトランスファ方式のC
CD固体撮像素子と同様に、水平転送クロックHSによ
って1行毎にシリアルに出力部7へ転送され、この出力
部3から映像信号として出力される。
【0004】このようなCCD固体撮像素子における垂
直シフトレジスタと水平シフトレジスタとの接続部分の
構造を図6に示す。垂直シフトレジスタ10は、半導体
基板上に形成されるチャネル領域11及び2層構造の複
数の転送ゲート電極12、13により構成される。チャ
ネル領域11は、選択酸化された厚い酸化膜等からなる
チャネル分離領域14によって区画され、それぞれが電
気的に独立している。このチャネル領域11は、P型領
域の表面にN型領域を形成した埋め込みチャネル構造を
有している。1層目の転送ゲート電極12は、チャネル
分離領域14と交差して各チャネル領域11上に一定の
距離を隔てて互いに平行に配置される。2層目の転送ゲ
ート電極13は、転送ゲート電極12の間隙を被うよう
にして、チャネル領域11上に配置される。これらの転
送ゲート電極12、13は、一部がオーバーラップし、
各垂直シフトレジスタ10で共通に形成される。そし
て、各転送ゲート電極12、13には、4相の垂直転送
クロックVS1〜VS4がそれぞれ印加され、これらの
垂直転送クロックVS1〜VS4によってチャネル領域
11内の情報電荷が垂直方向に順次転送される。水平シ
フトレジスタ20は、チャネル領域21及び2層構造の
複数の転送ゲート電極22、23により構成される。チ
ャネル領域21は、垂直シフトレジスタ10のチャネル
分離領域14に連続する島状のチャネル分離領域24と
このチャネル分離領域24と対向する分離領域25とに
より区画され、各チャネル分離領域24の間を通して垂
直シフトレジスタ10のチャネル領域11の端部と接続
される。このチャネル領域21も、垂直シフトレジスタ
10のチャネル領域11と同様に、埋め込みチャネル構
造を有している。1層目の転送ゲート電極22は、各チ
ャネル分離領域24、25の間に跨るようにして配置さ
れる。また、転送ゲート電極22は、1本置きに垂直シ
フトレジスタ10側まで延長され、垂直シフトレジスタ
10のチャネル領域11とチャネル領域21との接続部
を被うと共に、垂直シフトレジスタ10出力側端部の転
送ゲート電極13とオーバーラップする。2層目の転送
ゲート電極23は、転送ゲート電極22の間隙を被うよ
うにチャネル領域21上に配置される。これらの転送ゲ
ート電極22、23は、一部がオーバーラップし、隣合
う転送ゲート電極22、23が2本ずつ共通に接続され
る。そして、転送ゲート電極22、23に2相の水平転
送クロックHS1、HS2が印加され、この水平転送ク
ロックHS1、HS2によってチャネル領域21内の情
報電荷が水平方向に転送される。この水平転送クロック
HS1、HS2は、垂直転送クロックVS1〜VS4が
垂直シフトレジスタ10内の情報電荷を1ビット転送す
る毎に1行分の情報電荷の転送を完了するように設定さ
れる。従って、垂直シフトレジスタ10から水平シフト
レジスタ20へ転送された情報電荷は、次の情報電荷が
垂直シフトレジスタ10から転送されてくる前に全て水
平シフトレジスタ20外へ出力される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のようなCCD固
体撮像素子においては、水平シフトレジスタ20の転送
ゲート電極22、23が1列の垂直シフトレジスタ10
に対して4本ずつ配置される。このため、垂直シフトレ
ジスタ10の配列ピッチは、水平シフトレジスタ20の
転送ゲート電極22、23を4本配置するのに必要な最
小間隔よりも狭くすることができない。従って、受光画
素数を増やしてCCD固体撮像素子の解像度を高くする
ためには、素子のチップ面積を大きくしなければなら
ず、コストアップの要因となっている。
【0006】そこで本発明は、垂直シフトレジスタと水
平シフトレジスタとの接続部の構造を簡略化し、垂直シ
フトレジスタの配列ピッチを狭くして高集積化を可能に
することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために成されたもので、行及び列方向に配置さ
れ、照射される光に応答して情報電荷を発生する複数の
受光画素と、これら複数の受光画素の各列毎に対応付け
られ、各受光画素から上記情報電荷を受けて垂直方向に
転送する複数の垂直シフトレジスタと、これら複数の垂
直シフトレジスタの各出力に各ビットが対応付けられ、
各垂直シフトレジスタから上記情報電荷を受けて水平方
向に転送する水平シフトレジスタと、この水平シフトレ
ジスタから順次転送出力される上記情報電荷を電圧値に
変換して映像信号を発生する出力部と、を備えた固体撮
像素子において、上記複数の垂直シフトレジスタの出力
側の端部に独立して駆動可能な少なくとも2本の出力制
御ゲート電極が配置されると共に、上記複数の垂直シフ
トレジスタと上記水平シフトレジスタとの接続部分で上
記水平シフトレジスタ側に深くなる電位勾配が与えられ
ることを特徴とする。
【0008】そして、行列配置された複数の受光画素の
各列毎に対応する複数の垂直シフトレジスタの出力を水
平シフトレジスタの各ビットに受け、上記複数の受光画
素で発生する情報電荷を1行単位で出力する固体撮像素
子の駆動方法において、上記複数の垂直シフトレジスタ
の出力側端部の少なくとも1ビットを独立に駆動し、上
記水平シフトレジスタの奇数列のビットをオン状態とす
ると共に偶数列のビットをオフ状態として上記複数の垂
直シフトレジスタの奇数列から上記水平シフトレジスタ
の奇数列のビットに情報電荷を取り込んで出力した後、
上記水平シフトレジスタの偶数列のビットをオン状態と
すると共に奇数列のビットをオフ状態として上記複数の
垂直シフトレジスタの偶数列から上記水平シフトレジス
タの偶数列のビットに情報電荷を取り込んで出力するこ
とを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明の固体撮像素子によれば、垂直シフトレ
ジスタの出力側端部に2本の出力制御ゲート電極を配置
し、垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタとの間に
電位勾配を与えることにより、垂直シフトレジスタ内の
情報電荷は、水平シフトレジスタ側の電位が低いときに
は水平シフトレジスタへ転送され、水平シフトレジスタ
側の電位が高いときには出力制御電極の下に一旦蓄積さ
れる。このため、複数の垂直シフトレジスタから1列置
きに情報電荷を水平シフトレジスタへ転送することがで
きるようになり、水平シフトレジスタの転送ゲート電極
の数を半減できる。
【0010】本発明の固体撮像素子の駆動方法によれ
ば、垂直シフトレジスタの出力側端部の1ビットを独立
して動作させ、水平シフトレジスタの奇数列のビットと
偶数列のビットとを交互にオン状態及びオフ状態とする
ことにより、奇数列のビットに対応する垂直シフトレジ
スタあるいは偶数列のビットに対応する垂直シフトレジ
スタから交互に情報電荷が出力される。このため、水平
シフトレジスタへ同時に転送される情報電荷のパケット
数が半分になり、水平シフトレジスタのビット数を半減
できる。
【0011】
【実施例】図1は、本発明の固体撮像素子の垂直シフト
レジスタ30と水平シフトレジスタ40との接続部分の
構造を示す平面図である。尚、この接続部分の構造は、
フレームトランスファ型、インターライン型さらにはフ
レームインターライン型の何れの方式の固体撮像素子に
も採用可能である。
【0012】垂直シフトレジスタ30は、半導体基板上
に形成されるチャネル領域31、複数の転送ゲート電極
32、33及び2本の出力制御ゲート電極34、35に
より構成される。チャネル領域31は、互いに平行に配
置される複数のチャネル分離領域36によって区画さ
れ、それぞれが電気的に独立している。このチャネル領
域31は、P型領域の表面にN型領域が形成される埋め
込みチャネル構造を有している。複数の転送ゲート電極
32は、チャネル分離領域36と交差して各チャネル領
域31上に互いに平行に配置される。ここで、転送ゲー
ト電極32は、1層構造であるが、2層構造とすること
も可能である。第1の出力制御ゲート電極34は、垂直
シフトレジスタ30の出力側に転送ゲート電極32と並
列に配置される。最終列の転送ゲート電極33は、出力
制御ゲート電極34と転送ゲート電極32との間に跨っ
て2層に配置される。また、第2の出力制御ゲート電極
35は、第1の出力制御ゲート電極34とオーバーラッ
プしてチャネル領域31の出力側端部上に配置される。
これらの転送ゲート電極32、33及び出力制御ゲート
電極34、35は、それぞれ各垂直シフトレジスタ10
で共通に形成される。そして、各転送ゲート電極32、
33には、例えば、3相の垂直転送クロックVS1〜V
S3がそれぞれ印加され、同時に、出力制御ゲート電極
34、35には、それぞれ出力制御クロックTG1、T
G2が印加される。従って、垂直転送クロックVS1〜
VS3によってチャネル領域31内の情報電荷が垂直方
向に順次転送されると共に、出力制御クロックTG1、
TG2によってチャネル領域31の出力側で情報電荷が
一時的に蓄積される。
【0013】水平シフトレジスタ40は、チャネル領域
41及び2層構造の複数の転送ゲート電極42、43に
より構成される。チャネル領域41は、垂直シフトレジ
スタ30のチャネル分離領域36に連続する島状のチャ
ネル分離領域44とこのチャネル分離領域44と対向す
る分離領域55とにより区画され、垂直シフトレジスタ
30側の各チャネル分離領域44の間を通して垂直シフ
トレジスタ30のチャネル領域31の端部と接続され
る。このチャネル領域41も、垂直シフトレジスタ30
のチャネル領域31と同様に、埋め込みチャネル構造を
有している。1層目の転送ゲート電極42は、各チャネ
ル分離領域44、45の間に跨り、垂直シフトレジスタ
30側まで延長されて垂直シフトレジスタ30のチャネ
ル領域31とチャネル領域41との接続部を被って配置
される。2層目の転送ゲート電極43は、転送ゲート電
極42の間隙を被うようにチャネル領域41上に配置さ
れる。これらの転送ゲート電極42、43は、一部がオ
ーバーラップし、隣合う転送ゲート電極42、43が2
本ずつ共通に接続される。そして、転送ゲート電極4
2、43に2相の水平転送クロックHS1、HS2が印
加され、チャネル領域41内の情報電荷が水平方向に転
送される。
【0014】また、垂直シフトレジスタ30と水平シフ
トレジスタ40との間においては、出力制御ゲート電極
34、35が共にオンして転送ゲート電極42がオンし
たときに、水平シフトレジスタ40側のポテンシャルが
垂直シフトレジスタ30よりも深くなるようにしてい
る。例えば、それぞれのチャネル領域31、41を形成
するN型の拡散領域の不純物濃度に勾配を与えること
で、チャネル領域41内でポテンシャルがより深く形成
されるように構成する。これにより、垂直シフトレジス
タ30のチャネル領域31内にある情報電荷が、効率よ
く水平シフトレジスタ40のチャネル領域41内へ転送
されるようになる。
【0015】図2は、垂直転送クロックVS1〜VS
3、出力制御クロックTG1、TG2及び水平転送クロ
ックHS1、HS2のタイミング図で、図3は、図2の
各タイミングT1〜 T13でのチャネル領域31、4
1内のポテンシャルの状態を示す図である。尚、各ゲー
ト電極は、印加されるクロックがハイレベル(H)のと
きにオンし、ローレベル(L)のときにオフするものと
する。
【0016】まず、HS1がH、HS2がLに固定され
ており、VS2がH、VS1及びVS3がLとなってい
るT1では、VS2に対応する転送ゲート電極32がオ
ンしてポテンシャルウェルが形成される。情報電荷は、
このポテンシャルウェルに蓄積されることになる。この
とき、TG1及びTG2は、共にLで、出力制御ゲート
電極34及び35はそれぞれオフしている。VS3がH
となったT2では、VS3に対応する転送ゲート電極3
2、33がオンしてポテンシャルウェルが形成され、続
いて、VS2がLとなったT3では、VS2に対応する
転送ゲート電極32がオフしてポテンシャルウェルが消
滅する。これにより、情報電荷は、VS2に対応する転
送ゲート電極32の下からVS3に対応する転送ゲート
電極32、33の下へ転送される。このT1からT3ま
での情報電荷の転送は、奇数列及び偶数列とも同一であ
る。
【0017】TG1及びTG2がHとなったT4では、
出力制御ゲート電極34、35がオンしてポテンシャル
ウェルが形成される。このとき、奇数列ではHS1がH
となって垂直シフトレジスタ30の転送ゲート電極42
がオンしており、転送ゲート電極33の下に蓄積されて
いる情報電荷は転送ゲート電極42の下へ転送される。
一方、偶数列では、HS2がLとなって垂直シフトレジ
スタ30の転送ゲート電極42がオフしているため、転
送ゲート電極33の下に蓄積されている情報電荷は、出
力制御ゲート電極34、35の下に蓄積される。また、
T4では、VS1もHとなって各列でVS1に対応する
転送ゲート電極32がオンしてポテンシャルウェルが形
成され、VS3がLとなったT5では、VS3に対応す
る転送ゲート電極32、33がオフしてポテンシャルウ
ェルが消滅する。これにより、VS3に対応する転送ゲ
ート電極32、33の下の情報電荷が、VS1に対応す
る転送ゲート電極32の下へ転送される。TG1がLと
なったT6では、出力制御ゲート電極34がオフしてポ
テンシャルウェルが消滅し、偶数列の出力制御ゲート電
極34の下に蓄積されていた情報電荷は、出力制御ゲー
ト電極35の下に集められる。奇数列では、T4の時点
で転送ゲート電極42の下への情報電荷の転送が完了し
ているため、情報電荷の移動はない。また、T6では、
VS2もHとなって各列でVS2に対応する転送ゲート
電極32がオンしてポテンシャルウェルが形成され、V
S1がLとなったT7では、VS1に対応する転送ゲー
ト電極32がオフしてポテンシャルウェルが消滅する。
これにより、VS1に対応する転送ゲート電極32の下
の情報電荷が、VS2に対応する転送ゲート電極32の
下へ転送される。ここで、VS2に対応する転送ゲート
電極32の下へ転送された情報電荷は、偶数列の出力制
御ゲート電極35の下の情報電荷の転送が完了するまで
の間そのままの状態で蓄積される。
【0018】TG1が再びHとなったT8では、出力制
御ゲート電極34がオンしてポテンシャルウェルが形成
され、TG2がLとなったT9では、出力制御ゲート電
極35がオフしてポテンシャルウェルが消滅する。これ
により、偶数列では出力制御ゲート電極35の下の情報
電荷が出力制御ゲート電極34の下へ戻される。このT
9の状態において、HS1及びHS2の反転動作が繰り
返され、奇数列の転送ゲート電極42の下の情報電荷が
水平シフトレジにタ40のチャネル領域41内を水平方
向に転送される。HS1、HS2についには、水平シフ
トレジスタ40内の1/2行分の情報電荷の転送を所定
の期間内で完了するように周期が設定される。これによ
り、水平シフトレジスタ40のチャネル領域41内の情
報電荷は、次の情報電荷が垂直シフトレジスタ30から
転送されてくるまでに全て水平シフトレジスタ40外へ
出力される。
【0019】水平シフトレジスタ40の水平転送動作が
完了したタイミングT10では、HS1がL、HS2が
Hに固定される。これにより、奇数列の転送ゲート電極
42がオフしてポテンシャルウェルが消滅し、偶数列の
転送ゲート電極42がオンしてポテンシャルウェルが形
成される。TG2がHとなったT11では、出力制御ゲ
ート電極35がオンしてポテンシャルウェルが形成さ
れ、偶数列で出力制御ゲート電極34の下に蓄積されて
いた情報電荷が垂直シフトレジスタ30の転送ゲート電
極42の下へ転送される。TG1がLとなったT12で
出力制御ゲート電極34がオフしてポテンシャルウェル
が消滅し、TG2がLとなったT13で出力制御ゲート
電極35がオフしてポテンシャルウェルが消滅する。そ
して、このT13の状態において、HS1及びHS2の
反転動作が繰り返され、偶数列の転送ゲート電極42の
下の情報電荷が水平シフトレジにタ40のチャネル領域
41内を水平方向に転送される。この情報電荷の水平転
送動作は、奇数列の転送ゲート電極42の下の情報電荷
の転送動作と同一である。
【0020】以上のT1〜T13の動作と、水平シフト
レジスタ40の水平転送動作とを繰り返すことにより、
垂直シフトレジスタ30内に蓄積されている情報電荷を
1/2行毎に順次読み出すことができるようになる。こ
のような情報電荷の読み出し方法によれば、1行分の情
報電荷が奇数列と偶数列とで別々にまとめられるため、
奇数列と偶数列とで異なる色成分が与えられるカラーフ
ィルタが各受光画素に装着されるカラー固体撮像素子に
好適である。また、1行毎に所定の順序で連続する映像
信号を得る場合には、1/2行分の信号を記憶できるラ
インメモリを用いて奇数列の信号と偶数列の信号とを交
互に取り出すようにすればよい。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、固体撮像素子の奇数列
の情報電荷と偶数列の情報電荷とを交互に読み出すよう
にしたことで、複数の垂直シフトレジスタの出力を受け
る水平シフトレジスタのビット数を少なくすることがで
きる。このため、水平シフトレジスタには、垂直シフト
レジスタ1列に対して2本の転送ゲート電極を配置すれ
ばよくなる。従って、転送ゲート電極の数の削減に伴っ
て垂直シフトレジスタの配列ピッチを狭くすることがで
き、高集積化による解像度の向上、さらには、チップ面
積の縮小によるコストダウンが望める。
【0022】また、複数の色成分で構成されるカラーフ
ィルタが装着されたカラー固体撮像素子においては、奇
数列の受光画素からの映像信号と偶数列の受光画素から
の映像信号とを、予め分離された状態で得ることができ
る。このため、色成分の分離処理が容易になり、映像信
号の信号処理の簡略化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像素子の主要部分の構造を示す
平面図である。
【図2】本発明の固体撮像素子の駆動方法を説明するタ
イミング図である。
【図3】本発明の固体撮像素子の駆動方法を説明するポ
テンシャル図である。
【図4】フレームトランスファ方式の固体撮像素子の概
略を示す摸式図である。
【図5】インターライン方式の固体撮像素子の概略を示
す摸式図である。
【図6】従来の固体撮像素子の垂直シフトレジスタと水
平シフトレジスタとの接続部の構造を示す平面図であ
る。
【符号の説明】
1、5、10、30 垂直シフトレジスタ 2、6、20、40 水平シフトレジスタ 3、7 出力部 11、21、31、41 チャネル領域 12、13、22、23、32、33、42、43 転
送ゲート電極 14、24、25、36、44、45 チャネル分離領
域 34、35 出力制御ゲート電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 行及び列方向に配置され、照射される光
    に応答して情報電荷を発生する複数の受光画素と、これ
    ら複数の受光画素の各列毎に対応付けられ、各受光画素
    から上記情報電荷を受けて垂直方向に転送する複数の垂
    直シフトレジスタと、これら複数の垂直シフトレジスタ
    の各出力に各ビットが対応付けられ、各垂直シフトレジ
    スタから上記情報電荷を受けて水平方向に転送する水平
    シフトレジスタと、この水平シフトレジスタから順次転
    送出力される上記情報電荷を電圧値に変換して映像信号
    を発生する出力部と、を備えた固体撮像素子において、
    上記複数の垂直シフトレジスタの出力側の端部に独立し
    て駆動可能な少なくとも2本の出力制御ゲート電極が
    通に配置されると共に、上記複数の垂直シフトレジスタ
    と上記水平シフトレジスタとの接続部分で上記水平シフ
    トレジスタ側に深くなる電位勾配が与えられることを特
    徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】 上記水平シフトレジスタは、上記複数の
    垂直シフトレジスタの各列毎に2本ずつ対応する転送ゲ
    ート電極を有することを特徴とする請求項1記載の固体
    撮像素子。
  3. 【請求項3】 行列配置された複数の受光画素の各列毎
    に対応する複数の垂直シフトレジスタの出力を水平シフ
    トレジスタの各ビットに受け、上記複数の受光画素で発
    生する情報電荷を1行単位で出力する固体撮像素子の駆
    動方法において、上記複数の垂直シフトレジスタの出力
    側端部の少なくとも1ビットをその他のビットから独立
    してそれぞれ共通に駆動し、上記水平シフトレジスタの
    奇数列のビットをオン状態とすると共に偶数列のビット
    をオフ状態として上記複数の垂直シフトレジスタの奇数
    列から上記水平シフトレジスタの奇数列のビットに情報
    電荷を取り込んで出力した後、上記水平シフトレジスタ
    の偶数列のビットをオン状態とすると共に奇数列のビッ
    トをオフ状態として上記複数の垂直シフトレジスタの偶
    数列から上記水平シフトレジスタの偶数列のビットに情
    報電荷を取り込んで出力することを特徴とする固体撮像
    素子の駆動方法。
JP6277693A 1994-11-11 1994-11-11 固体撮像素子及びその駆動方法 Expired - Fee Related JP2940801B2 (ja)

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