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JP4284783B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP4284783B2
JP4284783B2 JP28937899A JP28937899A JP4284783B2 JP 4284783 B2 JP4284783 B2 JP 4284783B2 JP 28937899 A JP28937899 A JP 28937899A JP 28937899 A JP28937899 A JP 28937899A JP 4284783 B2 JP4284783 B2 JP 4284783B2
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JP
Japan
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timing signal
signal
solid
state imaging
imaging device
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孝 伊堂寺
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Sony Corp
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Publication date
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来よりビデオカメラや、デジタルカメラに用いる固体撮像装置は、一般にCCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像素子を用いて構成されている。
この種の固体撮像素子は、マトリクス状に配列された複数の光センサと、光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた信号電荷を各光センサから読み出して垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートとを含んで構成されている。
【0003】
上記タイミング信号は、固体撮像装置を構成するタイミング信号発生部より供給され、固体撮像素子では、タイミング信号が供給されたとき、15Vまたは12Vのバイアスを読み出しゲートに印加し、これにより光センサからの信号電荷の読み出しが行われる。
図5は、上記タイミング信号を示すタイミングチャートである。
垂直転送部が3相駆動方式の場合、上記タイミング信号発生部は図5に示したように、3相のタイミング信号V1、V2、V3を発生して垂直転送部に供給する。そして、タイミング信号V2がハイレベルの期間t1において読み出しゲートに上記バイアス電圧が印加される。
【0004】
ところで、電子装置の消費電力を削減する1つの有効な方法は電源電圧を下げることであり、固体撮像素子においても電源電圧を低下させることで消費電力を削減することが可能である。
しかし、この方法を単純に固体撮像素子に適用して、上記読み出しゲートに印加するバイアス電圧を下げたとすると、光センサから信号電荷を充分に読み出せないという不具合が生じる。
図6は固体撮像素子の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図、図7は光センサ周辺を示す断面側面図である。図6は図7におけるII’線に沿ったポテンシャル分布を示している。図7において、半導体基板(SUB)102上に光センサ104が形成され、この光センサ104に隣接して垂直転送部106が形成されている。そして、光センサ104と垂直転送部106との間に読み出しゲート108が形成されている。
【0005】
読み出しゲート108に印加するバイアス電圧が充分に高い場合には、図6に実線110で示したように、垂直転送部106におけるポテンシャルは充分に低く、光センサ104から垂直転送部106へと信号電荷が確実に読み出される。一方、読み出しゲート108に印加するバイアス電圧が低い場合には、図6に点線112で示したように、垂直転送部106におけるポテンシャルが高くなってしまい、光センサ104からの信号電荷の読み出しが不十分となる。
【0006】
また、従来、読み出しゲート108に印加するバイアス電圧を下げる手法としては光センサ部を構成する半導体材料における不純物濃度を調整してセンサポテンシャルを下げるという手法が用いられていたが、この手法では、光センサ104に蓄積した過剰な電荷が半導体基板102へ適切に吐き出されないという問題が生じやすい。
【0007】
図8は、センサポテンシャルを下げた場合の光センサ104周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図であり、上記図6と同じ位置のポテンシャル分布を示している。図中点線の曲線114がセンサポテンシャルを下げた場合の分布を示している。図から分かるように、図7におけるP型ウェル領域116で構成されるオーバーフローバリア(OFB)のバリアポテンシャル118が大きく上昇しており、光センサ104に蓄積した過剰な電荷が半導体基板102へ吐き出され難くなっている。
【0008】
図8中、曲線120は光センサ104から信号電荷を読み出す際のポテンシャルを示し、曲線122、曲線124は垂直転送部106において信号電荷を転送する際のポテンシャルを示している。バリアポテンシャル118が図7の状態にまで高くなると、その高さは信号電荷転送時の読み出しゲート108のポテンシャル126を超えており、したがって、この場合には信号電荷転送時にも光センサ104から垂直転送部106へ信号電荷が読み出されてしまうという問題も生じる。
なお、図8において、AないしFの各領域はそれぞれ画素分離部分、垂直転送部106、読み出しゲート108、光センサ104、オーバーフローバリア、ならびに半導体基板102の各領域を示している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、性能を低下させることなく読み出しゲートに印加する電圧を抑え、消費電力の削減を可能とする固体撮像装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、マトリクス状に配列された複数の光センサと、前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第1および第2の読み出しゲートから成り、前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第1および第2の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第1および第2のタイミング信号を発生し、前記第1の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第1の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第2の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第2の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第1の対と前記第2の対は、垂直方向で交互に配列され、前記タイミング信号発生部は、前記第2のタイミング信号を、継続時間t1の前記第1のタイミング信号の発生開始より時間t2(t2<t1)だけ遅延させて発生させることを特徴とする。
【0011】
本発明の発明者による実験の結果、第2のタイミング信号を第1のタイミング信号より遅延させると、一定の遅延量までの範囲では、光センサから読み出される信号電荷の量を低下させることなく、第2のタイミング信号の遅延量を大きくするほど、読み出しゲートに印加する電圧を低下させ得ることが判明した。
そして本発明では、光センサ周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本発明により、性能を低下させることなく読み出しゲートの印加電圧を抑えて固体撮像装置の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲートに印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサからの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図1は本発明による固体撮像装置の一例を構成する固体撮像素子を示す概略部分構成図、図2は本発明による固体撮像装置の一例を示す構成図である。図中、図7と同一の要素には同一の符号が付されている。
図1、図2に示したように、実施の形態例の固体撮像装置2は、固体撮像素子3を構成する半導体基板102上にマトリクス状に配列された複数の光センサ104と、光センサ104で得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部106と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサ104で得られた信号電荷を各光センサ104から読み出して垂直転送部106に供給する複数の読み出しゲート108と、読み出しゲート108にタイミング信号を供給するタイミング信号発生部4とを備えている。
【0013】
本実施の形態例では、読み出しゲート108は、それぞれ異なる光センサA、B(104)から信号電荷を読み出す第1および第2の読み出しゲート6、8(図1)から成り、タイミング信号発生部4はこれら第1および第2の読み出しゲート6、8を駆動するためのタイミング信号としてタイミング信号V2A、V2B(本発明に係わる第1および第2のタイミング信号)を生成する。そして、本実施の形態例では、タイミング信号V2Bはタイミング信号V2Aより100ns以上遅延させる。
【0014】
固体撮像素子3には読み出しゲート108を駆動するために不図示のドライバ回路が設けられており、上記タイミング信号V2A、V2Bがタイミング信号発生部4から供給されたとき、上記ドライバ回路は信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を各読み出しゲート108に印加する。
【0015】
図1に示したように、第1の読み出しゲート6が信号電荷を読み出す光センサAと、第2の読み出しゲート8が信号電荷を読み出す光センサBとは垂直方向(矢印Vの方向)で交互に配列されている。
より詳しくは、本実施の形態例では一例として図1に示したように、第1の読み出しゲート6が信号電荷を読み出す光センサAは対を成し、各対を成す光センサAは垂直方向で隣接して配置され、第2の読み出しゲート8が信号電荷を読み出す光センサBも対を成し、各対を成す光センサBは垂直方向で隣接して配置されている。
【0016】
垂直転送部106は本実施の形態例では一例として、各光センサ104から受け取った信号電荷を3相駆動方式にもとづいて転送し、そのためにタイミング信号発生部4は三相のタイミング信号として、第1相のタイミング信号V1と、第2相の上記タイミング信号V2A、V2Bと、第3相のタイミング信号V3とを生成して垂直転送部106に供給する。
【0017】
図1、図2に示したように、垂直転送部106の下端部には水平転送部10が配置され、各垂直転送部106から信号電荷を受け取って順次水平方向に転送する構成となっている。
また、この固体撮像装置2はメカニカルシャッタ11を備え、メカニカルシャッタ11は、タイミング信号発生部4の制御のもとで動作するコントロール部12からの信号により開閉する。光センサ104はこのメカニカルシャッタ11により必要な時間、露光され、信号電荷を蓄積する。
【0018】
次に、このように構成された固体撮像装置2の動作について説明する。
図3は実施の形態例の固体撮像装置2の動作を示すタイミングチャートである。
図3に示したように、本実施の形態例では、タイミング信号発生部4は、タイミング信号V1を出力した後、まずタイミング信号V2A(ハイレベル)を生成して固体撮像素子3に供給する。これにより、上記ドライバ回路は、タイミング信号V2Aの継続時間t1の間、信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を第1の読み出しゲート6に印加し、第1の読み出しゲート6を通じて各光センサAから信号電荷が読み出され、垂直転送部106に供給される。
【0019】
その後、タイミング信号発生部4は、100ns以上の時間t2が経過した後に、タイミング信号V2B(ハイレベル)を生成して固体撮像素子に供給する。これにより、上記ドライバ回路は信号電荷読み出しのためのバイアス電圧を第2の読み出しゲート8に印加し、第2の読み出しゲート8を通じて各光センサBから信号電荷が読み出され、垂直転送部106に供給される。
なお、タイミング信号発生部4は、タイミング信号V2Aを出力した後、タイミング信号V1をローレベルとし、タイミング信号V2Aの立ち上がりからタイミング信号V1のの立ち下りまでの時間t3は、本実施の形態例では、約t2/2となっている。
【0020】
垂直転送部106に供給された信号電荷は垂直方向に転送されて水平転送部10に到達し、その後、水平転送部10において、タイミング信号発生部4から供給される2相のタイミング信号H1、H2に同期して水平方向に転送され、映像信号として端子14より出力される。
【0021】
本発明の発明者は、タイミング信号V2Bのタイミング信号V2Aに対する遅延時間と、読み出しゲート108に印加するバイアス電圧との関係を調べるために実験を行った。具体的には、上記遅延時間を徐々に大きくしながら、必要な信号電荷の読み出し量を確保できるバイアス電圧の大きさを測定した。
図4はこの測定結果を示すものであり、タイミング信号V2Bのタイミング信号V2Aに対する遅延時間と読み出しゲート108に印加するバイアス電圧との関係を示すグラフである。図中、横軸は遅延時間t2を表し、縦軸は、従来のバイアス電圧VTからの低下量ΔVTを表している。
【0022】
このグラフから分かるように、遅延時間t2が600nsまでは、遅延時間に比例してバイアスの低下量ΔVTが増大しており、遅延時間t2が600nsのときの低下量ΔVTmaxは約0.5Vとなっている。
したがって、この実験結果から、固体撮像素子3やタイミング信号発生部4における素子のバラツキなどを考慮して、遅延時間t2を100ns以上、700ns以下の範囲内に設定することで、読み出しゲート108に印加するバイアス電圧を効果的に低下させ得るといえる。
【0023】
そして本実施の形態例では、光センサ104周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本実施の形態例の固体撮像装置2では、性能を低下させることなく読み出しゲート108の印加電圧を抑えて固体撮像装置2の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲート108に印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサ104からの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置2の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
なお、本実施の形態例では、光センサおよび読み出しゲートは2系統に分割したが、3系統以上に分割して、それぞれ異なるタイミングで各光センサから信号電荷を読み出す構成としてもよく、同様の効果を得ることができる。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、マトリクス状に配列された複数の光センサと、前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第1および第2の読み出しゲートから成り、前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第1および第2の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第1および第2のタイミング信号を発生し、前記第1の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第1の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第2の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第2の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、前記第1の対と前記第2の対は、垂直方向で交互に配列され、前記タイミング信号発生部は、前記第2のタイミング信号を、継続時間t1の前記第1のタイミング信号の発生開始より時間t2(t2<t1)だけ遅延させて発生させることを特徴とする。
【0025】
本発明の発明者による実験の結果、第2のタイミング信号を第1のタイミング信号より遅延させると、一定の遅延量までの範囲では、光センサから読み出される信号電荷の量を低下させることなく、第2のタイミング信号の遅延量を大きくするほど、読み出しゲートに印加する電圧を低下させ得ることが判明した。
そして本発明では、光センサ周辺のポテンシャル分布は不変であるから、従来のような信号電荷の読み出し不良や、過剰信号電荷の掃き出し不足、あるいは信号電荷の不必要な読み出しといった不具合は発生しない。
そのため、本発明により、性能を低下させることなく読み出しゲートの印加電圧を抑えて固体撮像装置の電源電圧を下げることができ、消費電力の削減を実現できる。
また、逆に読み出しゲートに印加する電圧をこれまで通りとした場合には、光センサからの信号電荷の読み出しをいっそう確実に行えるようになり、固体撮像装置の性能向上や、製造歩留まりの改善に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による固体撮像装置の一例を構成する固体撮像素子を示す概略部分構成図である。
【図2】本発明による固体撮像装置の一例を示す構成図である。
【図3】実施の形態例の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】タイミング信号V2Bのタイミング信号V2Aに対する遅延時間と読み出しゲートに印加するバイアス電圧との関係を示すグラフである。
【図5】従来の固体撮像装置におけるタイミング信号を示すタイミングチャートである。
【図6】固体撮像素子の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図である。
【図7】光センサ周辺を示す断面側面図である。
【図8】センサポテンシャルを下げた場合の光センサ周辺におけるポテンシャルの分布を示すポテンシャル分布図である。
【符号の説明】
2……固体撮像装置、3……固体撮像素子、4……タイミング信号発生部、6……第1の読み出しゲート、8……第2の読み出しゲート、10……水平転送部、12……コントロール部、14……端子、102……半導体基板、104……光センサ、106……垂直転送部、108……読み出しゲート、110……実線、112……点線、114……曲線、116……P型ウェル領域、118……バリアポテンシャル、120……曲線、122……曲線、124……曲線、126……ポテンシャル。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a solid-state imaging device used for a video camera or a digital camera is generally configured using a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device.
This type of solid-state imaging device includes a plurality of optical sensors arranged in a matrix, a vertical transfer unit that transfers signal charges obtained by the optical sensors in a vertical direction, and each optical sensor when a timing signal is given. And a plurality of readout gates that read out the signal charges obtained from step 1 from each photosensor and supply them to the vertical transfer unit.
[0003]
The timing signal is supplied from a timing signal generator that constitutes the solid-state imaging device. When the timing signal is supplied to the solid-state imaging device, a bias of 15 V or 12 V is applied to the readout gate, whereby the light sensor outputs The signal charge is read out.
FIG. 5 is a timing chart showing the timing signal.
When the vertical transfer unit is a three-phase drive system, the timing signal generator generates three-phase timing signals V1, V2, and V3 and supplies them to the vertical transfer unit as shown in FIG. Then, the bias voltage is applied to the read gate during the period t1 when the timing signal V2 is at a high level.
[0004]
By the way, one effective method for reducing the power consumption of the electronic device is to reduce the power supply voltage. In the solid-state imaging device, the power consumption can be reduced by reducing the power supply voltage.
However, if this method is simply applied to a solid-state imaging device and the bias voltage applied to the readout gate is lowered, there is a problem that the signal charge cannot be sufficiently read from the photosensor.
FIG. 6 is a potential distribution diagram showing the potential distribution around the optical sensor of the solid-state imaging device, and FIG. 7 is a sectional side view showing the periphery of the optical sensor. FIG. 6 shows a potential distribution along the line II ′ in FIG. In FIG. 7, an optical sensor 104 is formed on a semiconductor substrate (SUB) 102, and a vertical transfer unit 106 is formed adjacent to the optical sensor 104. A readout gate 108 is formed between the optical sensor 104 and the vertical transfer unit 106.
[0005]
When the bias voltage applied to the read gate 108 is sufficiently high, as indicated by the solid line 110 in FIG. 6, the potential in the vertical transfer unit 106 is sufficiently low, and the signal charge from the photosensor 104 to the vertical transfer unit 106 is high. Is reliably read out. On the other hand, when the bias voltage applied to the readout gate 108 is low, as indicated by the dotted line 112 in FIG. It will be enough.
[0006]
Conventionally, as a technique for lowering the bias voltage applied to the readout gate 108, a technique has been used in which the sensor potential is lowered by adjusting the impurity concentration in the semiconductor material constituting the photosensor portion. There is a tendency that excessive charges accumulated in the sensor 104 are not properly discharged to the semiconductor substrate 102.
[0007]
FIG. 8 is a potential distribution diagram showing the potential distribution around the optical sensor 104 when the sensor potential is lowered, and shows the potential distribution at the same position as in FIG. The dotted curve 114 in the figure shows the distribution when the sensor potential is lowered. As can be seen from FIG. 7, the barrier potential 118 of the overflow barrier (OFB) formed by the P-type well region 116 in FIG. 7 is greatly increased, and excess charge accumulated in the photosensor 104 is discharged to the semiconductor substrate 102. It has become difficult.
[0008]
In FIG. 8, a curve 120 indicates a potential when reading out signal charges from the optical sensor 104, and a curve 122 and a curve 124 indicate potentials when transferring signal charges in the vertical transfer unit 106. When the barrier potential 118 is increased to the state shown in FIG. 7, the height exceeds the potential 126 of the readout gate 108 at the time of signal charge transfer. Therefore, in this case, vertical transfer from the photosensor 104 also at the time of signal charge transfer. There is also a problem that signal charges are read out to the unit 106.
In FIG. 8, the areas A to F indicate the pixel separation portion, the vertical transfer unit 106, the readout gate 108, the photosensor 104, the overflow barrier, and the semiconductor substrate 102.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reducing power consumption by suppressing a voltage applied to a read gate without degrading performance. There is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of photosensors arranged in a matrix, a vertical transfer unit for transferring signal charges obtained by the photosensors in the vertical direction, and a timing signal. A solid-state imaging device comprising: a plurality of readout gates that read out the signal charges obtained from each photosensor from each photosensor and supply the signal charges to the vertical transfer unit; and a timing signal generation unit that generates the timing signal. The readout gate includes at least first and second readout gates that read out the signal charges from the different photosensors, and the timing signal generation unit uses the first and second readout gates as the timing signal. the generating a first and a second timing signal for driving each of said first read gate is the The photosensors for reading signal charges form a first pair, the photosensors for each pair are arranged adjacent in the vertical direction, and the second read gate reads the signal charges for the photosensors. The pair of optical sensors are arranged adjacent to each other in the vertical direction, and the first pair and the second pair are alternately arranged in the vertical direction, and the timing signal generator Is characterized in that the second timing signal is generated with a delay of time t2 (t2 <t1) from the start of generation of the first timing signal of duration t1 .
[0011]
As a result of the experiment by the inventor of the present invention, when the second timing signal is delayed from the first timing signal, the amount of signal charge read from the photosensor is not reduced within a range up to a certain delay amount, It has been found that the voltage applied to the read gate can be reduced as the delay amount of the second timing signal is increased.
In the present invention, since the potential distribution around the optical sensor is invariant, the conventional problems such as poor signal charge readout, insufficient sweeping out of excessive signal charge, or unnecessary signal charge readout do not occur.
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the power supply voltage of the solid-state imaging device by suppressing the voltage applied to the read gate without degrading the performance, thereby realizing reduction in power consumption.
Conversely, if the voltage applied to the readout gate is the same as before, the signal charge from the optical sensor can be read more reliably, improving the performance of the solid-state imaging device and improving the manufacturing yield. It is valid.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic partial configuration diagram showing a solid-state imaging device constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention, and FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a solid-state imaging device according to the present invention. In the figure, the same elements as those in FIG.
As illustrated in FIGS. 1 and 2, the solid-state imaging device 2 according to the embodiment includes a plurality of optical sensors 104 arranged in a matrix on a semiconductor substrate 102 constituting the solid-state imaging element 3, and the optical sensors 104. And a vertical transfer unit 106 that transfers the signal charge obtained in the above in the vertical direction, and when a timing signal is given, the signal charge obtained by each photosensor 104 is read from each photosensor 104 and supplied to the vertical transfer unit 106 And a timing signal generator 4 for supplying a timing signal to the read gate 108.
[0013]
In the present embodiment, the read gate 108 includes first and second read gates 6 and 8 (FIG. 1) that read signal charges from different optical sensors A and B (104), respectively, and the timing signal generator 4 Generates timing signals V2A and V2B (first and second timing signals according to the present invention) as timing signals for driving the first and second read gates 6 and 8, respectively. In this embodiment, the timing signal V2B is delayed by 100 ns or more from the timing signal V2A.
[0014]
The solid-state image pickup device 3 is provided with a driver circuit (not shown) for driving the read gate 108. When the timing signals V2A and V2B are supplied from the timing signal generator 4, the driver circuit reads the signal charge. Is applied to each read gate 108.
[0015]
As shown in FIG. 1, the optical sensor A from which the first readout gate 6 reads out signal charges and the optical sensor B from which the second readout gate 8 reads out signal charges alternate in the vertical direction (the direction of the arrow V). Is arranged.
More specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 1 as an example, the first read gate 6 reads out the signal charges to form a pair, and each pair of the photosensors A is in the vertical direction. The photosensors B are arranged adjacent to each other, and the second readout gate 8 reads the signal charges to form a pair, and the photosensors B forming each pair are arranged adjacent to each other in the vertical direction.
[0016]
As an example in the present embodiment, the vertical transfer unit 106 transfers the signal charges received from the respective optical sensors 104 based on the three-phase driving method. For this purpose, the timing signal generation unit 4 uses the three-phase timing signal as the first phase signal. The one-phase timing signal V1, the second-phase timing signals V2A and V2B, and the third-phase timing signal V3 are generated and supplied to the vertical transfer unit 106.
[0017]
As shown in FIGS. 1 and 2, the horizontal transfer unit 10 is disposed at the lower end of the vertical transfer unit 106, and is configured to receive signal charges from the vertical transfer units 106 and sequentially transfer them in the horizontal direction. .
In addition, the solid-state imaging device 2 includes a mechanical shutter 11, which is opened and closed by a signal from a control unit 12 that operates under the control of the timing signal generation unit 4. The optical sensor 104 is exposed by the mechanical shutter 11 for a necessary time, and accumulates signal charges.
[0018]
Next, the operation of the solid-state imaging device 2 configured as described above will be described.
FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device 2 of the embodiment.
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the timing signal generation unit 4 outputs the timing signal V <b> 1 and then generates the timing signal V <b> 2 </ b> A (high level) and supplies it to the solid-state imaging device 3. As a result, the driver circuit applies a bias voltage for reading the signal charge to the first read gate 6 for the duration t1 of the timing signal V2A, and the signal from each photosensor A through the first read gate 6. The charges are read and supplied to the vertical transfer unit 106.
[0019]
Thereafter, the timing signal generator 4 generates the timing signal V2B (high level) and supplies it to the solid-state imaging device after the time t2 of 100 ns or more has elapsed. As a result, the driver circuit applies a bias voltage for reading the signal charge to the second read gate 8, and the signal charge is read from each photosensor B through the second read gate 8, and is sent to the vertical transfer unit 106. Supplied.
The timing signal generator 4 outputs the timing signal V2A, then sets the timing signal V1 to a low level, and the time t3 from the rise of the timing signal V2A to the fall of the timing signal V1 , Approximately t2 / 2.
[0020]
The signal charges supplied to the vertical transfer unit 106 are transferred in the vertical direction and reach the horizontal transfer unit 10, and then, in the horizontal transfer unit 10, the two-phase timing signals H 1 and H 2 supplied from the timing signal generation unit 4. Are transferred in the horizontal direction and output from the terminal 14 as a video signal.
[0021]
The inventor of the present invention conducted an experiment to examine the relationship between the delay time of the timing signal V2B with respect to the timing signal V2A and the bias voltage applied to the read gate 108. Specifically, the magnitude of the bias voltage that can secure the required amount of signal charge read was measured while gradually increasing the delay time.
FIG. 4 shows the measurement results, and is a graph showing the relationship between the delay time of the timing signal V2B with respect to the timing signal V2A and the bias voltage applied to the read gate 108. In the figure, the horizontal axis represents the delay time t2, and the vertical axis represents the amount of decrease ΔVT from the conventional bias voltage VT.
[0022]
As can be seen from this graph, the decrease amount ΔVT of the bias increases in proportion to the delay time until the delay time t2 is 600 ns, and the decrease amount ΔVTmax when the delay time t2 is 600 ns is about 0.5V. ing.
Therefore, from this experimental result, the delay time t2 is set within the range of 100 ns or more and 700 ns or less in consideration of the variation of the elements in the solid-state imaging device 3 and the timing signal generation unit 4, and is applied to the readout gate 108. It can be said that the bias voltage can be effectively reduced.
[0023]
In this embodiment, since the potential distribution around the optical sensor 104 is not changed, there are problems such as conventional signal charge reading failure, insufficient signal charge sweeping out, or unnecessary signal charge reading. Does not occur.
Therefore, in the solid-state imaging device 2 according to the present embodiment, the power supply voltage of the solid-state imaging device 2 can be lowered by suppressing the voltage applied to the readout gate 108 without degrading the performance, and the power consumption can be reduced.
Conversely, when the voltage applied to the readout gate 108 is the same as before, the signal charge from the optical sensor 104 can be read more reliably, improving the performance of the solid-state imaging device 2 and the production yield. It is effective for improvement.
In this embodiment, the optical sensor and the readout gate are divided into two systems. However, the optical sensor and the readout gate may be divided into three or more systems so that signal charges are read from the optical sensors at different timings. Can be obtained.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a plurality of photosensors arranged in a matrix, a vertical transfer unit that transfers signal charges obtained by the photosensors in the vertical direction, and a timing signal. A solid-state imaging device comprising: a plurality of readout gates for reading out the signal charges obtained by the optical sensors from the optical sensors and supplying the signal charges to the vertical transfer unit; and a timing signal generating unit for generating the timing signal. The readout gate includes at least first and second readout gates that read out the signal charges from the different photosensors, and the timing signal generator uses the first and second readout gates as the timing signals, respectively. generating a first and a second timing signal for driving said first read gate is the signal electric The photosensors for reading out a first pair form the first pair, the photosensors in each pair are arranged adjacent to each other in the vertical direction, and the second readout gate reads out the signal charge. The photosensors forming a pair are arranged adjacent to each other in the vertical direction, the first pair and the second pair are alternately arranged in the vertical direction, and the timing signal generation unit includes: The second timing signal is generated with a delay of time t2 (t2 <t1) from the generation start of the first timing signal of the duration t1 .
[0025]
As a result of the experiment by the inventor of the present invention, when the second timing signal is delayed from the first timing signal, the amount of signal charge read from the photosensor is not reduced within a range up to a certain delay amount, It has been found that the voltage applied to the read gate can be reduced as the delay amount of the second timing signal is increased.
In the present invention, since the potential distribution around the optical sensor is invariant, there are no problems such as conventional signal charge readout failure, insufficient signal charge sweeping out, or unnecessary signal charge readout.
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the power supply voltage of the solid-state imaging device by suppressing the voltage applied to the read gate without degrading the performance, thereby realizing reduction in power consumption.
Conversely, if the voltage applied to the readout gate is the same as before, the signal charge from the optical sensor can be read more reliably, improving the performance of the solid-state imaging device and improving the manufacturing yield. It is valid.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic partial configuration diagram showing a solid-state imaging device constituting an example of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 3 is a timing chart illustrating an operation of the solid-state imaging device according to the embodiment.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a delay time of the timing signal V2B with respect to the timing signal V2A and a bias voltage applied to the read gate.
FIG. 5 is a timing chart showing timing signals in a conventional solid-state imaging device.
FIG. 6 is a potential distribution diagram showing a potential distribution around the optical sensor of the solid-state imaging device.
FIG. 7 is a sectional side view showing the periphery of the optical sensor.
FIG. 8 is a potential distribution diagram showing a potential distribution around the optical sensor when the sensor potential is lowered.
[Explanation of symbols]
2... Solid-state imaging device, 3... Solid-state imaging device, 4... Timing signal generator, 6... First readout gate, 8. Control unit 14 ... Terminal 102 102 Semiconductor substrate 104 Optical sensor 106 Vertical transfer unit 108 Reading gate 110 Solid line 112 Dotted line 114 Curve 116 ... P-type well region, 118 ... barrier potential, 120 ... curve, 122 ... curve, 124 ... curve, 126 ... potential.

Claims (1)

マトリクス状に配列された複数の光センサと、
前記光センサで得られた信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、
タイミング信号が与えられたとき、各光センサで得られた前記信号電荷を各光センサからそれぞれ読み出して前記垂直転送部に供給する複数の読み出しゲートと、
前記タイミング信号を発生するタイミング信号発生部とを備えた固体撮像装置であって、
前記読み出しゲートは、それぞれ異なる前記光センサから前記信号電荷を読み出す少なくとも第1および第2の読み出しゲートから成り、
前記タイミング信号発生部は前記タイミング信号として、第1および第2の読み出しゲートをそれぞれ駆動するための第1および第2のタイミング信号を発生し、
前記第1の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第1の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、
前記第2の読み出しゲートが前記信号電荷を読み出す前記光センサは第2の対を成し、各対を成す前記光センサは垂直方向で隣接して配置され、
前記第1の対と前記第2の対は、垂直方向で交互に配列され、
前記タイミング信号発生部は、前記第2のタイミング信号を、継続時間t1の前記第1のタイミング信号の発生開始より時間t2(t2<t1)だけ遅延させて発生させる、
固体撮像装置。
A plurality of optical sensors arranged in a matrix;
A vertical transfer unit for transferring the signal charge obtained by the photosensor in the vertical direction;
When a timing signal is given, a plurality of readout gates that read out the signal charges obtained from each photosensor from each photosensor and supply the signal charges to the vertical transfer unit,
A solid-state imaging device comprising a timing signal generator for generating the timing signal,
The read gate comprises at least first and second read gates for reading the signal charges from the different photosensors,
The timing signal generator generates first and second timing signals for driving the first and second read gates as the timing signal,
The photosensors from which the first readout gate reads the signal charge form a first pair, and the photosensors in each pair are arranged adjacent in the vertical direction;
The photosensors from which the second readout gates read the signal charges form a second pair, and the photosensors in each pair are arranged adjacent in the vertical direction;
The first pair and the second pair are alternately arranged in a vertical direction;
The timing signal generation unit generates the second timing signal with a delay of time t2 (t2 <t1) from the generation start of the first timing signal of the duration t1.
Solid-state imaging device.
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