JP3878769B2 - Driving method of solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルスチルカメラには、一般に、電荷結合素子（以下、「ＣＣＤ」とする。）を用いた固体撮像装置が採用されている。近年、デジタルスチルカメラの市場の急速な伸びに伴い、銀塩写真並の解像度を実現するため、固体撮像装置の水平方向および垂直方向の高画素化が望まれている。一方、デジタルスチルカメラには、撮影時にピントを合わせたり、カメラアングルを調整するために、撮像画像を表示する液晶モニタを設けられるが、液晶モニタの垂直方向の画素数は固体撮像装置の垂直方向の画素数に比較して少ない。よって、液晶モニタに映像信号を出力する際には、固体撮像装置の垂直方向に配置された画素から数行おきに間引いて信号電荷を出力する駆動モード（以下、「間引き出力モード」とする。）が採用される。すなわち、デジタルスチルカメラに使用される固体撮像装置の駆動においては、全画素の信号電荷を出力する駆動モード（以下、「全画素出力モード」とする。）と間引き出力モードとが適宜選択され実施される。
【０００３】
以下、従来の駆動方法の一例について図面を用いて説明する。図１は、駆動方法の説明に引用する固体撮像装置の構造を示す平面図である。半導体基板５内に、光電変換素子１、垂直転送部２、水平転送部３および出力アンプ部４が形成されている。なお、光電変換素子１は、縦型オーバーフロードレイン構造を持つものである。
【０００４】
垂直転送部２は、１個の光電変換素子１に対して３個の転送電極（以下、転送方向において順に、「第１相電極」、「第２相電極」、「第３相電極」とする。）を備えている。一部の光電変換素子１（以下、「光電変換素子Ａ」とする。）に対応する第１相電極、第２相電極および第３相電極は、各々、φＶ１Ａ、φＶ２およびφＶ３が印加されるように配線され、残りの光電変換素子１（以下、「光電変換素子Ｂ」とする。）に対応する第１相電極、第２相電極および第３相電極は、各々、φＶ１Ｂ、φＶ２およびφＶ３が印加されるように配線されている。また、半導体基板５は、φＳＵＢが印加されるように配線されている。
【０００５】
図６は、図１に示す固体撮像装置を駆動させるための従来のタイミングチャートである。本図は、間引き出力モードから全画素出力モードへ移行する際のタイミングチャートを示しており、時間Ｄ以前が間引き出力モード、時間Ｄ以降が全画素出力モードに対応している。なお、φＶ１ＡおよびφＶ１Ｂは、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLからなる３値パルスであり、φＶ２およびφＶ３は、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLからなる２値パルスである。φＳＵＢは、バイアス電圧と高電圧パルス（以下、「排出パルス」とする。）とからなる。また、ＶＤは垂直同期信号、ＴＲＩＧはメカシャッタ制御パルスである。
【０００６】
時間Ｃにおいて、光電変換素子Ａに対応する第１相電極に、読み出しパルスである高電圧ＶHのパルスが印加され、光電変換素子Ａに蓄積された信号電荷が垂直転送部に読み出される。一方、光電変換素子Ｂについては、読み出しパルスが印加されないため、蓄積された信号電荷がそのまま残留している。次に、時間Ｄにおいて、半導体基板にφＳＵＢの排出パルスが印加され、光電変換素子ＡおよびＢに存在する信号電荷が基板に排出される。この時間ＣおよびＤにおいて、間引き出力モードにおける最終の信号電荷の読み出しが終了すると同時に、全画素出力モードにおいて出力の対象となる信号電荷の蓄積が開始される。
【０００７】
時間Ｅにおいて、メカシャッタが開放状態から全閉状態となり、信号電荷の蓄積が終了する。続いて、時間Ｆ〜Ｇにおいて垂直転送部中の不要電荷が排出された後、時間Ｈにおいて、光電変換素子ＡおよびＢに対応する第１相電極に読み出しパルスが印加され、全画素出力モードにおける信号電荷の読み出しが実施される。時間Ｉ以降に、読み出された信号電荷が、垂直転送部および水平転送部によって順次転送され出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の駆動方法によれば、全画素出力モードにおける信号電荷の蓄積開始時（図６の時間Ｄ）に、半導体基板にφＳＵＢの排出パルスを１回印加することにより、光電変換素子ＡおよびＢの空乏化が図られている。光電変換素子Ａについては、排出パルス印加前（図６の時間Ｃ）に信号電荷が読み出されるため、時間Ｄにおける１回の排出パルス印加によってほぼ完全に空乏化される。しかし、光電変換素子Ｂは、間引き出力モードにおいて読み出しの対象とされない、すなわち排出パルス印加前（図６の時間Ｃ）に信号電荷の読み出しがなされないため、１回の排出パルスの印加では信号電荷を完全に排出することが困難であり、電荷が残留する場合があった。
【０００９】
全画素出力モードにおける信号電荷蓄積が、光電変換素子Ｂに残留電荷が存在した状態で開始されると、光電変換素子Ｂに蓄積される信号電荷には残留電荷が混合するため、入射光に正確に対応した出力を得られないという問題があった。例えば、全画素出力モードにおいて、光電変換素子ＡおよびＢに入射する光量が等しくても、出力画面においては光電変換素子Ａに対応する部分は暗く、光電変換素子Ｂに対応する部分は明るくなるという現象が生じる場合があった。
【００１０】
上記問題を解決するために、光電変換素子Ｂに蓄積された信号電荷を完全に排出する方法としては、半導体基板にφＳＵＢの高電圧パルスを複数回印加する方法が考えられる。しかし、この方法では、信号電荷の排出に要する時間が長くなり、撮像可能な時間がその分短縮されるため、シャッタチャンスを逃がしてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、間引き出力モードから移行した後の全画素出力モードにおいて、入射光により正確に対応した出力を得ることが可能な固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板内に、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を受け取って垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から前記信号電荷を受け取って信号電圧に変換する出力アンプ部とが形成されており、前記複数の光電変換素子が、少なくとも第１の光電変換素子群および第２の光電変換素子群を構成する固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象とし、前記第２の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象としない第１の駆動モードから、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象とする第２の駆動モードに移行するとき、前記第２の駆動モードにおける信号電荷の蓄積を開始する以前に、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷の少なくとも一部を、前記光電変換素子の下方に位置する前記半導体基板内の領域に排出してから、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷を前記垂直転送部に転送することを特徴とする。
【００１３】
このような構成にしたことにより、全画素出力モードにおける信号電荷の蓄積開始以前に、間引き出力モードで読み出しの対象とされない光電変換素子を短時間で空乏化することができるため、シャッタチャンスを逃すことなく、全画素出力モードにおいて入射光により正確に対応した出力を得ることができる。さらに、全画素出力モードの電荷蓄積開始以前に垂直転送部に読み出される信号電荷量を低減することができるため、全画素出力モードの電荷蓄積開始以前に読み出された信号電荷が垂直転送部に残留して、全画素出力モードで読み出される信号電荷と混合することを抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の駆動方法を適用できる固体撮像装置の一例を示す平面図である。半導体基板５内に、複数の光電変換素子１と、光電変換素子１に蓄積された信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直転送部２と、垂直転送部２から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送部３と、水平転送部３から転送されてきた信号電荷を信号電圧に変換して出力する出力アンプ部４とが形成されている。
【００１７】
光電変換素子１は、半導体基板５内に行列状に複数個配置されている。各光電変換素子１は、縦型オーバーフロードレイン構造を持つ。すなわち、ｎ型半導体領域である光電変換素子の下方に、ｐ型半導体領域を介して、ｎ型半導体領域（以下、「基板領域」とする。）が存在した構造を有している。光電変換素子１に蓄積し得る電荷量は、基板領域に印加されるバイアス電圧によって設定することが可能であり、基板領域にバイアス電圧よりも高い正電圧を印加することにより、蓄積された信号電荷を基板領域に排出することが可能である。
【００１８】
垂直転送部２は、光電変換素子１の各列に対応するように形成されており、１個の光電変換素子１に対して、第１相電極、第２相電極および第３相電極の３個の転送電極を備えている。光電変換素子Ａに対応する第１相電極、第２相電極および第３相電極は、各々、垂直転送パルスφＶ１Ａ、φＶ２およびφＶ３が印加されるように配線されている。また、光電変換素子Ｂに対応する第１相電極、第２相電極および第３相電極は、各々、垂直転送パルスφＶ１Ｂ、φＶ２およびφＶ３が印加されるように配線されている。また、半導体基板５は、基板領域に基板パルスφＳＵＢが印加されるように配線されている。
【００１９】
なお、本実施形態においては、垂直方向に隣接する２個の光電変換素子を１単位として、光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂとが１単位おきに配置されたものを例示しているが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。
【００２０】
次に、図２、図３および図４を参照しながら、第１の実施形態に係る駆動方法について説明する。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係る駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。本図は、間引き出力モードから全画素出力モードへ移行する際のタイミングチャートを示すものであり、時間Ｃ以前が間引き出力モード、時間Ｃ以降が全画素出力モードに対応している。また、図３は、間引き出力モードにおける詳細なタイミングチャートであり、図２の時間ＡおよびＢ付近を示すものである。また、図４は、全画素出力モードにおける詳細なタイミングチャートであり、図２の時間ＧおよびＨ付近を示すものである。
【００２２】
φＶ１Ａ、φＶ１Ｂ、φＶ２およびφＶ３は垂直転送パルスである。φＶ１ＡおよびφＶ１Ｂは、高電圧ＶH、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLからなる３値パルスであり、φＶ２およびφＶ３は、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLの２値パルスである。これらの垂直転送パルスにおいては、高電圧ＶHによって信号電荷の読み出しを実施し、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLによって信号電荷の転送が実施される（以下、高電圧ＶHのパルスを「読み出しパルス」、中間電圧ＶMおよび低電圧ＶLのパルスを「転送パルス」とする。）。なお、各電圧値については特に限定するものではないが、例えば、高電圧ＶHを＋１５Ｖ、中間電圧ＶMを０Ｖ、低電圧ＶLを−７Ｖとして設定することができる。
【００２３】
φＳＵＢは、基板領域に印加される基板パルスであり、光電変換素子１に蓄積し得る電荷量を決定するバイアス電圧と、バイアス電圧よりも高い電圧のパルスとを重畳したものである。光電変換素子１に蓄積された信号電荷の基板領域への排出は、このバイアス電圧よりも高い電圧のパルス（以下、「排出パルス」とする。）によって実施される。基板パルスは、例えば、排出パルスを印加した時と印加していない時とで、基板領域に印加される電圧に＋２２Ｖの差が生じるように設定することができる。また、バイアス電圧は、半導体基板５内における光電変換素子１の形成領域の不純物濃度にもよるが、＋５Ｖに設定することができる。
【００２４】
また、ＶＤは垂直同期信号、ＨＤは水平同期信号、ＴＲＩＧはメカシャッタ制御パルスである。ＴＲＩＧは二値パルスであり、ハイレベル（高い方の電圧）のパルスが印加されたときにメカシャッタを開放にし、ローレベル（低い方の電圧）のパルスが印加されたときに全閉に制御するものである。なお、メカシャッタとは、その開閉により露光時間を機械的に制御するものである。
【００２５】
時間Ａ（図３の期間ｔＡ）においては、光電変換素子Ａに対応する第１相電極に、φＶ１Ａの読み出しパルスが印加され、光電変換素子Ａに蓄積された信号電荷が垂直転送部２に読み出される。一方、光電変換素子Ｂについては、読み出しパルスは印加されず、蓄積された信号電荷がそのまま残留している。
【００２６】
時間Ｂ（図３の期間ｔＢ）においては、第１相電極、第２相電極および第３相電極に、各々、φＶ１Ａ、φＶ１Ｂ、φＶ２およびφＶ３の２値の転送パルスが印加され、光電変換素子Ａの２行分の信号電荷が水平転送部３に転送される。更に、水平転送部３に転送された信号電荷は出力アンプ部４に転送され、信号電圧に変換されて出力される。このように、１回の水平同期信号印加期間に２行分の信号光電変換素子電荷を転送することにより、水平転送部３においてこの２行分の信号電荷を加算して、信号電荷を読み出す光電変換素子を間引いたことによる信号電荷量の減少を補うことができる。なお、信号電荷を読み出す光電変換素子を間引いても十分な信号電荷量が確保できるのであれば、後述する時間Ｈ（図４の期間ｔＨ）と同様の駆動パルスを印加し、光電変換素子の１行分の信号電荷を転送してもよい。
【００２７】
また、時間Ｂ（図３の期間ｔＢ）においては、光電変換素子Ａの信号電荷を転送すると同時に、読み出しの対象でない光電変換素子Ｂに蓄積された信号電荷が排出される。この光電変換素子Ｂの信号電荷の排出は、基板領域にφＳＵＢの排出パルスをバイアス電圧に重畳して印加することにより行われ、信号電荷は基板領域に排出される。
【００２８】
続いて、時間Ｂ〜Ｃにおいて、時間Ｂ（図３の期間ｔＢ）と同様の駆動パルスを、水平同期信号が印加される期間毎に印加することにより、垂直転送部２に読み出された光電変換素子Ａの信号電荷が、順次転送され出力される。
【００２９】
次に、時間Ｃにおいて、光電変換素子Ａに対応する第１相電極および光電変換素子Ｂに対応する第１相電極に、各々、φＶ１ＡおよびφＶ１Ｂの読み出しパルスが印加され、光電変換素子ＡおよびＢに蓄積された信号電荷が垂直転送部２に読み出される。これにより、光電変換素子ＡおよびＢが空乏化される。また、この時間Ｃにおいて、光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷の読み出しが終了すると同時に、光電変換素子ＡおよびＢにおいて、露光により、全画素出力モードで読み出しの対象とされる信号電荷の蓄積が開始される。
【００３０】
所定時間経過後の時間Ｄにおいて、ＴＲＩＧがローレベルとなり、メカシャッタが開放状態から全閉状態となる。同時に、光電変換素子ＡおよびＢにおける、全画素出力モードで読み出しの対象とされる信号電荷の蓄積が終了する。
【００３１】
時間Ｅ〜Ｆにおいて、垂直転送パルスφＶ１Ａ、φＶ１Ｂ、φＶ２、φＶ３を高速に動作させて、垂直転送部２に残留する不要電荷を水平転送部３へ転送し、出力アンプ部４または水平転送部３に隣接して配置された水平ドレイン（図示せず。）を介して排出する。不要電荷としては、例えば、スミア成分、暗電流成分、および、時間Ｃで垂直転送部２に読み出された信号電荷などが含まれる。
【００３２】
次に、時間Ｇ（図４の期間ｔＧ）において、光電変換素子Ａに対応する第１相電極および光電変換素子Ｂに対応する第１相電極に、各々、φＶ１ＡおよびφＶ１Ｂの読み出しパルスが印加される。これにより、光電変換素子Ａおよび光電変換素子Ｂに蓄積された信号電荷が、垂直転送部２に読み出される。
【００３３】
次に、時間Ｈ（図４の期間ｔＨ）において、第１相電極、第２相電極および第３相電極に、各々、φＶ１Ａ、φＶ１Ｂ、φＶ２およびφＶ３の２値の転送パルスが印加され、光電変換素子の１行分の信号電荷が水平転送部３に転送される。更に、水平転送部３に転送された信号電荷は出力アンプ部４に転送され、信号電圧に変換されて出力される。時間Ｈ（図４の期間ｔＨ）と同様の駆動パルスを、水平同期信号が印加される期間毎に印加することにより、垂直転送部２に読み出された信号電荷が順次転送され出力される。
【００３４】
前述のように、本実施形態に係る駆動方法によれば、間引き出力モードから全画素出力モードへの移行に際して、全画素出力モードにおける信号電荷の蓄積開始時（図２の時間Ｃ）に、光電変換素子ＡおよびＢの第１相電極に読み出しパルスが印加され、間引き出力モードにおいて蓄積された光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷が垂直転送部に読み出される。よって、全画素出力モードにおける信号電荷の蓄積開始時に、光電変換素子Ａおよび光電変換素子Ｂの両方が空乏化されるため、全画素出力モードにおいて入力信号により正確に対応した出力画面を得ることができる。
【００３５】
なお、第１の実施形態においては、全画素出力モードにおいて各光電変換素子の信号の取り出す方法として、プログレッシブ走査方式を採用した場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記説明と同様にメカシャッタによって露光時間を制御するのであれば、インターレース走査方式を採用することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、間引き出力モードから全画素出力モードへの移行に際して、光電変換素子ＡおよびＢに蓄積された信号電荷が垂直転送部に読み出される。しかし、間引き出力モードにおいて突発的に大きな光量が入射した場合、垂直転送部に読み出される信号電荷量が多くなるため、高速排出時（図２の時間Ｅ〜Ｆ）に垂直転送部に存在する信号電荷を完全に排出しきれない場合がある。その結果、全画素出力モードの蓄積開始時に光電変換素子ＡおよびＢを完全に空乏化させることはできるものの、垂直転送部に残留する電荷の混合によって、入射光に正確に対応した出力を得られない場合がある。
【００３７】
上記問題を解決し得るような本発明の好ましい形態を、第２の実施形態として以下に説明する。なお、本実施形態の説明において引用する固体撮像装置は、第１の実施形態と同様の構造を有するもの、すなわち図１と同様の構造を有するものである。
【００３８】
図５は、第２の実施形態に係る駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。本図は、間引き出力モードから全画素出力モードへ移行する際のタイミングチャートを示すものであり、時間Ｄ以前が間引き出力モード、時間Ｄ以降が全画素出力モードに対応している。また、図５の時間ＡおよびＢ付近の詳細なタイミングチャートは図３と同様であり、図５の時間ＨおよびＩ付近の詳細なタイミングチャートは図４と同様である（但し、図４の時間ｔＧが図５の時間Ｈに対応し、図４の時間ｔＨが図５の時間Ｉに対応する。）。
【００３９】
第１の実施形態と同様、φＶ１ＡおよびＶ１Ｂは、読み出しパルスを含む３値パルスであり、φＶ２およびφＶ３は２値パルスである。また、φＳＵＢは、バイアス電圧と排出パルスとからなる。また、ＶＤは垂直同期信号、ＴＲＩＧはメカシャッタ制御パルスである。
【００４０】
時間Ａ〜Ｂは、第１の実施形態における時間Ａ〜Ｂと同様にして、光電変換素子Ａの信号電荷の読み出し、および、光電変換素子Ｂの信号電荷の排出が実施される。続いて、時間Ｂ〜Ｃにおいて、読み出された光電変換素子Ａの信号電荷が、順次転送され出力される。
【００４１】
次に、時間Ｃにおいて、光電変換素子Ａおよび光電変換素子Ｂに蓄積された信号電荷の少なくとも一部が、基板領域に排出される。この信号電荷の排出は、半基板領域にφＳＵＢの排出パルスをバイアス電圧に重畳して印加することにより行われる。
【００４２】
次に、時間Ｄにおいて、光電変換素子Ａに対応する第１相電極および光電変換素子Ｂに対応する第１相電極に、各々、φＶ１ＡおよびφＶ１Ｂの読み出しパルスが印加される。これにより、光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷が垂直転送部２に読み出され、光電変換素子ＡおよびＢが空乏化される。このとき読み出される信号電荷には、時間Ｃにおいて基板領域に排出されずに光電変換素子ＡおよびＢに残留した電荷、および、時間Ｃ〜Ｄの間に蓄積された電荷などが含まれる。
【００４３】
また、この時間Ｄにおいて、光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷の読み出しが終了すると同時に、光電変換素子ＡおよびＢにおいて、露光により、全画素出力モードで読み出しの対象とされる信号電荷の蓄積が開始される。
【００４４】
続いて、時間Ｅにおいて信号電荷の蓄積が終了し、時間Ｆ〜Ｇにおいて垂直転送部２に残留する不要電荷が排出される。次に、時間Ｈにおいて、光電変換素子ＡおよびＢに蓄積された信号電荷が読み出され、時間Ｉ以降において、垂直転送部２に読み出された信号電荷が順次転送され出力される。なお、時間Ｅ〜Ｉについては、第１の実施形態における時間Ｄ〜Ｈと実質的に同様である。
【００４５】
前述のように、本実施形態に係る駆動方法によれば、間引き出力モードから全画素出力モードへの移行に際して、全画素出力モードにおける信号電荷の蓄積開始時（図５の時間Ｄ）に、光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷が垂直転送部に読み出される。よって、光電変換素子Ａおよび光電変換素子Ｂの両方が空乏化されるため、全画素出力モードにおいて入力信号により正確に対応した出力画面を得ることができる。
【００４６】
更に、光電変換素子ＡおよびＢを空乏化させる読み出しが行われる前に、間引き出力モードにおいて蓄積された光電変換素子ＡおよびＢの信号電荷の少なくとも一部が基板領域に排出されるため、間引き出力モードにおいて突発的に大きな光量が入射した場合においても、垂直転送部に読み出される信号電荷量が少なくなり、垂直転送部に存在する信号電荷を完全かつ短時間に排出することができる。
【００４７】
なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、全画素出力モードにおいて各光電変換素子の信号の取り出す方法として、プログレッシブ走査方式またはインターレース走査方式を採用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、半導体基板内に、複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を受け取って垂直方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から前記信号電荷を受け取って水平方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部から前記信号電荷を受け取って信号電圧に変換する出力アンプ部とが形成されており、前記複数の光電変換素子が、少なくとも第１の光電変換素子群および第２の光電変換素子群を構成する固体撮像装置の駆動方法であって、前記第１の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象とし、前記第２の光電変換素子群の信号電荷は出力の対象としない第１の駆動モードから、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷とを出力の対象とする第２の駆動モードに移行するとき、前記第２の駆動モードにおける最初の信号電荷の蓄積を開始する以前に、前記第２の光電変換素子群の信号電荷を前記垂直転送部に転送するため、全画素出力モードにおいて入射光により正確に対応した出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の駆動方法を適用し得る固体撮像装置の一例を示す平面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係る駆動方法を説明するための駆動タイミングチャートである。
【図３】 間引き出力モードにおける駆動タイミングチャートである。
【図４】 全画素出力モードにおける駆動タイミングチャートである。
【図５】 本発明の第２の実施形態に係る駆動方法を説明するための駆動タイミングチャートである。
【図６】 従来の駆動方法を説明するための駆動タイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 光電変換素子
２ 垂直転送部
３ 水平転送部
４ 出力アンプ部
５ 半導体基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving method for a solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
A digital still camera generally employs a solid-state imaging device using a charge coupled device (hereinafter referred to as “CCD”). In recent years, with the rapid growth of the digital still camera market, in order to realize a resolution equivalent to silver halide photography, it is desired to increase the number of pixels in the horizontal and vertical directions of the solid-state imaging device. On the other hand, a digital still camera is provided with a liquid crystal monitor that displays captured images in order to focus or adjust the camera angle during shooting. The number of pixels in the vertical direction of the liquid crystal monitor is the vertical direction of the solid-state imaging device. Less than the number of pixels. Therefore, when a video signal is output to the liquid crystal monitor, a driving mode (hereinafter referred to as a “thinning output mode”) in which signal charges are output by thinning out every several rows from pixels arranged in the vertical direction of the solid-state imaging device. ) Is adopted. That is, in driving a solid-state imaging device used in a digital still camera, a driving mode for outputting signal charges of all pixels (hereinafter referred to as “all-pixel output mode”) and a thinning-out output mode are selected as appropriate. Is done.
[0003]
Hereinafter, an example of a conventional driving method will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing the structure of the solid-state imaging device cited in the description of the driving method. A
[0004]
The vertical transfer unit 2 includes three transfer electrodes (hereinafter referred to as “first phase electrode”, “second phase electrode”, “third phase electrode” in order in the transfer direction) for one
[0005]
FIG. 6 is a conventional timing chart for driving the solid-state imaging device shown in FIG. This figure shows a timing chart when shifting from the thinning-out output mode to the all-pixel output mode, where the time before time D corresponds to the thinning-out output mode and the time after D corresponds to the all-pixel output mode. Incidentally, .phi.V1A and φV1B a high voltage V H, a ternary pulse consisting of medium voltage V M and the low voltage V L, .phi.V2 and φV3 is a binary pulse consisting of medium voltage V M and the low voltage V L . φSUB consists of a bias voltage and a high voltage pulse (hereinafter referred to as “discharge pulse”). VD is a vertical synchronization signal, and TRIG is a mechanical shutter control pulse.
[0006]
At time C, a pulse of the high voltage V H that is a readout pulse is applied to the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element A, and the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element A is read out to the vertical transfer unit. On the other hand, since no readout pulse is applied to the photoelectric conversion element B, the accumulated signal charge remains as it is. Next, at time D, a φSUB discharge pulse is applied to the semiconductor substrate, and signal charges existing in the photoelectric conversion elements A and B are discharged to the substrate. At times C and D, the final signal charge readout in the thinning-out output mode is completed, and at the same time, accumulation of signal charges to be output in the all-pixel output mode is started.
[0007]
At time E, the mechanical shutter is changed from the open state to the fully closed state, and the accumulation of signal charges is completed. Subsequently, after unnecessary charges in the vertical transfer unit are discharged at time F to G, a read pulse is applied to the first phase electrodes corresponding to the photoelectric conversion elements A and B at time H, and in the all-pixel output mode. The signal charge is read out. After time I, the read signal charges are sequentially transferred and output by the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
According to the conventional driving method, at the start of signal charge accumulation in the all-pixel output mode (time D in FIG. 6), the φSUB discharge pulse is applied once to the semiconductor substrate, whereby the photoelectric conversion elements A and B are Depletion is planned. The photoelectric conversion element A is almost completely depleted by one discharge pulse application at time D because the signal charge is read before the discharge pulse is applied (time C in FIG. 6). However, the photoelectric conversion element B is not subject to reading in the thinning output mode, that is, the signal charge is not read before the discharge pulse is applied (time C in FIG. 6). In some cases, it was difficult to completely discharge the charge, and charges remained.
[0009]
When the signal charge accumulation in the all-pixel output mode is started in a state where the residual charge exists in the photoelectric conversion element B, the residual charge is mixed with the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element B. There was a problem that the output corresponding to was not able to be obtained. For example, in the all-pixel output mode, even if the amounts of light incident on the photoelectric conversion elements A and B are equal, the part corresponding to the photoelectric conversion element A is dark and the part corresponding to the photoelectric conversion element B is bright on the output screen. A phenomenon sometimes occurred.
[0010]
In order to solve the above problem, as a method of completely discharging the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element B, a method of applying a high voltage pulse of φSUB to the semiconductor substrate a plurality of times can be considered. However, this method has a problem that the time required for discharging the signal charge becomes long and the imageable time is shortened accordingly, so that a photo opportunity is missed.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a driving method of a solid-state imaging device capable of obtaining an output corresponding accurately to incident light in an all-pixel output mode after shifting from the thinning-out output mode. The purpose is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a driving method of a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements in a semiconductor substrate, and vertical transfer for receiving signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements and transferring them in the vertical direction. A horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers the signal charge in a horizontal direction, and an output amplifier unit that receives the signal charge from the horizontal transfer unit and converts the signal charge into a signal voltage. The plurality of photoelectric conversion elements is a method for driving a solid-state imaging device in which at least a first photoelectric conversion element group and a second photoelectric conversion element group are included, and outputs a signal charge of the first photoelectric conversion element group From the first drive mode in which the signal charge of the second photoelectric conversion element group is not the output target, the signal charge of the first photoelectric conversion element group and the signal of the second photoelectric conversion element group Electric When moving to the second driving mode in which the output of the target, the first prior to start accumulating the signal charge in the second drive mode, the first signal charge and the second photoelectric photoelectric conversion element group After discharging at least part of the signal charges of the conversion element group to a region in the semiconductor substrate located below the photoelectric conversion element, the signal charge of the first photoelectric conversion element group and the second photoelectric charge The signal charge of the conversion element group is transferred to the vertical transfer unit .
[0013]
With this configuration, the photoelectric conversion elements that are not read in the thinning-out output mode can be depleted in a short time before the start of signal charge accumulation in the all-pixel output mode, thereby missing a photo opportunity. Therefore, it is possible to obtain an output more accurately corresponding to incident light in the all-pixel output mode. Furthermore, since the amount of signal charge read to the vertical transfer unit before the start of charge accumulation in the all pixel output mode can be reduced, the signal charge read before the start of charge accumulation in the all pixel output mode is transferred to the vertical transfer unit. Residual mixing with signal charges read out in the all-pixel output mode can be suppressed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing an example of a solid-state imaging device to which the driving method of the present invention can be applied. A plurality of
[0017]
A plurality of
[0018]
The vertical transfer unit 2 is formed so as to correspond to each column of the
[0019]
In the present embodiment, two photoelectric conversion elements adjacent in the vertical direction are taken as one unit, and photoelectric conversion elements A and B are arranged every other unit. The present invention is not limited to such a form.
[0020]
Next, the driving method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 3, and 4.
[0021]
FIG. 2 is a timing chart for explaining the driving method according to the first embodiment. This figure shows a timing chart when shifting from the thinning-out output mode to the all-pixel output mode. The time before time C corresponds to the thinning-out output mode, and the time after C corresponds to the all-pixel output mode. FIG. 3 is a detailed timing chart in the thinning-out output mode, and shows the vicinity of times A and B in FIG. FIG. 4 is a detailed timing chart in the all-pixel output mode, and shows the vicinity of times G and H in FIG.
[0022]
φV1A, φV1B, φV2 and φV3 are vertical transfer pulses. φV1A and φV1B a high voltage V H, a ternary pulse consisting of medium voltage V M and the low voltage V L, .phi.V2 and φV3 are binary pulses of the intermediate voltage V M and the low voltage V L. In these vertical transfer pulses, signal charges are read out by the high voltage V H , and signal charges are transferred by the intermediate voltage V M and the low voltage V L (hereinafter, the pulse of the high voltage V H is referred to as “ read pulse "a pulse of the intermediate voltage V M and the low voltage V L to" transfer pulse ".). Although not particularly limited for the voltage values, for example, a high voltage V H + 15V, it is possible to set an intermediate voltage V M 0V, the low voltage V L as -7V.
[0023]
φSUB is a substrate pulse applied to the substrate region, and is a superposition of a bias voltage that determines the amount of charge that can be accumulated in the
[0024]
VD is a vertical synchronizing signal, HD is a horizontal synchronizing signal, and TRIG is a mechanical shutter control pulse. TRIG is a binary pulse, and the mechanical shutter is opened when a high level (higher voltage) pulse is applied, and is fully closed when a low level (lower voltage) pulse is applied. Is. The mechanical shutter is for mechanically controlling the exposure time by opening and closing.
[0025]
At time A (period tA in FIG. 3), a read pulse of φV1A is applied to the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element A, and the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element A is read to the vertical transfer unit 2. It is. On the other hand, the readout pulse is not applied to the photoelectric conversion element B, and the accumulated signal charge remains as it is.
[0026]
At time B (period tB in FIG. 3), binary transfer pulses of φV1A, φV1B, φV2, and φV3 are applied to the first phase electrode, the second phase electrode, and the third phase electrode, respectively, and the photoelectric conversion element The signal charges for two rows A are transferred to the horizontal transfer unit 3. Further, the signal charge transferred to the horizontal transfer unit 3 is transferred to the output amplifier unit 4 and converted into a signal voltage for output. In this way, by transferring the signal photoelectric conversion element charges for two rows in one horizontal synchronization signal application period, the horizontal transfer unit 3 adds the signal charges for the two rows and reads the signal charges. It is possible to compensate for a decrease in the amount of signal charge caused by thinning out the conversion elements. Note that if a sufficient amount of signal charge can be secured even if the photoelectric conversion elements that read out signal charges are thinned out, a drive pulse similar to the time H (period tH in FIG. 4) described later is applied, and 1 of the photoelectric conversion elements. The signal charge for the row may be transferred.
[0027]
Further, at time B (period tB in FIG. 3), the signal charge of the photoelectric conversion element A is transferred, and at the same time, the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element B that is not the target of reading is discharged. The signal charge of the photoelectric conversion element B is discharged by applying a φSUB discharge pulse superimposed on the bias voltage to the substrate region, and the signal charge is discharged to the substrate region.
[0028]
Subsequently, in time B to C, the same drive pulse as that in time B (period tB in FIG. 3) is applied for each period during which the horizontal synchronization signal is applied, so that the photoelectric read out to the vertical transfer unit 2 is applied. The signal charges of the conversion element A are sequentially transferred and output.
[0029]
Next, at time C, read pulses of φV1A and φV1B are applied to the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element A and the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element B, respectively, and the photoelectric conversion elements A and B The signal charges accumulated in the signal are read out to the vertical transfer unit 2. Thereby, the photoelectric conversion elements A and B are depleted. Further, at the time C, readout of the signal charges of the photoelectric conversion elements A and B is completed, and at the same time, the photoelectric conversion elements A and B accumulate the signal charges to be read in the all-pixel output mode by exposure. Be started.
[0030]
At time D after elapse of a predetermined time, TRIG becomes low level, and the mechanical shutter is changed from the open state to the fully closed state. At the same time, the accumulation of signal charges to be read in the all-pixel output mode in the photoelectric conversion elements A and B ends.
[0031]
During times E to F, vertical transfer pulses φV1A, φV1B, φV2, and φV3 are operated at high speed to transfer unnecessary charges remaining in the vertical transfer unit 2 to the horizontal transfer unit 3, and the output amplifier unit 4 or horizontal transfer unit 3 It discharges | emits through the horizontal drain (not shown) arrange | positioned adjacent to. The unnecessary charge includes, for example, a smear component, a dark current component, and a signal charge read to the vertical transfer unit 2 at time C.
[0032]
Next, at time G (period tG in FIG. 4), read pulses of φV1A and φV1B are applied to the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element A and the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element B, respectively. The Thereby, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion element A and the photoelectric conversion element B are read out to the vertical transfer unit 2.
[0033]
Next, at time H (period tH in FIG. 4), binary transfer pulses of φV1A, φV1B, φV2, and φV3 are applied to the first phase electrode, the second phase electrode, and the third phase electrode, respectively. The signal charges for one row of the conversion elements are transferred to the horizontal transfer unit 3. Further, the signal charge transferred to the horizontal transfer unit 3 is transferred to the output amplifier unit 4 and converted into a signal voltage for output. By applying a drive pulse similar to the time H (period tH in FIG. 4) every period during which the horizontal synchronization signal is applied, the signal charges read to the vertical transfer unit 2 are sequentially transferred and output.
[0034]
As described above, according to the driving method according to the present embodiment, at the time of transition from the thinning-out output mode to the all-pixel output mode, at the start of signal charge accumulation in the all-pixel output mode (time C in FIG. 2), A read pulse is applied to the first phase electrodes of the conversion elements A and B, and the signal charges of the photoelectric conversion elements A and B accumulated in the thinning output mode are read out to the vertical transfer unit. Therefore, since the photoelectric conversion element A and the photoelectric conversion element B are both depleted at the start of signal charge accumulation in the all-pixel output mode, an output screen more accurately corresponding to the input signal can be obtained in the all-pixel output mode. it can.
[0035]
In the first embodiment, the case where the progressive scanning method is adopted as an example of the method for extracting the signal of each photoelectric conversion element in the all-pixel output mode is illustrated, but the present invention is not limited to this. Absent. For example, if the exposure time is controlled by a mechanical shutter in the same manner as described above, an interlace scanning method can be adopted.
[0036]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements A and B are read out to the vertical transfer unit when shifting from the thinning output mode to the all-pixel output mode. However, if a large amount of light suddenly enters in the thinning output mode, the amount of signal charge read to the vertical transfer unit increases, so that the signal present in the vertical transfer unit during high-speed discharge (time E to F in FIG. 2). The charge may not be completely discharged. As a result, the photoelectric conversion elements A and B can be completely depleted at the start of accumulation in the all-pixel output mode, but an output that accurately corresponds to incident light can be obtained by mixing the charges remaining in the vertical transfer unit. There may not be.
[0037]
A preferred embodiment of the present invention that can solve the above problem will be described below as a second embodiment. Note that the solid-state imaging device cited in the description of this embodiment has the same structure as that of the first embodiment, that is, has the same structure as FIG.
[0038]
FIG. 5 is a timing chart for explaining a driving method according to the second embodiment. This figure shows a timing chart when shifting from the thinning-out output mode to the all-pixel output mode, where the time before the time D corresponds to the thinning-out output mode and the time after the time D corresponds to the all-pixel output mode. 5 is the same as that in FIG. 3, and the detailed timing chart in the vicinity of times H and I in FIG. 5 is the same as that in FIG. 4 (however, the time in FIG. 4 is the same as that in FIG. 4). tG corresponds to time H in FIG. 5, and time tH in FIG. 4 corresponds to time I in FIG.
[0039]
As in the first embodiment, φV1A and V1B are ternary pulses including a read pulse, and φV2 and φV3 are binary pulses. ΦSUB is composed of a bias voltage and a discharge pulse. VD is a vertical synchronization signal, and TRIG is a mechanical shutter control pulse.
[0040]
During times A to B, the signal charges of the photoelectric conversion element A are read out and the signal charges of the photoelectric conversion element B are discharged in the same manner as the times A to B in the first embodiment. Subsequently, in time B to C, the read signal charges of the photoelectric conversion element A are sequentially transferred and output.
[0041]
Next, at time C, at least part of the signal charges accumulated in the photoelectric conversion element A and the photoelectric conversion element B are discharged to the substrate region. This signal charge is discharged by applying a φSUB discharge pulse superimposed on the bias voltage to the half-substrate region.
[0042]
Next, at time D, read pulses of φV1A and φV1B are applied to the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element A and the first phase electrode corresponding to the photoelectric conversion element B, respectively. As a result, the signal charges of the photoelectric conversion elements A and B are read out to the vertical transfer unit 2, and the photoelectric conversion elements A and B are depleted. The signal charges read at this time include charges remaining in the photoelectric conversion elements A and B without being discharged to the substrate region at time C, and charges accumulated during time C to D, and the like.
[0043]
In addition, at the time D, readout of the signal charges of the photoelectric conversion elements A and B is completed, and at the same time, the photoelectric conversion elements A and B accumulate signal charges to be read in the all-pixel output mode by exposure. Be started.
[0044]
Subsequently, accumulation of signal charges ends at time E, and unnecessary charges remaining in the vertical transfer unit 2 are discharged at times F to G. Next, at time H, the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements A and B are read, and after time I, the signal charges read to the vertical transfer unit 2 are sequentially transferred and output. Note that the times E to I are substantially the same as the times D to H in the first embodiment.
[0045]
As described above, according to the driving method according to the present embodiment, when shifting from the thinning-out output mode to the all-pixel output mode, the photoelectric charge is started at the start of signal charge accumulation in the all-pixel output mode (time D in FIG. 5). The signal charges of the conversion elements A and B are read out to the vertical transfer unit. Therefore, since both the photoelectric conversion element A and the photoelectric conversion element B are depleted, an output screen more accurately corresponding to the input signal can be obtained in the all-pixel output mode.
[0046]
Further, before the readout for depleting the photoelectric conversion elements A and B is performed, at least a part of the signal charges of the photoelectric conversion elements A and B accumulated in the thinning output mode are discharged to the substrate region. Even when a large amount of light suddenly enters in the mode, the amount of signal charge read to the vertical transfer unit is reduced, and the signal charge existing in the vertical transfer unit can be discharged completely and in a short time.
[0047]
In the second embodiment, as in the first embodiment, a progressive scanning method or an interlace scanning method can be employed as a method for extracting signals from the photoelectric conversion elements in the all-pixel output mode.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid-state imaging device driving method of the present invention, a plurality of photoelectric conversion elements and a signal charge accumulated in the photoelectric conversion elements are received in the semiconductor substrate and transferred in the vertical direction. A transfer unit, a horizontal transfer unit that receives the signal charge from the vertical transfer unit and transfers it in the horizontal direction, and an output amplifier unit that receives the signal charge from the horizontal transfer unit and converts it into a signal voltage are formed. The method of driving a solid-state imaging device in which the plurality of photoelectric conversion elements constitute at least a first photoelectric conversion element group and a second photoelectric conversion element group, and the signal charges of the first photoelectric conversion element group are The signal charge of the second photoelectric conversion element group and the signal charge of the first photoelectric conversion element group and the signal charge of the second photoelectric conversion element group are output from the first drive mode in which the signal charge of the second photoelectric conversion element group is not the output target. signal When shifting to the second drive mode for output of the load, the signal charge of the second photoelectric conversion element group is changed to the first before the start of accumulation of the first signal charge in the second drive mode. Since the data is transferred to the vertical transfer unit, an output corresponding more accurately to incident light can be obtained in the all-pixel output mode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view illustrating an example of a solid-state imaging device to which a driving method of the present invention can be applied.
FIG. 2 is a drive timing chart for explaining a drive method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drive timing chart in a thinning output mode.
FIG. 4 is a drive timing chart in an all-pixel output mode.
FIG. 5 is a drive timing chart for explaining a drive method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a drive timing chart for explaining a conventional drive method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記第１の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象とし、前記第２の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象としない第１の駆動モードから、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷を出力の対象とする第２の駆動モードに移行するとき、前記第２の駆動モードにおける信号電荷の蓄積を開始する以前に、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷の少なくとも一部を、前記光電変換素子の下方に位置する前記半導体基板内の領域に排出してから、前記第１の光電変換素子群の信号電荷および前記第２の光電変換素子群の信号電荷を前記垂直転送部に転送することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。In a semiconductor substrate, a plurality of photoelectric conversion elements, a vertical transfer unit that receives signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements and transfers them in the vertical direction, and receives the signal charges from the vertical transfer units and transfers them in the horizontal direction And an output amplifier unit that receives the signal charge from the horizontal transfer unit and converts the signal charge into a signal voltage. The plurality of photoelectric conversion elements include at least a first photoelectric conversion element group and a first photoelectric conversion element group. A method for driving a solid-state imaging device constituting two photoelectric conversion element groups,
From the first drive mode in which the signal charge of the first photoelectric conversion element group is an output target and the signal charge of the second photoelectric conversion element group is not an output target, the first photoelectric conversion element group When the signal charge and the signal charge of the second photoelectric conversion element group are shifted to the second drive mode to be output, before the signal charge accumulation in the second drive mode is started, the first charge After discharging at least part of the signal charges of the photoelectric conversion element group and the signal charges of the second photoelectric conversion element group to a region in the semiconductor substrate located below the photoelectric conversion element, the first A method of driving a solid-state imaging device, wherein the signal charge of the photoelectric conversion element group and the signal charge of the second photoelectric conversion element group are transferred to the vertical transfer unit .
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