JPH1127582A - 固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置の駆動方法

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JPH1127582A
JPH1127582A JP9179925A JP17992597A JPH1127582A JP H1127582 A JPH1127582 A JP H1127582A JP 9179925 A JP9179925 A JP 9179925A JP 17992597 A JP17992597 A JP 17992597A JP H1127582 A JPH1127582 A JP H1127582A
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reset
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gate
photodiode
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JP9179925A
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Hidenori Shibata
英紀 柴田
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Original Assignee
Toshiba Corp
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/58—Control of the dynamic range involving two or more exposures
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Abstract

(57)【要約】 【課題】固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大する
ための固体撮像装置の駆動方法を提供する。 【解決手段】フォトダイオードに隣接して信号電荷の読
み出し拡散層とリセットドレインを形成し、フォトダイ
オードの蓄積時間ＴSTより短い時間ＴS 内にフォトダイ
オードに蓄積した信号電荷の一部又は全部をリセットド
レインに排出し、読み出し拡散層に残留した信号電荷と
ＴS からＴSTまでの間にフォトダイオードに蓄積された
信号電荷とを前記読み出し拡散層上で加算し検出する。
このようにすれば、排出動作後拡散層に蓄積された信号
電荷の入射光量に対する増加率は、排出動作がない場合
に比べて低くなるので、入射光量と検出される信号電荷
の間のニー特性を得ることができ、駆動回路のダイナミ
ックレンジの拡大が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像装置の駆動
方法に係り、特にダイナミックレンジが大きい固体撮像
装置の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＣＣＤを用いた固体撮像装置のダ
イナミックレンジを拡大する方法として、図７に示すよ
うに読み出しパルスと転送パルスを２段階に印加する電
荷転送方法が検討されてきた。
【０００３】すなわち、第１の読み出しパルス１３によ
りフォトダィオードに蓄積された画素信号を垂直ＣＣＤ
に読みだし、第１の転送パルス１４により垂直ＣＣＤに
読み出された画素信号水平ＣＣＤに転送し、次に１フィ
ールドシフト時間ｔFSの途中のスキミング時間ｔSMにお
いて、第１の読み出しパルス１３が印加された後ｔSMま
での間にフォトダイオードに蓄積された過剰な画素信号
を読み出しパルス１３よりも低いスキミング電圧レベル
に設定された第２の読み出しパルス１５を用いて垂直Ｃ
ＣＤに読み出し、高速な第２の転送パルス１６を用いて
水平ＣＣＤに転送し排出する方法がとられてきた。
【０００４】このようにＣＣＤを用いた従来の固体撮像
装置では方法ではフォトダイオードに蓄積された画素信
号を画素ごとにリセットする機能を付与することができ
ないため、ダイナミックレンジを拡大するのに高速の転
送パルス１６が必要となり消費電力が増加するという欠
点があった。また過剰電荷を排出する際の信号電荷読み
出しゲートの電位と信号電荷読み出し時の受光部の電位
が画素毎にばらつくため再生画面にムラが発生する等の
問題があり、原理的には上記の方法でダイナミックレン
ジの拡大が可能と考えられたが、実用化されるには至ら
なかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記したように例えば
ＣＣＤを用いた従来の固体撮像装置のダイナミックレン
ジ拡大方法には、撮像装置の消費電力の増加や再生画面
にムラが発生するという問題があった。
【０００６】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、画素ごとに信号の検出と排出及びリセット動
作をすることが可能なフォトダイオードアレイで固体撮
像装置を構成し、画素部ごとにリセット動作や過剰電荷
排出動作をする簡易な付加回路を設けることにより、消
費電力の増加や再生画面にムラを生じることなく固体撮
像装置のダイナミックレンジ拡大することができる実用
的な方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置の
駆動方法は、光信号を光電変換し一定時間蓄積するフォ
トダイオードと、このフォトダイオードを選択する選択
ゲートと、この選択ゲートに隣接し光電変換された信号
電荷を読み出す拡散層と、この拡散層に隣接し拡散層の
電荷をリセットするリセットゲートと、このリセットゲ
ートに隣接するリセットドレインとを有する駆動回路を
備え、フォトダイオードを選択回路により選択し、拡散
層の電荷をリセットし、フォトダイオードの光信号蓄積
時間より短い時間において、フォトダイオードに蓄積さ
れた信号電荷の少なくとも一部をリセットドレインに排
出し、光信号蓄積時間より短い時間以後にフォトダイオ
ードに蓄積した信号電荷と前記拡散層に残留した電荷と
を加算して前記拡散層に読み出すことを特徴とする。
【０００８】また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、
選択ゲートにオフ電圧を印加し、リセットゲートにオン
電圧を印加し、かつリセットドレインに低レベル電圧を
与えることにより拡散層の電圧とリセットドレインの電
圧とを等しくし、選択ゲートのオフ電圧と前記リセット
ゲートのオン電圧とを印加した状態でリセットドレイン
を高レベル電圧に反転することにより、リセットゲート
下部の半導体基板の表面と拡散層の電圧を等しくし、そ
の後、リセットゲートをオン電圧より低いスキミング電
圧に設定し、フォトダイオードの光信号蓄積時間より短
い時間の経過時点で選択ゲートにオン電圧を印加するこ
とにより、拡散層の電圧とリセットゲート下部の半導体
基板表面の電圧とを等しくし、その後、前記選択ゲート
をオフ電圧に反転して再度フォトダイオードに光信号を
蓄積し、リセットゲートにスキミング電圧より低い読み
出し電圧を印加し、光信号蓄積時間の経過時点で再度前
記選択ゲートにオン電圧を印加して拡散層の電圧を検出
することを特徴とする。
【０００９】また本発明の固体撮像装置の駆動方法は、
選択ゲートに読み出し電圧を印加し、リセットゲートに
オン電圧を印加し、かつ前記リセットドレインに低レベ
ル電圧を与えることにより前記フォトダイオードの電圧
と前記拡散層の電圧と前記リセットドレインの電圧とを
等しくし、選択ゲートの読み出し電圧と前記リセットゲ
ートのオン電圧とを印加した状態で前記リセットドレイ
ンを高レベル電圧に反転することにより、フォトダイオ
ードの電圧と選択ゲート下部の半導体基板表面の電圧、
及び拡散層の電圧と前記リセットゲート下部の半導体基
板表面の電圧とをそれぞれ等しくし、その後、選択ゲー
トの電圧を読み出し電圧より低いスキミング電圧に設定
し、同時に前記リセットゲートをオフ電圧に反転し、フ
ォトダイオードの電圧と前記選択ゲート下部の半導体基
板表面の電圧とを等しくし、フォトダイオードの光信号
蓄積時間より短い時間の経過時点で選択ゲートの電圧を
スキミング電圧からオフ電圧に低下し、同時に前記リセ
ットゲートをオン電圧とし、選択ゲートのオフ電圧とリ
セットゲートのオン電圧とを印加した状態でリセットド
レインの電圧を一旦低レベル電圧とした後高レベル電圧
に復帰すことにより拡散層の電圧とリセットゲート下部
の半導体基板表面の電圧と等しくし、リセットゲートを
オフ電圧とし、光信号蓄積時間終了時に選択ゲートに読
み出し電圧を印加し、拡散層の電圧を検出することを特
徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の固
体撮像装置の駆動回路と駆動方法を詳細に説明する。本
発明の実施の形態について説明する前に、各実施の形態
に共通する固体撮像装置の駆動回路の構成について説明
する。
【００１１】図１に駆動回路の構成を示す。光信号を光
電変換し信号電荷を一定時間蓄積するフォトダイオード
ｌに隣接して、行方向に並ぶフォトダイオード１を選択
する選択ゲート２が接続される。この選択ゲート２に隣
接してフォトダイオード１に蓄積された信号電荷の読み
出し拡散層３が接続される。前記選択ゲートはシリコン
基板上のゲート絶縁膜を介して形成され、前記フォトダ
イオード１と前記読み出し拡散層３とを接続するＭＯＳ
トランジスタを形成する。
【００１２】読み出し拡散層３に隣接してリセットゲー
ト４が接続され、リセットゲート４に隣接して電荷の注
入と排出を行うリセットドレイン５が接続される。リセ
ットゲート４は、シリコン基板上のゲート絶縁膜を介し
て形成され、読み出し拡散層３をソース、リセットドレ
イン５をドレインとするＭＯＳトランジスタを形成す
る。なお、フォトダイオード１、読み出し拡散層３、リ
セットドレイン５の表面はいずれもゲート絶縁膜で被覆
されている。
【００１３】フォトダイオード１に蓄積された信号電荷
の読み出し拡散層３は、電流増幅用トランジスタ６のゲ
ート８に接続され、電流増幅用トランジスタ６のドレイ
ンは電源ＶD に、ソース９は水平走査用スイッチングト
ランジスタ７のソース１０に、スイッチングトランジス
タ７のドレイン１１は出力信号線１２に、それぞれ接続
される。
【００１４】水平走査スイッチングトランジスタ７のゲ
ートに水平走査信号が入力されると、スイッチングトラ
ンジスタ７がオンとなり、読み出し拡散層３に読み出さ
れた信号電荷に応じて変化する前記読み出し拡散層の電
位が信号線１２から外部に出力される。
【００１５】次に本発明の第１の実施の形態に係る固体
撮像装置の駆動方法について説明する。はじめに読み出
し信号のばらつきを抑制するため、読み出し拡散層に電
荷を残留させるリセット動作を行った後、フォトダイオ
ードの信号電荷蓄積時間ＴSTより短い時間ＴS の間に、
前記フォトダイオード１に蓄積された信号電荷の内、一
定量を越える過剰信号電荷をリセットドレイン５に排出
し（以下過剰電荷排出動作という）、前記一定量の信号
電荷を読み出し拡散層３に転送する。その後ＴS からＴ
STの間にフォトダイオード１に蓄積された信号電荷を再
度読み出し拡散層３に転送し、先に拡散層３に転送され
た前記一定量の信号電荷と加算して、読み出し拡散層３
に読み出された信号電荷の合計を検出する。
【００１６】次に前記駆動方法が固体撮像装置のダイナ
ミックレンジの拡大に役立つ理由を説明する。固体撮像
装置への入射光量が小さく、ＴS までの時間にフォトダ
イオード１に蓄積される信号電荷が前記一定量に達しな
い場合は、過剰電荷排出動作でリセットドレイン５に排
出される信号電荷は零（過剰電荷排出動作がない場合に
相当する）となるので、前記入射光量は全て読み出し拡
散層３で読みだされることになる。
【００１７】しかし入射光量が増大し、過剰電荷排出動
作で信号電荷の一部がリセットドレイン５に排出される
ようになれば、このとき排出される前記一定量を越える
過剰信号電荷の量は入射光量が大きいほど大となるた
め、過剰電荷排出動作後に前記拡散層に蓄積される信号
電荷の入射光量に対する増加率は、前記過剰電荷排出動
作がない場合に比べて低くなる。このようにして、図６
に示すように入射光量と検出される信号電荷の間のニー
特性を得ることができ、前記駆動回路のダイナミックレ
ンジの拡大が可能となる。
【００１８】上記の説明から明らかなように前記ニー特
性の折れ曲り点は、入射光量により生じた信号電荷が前
記一定量を越えるか否かの分岐点を与えるものである。
したがって例えば前記一定量を零とし、前記ＴS までの
時間にフォトダイオード１に蓄積される信号電荷を全て
過剰電荷として排出すれば、図６に示すニー特性の折れ
曲り点は原点に移動し、入射光量と検出される信号電荷
との関係は勾配が小さい方の１本の直線のみとなる。こ
の場合にも、他の受光特性上の欠点を無視すれば、ダイ
ナミックレンジが拡大されたということができる。
【００１９】次に図２、図３に基づき、本発明の第２の
実施の形態に係る固体撮像装置の駆動方法について説明
する。固体撮像装置の駆動回路は第１の実施の形態と同
一のものを用いるため、説明を省略する。
【００２０】図２（ａ）は図１の駆動回路のうちシリコ
ン基板上に互いに隣接して形成された参照番号１乃至５
の部分の構造を示す断面図である。図２（ｂ）乃至
（ｇ）は、前記駆動回路の動作段階に応じて、図２
（ａ）の対応する各領域に蓄積、転送される信号電荷の
変化の様子を示す図である。図３は図２に示す回路動作
において選択ゲート２、リセットゲート４、リセットド
レイン５にそれぞれ加わる制御信号電圧のタイミング波
形を示す図である。
【００２１】図３の最上段に示す１フィールド期間は、
リセット動作と過剰電荷排出動作と信号電荷検出動作を
含んでいる。図３には各フィールド期間のつながりを示
すため、前記１フィールド期間の前後における信号電荷
検出動作とリセット動作とを加えて示している。
【００２２】また図３の最下段に１フィールド期間の開
始時点を原点として、フォトダイオードへの光信号蓄積
時間ＴST及びこのＴSTより短い時間ＴS と、前記信号電
荷検出動作と前記過剰電荷排出動作の開始時点とをそれ
ぞれ対応させて示している。
【００２３】はじめにリセット動作を行い、先行するフ
ィールド期間中に駆動回路の各部に残留した信号電荷を
初期状態に復帰させる。図３に示すように、リセット動
作では選択ゲート２をオフ電圧ＶOFF とし、リセットゲ
ート４をオン電圧ＶONとして、リセットドレイン５をＶ
ONより低い低レベル電圧ＶL とする。
【００２４】このとき図２（ｂ）に示すように、ゲート
４の下部の電位がφONとなってリセットゲート４が導通
し、リセットドレイン５が低レベル電圧ＶL となるので
電子電荷がリセットドレイン５から読み出し拡散層３に
流入するが、選択ゲート２が遮断されているのでフォト
ダィオード１に流入することはなく、前記電子電荷によ
り領域３乃至５が等電位ＶL に達すれば流入が停止す
る。
【００２５】図２（ｂ）の左下がりのハッチは、このと
きの電子電荷の分布状態を示す。なお図３では電圧の増
加する方向を上向きにしているが、図２では固体撮像装
置において通常電子を信号電荷として用いるため、電圧
（電位）の増加する方向を下向きとしている。
【００２６】引き続き図３に示すように、選択ゲートの
ＶOFF とリセットゲートのＶONを印加した状態でリセッ
トドレインのみを低レベルＶL から高レベルＶH に反転
すれば、図２（ｃ）に示すように読み出し拡散層３に流
入した電子電荷の一部がリセットドレイン５に排出さ
れ、読み出し拡散層３の電圧とリセットゲート下部のシ
リコン基板表面の電圧φONとが等しくなったところで排
出が停止する。
【００２７】次に図３に示すように、リセットゲートの
電圧をＶONから過剰電荷の排出レベルを定めるスキミン
グ電圧ＶS まで下げれば、図２（ｄ）に示すように、電
位φONに達するまで読み出し拡散層３に残留した電子電
荷とリセットドレイン５との間にスキミング電位φS の
障壁が形成される。ここまでの駆動回路の動作をリセッ
ト動作ということにする。
【００２８】このようにして、フォトダイオード１から
蓄積信号電荷を読み出す前の読み出し拡散層３の初期状
態が定められる。読み出し拡散層３に一定の電荷を残留
させた理由は、リセットゲート４のしきい値電圧のばら
つきと無関係に、引き続き行われる過剰電荷排出動作が
リセットゲートのスキミング電圧ＶS で規定されるよう
にするためである。
【００２９】次に過剰電荷排出動作の開始時点ＴS にお
いて、図３に示すように選択ゲート４の電圧をＶOFF か
らＶONに反転する。このとき図２（ｅ）に示すように、
ＶOFF の時にフォトダイオード１と読み出し拡散層３と
の間に存在した電位障壁が除去されるので、前記１フィ
ールド期間のはじめからＴS までにフォトダイオード１
に蓄積された画素の信号電荷が実線の矢印に示すように
読み出し拡散層３に流入し、読み出し拡散層３の電圧が
リセットゲート４の下部のシリコン基板表面の電圧φS
に達すれば、破線の矢印に示すように過剰な信号電荷の
排出が開始される。
【００３０】過剰電荷排出後、図３に示すように選択ゲ
ート２の電圧をＶONからＶOFF に反転し、図２（ｆ）に
示すようにフォトダイオード１と拡散層３との間に電子
電荷の障壁を形成して、フォトダイオード１に再度信号
電荷を蓄積する。過剰電荷排出動作が終了した時点で、
図３に示すようにリセットゲート４の電圧をＶONから読
み出し電圧ＶR に下げ、図２（ｆ）に示すように読み出
し拡散層３とリセットドレイン５との間に読み出し電位
φR の電子電荷の障壁を設けた段階で過剰電荷排出動作
を終了する。
【００３１】次に図３のＴSTにおける信号電荷検出動作
の開始時点で選択ゲート４をＶONとし、図２（ｇ）に示
すようにフォトダイオード１と読み出し拡散層３との間
の電位障壁を除去して、実線の矢印で示すように再度フ
ォトダイオード１に蓄積された信号電荷を読み出し拡散
層３に流入する。その後選択ゲートの電圧をＶOFF にし
て１フィールド期間を終了する。
【００３２】次に本第２の実施の形態に係る駆動方法に
よる固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大効果につ
いて定量的に説明する。フォトダィオード１への信号電
荷蓄積時間ＴSTは、図３に示す１フィールド期間の開始
時点から信号電荷検出動作の開始までの時間であり、Ｔ
S は１フィールド期間の開始時点から過剰電荷排出動作
までの時間に相当する。なおリセット動作において、読
み出し拡散層３に残留した電子電荷は、リセットゲート
４のしきい値電圧のばらつきを調整するためのものであ
り、信号電荷とは関係がないので以下の議論では省略す
る。
【００３３】時間ＴS までに蓄積された信号電荷をＱ
SIG1、時間ＴS における過剰電荷排出後に拡散層３に残
留する電荷をＱSIG1´、ＴS からＴSTまでの時間内に蓄
積される信号電荷をＱSIG2、検出される信号電荷をＱ
DET とすれば、
【００３４】
【数１】
【００３５】式（４）に示すようにＱSIG1´＝ＱSIG1の
場合、すなわち図６において入射光量が小さく過剰電荷
排出動作で排出される信号電荷が零の場合には、検出さ
れる信号電荷ＱDET の入射光量Ｉに対する比例係数はＡ
となるが、ＱSIG1´＝Ｃｄｅｆ・（φＯＮ−φS ）の場
合、すなわち入射光量が大きく一定量を越える信号電荷
が、過剰電荷として排出される場合には、式（５）に示
すよう検出される信号電荷ＱDET の入射光量に対する比
例係数はＡ・（ＴST−ＴS ）／ＴSTに減少する。このよ
うにして本第２の実施の形態の駆動方法により、入射光
量と検出される信号電荷の間に図３に示すようなニー特
性を得ることができ、固体撮像装置のダィナミックレン
ジを拡大することが可能となる。
【００３６】次に本発明の第３の実施の形態に係る固体
撮像装置の駆動方法について説明する。固体撮像装置の
駆動回路は第１の実施の形態と同一のものを用いるた
め、説明を省略する。
【００３７】図４（ａ）は図１の駆動回路のうちシリコ
ン基板上に互いに隣接して形成された参照番号１乃至５
の部分の構造を示す断面図である。図４（ｂ）乃至
（ｇ）は、前記駆動回路の動作段階に応じて、図４
（ａ）の対応する各領域に蓄積、転送される信号電荷の
変化の様子を示す図である。図５は図４に示す回路動作
において選択ゲート２、リセットゲート４、リセットド
レイン５にそれぞれ加わる制御信号電圧のタイミング波
形を示す図である。
【００３８】図５に示すように１フィールド期間のリセ
ット動作において、選択ゲート２に読み出し電圧ＶR 、
リセットゲート４にＶR より高いＶONを加えた状態で、
リセットドレイン５にＶR より低いＶL を印加すれば、
図４（ｂ）に示すように、リセットドレイン５から電子
電荷がフォトダイオードｌまで流入し、フォトダィオー
ド１と読み出し拡散層３とリセットドレイン５は等電圧
ＶL となる。ここにφR は選択ゲート２にＶR が印加さ
れたときの２の下部シリコン基板表面の電圧、φONはリ
セットゲート４にＶONが印加されたときの４の下部シリ
コン基板表面の電圧である。
【００３９】次に図５に示すようにリセットドレイン５
にＶONより高いＶH が印加されると、図４（ｃ）に示す
ように、リセットゲート４を介して電荷がフォトダイオ
ード１及び読み出し拡散層３からリセットドレイン５に
排出される。このときフォトダイオード１の電圧が選択
ゲート２の下部のシリコン基板表面の電圧φR に、読み
出し拡散層３の電位がリセットゲート４の下部のシリコ
ン基板表面の電圧φONになるまで、先に流入した電子電
荷がフォトダイオード１と読み出し拡散層３にそれぞれ
残留する。引き続き図５に示すように、選択ゲート２に
ＶR より低いスキミング電圧ＶS 、リセットゲート４に
ＶS より低いＶOFF を印加しリセット動作が終了する。
【００４０】このようにして、フォトダイオード１から
蓄積信号電荷を読み出す前の読み出し拡散層３の初期状
態が図４（ｄ）のように定められる。フォトダイオード
１及び読み出し拡散層３に一定の電荷を残留させた理由
は、選択ゲート２のしきい値電圧のばらつきと無関係
に、引き続き行われる過剰電荷排出動作が選択ゲート２
に印加されたスキミング電圧ＶS で規定されるようにす
るためである。
【００４１】図５に示すリセット動作終了後フォトダイ
オード１への信号電荷の蓄積が開始される。ここで蓄積
された信号電荷によるフォトダイオード１の電圧が選択
ゲート２の下部のシリコン基板表面の電圧電位φS より
も低くなると、図４（ｅ）の破線の矢印に示すように選
択ゲート２を介して過剰な信号電荷が読み出し拡散層３
へ流入する。
【００４２】次に読み出し拡散層３に流入した過剰電荷
の排出動作を行う。過剰電荷排出動作はリセットゲート
４を用いて、読み出し拡散層３に流入した過剰電荷をリ
セットドレイン５に排出することにより行われる。
【００４３】すなわち図５に示すように、過剰電荷排出
動作の開始時点ＴS で選択ゲート２の電圧をＶS からＶ
OFF に下げて読み出し拡散層３への電荷の流入を停止す
る。ここで信号電荷が少ない場合は信号電荷は拡散層３
に転送されることなく全てフォトダイオード１に残留す
る。
【００４４】読み出し拡散層３への電荷の流入を停止す
ると同時に、リセットゲート４をＶONにし、その状態で
図５に示すように、リセットドレイン５の電圧を一旦Ｖ
L とした後ＶH に復帰すれば、前記第２の実施の形態に
おいて図２（ｂ）から図２（ｃ）に示したリセット動作
と同様な動作が行われ、図４（ｅ）において読み出し拡
散層３に流入した過剰電荷が図４（ｆ）に示すようにリ
セットドレイン５から排出される。図４（ｆ）は図５に
おいて、過剰電荷排出動作終了直前の電位分布を示して
いる。
【００４５】このようにして過剰な信号電荷をリセット
ドレイン５に排出した後、図２（ｇ）に示すように信号
電荷検出動作を行う。すなわち蓄積期間ＴST終了時に選
択ゲート２に読み出し電圧ＶR を印加し、選択ゲート２
の下部のシリコン基板表面の電圧をφR とすることによ
り、フォトダイオード１に残留した信号電荷とＴS 以降
蓄積した信号電荷を加算して拡散層３に読み出し信号電
荷の検出を行う。信号電化検出動作終了後選択ゲートを
ＶOFF とし１フィールド期間を終了する。
【００４６】次に本第３の実施の形態に係る駆動方法に
よる固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大効果につ
いて定量的に説明する。リセット動作においてフォトダ
イオード１と読み出し拡散層３に残留した電子電荷は、
選択ゲート２のしきい値電圧のばらつきを調整するため
のものであり、信号電荷とは無関係なので以下の議論で
は省略する。
【００４７】フォトダイオード１で発生する信号電荷は
入射光量に比例し、蓄積時間ＴST当りの信号電荷の入射
光量に対する比例定数をＡとれば、ＴSTより短い時間Ｔ
S までに発生する信号電荷は、
【００４８】
【数２】
【００４９】すなわち入射光量が小さく過剰電荷の排出
が行われない場合には、信号電荷ＱDET の入射光量Ｉに
対する比例係数は式（９）に示すようにＡとなるが、入
射光量が大きく過剰電荷の排出が行われる場合には、前
記比例係数は式（１１）に示すようにＡ・（ＴST−Ｔ
S ）／ＴSTに減少する。このようにして本第３の実施の
形態の駆動方法により図３に示すようなニー特性を得る
ことができ、固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大
が可能となる。
【００５０】なお本発明は上記の実施の形態に限定され
ることはない。例えば上記の説明において固体撮像装置
の動作が電子電荷の転送により行われる場合についての
べたが、駆動回路を構成する素子のドーパントの種類を
変更することにより、正孔電荷の転送により行われる場
合にも同様に適用することができる。
【００５１】また選択ゲート及びリセットゲートを用い
た電荷の転送や排出は、ＭＯＳ型の表面チャネルを介し
て行ったが、接合型のバルクチャネル構造についても同
様に実施することができる。このとき基板材料は必ずし
もシリコンに限定されるものではなく、砒化ガリウムの
ような化合物半導体にも適用することができる。その他
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。
【００５２】
【発明の効果】上述したように本発明の固体撮像装置の
駆動方法によれば、従来ＣＣＤ固体撮像装置について検
討されたような、特殊な高速転送パルス等を用いること
なく固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大すること
ができるので、高速、低消費電力で、かつダイナミック
レンジの大きい固体撮像装置を提供することが可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の回路構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置
の駆動方法を示す図であって、（ａ）は駆動回路の主要
部分を示す断面図。（ｂ）はリセット動作における読み
出し拡散層への電荷流入過程を示す図。（ｃ）はリセッ
ト動作における読み出し拡散層への電荷残留過程を示す
図。（ｄ）はリセットゲートへのスキミング電圧の設定
状況を示す図。（ｅ）は過剰電荷排出動作を示す図。
（ｆ）は過剰電荷排出後フォトダイオードへの信号電荷
蓄積状況を示す図。（ｇ）は信号電荷検出動作を示す
図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置
の駆動方法における制御信号電圧のタイミング波形を示
す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装置
の駆動方法を示す図であって、（ａ）は駆動回路の主要
部分を示す断面図。（ｂ）はリセット動作における電荷
流入過程を示す図。（ｃ）はリセット動作におけ電荷残
留過程を示す図。（ｄ）は選択ゲートへのスキミング電
圧の設定状況を示す図。（ｅ）は読み出し拡散層への過
剰電荷排出動作を示す図。（ｆ）はセットドレインへの
過剰電荷排出動作を示す図。（ｇ）は信号電荷検出動作
を示す図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装置
の駆動方法における制御信号電圧のタイミング波形を示
す図。
【図６】入射光量と検出される信号電荷との間のニー特
性を示す図。
【図７】従来のＣＣＤ固体撮像装置のダイナミックレン
ジの拡大方法を示す図。
【符号の説明】
１…フォトダイオード ２…選択ゲート ３…読み出し拡散層 ４…リセットゲート ５…リセットドレイン ６…電流増幅トランジスタ ７…水平走査スイッチングトランジスタ ８…電流増幅トランジスタの入力ゲート ９…電流増幅トランジスタのドレイン １０…電流増幅トランジスタのソース １１…電流増幅トランジスタのドレイン １２…信号の出力線 １３…第１の読み出しパルス １４…第１の転送パルス １５…第２の読み出しパルス １６…第２の転送パルス ＶH …高レベル電圧 ＶL …低レベル電圧 φON…オン電位 φS …スキミング電位 φR …読み出し電位 ＶON…オン電圧 ＶOFF …オフ電圧 ＶS …スキミング電圧 ＶR …読み出し電圧 ＴST…フォトダイオードの信号蓄積時間 ＴS …ＴSTより短い時間 ＱSIG1…ＴS までに蓄積される信号電荷 ＱSIG1´…残留電荷 ＱSIG2…ＴS からＴSTまでに蓄積される信号電荷 ＱDET …検出される信号電荷 Ｃdef …検出部を含む拡散層容量 Ｉ…入射光量 ＣPD…フォトダイオードの容量 ｔFS…１フィールドのシフト時間 ｔSM…スキミング時間

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光信号を光電変換し一定時間蓄積するフ
    ォトダイオードと、 このフォトダイオードを選択する選択ゲートと、 この選択ゲートに隣接し光電変換された信号電荷を読み
    出す拡散層と、 この拡散層に隣接し拡散層の電荷をリセットするリセッ
    トゲートと、 このリセットゲートに隣接するリセットドレインとを有
    する駆動回路を備えた固体撮像装置の駆動方法であっ
    て、 前記フォトダイオードを前記選択回路により選択し、 前記拡散層の電荷をリセットし、 前記フォトダイオードの光信号蓄積時間より短い時間に
    おいて、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷の
    少なくとも一部を前記リセットドレインに排出し、 前記光信号蓄積時間より短い時間以後に前記フォトダイ
    オードに蓄積した信号電荷と前記拡散層に残留した電荷
    とを加算して前記拡散層に読み出すことを特徴とする固
    体撮像装置の駆動方法。
  2. 【請求項２】 半導体基板と、 半導体基板上に形成されたフォトダイオードと、 このフォトダイオードに隣接し前記半導体基板上に形成
    された選択ゲートと、 この選択ゲートに隣接し前記半導体基板上に形成された
    拡散層と、 この拡散層に隣接し前記半導体基板上に形成されたリセ
    ットゲートと、 このリセットゲートに隣接し前記半導体基板上に形成さ
    れたリセットドレインとを有する駆動回路を備えた固体
    撮像装置の駆動方法であって、 前記選択ゲートにオフ電圧を印加し、 前記第リセットゲートにオン電圧を印加し、 かつ前記リセットドレインに低レベル電圧を与えること
    により前記拡散層の電圧と前記リセットドレインの電圧
    とを等しくし、 前記選択ゲートのオフ電圧と前記リセットゲートのオン
    電圧とを印加した状態で前記リセットドレインを高レベ
    ル電圧に反転することにより、前記リセットゲート下部
    の半導体基板の表面と前記拡散層の電圧を等しくし、 その後、前記リセットゲートをオン電圧より低いスキミ
    ング電圧に設定し、 前記フォトダイオードの光信号蓄積時間より短い時間の
    経過時点で前記選択ゲートにオン電圧を印加することに
    より、前記拡散層の電圧と前記リセットゲート下部の半
    導体基板表面の電圧とを等しくし、 その後、前記選択ゲートをオフ電圧に反転して再度フォ
    トダイオードに光信号を蓄積し、 前記リセットゲートに、スキミング電圧より低い読み出
    し電圧を印加し、 前記光信号蓄積時間の経過時点で再度前記選択ゲートに
    オン電圧を印加して前記拡散層の電圧を検出することを
    特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  3. 【請求項３】 半導体基板と、 半導体基板上に形成されたフォトダイオードと、 このフォトダイオードに隣接し前記半導体基板上に形成
    された選択ゲートと、 この選択ゲートに隣接し前記半導体基板上に形成された
    拡散層と、 この拡散層に隣接し前記半導体基板上に形成されたリセ
    ットゲートと、 このリセットゲートに隣接し前記半導体基板上に形成さ
    れたリセットドレインとを有する駆動回路を備えた固体
    撮像装置の駆動方法であって、 前記選択ゲートに読み出し電圧を印加し、 前記リセットゲートにオン電圧を印加し、 かつ前記リセットドレインに低レベル電圧を与えること
    により前記フォトダイオードの電圧と前記拡散層の電圧
    と前記リセットドレインの電圧とを等しくし、 前記選択ゲートの読み出し電圧と前記リセットゲートの
    オン電圧とを印加した状態で前記リセットドレインを高
    レベル電圧に反転することにより、前記フォトダイオー
    ドの電圧と前記選択ゲート下部の半導体基板表面の電
    圧、及び拡散層の電圧と前記リセットゲート下部の半導
    体基板表面の電圧とをそれぞれ等しくし、 その後、前記選択ゲートの電圧を読み出し電圧より低い
    スキミング電圧に設定し、 同時に前記リセットゲートをオフ電圧に反転し、 前記フォトダイオードの電圧と前記選択ゲート下部の半
    導体基板表面の電圧とを等しくし、 前記フォトダイオードの光信号蓄積時間より短い時間の
    経過時点で前記選択ゲートの電圧をスキミング電圧から
    オフ電圧に低下し、 同時に前記リセットゲートをオン電圧とし、 前記選択ゲートのオフ電圧とリセットゲートのオン電圧
    とを印加した状態で前記リセットドレインの電圧を一旦
    低レベル電圧とした後高レベル電圧に復帰すことによ
    り、前記拡散層の電圧と前記リセットゲート下部の半導
    体基板表面の電圧と等しくし、 前記リセットゲートをオフ電圧とし、 前記光信号蓄積時間終了時に選択ゲートに読み出し電圧
    を印加し、前記拡散層の電圧を検出することを特徴とす
    る固体撮像装置の駆動方法。
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