JP3483261B2 - Image sensor - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は一般的には電荷増倍装置
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】本発明の範囲を限定することなく、小型
画素のＣＣＤイメージセンサを例にとって本発明の背景
について説明することにする。 【０００３】これまでこの分野において、消費者市場か
らのより高い分解能を有するＣＣＤカメラを求める要求
が増大すると共に、設計者はそれらの製品に使用される
ＣＣＤイメージセンサ中へより多くの画素を組み込んで
きた。同時に、それらのセンサのコストを維持もしくは
低下させるようにとの競合的な圧力によって、チップ寸
法の縮小、従って能動画素エリアの縮小を余儀なくされ
てきた。この避けられない傾向は、最近の技術論文の中
に見てとれるし、更に多くの製品カタログ中でも明かで
ある。しかし、このことは２つの重大な問題につなが
る：１つは画素検知感度の低下であり、もう１つは信号
対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下である。 【０００４】イメージセンサの感度は、画素面積、開口
部効率、量子効率、蓄積時間、そして電荷から電圧への
変換因子に比例する。現代のイメージセンサの最大セン
サ感度は通常、収集した電荷を出力電圧へ変換する電荷
検出増幅器の雑音フロア（ｎｏｉｓｅ ｆｌｏｏｒ）に
よって決定される。この制限がなければ、個々の光子を
検出して光子計数動作を実現することも可能であろう
し、従って物理的な基本法則によって決定される究極の
イメージセンサ特性を得ることも可能なはずである。 【０００５】しかし、電荷検出増幅器の雑音フロアを低
減することは容易な作業ではない。より優れた特性を達
成するために、センサの設計者は、複雑なｋＴＣ雑音抑
制回路を用いたり（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏ
ｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ誌の１９８９年
８月号、第３５巻、第３号の頁３６８−３７４に記載さ
れた“高解像度ＣＣＤカメラ用の新しい雑音抑制法（Ａ
Ｎｅｗ ＮｏｉｓｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｅｔ
ｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｃ
ＣＤ Ｃａｍｅｒａ）”）、電流変調技術を用いたり
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の
頁１０２１−１０２７に記載された“高感度モードで動
作する２５０ｋ画素ＳＩＴイメージセンサ（Ａ ２５０
ｋ−Ｐｉｘｅｌ ＳＩＴ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ
Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ｉｔｓ Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｏｄｅ）”）、あるいはその他多
くの新しい電荷検出機構を採用する（ＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ誌の１
９９１年５月号、第ＥＤ−３８巻の頁１０４８−１０５
１に記載された“高解像度ＣＣＤイメージセンサ用の新
しい低雑音出力増幅器（Ｎｅｗ Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ
Ｏｕｔｐｕｔ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ
−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎ
ｓｏｒ）”）ことによって電荷から電圧への各種の変換
方式を開発してきた。しかし、良く知られた技術があっ
て、その技術はイメージオルシコン撮像管で長い間使用
されてきた。それはキャリア増倍方式である。 【０００６】現在、何らかの形でキャリア増倍方式を採
用している固体方式の装置は市場に数多くある。それら
の装置は典型的には“電子なだれ（アバランシェ）フォ
トダイオード（ＡＰＤ）”と呼ばれ、光通信の分野で使
用されている。このテーマに関しては膨大な量の論文が
蓄積されており、優れたレビューも見つけることができ
る（ニューヨーク、アカデミックプレス社から１９８５
年に出版された、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎ
ｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓシリーズの第２２巻、“光波
通信技術（Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）”）。最近では、エ
リアイメージセンサで使用することができる、センシン
グ画素でのキャリア増倍に関して説明した論文も現れた
（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ誌の１９９０年８月号、第ＥＤ−３７巻の
頁１８６１−１８６８に記載された“電荷蓄積モードに
おけるＳｉのｐ−ｎ電子なだれフォトダイオードに基づ
く新しい高利得イメージセンサセル（Ａ ｎｏｖｅｌ
Ｈｉｇｈ−Ｇａｉｎ Ｉｍａｇｅ ＳｅｎｓｏｒＣｅｌ
ｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉ ｐ−ｎ ＡＰＤ ｉｎ
Ｃｈａｒｇｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍｏｄｅ Ｏｐｅｒａ
ｔｉｏｎ）”）。 【０００７】キャリア増倍方式は、この過程に伴う雑音
が非常に少ないために、それが固体方式のＡＰＤセンサ
や通常の真空管光電子増倍管に使用されているように、
感度増大や信号対雑音比の増大に効果的である。この方
式はセンサがキャリア数を増幅器の雑音フロアよりも十
分大きいレベルにまで増大させることを許容し、従って
光子計数動作モードを提供できる。出力信号の信号対雑
音比は、従って電荷検出増幅器の雑音によって制限され
るのではなく、入力の光子束の信号対雑音比にほとんど
等しくなる。しかし、ＡＰＤ方式の装置は画素アレイ中
に組み込むためには大きすぎ、また利得も制限される。 【０００８】設計者が当面している問題点のいくつか
は、（イメージの記録を行わない）真空管光子検出器と
同等のより高いキャリア増倍因子を実現するように電荷
増倍機能を固体方式のイメージセンサアレイに組み込む
ことが困難なことと、フォトサイト（ｐｈｏｔｏｓｉｔ
ｅ）でキャリアの増倍を行う装置で可能な以上のより高
い増倍因子を達成できる方法を開発することである。従
って、上述の問題点のそれぞれ、あるいはすべてを解決
する進展が現在、求められている。 【０００９】 【発明の概要】ここにおいて、電荷増倍能力を持つＣＣ
Ｄイメージセンサに対する需要が存在することが理解さ
れる。本発明はそれらの需要に応えるものである。 【００１０】一般的に、そして本発明の１つの形態にお
いて、ＣＣＤセル中での電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開
示される。 【００１１】本発明の別の１つの形態では、ＣＣＤセル
中の電位井戸（ウエル）中に電荷を一時的に保持するこ
と、前記電位井戸から分離されたＣＣＤセルの部分に電
界領域を生成することであって前記電界を横切るキャリ
アによって衝突電離が引き起こされるような十分高い電
界を生成すること、前記電位井戸中の電荷を前記電界領
域中へ流すことであって、その電荷の流れによって衝突
電離によって電荷の増倍を得るように流すこと、の工程
を含むＣＣＤセル中での電荷増倍の方法が開示される。 【００１２】本発明の別の１つの形態では、イメージセ
ンサアレイ中へイメージを検知すること、前記アレイ中
のイメージによって発生する電荷レベルを検出するこ
と、前記検出されたレベルに応答して前記アレイへのバ
イアスレベルを調節すること、前記バイアスレベルが、
前記アレイ中の少なくとも１つのセル中に比例的な電界
領域を発生し、その電界を通過する電荷キャリアによっ
て衝突電離が引き起こされるようにすること、の工程を
含むイメージセンサアレイ中での自動的利得制御の方法
が開示される。 【００１３】本発明の更に別の１つの形態では、ＣＣＤ
セル中での電荷キャリアの衝突電離によって電荷が増倍
されるようになった電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
が開示される。 【００１４】本発明の更に別の１つの形態では、一時的
に電荷を保持するための電位井戸、前記電位井戸から分
離されたＣＣＤセルの部分中の電界領域であって前記電
界を横切るキャリアによって衝突電離が引き起こされる
のに十分強い電界を有する領域、前記電位井戸中の電荷
を前記電界領域へ流れ出させる手段であってそれによっ
て衝突電離によって電荷の増倍を得るための手段、を含
む電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセルが開示される。 【００１５】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイが開
示される。 【００１６】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
む映画用（ｍｏｔｉｏｎ）ビデオカメラが開示される。 【００１７】本発明の更に別の１つの形態では、イメー
ジを検知するためのアレイ、前記アレイの出力へつなが
れて前記アレイ中のイメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと検出器とへつ
ながれて前記検出されたレベルに応答して前記アレイへ
のバイアスレベルを調節するための回路であって、前記
バイアスレベルが前記アレイの少なくとも１つのセル中
に比例的な電界を生成してその電界中を移動する電荷キ
ャリアによって衝突電離を引き起こすための回路、を含
む自動利得制御機能を備えたイメージセンサアレイを含
むスチル用（ｓｔｉｌｌ）ビデオカメラが開示される。 【００１８】本発明の特徴は、本発明が、より高い感
度、進歩した信号対雑音比、そして可変利得を備えたイ
メージセンサを可能とするということである。 【００１９】本発明の以上の、およびそれ以外の点につ
いて、図面を参照して説明する。図面では、同様な部品
には同じ参照符号を付してある。 【００２０】 【実施例】本発明は、センシング画素中ではなく、典型
的なＣＣＤイメージセンサ中で、電荷転送過程において
キャリアの増倍を行うようになったイメージセンサを提
供する。この新規な方式は、従ってイメージオルシコン
の動作に同等もしくはそれを凌ぐ特性を備えた固体方式
のイメージセンサ構築への道を開くものである。 【００２１】電荷増倍をＣＣＤ装置へ組み込むことによ
ってそれの重要な特長が強調される。ＭＯＳまたはＣＩ
Ｄセンサに対するＣＣＤの優位性は、フォトサイトで収
集された電荷が離れた位置の（通常は同一チップ上の）
センシング増幅器へ効率よく転送できることにある。そ
のため、実質的に配置上の制約がないので、増幅器は最
大特性を達成できるように最適化することができる。電
荷検出増幅器への転送は、多くの画素位置から実質的に
損失無しで高速に行うことができる。 【００２２】本発明の概念を用いて、電荷転送経路中へ
低雑音電荷増倍構造を付加することも可能である。これ
によって電荷センシング検出器へ到達するキャリア数は
増加し、特に高周波において低レベル信号の検出が容易
になる。この概念を採用するＣＣＤイメージセンサは、
従って、より高い感度、より低い雑音、そして電荷増倍
領域での電界強度を外部から制御することによる可変利
得という特長を備えることになる。 【００２３】図１は一般的に１０で示された簡単な４相
ＣＣＤ構造を示しており、それはこの分野で既知の方法
で構成されたものである。図２は、図１の装置におい
て、装置を通しての（電荷増倍なしの）標準的な４相の
電荷転送を実現するために、図１の４個のゲート電極１
２、１４、１６、そして１８へそれぞれ与えられるパル
スを示すタイミング図である。図１の電位図は、図２の
タイミング図に示された各時点でのＣＣＤチャネル中の
電位分布を示している。当業者には明かなように、電荷
の移動する方向の先端に電位井戸を生成し、後端で電位
井戸を取り除くことを次々と行うことによって電荷がチ
ャネルに沿って転送されていく。このように電荷パケッ
ト２０はＣＣＤチャネルに沿って左から右へと移動す
る。ｔ₁ からｔ₁ ′の期間が１クロックサイクルを表
し、その間に電荷バケット２０は４相領域を移動する。 【００２４】図３には本発明の第１の好適実施例が一般
的に５０で示されている。これは図１の従来技術のＣＣ
Ｄセルに電荷増倍機能を組み込んだものである。図４
は、図３の装置中を通して電荷の転送と増倍とを達成す
るために、４個のゲート電極５２、５４、５６、そして
５８へそれぞれ供給されるパルスを示すタイミング図で
ある。直流バイアスされた転送障壁が位相３電極５６の
下に形成され、一時的な蓄積井戸が位相２電極５４の下
に形成される。位相１は画素分離器として作用し、高電
界領域が位相３電極５６と位相４電極５８との界面に形
成される。位相２電極５４のバイアスが低下すると（す
なわち電位が上昇すると）、蓄積されている電荷は位相
３電極５６の下の転送障壁を越えて、位相３電極５６と
位相４電極５８との間の高電界領域中へ注入される（高
電界の生成については後述する）。キャリアがＣＣＤチ
ャネル中を移動する間に、それは格子を構成する原子と
相互作用を行ってそれのエネルギーを失う前に、平均的
に“平均自由行程”を移動する。しかし、チャネル中の
電界が十分強ければ、キャリアはそれの平均自由行程を
移動する間に電界から十分なエネルギーを得ることがで
き、格子原子と衝突することによって価電子帯から付加
的な電子を解放する。初期キャリアは、衝突によって生
成した正孔および電子と共に衝突領域を離れて自由にな
る。この過程は衝突電離と呼ばれる。この過程中に電子
−正孔対はＣＣＤの表面に垂直な方向の電界によって分
離され、電子のみが位相４電極５８の下の井戸中に集め
られる。正孔は、ＣＣＤ構造とそれらの生成場所とに依
存して、バルク方向、またはシリコンと二酸化シリコン
界面方向へ流れる。生成した正孔は通常、それ以上増倍
過程に関与しない。従って、増倍は単一のキャリアのみ
を含むことになり、これは本質的に低雑音過程になるこ
とが知られている。 【００２５】すべてのキャリアが高電界領域を転送され
て、増倍された後に、それらの転送は次に段階へ進むこ
とができる。このことは位相１電極５２を高レベルへ、
また位相４電極５８を低レベルへバイアスし、それに続
いて位相２電極５４を高レベルへ、位相１電極５２をそ
れの元の低レベルへ戻すようにバイアスすることによっ
て行われる。この時点で、キャリアは次の段階の一時的
な蓄積井戸中にあって、次の増倍のための準備ができて
いる。次の段階は位相４電極５８を高レベルへバイアス
して、再び電荷を位相３電極５６下の電位障壁を越えて
注入することで開始される。図３から明かなように、キ
ャリアを位相２電極５４下の一時的蓄積井戸へ戻すよう
に転送することもできる。このことは位相４電極５８の
バイアスを下げ、位相２電極５４のバイアスを上げるこ
とによって行われる。この場合、位相２電極５４と位相
３電極５６との間に（これらの２つの領域間の大きい電
位差のために）高電界領域が生成され、増倍されたキャ
リアはそれらが元もと出発した井戸（すなわち位相２）
へ集められる。双方向性の転送によってキャリア増倍を
行うこの方法は、数多い段階を備えた長い構造のための
十分な場所がない時や、転送回数を外部から変更する必
要のある場合などに有利である。 【００２６】ＣＣＤチャネルにおいて電荷増倍を達成す
るためには、大きい横方向電界を有する複数の領域を通
してキャリアを転送することが必要である。これらの電
界は、２つの隣接するゲート電極間に電位差を与える
か、または２つの隣接する領域で（イオン打ち込みやヘ
テロエピタキシャル成長によって）異なるドーピング分
布を持たせることによって生成される。典型的なＣＣＤ
装置では、この大きい電界がゲート電極間の領域に存在
する。しかし、キャリアの増倍は通常起こらない。最近
のＣＣＤの設計は１つのゲートから次のゲートへ滑らか
な電位の分布を持たせることによって、各ゲート下でフ
リンジ（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）（横方向）電界ができるだ
け遠くまで達するようにして最適化が図られている。こ
の設計の理由は電荷転送効率（ＣＴＥ）を最大に保ちな
がら、高速の電界援用電荷転送を達成することである。
ゲートへのバイアスが変化するに伴って、電荷はほとん
ど直ちに電位の最小場所へ到達するように流れ、通常は
既に存在しない大きな電界に出会うことはない。ゲート
のバイアスがそれの最大レベルに到達すると、通常はす
べての電荷が既に次の井戸に蓄えられている。標準的な
ＣＣＤチャネルでキャリアの増倍が起こらない理由は典
型的なＣＣＤがそれの井戸容量いっぱいの状態において
動作するように設計されているからである。チャネル中
の多量の電荷は内部電界を低下させ、そのため電子なだ
れ条件の形成が阻止される。 【００２７】電荷増倍を行うためには、３つの要求が充
たされることが望ましい。第１は、ゲート上のバイアス
が変化して大きいフリンジ電界が形成されるための時間
がある場合に、転送障壁の後ろの蓄積井戸中に電荷が一
時的に蓄積されなければならない。この転送遅延は、外
部のクロック駆動器の制約からゲート上のバイアスがそ
れほど敏速に変化することができないため必要である。
電界がそれらの最大強度に到達した後、電荷は転送障壁
を越えて高電界領域へ注入されることができる。第２の
条件は、加速されたキャリアがＣＣＤチャネルの材料中
で衝突電離を引き起こすために十分大きいエネルギーを
得られるように電界が十分強いものでなければならない
ということである。最後に、ＣＣＤチャネル中で転送さ
れる電荷量は、電界の自己クエンチ（ｓｅｌｆ−ｑｕｅ
ｎｃｈｉｎｇ）効果を避けるために、ＣＣＤチャネル容
量に比べて小さくなければならない。しかし、特定の応
用においては、この自己制限機能は、信号圧縮を通して
装置のダイナミックレンジを拡大するという特長として
利用される。 【００２８】今日頻繁に使用されているＣＣＤ装置には
２つの型がある：表面チャネルＣＣＤと埋め込みチャネ
ルＣＣＤである。本発明の好適実施例は埋め込みチャネ
ル装置を採用しているが、電荷増倍の概念はこれら２つ
の型のいずれにも適用できる。しかし、克服すべき問題
点は、表面から離れ、ゲート電極から特定の距離にある
チャネル中を電荷が移動することである。不幸にも、電
極からのチャネルの距離が大きくなるほど、横方向の電
位分布は滑らかになる傾向がある。最も大きい横方向電
界はゲート電極間にあり、バルク中への距離が増えるほ
ど減少する。この結果、埋め込みチャネル装置において
高い電子なだれ電界を生成することはより困難になる。
このことは図５に、電荷増倍ゲート（すなわち、図３の
位相４電極５８）下のＣＣＤチャネルのエリアに対する
断面の二次元的な電位分布の概略図として示されてお
り、この図はＣＭＤゲートのすぐ隣の最も高いレベルに
ある電位を示している。 【００２９】図６は従来技術の仮想位相（ｖｉｒｔｕａ
ｌ ｐｈａｓｅ）埋め込みチャネルＣＣＤ装置（テキサ
スインスツルメンツＴＣ２１１）を一般的に７０で示し
ており、これの動作は本発明の第２の好適実施例を実験
的に実証するように修正されている。このＣＣＤ自体の
標準的な動作は、ここに参考のために引用する、本発明
の出願人に譲渡された米国特許第４，６７９，２１２号
に詳細に述べられている。 【００３０】図６から、もし装置に適正なクロックが供
給されるならば、ＴＣ２１１に付属している標準的なア
ンチブルーミング（ａｎｔｉｂｌｏｏｍｉｎｇ）ゲート
をＣＭＤゲート７４として利用できることが分かる。高
電界は、ゲート電極７２下のクロックを与えられる井戸
から電荷が注入される前に、領域７６の下に存在する仮
想障壁（ｖｉｒｔｕａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）とＣＭＤゲ
ート７４との間の界面に生成される。電界の注入が終了
すると、ＣＭＤゲート７４のバイアスは下げることがで
き、仮想井戸（ｖｉｒｔｕａｌ ｗｅｌｌ）へ転送され
た電荷は領域７８の下に見いだされ、次のサイクルの準
備ができている。タイミング図が図７に示され、実験の
設定は図８に一般的に８０で示されている。 【００３１】ＣＣＤ構造における電荷増倍の効果をはっ
きり実証するために、図８のＴＣ２１１装置８４はイメ
ージセンシングエリア上へ投影された水平バーのパター
ン（水平シフトレジスタに平行）を与えられている。Ｔ
Ｃ２１１センサ８４はフルフレーム（ｆｕｌｌ ｆｒａ
ｍｅ）装置であるため、照明のために使用されるＬＥＤ
光源８２には蓄積時間のあいだだけパルスが供給され
る。ＬＥＤ８２は良好な一様性でイメージセンシングエ
リアを照明する。図７のタイミングパルスが、予めプロ
グラムされたタイミングＩＣ９０の制御下で駆動器８６
と８８によってセンサ８０へ供給される。センサ８４か
らの直列シフトレジスタ出力は駆動器８６からのφ_SRに
よって制御されて、増幅器９２、標本化および保持回路
９４、そして別の増幅器９６へと送られる。この出力は
次にオシロスコープ９８上に表示される。 【００３２】図９のオシロスコープ像は電荷増倍機能が
働いていない場合の、この回路のビデオ出力を示してい
る。明らかなように、出力はイメージとして用いられた
水平バーの明るい領域と暗い領域とが交互に並んだ一様
な照明の様子を反映している。これと対照的に、図１０
のオシロスコープ像は電荷増倍機能を働かせた場合の図
８の回路の結果のビデオ出力を示している。この像か
ら、イメージセンサ８４の直列シフトレジスタの近くに
位置するストライプからの（像の左側からの）電荷は少
数のＣＣＤ段階（従って、少数の電荷増倍段階）しか転
送されていないため、あまり大きな増倍を示しておら
ず、最小のレベルを有していることが分かる。他方、イ
メージエリアの最上部（像の右側）からの電荷は約１６
５段階を通って転送されているが、十分に増倍されてい
ることが分かる。この像は、このように図６の装置の修
正された動作に期待される電荷増倍の振る舞いを確認さ
せるものである。 【００３３】図８の回路から得られる最大の増倍はおよ
そ５倍である。この装置が１６５本のラインを含んでい
ることを考慮に入れると、この増倍率は１転送当たりに
約Ｍ_o＝１．０１という利得に変換される、または１段
階当たりほどよい１％程度の信号レベル増倍に変換され
る。このような特性レベルが既存の市販されているＣＣ
Ｄイメージセンサに対して簡単なバイアスの修正を施す
ことによって得られたということは、もし装置設計を電
荷増倍機能に関して最適化するならば、ずっと大きい増
倍因子も達成できるであろうことが期待できる。 【００３４】以上のように、ＣＣＤチャネルについて電
荷増倍機能を実証してきたが、従来技術の小型画素のＣ
ＣＤイメージセンサに固有な低感度と高雑音の問題に対
する解答であることを実証することに関心がある。調べ
るべき重要なパラメータは、増倍因子Ｍに加えて、電荷
増倍過程それ自身の間に発生する雑音である。この雑音
は次の式で定義される過剰雑音因子（ｅｘｃｅｓｓ ｎ
ｏｉｓｅ ｆａｃｔｏｒ）Ｆによって通常、特徴づけら
れる： 【００３５】 【数１】 Ｆ＝（１／Ｍ² ）＜ｎ² ＞／＜ｎ_o ² ＞ (1) 上の式(1) の尖った括弧は集合の平均を意味し、＜ｎ²
＞と＜ｎ_o ² ＞はそれぞれ増倍の前後の信号キャリア変
動であり、Ｍは次の式で定義される増倍因子である： 【００３６】 【数２】 Ｍ＝＜ｎ＞／＜ｎ_o ＞ (2) 【００３７】この増倍利得因子Ｍはまず図８の装置につ
いて測定され、結果は図１０に示されている。このグラ
フは利得のＣＭＤゲート高レベルバイアスに対する依存
性を示し、期待通りの勾配を有している。２０ボルト付
近のゲートバイアスについて本質的な利得の増加が認め
られる。第１の顕著な１よりも大きい利得の見られるし
きい値は約１４ボルトである。ゲートバイアスを２２ボ
ルトよりも大きくすると、列と列とでの非一様性が増大
し、出力が飽和に近づく。この時点で、ＣＣＤチャネル
を通って移動する多量の電荷によって電子なだれ電界が
クエンチを初めていることが仮定されており、その場合
の増倍度はいくらか減少する。 【００３８】過剰雑音因子Ｆの結果は図１１に示されて
いる。この図から過剰雑音因子は約Ｆ＝１に等しいこと
が明かである。これはまた、増倍因子Ｍにほとんど無関
係である。このことは非常に有利な結果であって、標準
的なＣＣＤイメージセンサから光子計数特性に近い動作
が可能であることを示唆している。このことは次のよう
に表される： 【００３９】 【数３】 （Ｓ／Ｎ）_p ＝（ｎ_p ）^1/2 (3) 【数４】 （Ｓ／Ｎ）_st＝ｎ_p （ｎ_p ＋ｎ_a ² ）^-1/2 (4) 【数５】 （Ｓ／Ｎ）_cmd ＝ｎ_p （ｎ_p Ｆ＋（ｎ_a ／Ｍ）² ）^-1/2 (5) ここで、ｎ_p は光子励起生成されたキャリアの数、（Ｓ
／Ｎ）_p は光子励起生成されたキャリアの信号対雑音
比、（Ｓ／Ｎ）_stは標準的なＣＣＤイメージセンサの信
号対雑音比、（Ｓ／Ｎ）_cmd は電荷増倍を備えたＣＣＤ
イメージセンサの信号対雑音比、そしてｎ_a は等価な電
子の数で表した増幅器雑音フロアである。ＣＭＤ装置を
備えたＣＣＤの信号対雑音比を入力信号の信号対雑音比
に対して生起化することによって、次の評価指数Ｑ_m ： 【００４０】 【数６】 （Ｑ_m ）_cmd ＝（Ｆ＋（ｎ_a ／Ｍ）² ／ｎ_p ）^-1/2 (6) を定義することができる。この式から、例えばＭ＝２０
というような中程度の利得に関しても、ｎ_a ＝２０の電
子数の雑音フロアを容易に達成できるＣＤＳ（相関二重
標本化、ここに参考のために引用する、本発明の出願人
に譲渡された米国特許第４，６５６，５０３号に定義さ
れている）回路を備えた従来の電荷検出増幅器を用い
て、ｎ_p ＝１の電子数において（Ｑ_m ）_cmd ＝０．７０
７を達成することが可能であることが容易に分かる。他
方、もしＣＭＤが使用されなければ、（Ｑ_m ）_stは次の
ようになる： 【００４１】 【数７】 （Ｑ_m ）_st＝（１＋ｎ_a ² ／ｎ_p ）^-1/2 (7) この場合、（Ｑ_m ）_st＝０．７０７はやっとｎ_p ＝４０
０電子で達成できよう。これは標準的なＣＣＤイメージ
センサがＣＭＤを備えたセンサに対して競争力を失わせ
るあまりに低い特性である。 【００４２】ＣＭＤ概念の特長のいくつかは次のような
ものである：ＣＭＤは多相（ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ）装
置から単一位相の仮想ゲート（ｖｉｒｔｕａｌ ｇａｔ
ｅ）ＣＣＤに至る広い範囲の既存ＣＣＤ構造の任意のも
のに容易に組み込むことができる。高利得を実現するた
めに数多くの段階をカスケード接続することができる。
利得はＣＭＤゲートクロック振幅を調節することによっ
て外部から制御することができる。最後に、電荷注入と
増倍の間の必要な時にのみ、高電界をパルスとして与え
ることができる。起こり得る望ましくないダークキャリ
ア発生を最小化するために、電荷を増倍する必要がない
時には高電界はオフされる。 【００４３】別の１つの特長は、新しい電荷増倍概念の
基本的な特長を保ちながら可能な、装置配置の柔軟性が
大きいことである。いくつかの例を図１３に示してあ
る。図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤチャネルの各段階
へ、あるいは一群の段階へ組み込んだ直接的な方式を示
す。電荷増倍因子Ｍは各段階または段階群に関して独立
的に制御され、あるいはすべての制御ラインを単一の駆
動器へつなぐ。図１３ｂは空間が厳しく制限されている
応用で、電荷の繰り返し増倍を許容する新規な構造を示
している。信号は従来のＣＣＤチャネル１００中へ直列
的に入力される。それは次にＣＭＤチャネル１０２中へ
並列的にシフトされ、そこにおいて右へ直列的にシフト
され、各シフト毎に増倍される。その後、出力ＣＣＤチ
ャネル１０４へ並列的にシフトされ、更に増幅器１０６
へ送られる。この特定の実施例は、ＣＭＤチャネル１０
２中へ一旦入ると、信号は、必要とされる電荷増倍が達
成されるまで、左から右へ、右から左へと繰り返しシフ
トされる。電荷増倍のこのレベルは固定されてもよい
し、外部条件に依存して連続的に変化させてもよい。図
１３ｃは“レーストラック（ｒａｃｅｔｒａｃｋ）方
式”に配置されたＣＣＤ構造の例を示している。信号は
標準的なＣＣＤチャネル１１０中へ直列的に入力され、
ＣＭＤチャネル１１２中へ並列的にシフトされ、そこで
望みの電荷増倍を達成するために必要な回数ループ状に
直列シフトされ、その後出力ＣＣＤレジスタ１１４へ並
列的にシフトされ、更に増幅器１１６へ送られる。この
配置はまた、非常に小さい空間中に数多くの増倍段階を
許容する。最後の図１３ｄはいくつかの並列ＣＣＤチャ
ネル１１８を示しており、それは単一の制御ラインの制
御下にあるＣＭＤセル１９９を含んでいる。ＣＣＤチャ
ネル１１８はすべて直列シフトレジスタ１２１中へシフ
トを行って空になっており、直列シフトレジスタ１２１
はその電荷を出力へシフトする。この配置は多くの同様
なあるいは類似の配置と同じように、いくつかの並列Ｃ
ＣＤチャネルのそれぞれに同量の利得を導入することを
許容するため、イメージセンサアレイに使用するのに大
いに有用である。 【００４４】本発明の電荷増倍の概念は当該分野で既知
の任意のＣＣＤ設計に容易に採用することができる。例
えば、電荷増倍から利益を得るＣＣＤ設計の例には次の
ものが含まれる：打ち込みされた井戸領域を備えた、あ
るいは備えていない多相ＣＣＤ、二次元電子ガス構造に
基づくＣＣＤ、仮想位相ＣＣＤ、埋め込みチャネル装
置、表面チャネル装置等。 【００４５】当業者は、ＣＭＤ装置の可変利得特性がＣ
ＭＤ装置を、帰還を組み込んだ自動利得制御（ＡＧＣ）
システムに特に適したものとしていることに容易に気づ
かれるであろう。このことはイメージセンシングシステ
ム中のＣＣＤがシステムの動作条件に依存する利得因子
を有することを許容する。典型的なシステムのブロック
図を図１４に示す。ここで、レンズ１２０がＣＭＤ／Ｃ
ＣＤイメージセンサアレイ１２２上にイメージを結像
し、イメージセンサアレイは信号の電荷レベルを増倍し
てビデオ信号プロセッサ１２４へ直列出力を供給し、ビ
デオ信号プロセッサ１２４の出力はモニタおよび／また
はビデオレコーダへ送られる。ビデオ信号プロセッサの
出力はピーク／平均信号検出器１２６によって、外部プ
ログラム入力とタイミング発生器１２８からのウエイト
（ｗｅｉｇｈｔ）制御とに基づいて、標本化される。ピ
ーク／平均信号検出器１２６はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回
路１３０へ、システムレンズが見るシーンの照明レベル
に比例したＣＭＤ利得制御出力を供給する。この制御信
号はＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路１３０によって用いられ
て、ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサ１２２へ送られる制
御信号を調節し、それによって電界の強度を、従って装
置の利得を制御する。このようにして、このシステムは
レンズ１２０に対する絞り制御を不要とし、その結果拡
張されたダイナミックレンジを備えた装置を提供すると
共に、低価格のレンズを実現し、機械的な方式よりも信
頼性高い電子式の絞り制御を提供する。 【００４６】以上のように、いくつかの好適実施例につ
いて詳細に説明した。本発明の範囲にはここに述べたも
のとは異なる実施例であって、本発明の範囲内に含まれ
る実施例を包含することを理解されたい。 【００４７】例えば、電荷増倍を最大化し、装置の信号
対雑音比を最大化する特殊なゲート構造を電荷増倍領域
に採用したり、ＣＭＤゲート下に特殊な高電界打ち込み
領域を使用したり、ビルトインの固定電界領域を採用し
たりすることが考えられる。 【００４８】含むという表現は本発明の範囲に関する場
合、非排他的と解釈されるべきである。 【００４９】内部および外部の接続はオーミックなもの
でも容量性のものでもよく、直接的でも中間回路等を介
しての間接的なものでもよい。本発明の組み込みは、個
別部品としてでもよいし、光学その他の技術に基づく形
態および実施例の他に、シリコン、ガリウム砒素、その
他の電子材料群中への完全集積化された回路としてでも
よい。 【００５０】本発明は例示された実施例に関して説明し
てきたが、この説明は限定的な意図のものではない。例
示した実施例の各種の修正や組み合わせが、本発明のそ
の他の実施例と共に可能であることは本明細書を参考に
することで当業者には明らかになるであろう。従って、
本発明の特許請求の範囲はそれらの修正やその他の実施
例を包含するものと理解すべきである。 【００５１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法であっ
て、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離を引き
起こす工程を含む方法。 【００５２】(2) ＣＣＤセル中で電荷を増倍するため
の方法であって：前記ＣＣＤセル中の電位井戸中に電荷
を一時的に保持すること、前記ＣＣＤセル中の前記電位
井戸から分離された部分に電界領域を生成することであ
って、前記電界を横切るキャリアによって衝突電離が引
き起こされるような十分強い電界を有する領域を生成す
ること、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領域中へ
流れ出させることであって、前記流れが衝突電離によっ
て前記電荷の増倍をもたらすように流れを引き起こすこ
と、の工程を含む方法。 【００５３】(3) 第２項記載の方法であって、前記流
れを引き起こす工程が前記電位井戸の寸法を減少させる
ことによって実現され、それによってそこにある前記電
荷が前記井戸を越えて流れ出し、次に前記電界領域中へ
流れ出すようにする方法。 【００５４】(4) イメージセンサアレイ中での自動利
得制御のための方法であって：前記アレイ中にイメージ
を検知すること、前記アレイ中の前記イメージによって
発生する電荷レベルを検出すること、前記検出されたレ
ベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアスレベル
を調節することであって、前記バイアスレベルが前記ア
レイの少なくとも１つの中に、前記電界中を移動する電
荷キャリアによって衝突電離を引き起こすための比例的
な電界を生成するように、バイアスレベルを調節するこ
と、の工程を含む方法。 【００５５】(5) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイが映画用ビデオカメラの一部である
方法。 【００５６】(6) 第４項記載の方法であって、前記イ
メージセンサアレイがスチル用ビデオカメラの一部であ
る方法。 【００５７】(7) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって、電荷が前記ＣＣＤセル中の電荷キャリアの衝
突電離によって増倍されるようになった装置。 【００５８】(8) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離が前記高電界領域中での
前記キャリアの加速によって引き起こされる方法または
装置。 【００５９】(9) 第１項記載の方法または第７項記載
の装置であって、前記衝突電離がＣＣＤチャネルの各セ
ル中で起こるようになった方法または装置。 【００６０】(10) 電荷増倍装置（ＣＭＤ）ＣＣＤセル
であって：一時的に電荷を保持するための電位井戸、前
記電位井戸から分離された前記ＣＣＤセルの一部分中の
電界領域であって、前記電界が電界を横切るキャリアに
よって衝突電離が引き起こされるに十分な強さであるよ
うな電界領域、前記電位井戸中の前記電荷を前記電界領
域中への流出を引き起こす手段であって、その流れの結
果、衝突電離によって前記電荷の増倍がもたらされるよ
うに流れを引き起こす手段、を含む装置。 【００６１】(11) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電位井戸が前記ＣＣＤセルの表
面上のエリアへ電位を供給することによって生成される
ようになった方法または装置。 【００６２】(12) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つのエリア間に電位差を形成することによって生成
されるようになった方法または装置。 【００６３】(13) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記電界が前記ＣＣＤセルの表面上
の２つの領域間に、前記領域にそれぞれ異なるドーピン
グを施すことによって電位差を形成することによって生
成されるようになった方法または装置。 【００６４】(14) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがイオン打ち込みによって行われ
る方法または装置。 【００６５】(15) 第１３項記載の方法または装置であ
って、前記ドーピングがヘテロエピタキシャル堆積によ
って行われる方法または装置。 【００６６】(16) 第１０項記載の装置であって、前記
流れを引き起こす手段が電位を供給された前記電位井戸
上に取り付けられたゲートであって、前記電位を下げる
ことによって前記井戸の寸法が減少し、それによってそ
こにある電荷が前記井戸のサイドを越えて、前記電界領
域中へ流れ出すようになった装置。 【００６７】(17) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えた多相装置である方法または装置。 【００６８】(18) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが打ち込み井戸を備
えていない多相装置である方法または装置。 【００６９】(19) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが仮想位相装置であ
る方法または装置。 【００７０】(20) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが埋め込みチャネル
装置である方法または装置。 【００７１】(21) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが表面チャネル装置
である方法または装置。 【００７２】(22) 第２項記載の方法または第１０項記
載の装置であって、前記ＣＣＤセルが二次元電子ガス構
造に基づいている方法または装置。 【００７３】(23) 自動利得制御を有するイメージセン
サアレイであって：イメージを検知するためのアレイ、
前記アレイの出力へつながれて前記アレイ中の前記イメ
ージによって発生する電荷レベルを検出するための検出
器、前記アレイと前記検出器へつながれて、前記検出さ
れたレベルに応答して前記アレイへ供給されるバイアス
レベルを調節する回路であって、前記バイアスレベル
が、前記電界中を移動する電荷キャリアによって衝突電
離が引き起こされるように前記アレイの少なくとも１つ
の中に比例的な電界を生成するようになった回路、を含
むイメージセンサアレイ。 【００７４】(24) 映画用ビデオカメラであって：自動
利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イメ
ージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれて
前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レベ
ルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器へ
つながれて、前記検出されたレベルに応答して前記アレ
イへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
む映画用ビデオカメラ。 【００７５】(25) スチル用ビデオカメラであって：自
動利得制御を備えたイメージセンサアレイであって：イ
メージを検知するアレイ、前記アレイの出力へつながれ
て前記アレイ中の前記イメージによって発生する電荷レ
ベルを検出するための検出器、前記アレイと前記検出器
へつながれて、前記検出されたレベルに応答して前記ア
レイへ供給されるバイアスレベルを調節する回路であっ
て、前記バイアスレベルが、前記電界中を移動する電荷
キャリアによって衝突電離が引き起こされるように前記
アレイの少なくとも１つの中に比例的な電界を生成する
ようになった回路、を含むイメージセンサアレイ、を含
むスチル用ビデオカメラ。 【００７６】(26) 一般的に、そして本発明の１つの形
態において、ＣＣＤセル中で電荷を増倍するための方法
であって、前記ＣＣＤセル中で電荷キャリアの衝突電離
を引き起こす工程を含む方法が開示されている。その他
の装置、システム、および方法もまた開示されている。 【００７７】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to a charge multiplying device.
It is about. [0002] BACKGROUND OF THE INVENTION Without limiting the scope of the present invention, small
Background of the present invention using a pixel CCD image sensor as an example
Will be described. [0003] In this field, the consumer market has
Demand for CCD cameras with higher resolution
As designers increase their use in their products
Incorporating more pixels into the CCD image sensor
Came. At the same time, maintain the cost of those sensors or
Reduce the chip size by competing pressure to lower
Law, and thus the active pixel area
Have been. This unavoidable trend is apparent in recent technical papers.
And even more product catalogs
is there. However, this leads to two serious problems:
One is a decrease in pixel detection sensitivity and the other is a signal
This is a reduction in the noise-to-noise ratio (S / N ratio). The sensitivity of an image sensor depends on the pixel area, aperture,
Part efficiency, quantum efficiency, storage time, and
It is proportional to the conversion factor. The largest sensor of modern image sensors
The sensitivity is usually the charge that converts the collected charge to an output voltage.
Noise floor of the detection amplifier
Is determined. Without this restriction, individual photons
It would be possible to realize photon counting operation by detecting
And therefore the ultimate determined by the basic laws of physics
It should be possible to obtain image sensor characteristics. However, the noise floor of the charge detection amplifier is low.
Reducing is not an easy task. Achieve better properties
In order to achieve this, the sensor designer has to
Control circuit (IEEE Trans. On Co.)
nsmer Electronics 1989
August, Vol. 35, No. 3, pages 368-374.
New Noise Suppression Method for High-Resolution CCD Cameras (A
  New NoiseSuppression Met
hod for High-Definition C
CD Camera))), using current modulation technology
(IEEE Trans. On Electron D
devices magazine, May 1991, ED-38
"Operation in high sensitivity mode" described on page 1021-1027
A 250k pixel SIT image sensor (A250
k-Pixel SIT Image Sensor
Operating inits High-Sen
situation mode) ") or many others
New charge detection mechanism (IEEE Tra
ns. on Electron Devices 1
May 991, Issue ED-38, pp. 1048-105.
1. New for high-resolution CCD image sensors
New low noise output amplifier (New Low-Noise)
Output Amplifier for High
-Definition CCD Image Sen
sor) ”)
A method has been developed. However, there are well-known technologies
The technology has long been used in image orchicon imaging tubes
It has been. It is a carrier multiplication method. At present, the carrier multiplication method has been adopted in some form.
There are many solid-state devices on the market. Those
Devices are typically “avalanche-for-electron avalanche”
Photodiode (APD), used in the field of optical communications.
Have been used. A huge amount of papers on this subject
Accumulated and excellent reviews can be found
(New York, Academic Press 1985
Semiconductors ann
Volume 22 of the Semimetals series, "Lightwaves
Communication technology (Light-wave communication)
Tion Technology) ”).
Sensin, which can be used in rear image sensor
Paper explaining carrier multiplication in pixel
(IEEE Trans. On Electron D
ed-37, eds.
"Charge storage mode" on pages 1861-1868
Based on pn electron avalanche photodiode in Si
A new high-gain image sensor cell (A novel)
High-Gain Image SensorCel
l Based on Sip-n APD in
Charge Storage Mode Opera
))). [0007] The carrier multiplication method uses noise accompanying this process.
Is very low, so it is a solid-state APD sensor
Or used in ordinary vacuum tube photomultiplier tubes,
It is effective for increasing the sensitivity and increasing the signal-to-noise ratio. This one
The equation states that the sensor counts the number of carriers less than the noise floor of the amplifier.
To a greater level, and therefore
A photon counting mode of operation can be provided. Signal noise of output signal
The sound ratio is therefore limited by the noise of the charge detection amplifier.
Rather than the signal-to-noise ratio of the input photon flux
Be equal. However, the APD type device is in the pixel array.
It is too large to be incorporated into a device, and the gain is limited. Some of the problems facing designers
Has a tube photon detector (without image recording)
Charge to achieve an equivalent higher carrier multiplication factor
Integrate multiplication function into solid-state image sensor array
Difficulties and photosites (photosit)
e) higher than is possible with the device for multiplying the carrier in
The aim is to develop a method that can achieve a high multiplication factor. Subordinate
To solve each or all of the above problems
Progress is currently being sought. [0009] SUMMARY OF THE INVENTION Here, a CC having a charge multiplication capability
It is understood that there is a demand for D image sensor
It is. The present invention addresses these needs. In general, and in one form of the invention,
To reduce the impact ionization of charge carriers in the CCD cell.
The method of multiplying the charge in the CCD cell including the step of
Shown. In another aspect of the invention, a CCD cell
To temporarily store charge in the medium potential well
And a portion of the CCD cell separated from the potential well.
Generating a field region, wherein the carrier crosses the electric field.
Is high enough to cause impact ionization
Generating a field, transferring the charge in the potential well to the electric field region.
Flow into the area and the collision of the charge
Flowing to obtain a multiplication of the charge by ionization.
A method of multiplying charges in a CCD cell containing is disclosed. In another embodiment of the present invention, an image cell
Detecting an image into a sensor array;
To detect the level of charge generated by the image
And a buffer to the array in response to the detected level.
Adjusting the ias level, wherein the bias level is
Proportional electric field in at least one cell in the array
Regions that are generated by charge carriers passing through the electric field.
To cause impact ionization.
Method of Automatic Gain Control in an Image Sensor Array Including
Is disclosed. In still another embodiment of the present invention, a CCD is provided.
Charge multiplication due to impact ionization of charge carriers in the cell
Charge Multiplier (CMD) CCD Cell
Is disclosed. In still another aspect of the present invention, a temporary
Potential well for holding electric charge at the
An electric field region in a part of the separated CCD cell,
Collisional ionization caused by carriers crossing the world
Region with a strong enough electric field, the charge in the potential well
To the electric field region.
Means for obtaining the multiplication of charges by impact ionization
A charge multiplier (CMD) CCD cell is disclosed. In still another embodiment of the present invention, an image
An array for detecting image, connected to the output of the array
Charge level generated by the image in the array
A detector for detecting the array, the array and the detector
Flow to the array in response to the detected level
A circuit for adjusting the bias level of
A bias level in at least one cell of the array
To generate an electric field proportional to
Circuit for causing impact ionization by carriers
Image sensor array with automatic gain control
Shown. In still another embodiment of the present invention, an image
An array for detecting image, connected to the output of the array
Charge level generated by the image in the array
A detector for detecting the array, the array and the detector
Flow to the array in response to the detected level
A circuit for adjusting the bias level of
A bias level in at least one cell of the array
To generate an electric field proportional to
Circuit for causing impact ionization by carriers
Image sensor array with automatic gain control function
A motion video camera is disclosed. In another embodiment of the present invention, an image
An array for detecting image, connected to the output of the array
Charge level generated by the image in the array
A detector for detecting the array, the array and the detector
Flow to the array in response to the detected level
A circuit for adjusting the bias level of
A bias level in at least one cell of the array
To generate an electric field proportional to
Circuit for causing impact ionization by carriers
Image sensor array with automatic gain control function
A still video camera is disclosed. The feature of the present invention is that the present invention has a higher feeling.
Noise, advanced signal-to-noise ratio, and variable gain.
This is to enable a image sensor. The above and other aspects of the present invention
And will be described with reference to the drawings. In the drawing, similar parts
Have the same reference numerals. [0020] DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is not
Charge transfer process in a typical CCD image sensor
Providing an image sensor that multiplies the carrier
Offer. This new method is therefore image orchicon
Solid-state method with characteristics equivalent to or superior to the operation of
Pave the way for image sensor construction. By incorporating the charge multiplication into the CCD device
This emphasizes its important features. MOS or CI
The advantage of CCD over D sensor is
Collected charges at remote locations (usually on the same chip)
The reason is that the data can be efficiently transferred to the sensing amplifier. So
Therefore, the amplifier is the most
It can be optimized to achieve large properties. Electric
The transfer to the load sense amplifier is substantially from many pixel locations
It can be performed at high speed without any loss. Using the concept of the present invention, into the charge transfer path
It is also possible to add a low noise charge multiplication structure. this
The number of carriers reaching the charge sensing detector
Increased, making it easier to detect low-level signals, especially at high frequencies
become. CCD image sensors that adopt this concept
Therefore, higher sensitivity, lower noise, and charge multiplication
Variable gain by externally controlling the electric field strength in the area
It will have the advantage of gain. FIG. 1 shows a simple four phase generally indicated at 10.
1 shows a CCD structure, which is a method known in the art.
It is composed of FIG. 2 shows the device of FIG.
Standard four-phase (without charge multiplication)
In order to realize the charge transfer, the four gate electrodes 1 shown in FIG.
Pals given to 2, 14, 16 and 18, respectively
FIG. The electric potential diagram of FIG.
At each time point shown in the timing diagram.
The potential distribution is shown. As will be apparent to those skilled in the art,
Creates a potential well at the tip of the moving direction of the
By removing wells one after another, the charge
It is transferred along the channel. Thus, the charge packet
20 moves from left to right along the CCD channel.
You. t₁To t₁'Represents one clock cycle.
Meanwhile, the charge bucket 20 moves in the four-phase region. FIG. 3 shows a first preferred embodiment of the present invention.
Are shown at 50. This is the prior art CC of FIG.
The charge multiplication function is incorporated in the D cell. FIG.
Achieves charge transfer and multiplication through the device of FIG.
To do this, the four gate electrodes 52, 54, 56, and
FIG. 5 is a timing chart showing the pulses supplied to
is there. The DC-biased transfer barrier is
A temporary storage well formed underneath the phase 2 electrode 54
Formed. Phase 1 acts as a pixel separator,
The boundary region is formed at the interface between the phase 3 electrode 56 and the phase 4 electrode 58.
Is done. When the bias of the phase 2 electrode 54 decreases (
That is, when the potential rises), the accumulated charge
Beyond the transfer barrier below the three electrodes 56, the phase three electrodes 56
It is injected into the high electric field region between the phase 4 electrode 58 (high
The generation of the electric field will be described later). Carrier is CCD
As it moves through the channel, it interacts with the atoms that make up the lattice.
Before interacting and losing its energy,
Move the "mean free path" to. But in the channel
If the electric field is strong enough, the carrier will increase its mean free path.
You can get enough energy from the electric field while moving
From the valence band by colliding with lattice atoms
Free electronic electrons. Early careers are born from collisions
Free from the collision area with the generated holes and electrons.
You. This process is called impact ionization. During this process the electron
Hole pairs are separated by an electric field in a direction perpendicular to the surface of the CCD.
Separated and only electrons are collected in the well below the phase 4 electrode 58
Can be Holes depend on the CCD structure and where they are generated.
Exists, bulk direction, or silicon and silicon dioxide
It flows toward the interface. Generated holes usually multiply more
Not involved in the process. Therefore, multiplication is only for a single carrier
Which is essentially a low-noise process.
It is known. All carriers are transferred through the high electric field region.
After being multiplied, their transfer proceeds to the next stage.
Can be. This raises the phase 1 electrode 52 to a high level.
Also, the phase 4 electrode 58 is biased to a low level,
The phase 2 electrode 54 to a high level and the phase 1 electrode 52 to
By biasing it back to its original low level.
Done. At this point, the career is the next stage
In a good storage well and ready for the next multiplication
I have. The next step biases phase 4 electrode 58 to a high level
Then, the electric charge is again passed over the potential barrier under the phase 3 electrode 56.
Start by injecting. As is clear from FIG.
Carrier to the temporary storage well under phase 2 electrode 54
Can also be forwarded to This means that the phase 4 electrode 58
Lower the bias and raise the bias of phase 2 electrode 54.
And done by In this case, the phase 2 electrode 54 and the phase
Between the three electrodes 56 (a large current between these two regions).
A high field region is created (due to the potential difference) and the amplified
The rear is the well from which they originally departed (ie, phase 2)
To be collected. Carrier multiplication by bidirectional transfer
This method of doing for long structures with numerous steps
When there is not enough space, or it is necessary to change the number of transfers externally
This is advantageous when necessary. Achieving charge multiplication in the CCD channel
Pass through multiple regions with large transverse electric fields.
It is necessary to transfer the carrier. These
The field provides a potential difference between two adjacent gate electrodes
Or in two adjacent areas (eg ion implantation or
Different doping (by telo-epitaxial growth)
Generated by holding a cloth. Typical CCD
In the device, this large electric field exists in the region between the gate electrodes
I do. However, carrier multiplication does not usually occur. Recently
CCD design is smooth from one gate to the next
Distribution under the gates
A ringing (horizontal) electric field is created
The optimization has been made to reach far away. This
The reason for the design is to keep the charge transfer efficiency (CTE) to a maximum.
The goal is to achieve high speed electric field assisted charge transfer.
As the bias to the gate changes, the charge is almost
As soon as possible to reach the minimum potential,
You will not encounter large electric fields that no longer exist. Gate
When the bias reaches its maximum level,
All charges are already stored in the next well. Standard
The reason why carrier multiplication does not occur in the CCD channel
With a typical CCD full of its well capacity
Because it is designed to work. In channel
A large amount of electric charge lowers the internal electric field, thus
The formation of the condition is prevented. In order to perform charge multiplication, three requirements are satisfied.
It is desirable to be done. First, bias on the gate
Time for a large fringe electric field to form due to a change in
When there is charge in the storage well behind the transfer barrier.
Must be accumulated from time to time. This transfer delay is
Bias on the gate due to the limitations of some clock drivers.
It is necessary because you cannot change so quickly.
After the electric fields reach their maximum intensity, the charge is transferred to the transfer barrier
Over the high electric field region. Second
The condition is that the accelerated carrier is in the material of the CCD channel.
Energy large enough to cause impact ionization at
Electric field must be strong enough to be obtained
That's what it means. Finally, the transfer in the CCD channel
The amount of charge applied is determined by the self-quenching of the electric field (self-que
CCD channel volume to avoid nching) effect
Must be small compared to quantity. However, certain responses
In use, this self-limiting feature is implemented through signal compression.
As a feature of expanding the dynamic range of the device
Used. The CCD devices frequently used today include:
There are two types: surface channel CCD and embedded channel
This is a CCD. The preferred embodiment of the present invention is an embedded channel.
However, the concept of charge multiplication is
Can be applied to any of the types. But the problem to overcome
Point is away from the surface and at a certain distance from the gate electrode
The movement of charge through the channel. Unfortunately,
The greater the distance of the channel from the pole, the greater the lateral power
The order distribution tends to be smooth. Largest lateral power
The field is between the gate electrodes, increasing the distance into the bulk.
Decrease. As a result, in the embedded channel device,
It becomes more difficult to generate a high electron avalanche field.
This is illustrated in FIG. 5 by the charge multiplication gate (ie, FIG.
To the area of the CCD channel under phase 4 electrode 58)
It is shown as a schematic diagram of the two-dimensional potential distribution of the cross section.
This figure shows the highest level right next to the CMD gate.
It shows a certain potential. FIG. 6 shows a conventional virtual phase (virtua).
l phase) embedded channel CCD device (texa
Instruments TC211) is generally designated by 70.
This operation was performed by experimenting with the second preferred embodiment of the present invention.
It has been modified to demonstrate. This CCD itself
The standard operation is the present invention, which is hereby incorporated by reference.
U.S. Pat. No. 4,679,212 assigned to the assignee of the present invention.
Is described in detail. From FIG. 6, it can be seen that the proper clock is supplied to the device.
If provided, the standard
Anti-blooming gate
Can be used as the CMD gate 74. High
The electric field is applied to the clocked well below the gate electrode 72.
Before the charge is injected from the
Virtual barrier and CMD
Generated at the interface with the sheet 74. End of electric field injection
Then, the bias of the CMD gate 74 can be lowered.
And transferred to a virtual well
Charge is found under region 78 and is ready for the next cycle.
Is ready. The timing diagram is shown in FIG.
The settings are shown generally at 80 in FIG. The effect of the charge multiplication in the CCD structure is discussed.
For demonstration purposes, the TC211 device 84 of FIG.
Horizontal bar pattern projected onto the image sensing area
(Parallel to the horizontal shift register). T
The C211 sensor 84 is a full frame (full fra).
me) LED used for lighting because it is a device
A pulse is supplied to the light source 82 only during the accumulation time.
You. LED 82 has good uniformity for image sensing
Light the rear. The timing pulse shown in FIG.
The driver 86 under the control of the programmed timing IC 90
And 88 to the sensor 80. Sensor 84
The output of these serial shift registers is φ_SRTo
Controlled by the amplifier 92, the sampling and holding circuit
94 and to another amplifier 96. This output is
Next, it is displayed on the oscilloscope 98. The oscilloscope image shown in FIG.
Shows the video output of this circuit when not working
You. As can be seen, the output was used as an image
Uniform with light and dark areas of horizontal bars alternating
It reflects the state of the lighting. In contrast, FIG.
The oscilloscope image of the figure when the charge multiplication function is activated
8 shows the resulting video output of the circuit of FIG. This statue
Near the serial shift register of the image sensor 84
The charge from the underlying stripe (from the left side of the image) is low.
Only a few CCD stages (and thus a few charge multiplication stages)
Because it was not sent, it shows a very large multiplication
It can be seen that it has the minimum level. On the other hand,
The charge from the top of the image area (right side of the image) is about 16
It has been transferred through five stages, but has been multiplied enough
You can see that This image is thus a modification of the device of FIG.
Confirmed charge multiplication behavior expected for corrected operation
It is something to make. The maximum multiplication obtained from the circuit of FIG.
That is five times. This device contains 165 lines
Considering that, this multiplication factor is
About M_o= 1.01 or 1 stage
The signal level is multiplied by about 1%
You. Such a characteristic level is equivalent to that of existing commercially available CCs.
Make simple bias correction for D image sensor
The fact that it was obtained by
If you optimize for the load multiplication function, a much larger increase
It is expected that a doubling factor could be achieved. As described above, the power is supplied to the CCD channel.
We have demonstrated the load multiplication function, but the C
To address the low sensitivity and high noise problems inherent to CD image sensors
I am interested in demonstrating that the answer is Investigation
An important parameter to be considered is, in addition to the multiplication factor M, the charge
Noise generated during the multiplication process itself. This noise
Is the excess noise factor (excess n) defined by
oise factor) usually characterized by F
Is: [0035] (Equation 1) F = (1 / M^Two) <N^Two> / <N_o ^Two> (1) The sharp brackets in the above equation (1) mean the average of the set, and <n^Two
> And <n_o ^Two> Indicates signal carrier change before and after multiplication, respectively.
And M is a multiplication factor defined by the following equation: [0036] (Equation 2) M = <n> / <n_o> (2) The multiplication gain factor M is first used in the apparatus shown in FIG.
And the results are shown in FIG. This gra
Is the dependence of gain on CMD gate high level bias
And has the expected slope. With 20 bolts
Substantial gain increase for near gate bias
Can be The gain is greater than the first significant one
The threshold is about 14 volts. Gate bias to 22
Greater than the default increases column-to-column non-uniformity
And the output approaches saturation. At this point, the CCD channel
Avalanche electric field due to the large amount of charge moving through
It is assumed that you have begun quench, in which case
Is somewhat reduced. The result of the excess noise factor F is shown in FIG.
I have. From this figure, the excess noise factor is approximately equal to F = 1
Is clear. This is also almost independent of the multiplication factor M.
I am in charge. This is a very advantageous result and the standard
Operation similar to photon counting characteristics from a typical CCD image sensor
Suggests that is possible. This means that
Is represented by: [0039] (Equation 3) (S / N)_p= (N_p)^1/2                    (3) (Equation 4) (S / N)_st= N_p(N_p+ N_a ^Two)^-1/2        (Four) (Equation 5)       (S / N)_cmd= N_p(N_pF + (n_a/ M)^Two)^-1/2      (Five) Where n_pIs the number of carriers generated by photon excitation, (S
/ N)_pIs the signal to noise of the carrier generated by photon excitation
Ratio, (S / N)_stIs the signal of a standard CCD image sensor.
Signal-to-noise ratio, (S / N)_cmdIs a CCD with charge multiplication
The signal-to-noise ratio of the image sensor, and n_aIs the equivalent
It is an amplifier noise floor expressed by the number of children. CMD device
The signal-to-noise ratio of the input signal
The next evaluation index Q_m: [0040] (Equation 6)       (Q_m)_cmd= (F + (n_a/ M)^Two/ N_p)^-1/2        (6) Can be defined. From this equation, for example, M = 20
For moderate gains such as_a= 20 electricity
CDS (correlated double) that can easily achieve the noise floor of the number of children
Sampling, hereby incorporated by reference.
U.S. Patent No. 4,656,503, assigned to
Using a conventional charge detection amplifier with
And n_p= 1 electron number (Q_m)_cmd= 0.70
It can easily be seen that 7 can be achieved. other
On the other hand, if CMD is not used, (Q_m)_stIs the next
Will be: [0041] (Equation 7) (Q_m)_st= (1 + n_a ^Two/ N_p)^-1/2        (7) In this case, (Q_m)_st= 0.707 is finally n_p= 40
This can be achieved with zero electrons. This is a standard CCD image
Sensors make competitive with sensors with CMD
This is too low. Some of the features of the CMD concept are as follows:
Is: CMD is a multiphase device
Virtual gate (virtual gate)
e) any of a wide range of existing CCD structures down to the CCD
It can be easily incorporated into High gain
Numerous stages can be cascaded for this purpose.
Gain is adjusted by adjusting the CMD gate clock amplitude.
Can be controlled externally. Finally, charge injection and
Pulse high electric fields only when needed during multiplication
Can be Possible unwanted dark carry
There is no need to multiply the charge to minimize
Sometimes the high electric field is turned off. Another feature is that the new charge multiplication concept
Flexibility of equipment arrangement possible while maintaining basic features
It is big. Some examples are shown in FIG.
You. Figure 13a shows the CMD function at each stage of the CCD channel
Or a direct method incorporated into a group of stages
You. Charge multiplication factor M is independent for each step or group of steps
Controlled or all control lines
Connect to the motive. FIG. 13b has severely restricted space
Application shows a novel structure that allows repeated multiplication of charge
are doing. Signals are serialized into a conventional CCD channel 100
Input. It then goes into CMD channel 102
Shifted in parallel, where serially shifted to the right
And is multiplied for each shift. After that, the output CCD
Is shifted in parallel to the channel 104 and
Sent to This particular embodiment implements CMD channel 10
Once in the signal, the signal reaches the required charge multiplication.
Shift from left to right, right to left until
Is This level of charge multiplication may be fixed
However, it may be changed continuously depending on external conditions. Figure
13c is for "racetrack"
Shows an example of a CCD structure arranged in the formula ". The signal is
Serially input into a standard CCD channel 110,
Shifted into CMD channel 112 in parallel, where
Loop as many times as needed to achieve desired charge multiplication
Serially shifted and then sent to output CCD register 114
It is shifted in a column and sent to the amplifier 116. this
The arrangement also provides a number of multiplication steps in a very small space.
Tolerate. Finally Figure 13d shows several parallel CCD channels.
Shows a control panel 118, which controls a single control line.
It contains the CMD cell 199 underneath. CCD Cha
All the channels 118 are shifted into the serial shift register 121.
The serial shift register 121
Shifts its charge to the output. This arrangement has many similar
Like some or similar arrangements, some parallel C
Introducing the same amount of gain into each of the CD channels
Large enough for use in image sensor arrays to allow
Very useful. The concept of charge multiplication of the present invention is known in the art.
Can be easily adopted in any CCD design. An example
For example, the following example of a CCD design that would benefit from charge multiplication:
Includes: with implanted well area,
Or multi-phase CCD with no two-dimensional electron gas structure
Based CCD, virtual phase CCD, embedded channel device
Station, surface channel device etc. Those skilled in the art will recognize that the variable gain characteristic of a CMD device is C
Automatic gain control (AGC) with built-in feedback for MD equipment
Easily notice that they are particularly suitable for the system
Will be cut. This is because image sensing systems
Gain factors depending on the operating conditions of the CCD in the system
Is allowed. Typical system blocks
The figure is shown in FIG. Here, the lens 120 is CMD / C
Image formation on CD image sensor array 122
And the image sensor array multiplies the charge level of the signal.
To provide a serial output to the video signal processor 124,
The output of the video signal processor 124 can be monitored and / or
Is sent to the video recorder. Video signal processor
The output is supplied to an external processor by a peak / average signal detector 126.
Program input and weight from timing generator 128
(Weight) sampling. Pi
Peak / average signal detector 126 is the CMD / CCD driver
To road 130, the illumination level of the scene seen by the system lens
Provides a CMD gain control output proportional to. This control signal
The signal is used by the CMD / CCD driver circuit 130.
To the CMD / CCD image sensor 122
Control signal, thereby increasing the strength of the electric field and thus the device.
Control the gain of the device. In this way, the system
Eliminates the need to control the aperture of the lens 120, and as a result
To provide devices with extended dynamic range
Both achieve low-cost lenses and are more reliable than mechanical methods.
Provides reliable electronic aperture control. As described above, some preferred embodiments are described.
And explained in detail. The scope of the present invention is not limited to those described herein.
This embodiment is different from the embodiment described above and is included in the scope of the present invention.
It should be understood that the present invention includes the following embodiments. For example, the charge multiplication is maximized and the signal of the device is
Special gate structure to maximize the noise-to-noise ratio
Or special high electric field implantation under CMD gate
Or use a built-in fixed electric field area
It is conceivable that. The term including is used in the context of the present invention.
Should be construed as non-exclusive. Internal and external connections are ohmic
Or a capacitive one, either directly or through an intermediate circuit, etc.
May be indirect. The incorporation of the present invention
It may be a separate part or may be based on optics or other technology
Silicon, gallium arsenide,
Even as a fully integrated circuit in other electronic materials
Good. The present invention has been described with reference to the illustrated embodiments.
However, this description is not intended to be limiting. An example
Various modifications and combinations of the illustrative embodiments will be used in conjunction with the present invention.
It is possible with reference to the present specification to be able to
Will be apparent to those skilled in the art. Therefore,
The claims of the present invention are intended to cover such modifications and other implementations.
It should be understood to include examples. With respect to the above description, the following items are further disclosed.
You. (1) A method for multiplying charge in a CCD cell
And impact ionization of charge carriers in the CCD cell
A method comprising the step of raising. (2) To multiply the electric charge in the CCD cell
The charge in a potential well in the CCD cell
Temporarily holding the potential in the CCD cell.
Is to create an electric field region in a part separated from the well.
Therefore, impact ionization is induced by carriers crossing the electric field.
Create a region with a strong enough electric field
Transferring the charge in the potential well into the electric field region.
Flow out, wherein the flow is caused by impact ionization.
Cause flow to cause multiplication of the charge
And a method comprising the steps of: (3) The method according to item (2), wherein the flow
Causes the size of the potential well to decrease
And thereby the electricity there
Load flows out of the well and then into the electric field region
How to make it flow. (4) Automatic use in the image sensor array
A method for gain control: image in said array
Detecting, by the image in the array
Detecting the generated charge level;
Bias level supplied to the array in response to a bell
Adjusting the bias level so that the bias level is
In at least one of the rays, an
Proportional to cause impact ionization by load carriers
Adjust the bias level to generate a strong electric field.
And a method comprising the steps of: (5) The method according to item 4, wherein
Image sensor array is part of a movie video camera
Method. (6) The method according to item 4, wherein
The image sensor array is part of a still video camera.
Way. (7) Charge multiplier (CMD) CCD cell
Wherein the charge is impingement of charge carriers in said CCD cell.
Equipment multiplied by sudden ionization. (8) The method according to item 1 or the item 7
The apparatus according to claim 1, wherein the impact ionization is performed in the high electric field region.
The method caused by the acceleration of the carrier or
apparatus. (9) The method described in item 1 or the item 7
Wherein the impact ionization is performed in each cell of a CCD channel.
Method or device that has begun to occur in the (10) Charge Multiplier (CMD) CCD Cell
And a potential well for temporarily holding a charge, before
In a portion of the CCD cell separated from the potential well
In the electric field region, the electric field is applied to carriers crossing the electric field.
So it's strong enough to cause impact ionization
Electric field region, such that the electric charge in the potential well is transferred to the electric field region.
A means of causing runoff into the area,
As a result, the impact ionization causes the multiplication of the charge.
Means for inducing flow. (11) The method described in item 2 or item 10
Wherein the potential well is a surface of the CCD cell.
Generated by applying an electric potential to an area on a surface
Method or device. (12) The method described in item 2 or item 10
Wherein the electric field is on a surface of the CCD cell.
Generated by forming a potential difference between the two areas
Method or device that is now being used. (13) The method described in item 2 or item 10
Wherein the electric field is on a surface of the CCD cell.
Different doping between the two regions
To generate a potential difference
The method or device that is being made. (14) The method or apparatus according to item 13,
Therefore, the doping is performed by ion implantation.
Method or device. (15) The method or the apparatus according to item 13,
Therefore, the doping is performed by heteroepitaxial deposition.
Method or apparatus performed by (16) The apparatus according to item 10, wherein the device
Said potential well wherein the means for causing flow is supplied with a potential
Gate mounted on top, lowering said potential
This reduces the size of the well, thereby
The electric charge there is over the side of the well and the electric field
Equipment that began to flow into the area. (17) The method described in item 2 or item 10
The CCD cell is provided with a driving well.
A method or apparatus that is a multiphase device. (18) The method described in item 2 or item 10
The CCD cell is provided with a driving well.
A method or device that is a polyphase device. (19) The method described in item 2 or item 10
The CCD cell is a virtual phase device.
Method or device. (20) The method according to item 2 or item 10
Wherein the CCD cell is a buried channel.
A method or device that is a device. (21) The method described in item 2 or item 10
Wherein the CCD cell is a surface channel device.
A method or apparatus. (22) The method described in item 2 or item 10
The CCD cell is a two-dimensional electron gas structure.
A method or device that is based on a build. (23) Image sensor with automatic gain control
A sub-array: an array for detecting an image,
Connected to the output of the array, the image in the array
To detect the level of charge generated by the charge
A detector connected to the array and the detector to detect the detected
Bias applied to the array in response to a set level
A circuit for adjusting a level, wherein the bias level
Are charged by the charge carriers moving in the electric field.
At least one of said arrays such that detachment is caused
Circuit that produces a proportional electric field in
Image sensor array. (24) Movie video camera: automatic
Image sensor array with gain control:
Array to detect the image, connected to the output of the array
A charge level generated by the image in the array.
Detector to detect the array, to the array and the detector
Connected to the array in response to the detected level.
Circuit that adjusts the bias level supplied to
And the bias level is the charge moving in the electric field.
The carrier is used to cause impact ionization.
Creating a proportional electric field in at least one of the arrays
Circuit, including an image sensor array,
Movie video camera. (25) Still video camera:
An image sensor array with dynamic gain control, comprising:
Array for detecting images, connected to the output of the array
The charge level generated by the image in the array.
Detector for detecting bell, said array and said detector
In response to the detected level.
This circuit adjusts the bias level supplied to the ray.
And the bias level is the charge moving in the electric field.
The carrier is used to cause impact ionization.
Creating a proportional electric field in at least one of the arrays
Circuit, including an image sensor array,
Video camera for still. (26) Generally and in one form of the invention
, A method for multiplying charge in a CCD cell
Impact ionization of charge carriers in said CCD cell
Is disclosed. Other
Devices, systems, and methods are also disclosed. [0077]

【図面の簡単な説明】 【図１】従来技術の４相ＣＣＤセルの断面図。 【図２】図１の４相ＣＣＤセルのタイミング図。 【図３】本発明の第１の好適実施例の断面図。 【図４】本発明の第１の好適実施例の電荷増倍動作を示
すタイミング図。 【図５】本発明の第１の好適実施例の電荷増倍ゲート下
のエリアの断面の二次元的電位分布図。 【図６】本発明の第２の好適実施例の断面図。 【図７】本発明の第２の好適実施例の電荷増倍動作を示
すタイミング図。 【図８】本発明の第２の好適実施例の装置における電荷
増倍の様子を示すための実験回路の模式回路図。 【図９】一様に照明を与えられた水平バーのパターンに
曝された場合の、電荷増倍を行っていない状態での図８
の回路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１０】一様に照明を与えられた水平バーのパターン
に曝された場合の、電荷増倍を行った状態での図８の回
路のビデオ出力のオシロ波形。 【図１１】図８の回路に関する電荷増倍因子ＭとＣＭＤ
ゲートバイアスとの関係。 【図１２】図８の回路に関する過剰雑音因子Ｆと電荷増
倍因子Ｍとの関係。 【図１３】ＣＭＤ機能を組み込む装置配置例の模式図で
あって、図１３ａはＣＭＤ機能をＣＣＤ各チャネルへ組
み込んだ例、図１３ｂは限られたＣＣＤチャネルを使用
して電荷の繰り返し増倍を可能にする新しい構造、図１
３ｃはレーストラック方式のＣＣＤ構造の例、また図１
３ｄは並列ＣＣＤの例。 【図１４】自動的電子絞り制御を備えたＣＭＤ／ＣＣＤ
イメージシステムの模式図。 【符号の説明】 １０ ＣＣＤ構造 １２，１４，１６，１８ ゲート電極 ２０ 電荷パケット ５０ 第１の実施例の装置 ５２，５４，５６，５８ ゲート電極 ７０ 仮想位相埋め込みチャネルＣＣＤ装置 ７２ ゲート電極 ７４ ＣＭＤゲート ７６ 高電界領域 ７８ 仮想井戸領域 ８２ ＬＥＤ光源 ８４ ＴＣ２１１装置 ８６，８８ 駆動器 ９０ タイミングＩＣ ９２ 増幅器 ９４ 標本化および保持回路 ９６ 増幅器 ９８ オシロスコープ １００ ＣＣＤチャネル １０２ ＣＭＤチャネル １０４ 出力ＣＣＤチャネル １０６ 増幅器 １１０ 標準ＣＣＤチャネル １１２ ＣＭＤチャネル １１４ 出力ＣＣＤレジスタ １１６ 増幅器 １１８ ＣＣＤチャネル １２０ レンズ １２１ 直列シフトレジスタ １２２ ＣＭＤ／ＣＣＤイメージセンサアレイ １２４ ビデオ信号プロセッサ １２６ ピーク／平均信号検出器 １２８ タイミング発生器 １３０ ＣＭＤ／ＣＣＤ駆動器回路 １９９ ＣＭＤセルBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art four-phase CCD cell. FIG. 2 is a timing chart of the four-phase CCD cell of FIG. 1; FIG. 3 is a sectional view of the first preferred embodiment of the present invention. FIG. 4 is a timing chart showing a charge multiplication operation according to the first preferred embodiment of the present invention. FIG. 5 is a two-dimensional potential distribution diagram of a cross section of an area under a charge multiplication gate according to the first preferred embodiment of the present invention. FIG. 6 is a sectional view of a second preferred embodiment of the present invention. FIG. 7 is a timing chart showing the charge multiplication operation of the second preferred embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic circuit diagram of an experimental circuit for illustrating a state of charge multiplication in the device according to the second preferred embodiment of the present invention. FIG. 9 without charge multiplication when exposed to a uniformly illuminated horizontal bar pattern.
Oscilloscope waveform of the video output of the circuit. FIG. 10 shows the oscilloscope waveform of the video output of the circuit of FIG. 8 with charge multiplication when exposed to a uniformly illuminated horizontal bar pattern. FIG. 11 shows the charge multiplication factor M and CMD for the circuit of FIG.
Relationship with gate bias. FIG. 12 shows the relationship between excess noise factor F and charge multiplication factor M for the circuit of FIG. 13A and 13B are schematic views of an example of a device arrangement in which a CMD function is incorporated. FIG. 13A is an example in which the CMD function is incorporated in each CCD channel, and FIG. New structure to enable, Figure 1
3c shows an example of a race track type CCD structure, and FIG.
3d is an example of a parallel CCD. FIG. 14: CMD / CCD with automatic electronic aperture control
Schematic diagram of an image system. DESCRIPTION OF THE SYMBOLS 10 CCD structure 12, 14, 16, 18 Gate electrode 20 Charge packet 50 Device 52, 54, 56, 58 of first embodiment Gate electrode 70 Virtual phase buried channel CCD device 72 Gate electrode 74 CMD gate 76 High electric field region 78 Virtual well region 82 LED light source 84 TC211 device 86,88 Driver 90 Timing IC 92 Amplifier 94 Sampling and holding circuit 96 Amplifier 98 Oscilloscope 100 CCD channel 102 CMD channel 104 Output CCD channel 106 Amplifier 110 Standard CCD channel 112 CMD channel 114 Output CCD register 116 Amplifier 118 CCD channel 120 Lens 121 Serial shift register 122 CMD / CCD image sensor array 124 Video signal processor 126 / Average signal detector 128 Timing generator 130 CMD / CCD driver circuit 199 CMD cell

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−44465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−72165（ＪＰ，Ａ) ＳＵＤＨＩＲ Ｋ．ＭＡＤＡＮ，ＢＡ ＳＡＢＩ ＢＨＡＵＭＩＫ，ＪＵＺＥＲ Ｍ．ＶＡＳＩ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ ＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯ Ｎ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．ＥＤ− 30，Ｎｏ．６，ｐ．694−699 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/339 H01L 29/762 H01L 27/148 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-61-44465 (JP, A) JP-A-62-72165 (JP, A) SUDHIR K. MANDAN, BA SABI BHAUMIK, JUZER M. VASI, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-30, no. 6, p. 694-699 (58) Field surveyed (Int.Cl. ⁷ , DB name) H01L 21/339 H01L 29/762 H01L 27/148

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 自動利得制御を有するイメージセンシン
グシステムであって： イメージを検知するためのイメージセンサアレイであっ
てＣＣＤチャネルを有する前記イメージセンサアレイ、 前記イメージセンサアレイの出力へ接続されて前記イメ
ージセンサアレイ中の前記イメージによって発生する電
荷レベルを検出するための検出器、 前記イメージセンサアレイと前記検出器へ接続されて、
前記検出された電荷レベルに応答して前記イメージセン
サアレイへ供給されるバイアスレベルを調節する回路で
あって、前記バイアスレベルが前記イメージセンサアレ
イの前記ＣＣＤチャネル内の少なくとも１つのＣＣＤセ
ルの中を移動する電荷によって前記ＣＣＤセルの電極下
部に衝突電離による電荷増倍が引き起こされるように電
界を生成するバイアスレベル調節回路、 を含むイメージセンシングシステム。(57) [Claim 1] Image sensing with automatic gain control
System : an image sensor array for detecting an image.
The image sensor array with a CCD channel Te, the connected to the output of the image sensor array Ime
Detector for detecting a level of charge generated by said image in Jisensa array, connected to said detector and said image sensor array,
The image sensor is responsive to the detected charge level.
A circuit for adjusting the bias level provided to the sub arrays, at least one CCD cell of the bias level in said CCD channel before Symbol image sensor array <br/> Lee
Electrode under the CCD cell by the charge moves through the Le
Image sensing system comprising a bias level control circuit for generating an electric <br/> field as charge multiplication is caused by impact ionization in part.