專利名稱：一種改善光電二極管線性特性的固體攝像裝置及驅動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用溢出漏極(overflow-drain OFD)構造的CCD(Charge Coupled Device)之固體攝像裝置及其方法。
背景技術：
近些年，數(shù)字攝像機、數(shù)字視頻攝像機及帶攝像機的攜帶電話機等記錄圖像的電子設備已普及，并且隨著高分辨率化正在推進CCD攝像器件等圖像傳感器的細微化。
圖1是表示專利文獻1等中所闡述的以往CCD固體攝像器件結構的框圖。在圖1中，固體攝像器件10具有二維排列的多個光電二極管11、多個讀出柵極12、多個垂直CCD13、水平CCD15、輸出放大器16、基片偏壓發(fā)生電路20及晶體管Q1。另外，在圖1中作為對固體攝像器件的半導體基片偏壓(下面，稱為基片偏壓)Vsub進行調(diào)制的電路，還同時圖示出晶體管Q2及電阻R1～R3。
在專利文獻1等中闡述出下述技術，即根據(jù)基片偏壓Vsub的控制來估算幀讀出時飽和信號電荷量Qs的減少，預先使其減少的量增加。在此，幀讀出指的是，在經(jīng)過曝光時間后使機械快門(附圖之外)成為關閉狀態(tài)，將奇數(shù)行的信號電荷和偶數(shù)行的信號電荷讀出為場單位的方式，在取得1幅靜止圖像的場合下被經(jīng)常使用。
在圖1中，多個光電二極管11被二維排列，形成攝像區(qū)域14。各光電二極管11用來將入射光轉換成根據(jù)其光量的信號電荷加以蓄積。各光電二極管11例如由PN結合的光電二極管構成。成垂直列的光電二極管11中所蓄積的信號電荷通過向讀出柵極部12施加讀出脈沖XSG，而讀出到垂直CCD13中。
垂直CCD13設置于光電二極管11的每個垂直列上，用來將從各光電二極管11經(jīng)由讀出柵極部12所讀出的信號電荷垂直傳輸給水平CCD15。在行間·轉移(IT)方式固體攝像器件的場合下，給各垂直CCD13例如重復配置垂直傳輸柵電極，依次按垂直方向傳輸從光電二極管11所讀出的信號電荷，該垂直傳輸柵電極是采用4相的垂直傳輸時鐘脈沖φV1～φV4進行傳輸驅動所需的。據(jù)此，通過多個垂直寄存器13在水平消隱期間向水平寄存器15輸出1掃描線(1行)量的信號電荷。作為4相的垂直傳輸時鐘脈沖φV1～φV4之中第2相和第4相的φV2及φV4，能夠取垂直傳輸所用的低電平和中間電平的雙值。對此，由于與第1相及第3相對應的垂直傳輸柵電極也兼用讀出柵極部12的讀出柵電極，因而作為垂直傳輸時鐘脈沖φV1和φV3，能夠取低電平、中間電平及高電平的3值。該第3值的高電平脈沖成為施加給讀出柵極部12的讀出脈沖XSG。
水平CDD15將在水平消隱期間從多個垂直CCD13所傳輸?shù)?行量電荷在1水平掃描期間內(nèi)依次水平傳輸，通過輸出放大器16進行輸出。該水平CCD15例如采用2相的水平傳輸時鐘脈沖φH1、φH2進行傳輸驅動，將從多條垂直CCD13所轉來的1行量信號電荷在水平消隱期間后的水平掃描期間依次按水平方向進行傳輸。
輸出放大器16用來將由水平CCD15所水平傳輸來的信號電荷依次轉換成電壓信號加以輸出。
基片偏壓發(fā)生電路20用來發(fā)生基片偏壓Vsub并通過晶體管Q1施加到基片17上。該基片偏壓Vsub在VsubCont信號的控制之下，晶體管Q2關閉時被設定為第1偏壓，晶體管Q2開啟時被設定為更低電壓的第2偏壓。
上述固體攝像器件10形成于半導體基片(下面稱為基片)17上。給基片17施加基片快門脈沖φSUB等各種定時信號，該基片快門脈沖是將光電二極管11中所蓄積的信號電荷轉到基片17上所用的。還有，采用基片快門脈沖φSUB的基片快門功能也被稱為電子快門。
圖2表示的是光電二極管11基片深度方向的電位分布。該光電二極管11中所蓄積的信號電荷e的電荷量由溢出壘OFB的位壘高度來決定。也就是說，溢出壘OFB決定光電二極管11中所蓄積的飽和信號電荷量Qs。在蓄積電荷量超過該飽和信號電荷量Qs的場合下，其超出部分的電荷越過位壘被轉到基片17一側。在這種縱向式溢出漏極(drain)構造中溢出壘OFB的電位可以根據(jù)溢出漏極偏壓也就是基片偏壓Vsub進行控制。也就是說，可以通過基片偏壓Vsub來控制位壘的高度。
圖3是表示伴隨基片偏壓Vsub控制的幀讀出過程中固體攝像器件動作定時的時間圖。在圖3中表示出，機械快門的開關狀態(tài)、基片偏壓Vsub(圖中的基片電壓)以及從光電二極管11向垂直CCD13的施加給讀出柵電極的垂直傳輸時鐘脈沖φV1、φV3。垂直傳輸時鐘脈沖φV1、φV3的高電平脈沖是施加給讀出柵電極的讀出脈沖XSG。
在監(jiān)視期間，按機械快門打開狀態(tài)的原樣從固體攝像器件讀出圖像以用于向取景器和液晶監(jiān)視器的顯示，并作為動態(tài)圖像被顯示(稱為高速動態(tài)圖像攝像方式)。
另外，按照用戶的快門操作等，使用機械快門并采用幀讀出方式的靜止圖像攝像(稱為靜止圖像攝像方式)開始。首先，給基片偏壓Vsub施加多個基片快門脈沖φSUB(圖中的基片快門電壓脈沖)?；扉T指的是，根據(jù)φSUB增高基片偏壓Vsub，以此去除溢出壘(參照圖2)的位壘將光電二極管11的所有信號電荷轉到基片17上。因基片快門脈沖的施加結束，而使光電二極管11的信號電荷蓄積量成為零。從基片快門脈沖的施加結束到機械快門關閉的期間成為曝光期間。接著，依次設置預先轉出垂直CCD13內(nèi)信號電荷的高速轉出期間、第1場輸出期間、高速轉出期間、第2場輸出期間以及無效數(shù)據(jù)輸出期間。在第1、第2場讀出期間各自的起始，采用與φV1、φV3所疊加的讀出脈沖XSG并從光電二極管11向垂直CCD的第1、第2場信號電荷讀出被實行。此后，經(jīng)過無效數(shù)據(jù)輸出期間返回到監(jiān)視輸出期間。
有關基片偏壓Vsub，在高速動態(tài)圖像攝像方式(監(jiān)視期間)中施加第1偏壓。在靜止圖像攝像方式中，如同圖那樣第1偏壓和第2偏壓被轉換(稱為基片偏壓調(diào)制)。由于第2偏壓比第1偏壓低，因而溢出壘OFB的高度為，第2偏壓一方變高并且飽和信號電荷量Qs增加。第2偏壓的期間雖然在同圖中從曝光期間中開始就是無效數(shù)據(jù)輸出期間，但是至少包括第2場輸出期間。
有關基片偏壓的調(diào)制及其定時，已在非專利文獻1中具體做出闡述。
專利文獻1特開平10-150183號公報非專利文獻1索尼(株)“ICX232BQ說明書(對角5mm(1/3.6型)正方像素型彩色用幀讀出方式固體攝像器件)”，[online]，[平成15年4月23日檢索]、因特網(wǎng)<URLhttp//www.sony.co.jp/~semicon/japanese/img/sonyj01/e6801383.pdf>
但是，在以往技術中雖然在曝光結束前進行基片偏壓調(diào)制的場合下，可以估算其減少部分使機械快門遮光時隨著時間過程而減少的飽和信號電荷量Qs得以增加，但是為了在所有期間防止模糊現(xiàn)象，有必要預先設定根據(jù)第2偏壓的溢出壘OFB高度使之比讀出柵極的位壘更低，并且在偏壓調(diào)制量上有限度。因而，飽和信號電荷量Qs的增加不能過多估算。
另外，若在曝光后進行基片偏壓調(diào)制，則與電荷蓄積時相比讀出時的溢出壘OFB高度變高，因而可以減少第1場和第2場之間的飽和電荷量Qs差，但是由于電荷蓄積時的溢出壘OFB不變高，因而飽和信號電荷量Qs根本不增加。
根據(jù)以往技術，只是防止因隨著時間過程飽和信號電荷量減少而產(chǎn)生的特性惡化。隨著近年來固體攝像裝置的細微化，光電二極管的面積、柵電極等正在細微化，但是除飽和信號電荷量的容量增大之外，還需要改善量子效率(光電變換效率)使靈敏度提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為，提供一種改善光電二極管線性特性使靈敏度提高的固體攝像裝置及其驅動方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明的固體攝像裝置采用將由光電二極管所發(fā)生的過剩電荷排出到漏極中的溢出漏極構造，具有將光電二極管中所蓄積的電荷全部排出到漏極(drain)中的電子快門功能，具備固體攝像器件，通過經(jīng)由讀出柵極讀出光電二極管信號電荷的垂直CCD及水平CCD來傳輸信號電荷；遮光裝置，用來控制向固體攝像器件的光入射；驅動部，用來對設定溢出漏極構造中的溢出壘高度的偏壓進行調(diào)制，其特征為，上述驅動部作為上述偏壓的調(diào)制實行第1偏壓調(diào)制，在將從電子快門到遮光裝置關閉作為期間的曝光期間結束之前，使溢出壘變高；第2偏壓調(diào)制，在曝光期間結束后且垂直CCD電荷轉出前，降低溢出壘的高度。
在此，第2偏壓調(diào)制也可以在暫時降低之后進行增高。
另外，也可以在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中變更成第3偏壓，該第3偏壓是比第2偏壓更高的電壓，用來設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘更低。
根據(jù)這種結構，由于可以通過第1偏壓調(diào)制直至讀出柵極的位壘高度為止使信號電荷蓄積并且通過第2偏壓調(diào)制直至讀出柵極的位壘高度為止將已満的過剩信號電荷排出到基片上，因而能夠抑制模糊現(xiàn)象的發(fā)生并且擴大光電二極管的線性范圍。
另外，通過在曝光期間改善量子效率(光電變換效率)而可以使靈敏度得到提高，尤其是入射光波長越長靈敏度越提高。
在此，也可以在上述基片快門結束后立即實行上述第1偏壓調(diào)制。
另外，上述驅動部也可以在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中變更成比第2偏壓更高電壓的第3偏壓。也可以為，上述第1偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘更低的電壓，上述第2偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘更高的電壓，上述第3偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘更低的電壓。
另外，上述驅動部也可以在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓過程中通過使第2偏壓疊加飽和信號量控制用脈沖，來暫時降低溢出壘的高度。
在此，上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓也可以與第1偏壓相等。
根據(jù)這種結構，驅動部的構成可以與以往相同，并且可以設為只發(fā)生定時信號的簡單結構，該定時信號是施加上述脈沖所需的。
另外，上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓也可以比第1偏壓高。
根據(jù)這種結構，由于采用飽和信號量控制用脈沖使溢出壘暫時比第1偏壓施加時短時間變得更低，因而可以把達到目標值之前的時間(脈沖寬度)取得得短，適合于高速化，該目標值是通過第2偏壓調(diào)制而產(chǎn)生的過剩信號電荷排出的目標值。
另外，上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓也可以比第1偏壓低。
根據(jù)這種結構，由于通過飽和信號量控制用脈沖使溢出壘暫時在比第1偏壓施加時更高的位置上短時間變低，因而可以把達到目標值之前的時間(脈沖寬度)取得得長，該目標值是通過第2偏壓調(diào)制而產(chǎn)生的過剩信號電荷排出的目標值，并能夠按照時間過程確實且準確度高地達到目標值。
另外，有關本發(fā)明中的固體攝像裝置驅動方法，也具有與上述相同的結構及作用。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的固體攝像裝置，可以擴大光電二極管的線性特性使靈敏度得到提高。能夠抑制模糊現(xiàn)象的發(fā)生，并可擴大光電二極管11的線性范圍。
另外，通過在曝光期間改善量子效率(光電變換效率)而可以使靈敏度得到提高，尤其是入射光的波長越長靈敏度越提高。


圖1是表示以往技術中CCD固體攝像器件結構的框圖。
圖2表示的是光電二極管基片深度方向的電位分布。
圖3是表示以往技術中固體攝像裝置動作定時的時間圖。
圖4是表示實施方式中固體攝像裝置概略結構的框圖。
圖5A表示的是固體攝像器件中光電二極管的排列和垂直CCD傳輸電極的排列的一個示例。
圖5B是由奇數(shù)行組成的第1場讀出的說明圖。
圖5C是由偶數(shù)行組成的第2場讀出的說明圖。
圖6是表示光電二極管及垂直CCD外圍基片深度方向構造的剖面圖。
圖7是表示伴隨基片偏壓Vsub調(diào)制的幀讀出過程中固體攝像裝置動作定時的時間圖。
圖8A是本發(fā)明中第1偏壓及第2偏壓施加時的電位分布圖。
圖8B是以往技術中第1偏壓及第2偏壓施加時的電位分布圖。
圖9表示的是第1偏壓施加時(時刻T1)的電位分布。
圖10表示的是基片快門脈沖施加時(時刻T2)的電位分布。
圖11A表示的是本實施方式中的時刻T3的電位分布。
圖11B表示的是以往技術中的時刻T3的電位分布。
圖12A表示的是本實施方式中的時刻T4的電位分布。
圖12B表示的是以往技術中的時刻T4的電位分布。
圖13表示的是施加飽和信號控制脈沖時(時刻T5)的電位分布。
圖14表示的是飽和信號控制脈沖施加完成時(時刻T6)的電位分布。
圖15表示的是垂直CCD的高速轉出期間完成時(時刻T7)的電位分布。
圖16是表示向光電二極管所射入的光量-輸出信號特性的曲線圖。
圖17表示的是飽和信號控制脈沖的施加時間和信號電荷的蓄積量之間的關系。
圖18是表示光電二極管入射光的波長-靈敏度(光譜靈敏度)特性的曲線圖。
圖19是表示實施方式變形例中固體攝像裝置動作定時的時間圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施方式中的固體攝像裝置其特征為，(A)在曝光期間開始時(參照圖7的T3～T4)設定溢出壘OFB的位壘高度，使之比讀出柵極的位壘更高(參照圖12A)，(B)除此之外，在曝光期間完成后且垂直CCD高速轉出前(參照圖7的T5)，暫時降低溢出壘OFB的位壘高度，將過剩電荷轉到基片上(參照圖13、圖14)。借此，改善光電二極管的線性特性使靈敏度提高。
圖4是表示本發(fā)明實施方式中固體攝像裝置概略結構的框圖。固體攝像裝置1具備透鏡2、機械快門3、驅動部4、信號處理部5及固體攝像器件10。
在圖4中，來自被攝物體(未圖示)的入射光經(jīng)過透鏡2等光學系統(tǒng)及機械快門3射入CCD固體攝像器件10的攝像區(qū)域。
機械快門3用來控制到CCD固體攝像器件10攝像區(qū)域的入射光。還有，取代機械快門3也可以具有液晶快門等，該液晶快門具有遮光的功能。
固體攝像器件10與圖1所示的固體攝像器件相同。圖5A是表示固體攝像器件10中光電二極管排列和垂直CCD13的垂直傳輸電極排列的一個示例。光電二極管的排列是所謂的ベイヤ一排列。垂直CCD13的垂直傳輸電極是反復排列與4相時鐘脈沖φV1～φV4對應的φ1～φ4的4種而成的。其中φ1、φ3各自兼作讀出柵電極，該讀出柵電極是用于從奇數(shù)行、偶數(shù)行的光電二極管將信號電荷讀出到垂直CCD中。在靜止圖像攝像方式的幀讀出過程中，曝光期間之后依次讀出圖5B所示的由從讀出柵電極φ1讀出的奇數(shù)行構成的第1場，和圖5C所示的由從讀出柵電極φ3讀出的偶數(shù)行構成的第2場。
驅動部4用來生成4相時鐘脈沖φV1～φV4、雙層時鐘脈沖φH1、φH2、基片偏壓控制信號VsubCont及基片快門脈沖φsub等并提供給固體攝像器件10，該4相時鐘脈沖φV1～φV4用來控制固體攝像器件10的垂直CCD傳輸，該雙層時鐘脈沖φH1、φH2用來控制水平CCD的傳輸。4相時鐘脈沖之中的φV1、φV3是可取低電平、中間電平及高電平3值的信號，該高電平脈沖是施加給讀出柵電極的讀出脈沖XSG。該驅動部4對于基片偏壓，在靜止圖像攝像方式中曝光期間開始時實行基片偏壓調(diào)制，以便從第1偏壓降為第2偏壓并在第2場讀出完成后恢復成第1偏壓。
在此，第1偏壓是機械快門3打開狀態(tài)下動態(tài)圖像攝像方式中的基片偏壓。第2偏壓是比第1偏壓更低的電壓，是增高溢出壘使飽和信號電荷量Qs得以增加所需的基片偏壓。取決于第2偏壓的溢出壘OFB的位壘高度其設定為比讀出柵極的位壘更高。在圖8A中表示，取決于第1偏壓及第2偏壓的溢出壘的電位分布圖。橫軸X-Y表示從圖6所示的垂直CCD13到光電二極管11的基片水平方向，Y-Z表示圖6所示的光電二極管11的基片深度方向?？v軸表示電位(電位)。作為比較示例，在圖8B中表示以往技術中取決于第1偏壓及第2偏壓的溢出壘的電位分布圖。如同圖8A那樣，由于溢出壘OFB的位壘高度比讀出柵極的位壘高，因而使飽和信號電荷量Qs得以增加，而且可以對達到飽和區(qū)域(也被稱為彎曲(knee)區(qū)域)之前的線性區(qū)域進行擴大。若在圖8A、圖8B中比較溢出壘的峰值位置Pa、Pb，則本實施方式中的峰值位置Pa變?yōu)榕c以往技術中的峰值位置Pb相比更深的位置。據(jù)此，意味著可蓄積由光電變換所發(fā)生的信號電荷并加以蓄積的區(qū)域已擴大，并且不僅是飽和信號電荷量Qs有所增加，還可以改善量子效率(光電變換效率)使靈敏度得到提高。
對此，以往技術中取決于第2偏壓的溢出壘OFB的位壘高度如圖8B所示，其設定為與讀出柵極的位壘相比變得更低。這是為了防止所謂模糊現(xiàn)象(信號電荷向垂直CCD13一側溢出)的發(fā)生。
在圖8A中，由于讀出柵極的位壘比溢出壘OFB的位壘變得更低，因而在曝光期間中過剩信號電荷向垂直CCD13一側溢出，但是所溢出的信號電荷在光電二極管11信號電荷讀出前的垂直CCD13高速轉出過程中已被轉出，因此不給畫面質量帶來影響。而且，有關模糊現(xiàn)象(blooming)的發(fā)生，由于在曝光期間之后且高速轉出之前施加飽和信號量控制脈沖，因而通過暫時降低溢出壘將過剩電荷排出到基片17上，已加以防止。
另外，由于脈沖施加后的基片偏壓設定為信號電荷不因熱激勵而放出到基片上的電壓，因而可以去除第1場、第2場間的輸出信號差異。
信號處理部5用于對來自固體攝像器件10的輸出信號，實行自動白色電平平衡調(diào)整等的各種信號處理，并作為攝像信號輸出到外部。
圖6是表示光電二極管11及垂直CCD13外圍的基片深度方向構造的剖面圖。在圖6中，例如在N型基片17的表面形成有P型勢阱區(qū)域31。在勢阱區(qū)域31的表面形成N型信號電荷蓄積區(qū)域32，并進一步在其上形成P+型的空穴蓄積區(qū)域33，構成光電二極管11。
該光電二極管11中所蓄積的信號電荷e的電荷量是根據(jù)由P型勢阱區(qū)域31構成的溢出壘OFB位壘高度來決定的。該溢出壘OFB用來決定光電二極管11中所蓄積的飽和信號電荷量Qs，在蓄積電荷量超過該飽和信號電荷量Qs的場合下，超過部分的電荷越過電位壘轉到基片17一側。
這樣，就構成所謂的縱向式溢出漏極構造的光電二極管11。
在光電二極管11的橫方向上通過P型區(qū)域31之中構成讀出柵極部12的部分，形成有N型的信號電荷傳輸區(qū)域35及P+型的溝道截斷區(qū)域36。在信號電荷傳輸區(qū)域35之下形成有P+型的雜質擴散區(qū)域37，用來防止污物(smear)成分的混入。再者，在信號電荷傳輸區(qū)域35的上方通過配置例如由多晶硅組成的傳輸電極39，而構成垂直CCD13。傳輸電極39位于P型區(qū)域31上方的部分兼作讀出柵極部12的柵電極。
給基片17施加基片偏壓Vsub，該基片偏壓用來決定光電二極管11中所蓄積的信號電荷的電荷量(也就是說，決定溢出壘OFB的電位)。
圖7是表示伴隨基片偏壓Vsub調(diào)制的幀讀出過程中固體攝像器件10動作定時的時間圖。在圖7中表示出，機械快門3的開關狀態(tài)、基片偏壓Vsub(圖中的基片電壓)以及從光電二極管11向垂直CCD13的施加給讀出柵電極的垂直傳輸時鐘脈沖φV1、φV3。與垂直傳輸時鐘脈沖φV1、φV3所疊加的高電平脈沖是施加給讀出柵電極的讀出脈沖XSG。下面，按照圖7中時刻T1～T7的順序進行說明。
(時刻T1)在監(jiān)視期間(高速動態(tài)圖像攝像方式)，按機械快門3打開狀態(tài)的原樣從固體攝像器件連續(xù)讀出圖像，用于向取景器和液晶監(jiān)視器的顯示，并進行動態(tài)圖像顯示。圖9表示的是高速動態(tài)圖像攝像方式(圖7的時刻T1)中的電位分布。如同圖9那樣，在高速動態(tài)圖像攝像方式中取決于第1偏壓的溢出壘OFB與讀出柵極的位壘相比被設定得更低。
(時刻T2)另外，通過用戶的快門操作等，使兼用機械快門3并采用幀讀出方式的靜止圖像攝像(靜止圖像攝像方式)開始。在該靜止圖像攝像方式中，首先給基片偏壓Vsub施加多個基片快門脈沖φSUB。圖10表示的是基片快門脈沖φSUB施加時(圖7的時刻T2)的電位分布。如圖10所示，在基片快門脈沖施加時通過提高基片偏壓Vsub，來去除溢出壘的位壘，將光電二極管11的所有信號電荷轉到半導體基片上。這樣，在多個基片快門脈沖φSUB施加結束時光電二極管11的所有信號電荷被轉出。
(時刻T3)再者，驅動部4在多個基片快門脈沖之中最后的基片快門脈沖施加完成后立即實行偏壓調(diào)制，該偏壓調(diào)制用來將基片偏壓Vsub從第1偏壓降為第2偏壓。因基片快門脈沖的施加完成，而使曝光期間開始。圖11A是在曝光期間第2偏壓被施加時(時刻T3)的電位分布圖。如同圖11A那樣，由于溢出壘OFB比讀出柵極的位壘更高，因而飽和信號電荷量Qs將增加。雖然因入射光而超過飽和信號電荷量Qs所發(fā)生的過剩信號電荷越過讀出柵極的位壘溢到垂直CCD13一側，但是通過此后垂直CCD13的高速轉出而被轉出，因此不對畫面質量產(chǎn)生影響。
另外，就圖11A的電位分布而言，不只是飽和信號電荷量Qs的增加，還可以擴大線性區(qū)域。作為比較示例，在圖11B中表示以往技術中根據(jù)第2偏壓的電位分布。圖16是表示向光電二極管11所射入的光量-輸出信號特性的曲線圖。圖16的虛線表示圖11A所示本實施方式中的特性，實線表示圖11B所示以往技術中的特性。在圖16中，接近水平的曲線部分是飽和區(qū)域(彎曲區(qū)域)，本實施方式中的飽和區(qū)域(虛線)與以往技術中的飽和區(qū)域(實線)相比，輸出信號變得更大(飽和信號電荷量Qs增大)。不僅如此，傾斜度大的線性區(qū)域(圖中的線性范圍)在本實施方式中也有所擴大。
再者，在本實施方式中靈敏度有所提高。靈敏度提高的原因是，由于溢出壘的峰值位置變深并且可吸收因光電變換所發(fā)生的信號電荷加以蓄積的區(qū)域有所擴大，因而光電變換效率得以提高。圖18是表示光電二極管11入射光的波長-靈敏度(光譜靈敏度)特性的曲線圖?？梢哉J為，入射光的波長越長靈敏度越提高。原因是，波長越長越到達過渡層的深處。如同圖那樣，在色溫度3200K的狀態(tài)下，對于R(紅)、G(綠)、B(藍)的各波長來說提高約10％、約7％、約3％左右的靈敏度。
(時刻T4)再者，因機械快門3關閉，而使曝光期間完成。圖12A是機械快門3關閉時(時刻T3)的電位分布圖。作為比較示例，在圖12B中表示機械快門3關閉時的以往電位分布圖。光電二極管11中的飽和信號電荷量Qs如同圖12B那樣，在以往技術中由溢出壘OFB的高度來決定，與此相對如同圖12A那樣在本實施方式中由柵電極的位壘高度來決定，并且飽和信號電荷量Qs得以增加，線性區(qū)域被擴大。
(時刻T5)如同圖12A那樣，若直至柵電極位壘高度的最大限度蓄積信號電荷，則易于發(fā)生模糊現(xiàn)象。因此，驅動部4在關閉基片快門之后且垂直CCD的高速轉出之前，為減少飽和信號電荷量而施加飽和信號控制脈沖。圖13表示的是施加飽和信號控制脈沖時(時刻T5)的電位分布。如同圖那樣，由于溢出壘的電位只是暫時也就是在飽和信號控制脈沖的高電平期間下降，因而過剩電荷被排出到基片17上，在比讀出柵極的位壘高度更低的位置上對飽和信號電荷量進行控制。借此，可以抑制模糊現(xiàn)象的發(fā)生，并且能夠擴大光電二極管11的線性范圍。
圖17表示的是飽和信號控制脈沖的施加時間和信號電荷蓄積量之間的關系。在同圖中，橫軸表示飽和信號控制脈沖的高電平施加時間，縱軸表示飽和信號控制脈沖施加后的最大蓄積信號量(圖中的飽和信號量)。3條實線按照脈沖波峰值(高電平電壓)低的順序從上進行排列。如同圖那樣，為了將飽和信號量減少到目標值，在波峰值低的場合下，存在該脈沖施加時間需要得長這樣的缺點和可以確實穩(wěn)定達到目標值這樣的優(yōu)點。在波峰值高的場合下，存在可以使該脈沖施加時間變短這樣的優(yōu)點和是否確實達到目標值為不穩(wěn)定這樣的缺點。另外，若使波峰值與第1偏壓相同，則可以采用VsubCont信號使之發(fā)生飽和信號控制脈沖，因此控制變得簡單。
(時刻T6)圖14表示的是飽和信號控制脈沖的施加完成時(時刻T6)的電位分布。如同圖那樣，基片偏壓已恢復成第2偏壓。在垂直CCD13中留有曝光期間中所溢出的過剩電荷。在時刻T6緊后面的高速轉出期間進行傳輸輸出。也就是說，因為在高速轉出過程中向垂直CCD13按照傳輸時鐘脈沖φV1～φV4快的周期連續(xù)施加，所以在垂直CCD13中于曝光期間所溢出的過剩信號電荷不斷被傳輸輸出。垂直傳輸時鐘脈沖φV1～φV4的周期對于通常的場輸出期間而言是在1水平掃描期間內(nèi)傳輸1行的周期，而對于高速轉出期間來說則成為與其相比更快的周期。取代該高速轉出也可以通過虛設場進行轉出。
(時刻T7)圖15表示的是垂直CCD13的高速轉出期間完成時(時刻T7)的電位分布。如同圖那樣，垂直CCD13的信號電荷通過高速轉出而被傳輸輸出，變得不存在。
另外，在圖7中有關第1場輸出期間之后的動作定時，因與圖3大致相同而省略說明。
如上面所說明的，根據(jù)本實施方式中的固體攝像裝置，其特征為在曝光期間開始時(參照圖7的時刻T3～T4)設定溢出壘OFB的位壘高度強制使之比讀出柵極的位壘更高(參照圖12A)，并且在曝光期間完成后且垂直CCD的高速轉出前(參照圖7的時刻T5)暫時降低溢出壘OFB的位壘高度，將過剩電荷轉到基片上(參照圖13、圖14)。借此，可以擴大光電二極管11的線性特性使靈敏度得到提高。
<變形例>
在上述實施方式中，有關下述(A)、(B)的構成已做出說明，(A)為在曝光期間開始時強制設定溢出壘OFB的位壘高度，使之比讀出柵極的位壘更高，(B)為除此之外，在曝光期間完成后且垂直CCD的高速轉出前暫時降低溢出壘OFB的高度使之比讀出柵極部中的位壘更低，將過剩電荷轉到基片上。在此，作為上述實施方式的變形例，不是在(A)后的(B)中暫時降低溢出壘，而是有關(B’)降低后按原樣進行維持的構成，予以說明。
雖然本變形例中的固體攝像裝置與圖4、3及17所示的固體攝像裝置的結構大致相同，但是驅動部4中的基片偏壓驅動方法有些不同。相同之處省略說明，下面以不同之處為中心進行說明。
圖19表示的是本變形例中固體攝像裝置的動作定時。圖19與圖7相比較，由驅動部4而產(chǎn)生的基片偏壓驅動方法有一部分不同。
也就是說，驅動部4替代施加飽和信號量控制脈沖，而在與該脈沖相同的時刻將基片偏壓從第2偏壓增高成第3偏壓的電壓電平。在此，第3偏壓如同圖19那樣，可以是與讀出柵極部的位壘相比進一步降低溢出壘高度的電壓值，可以是第1偏壓和第2偏壓范圍內(nèi)的電壓。
這樣，按照本變形例中的(A)(B’)，與上述實施方式相同也可以獲得擴大線性特性使靈敏度得到提高這樣的效果。但是，飽和信號電荷量Qs有所減少。
還有，若使第3偏壓變成與第1偏壓相同的電壓值，則可以采用更加簡單的結構實現(xiàn)變形例。
<第1補充說明>
下面，有關本實施方式中的固體攝像裝置，作為第1補充說明將關于基片快門的最佳定時進行說明。
上述的第2偏壓雖然在圖7中從基片快門脈沖的施加剛完成后直至第2場讀出期間完成被施加，但無論是基片快門脈沖的施加過程中或施加前都可以獲得改善線性特性這樣的效果。原因是，由于在曝光期間的整個范圍內(nèi)施加第2偏壓，因而曝光期間的飽和信號電荷量Qs增加，與此相伴飽和信號電荷量Qs一定比率所決定的線性區(qū)域有所擴大。
再者，理想的是應該在基片快門脈沖的施加完成后，立即從第1偏壓轉換成第2偏壓。原因是，若在基片快門脈沖的施加前或施加過程中從第1偏壓降為第2偏壓，則變成在溢出壘OFB更高的狀態(tài)下施加基片快門脈沖，并且如果不進一步施加波峰值高的基片快門則產(chǎn)生不能轉出信號電荷這樣的不佳狀況。
另外，從采用電子快門的電荷排出結束時直至向第2偏壓的下降開始時的時間，在本實施方式中越短越好。原因是，至下降開始的時間越短，曝光時間所占的第2偏壓電平的期間越變長，提高曝光靈敏度。
一般情況下，在高速電子快門時(例如，1/2000秒)雖然因機械性原因機械快門關閉的時刻產(chǎn)生偏差，曝光時間也就是曝光量產(chǎn)生10％左右的偏差，但是在攝像機系統(tǒng)中實際應用時被容許。因而，作為曝光時間誤差被容許的時間為曝光時間的10％左右。因此，從采用電子快門的電荷排出結束時直至向第2偏壓的下降開始時的時間最好設為曝光時間的10％以內(nèi)。
具體而言，通過基片快門所實現(xiàn)的高速電子快門曝光時間如果是500μS，則在將容許誤差設為10％以內(nèi)的場合下最好是50μS以下的時間。
這樣，在曝光期間的幾乎整個范圍內(nèi)通過將基片偏壓Vsub設為第2偏壓，來提高光電變換的效率(量子效率)。其結果為，可以使曝光靈敏度得到提高。由于靈敏度的提高，因而色彩的S/N變得良好，即使是低照度也提高攝像時的畫面質量。另外，靈敏度的提高因為從波長長的也就是R(紅)一直到紅外線(IR)區(qū)域其提高率較高，所以能夠謀求將固體攝像裝置作為監(jiān)視攝像機和暗視攝像機加以利用時的性能提高。
<第2補充說明>
下面，作為第2補充說明將有關水平掃描期間中讀出柵電極的最佳電壓，予以說明。
首先，在圖7的第1場輸出期間及第2場輸出期間對水平有效期間如下進行定義。也就是說，所謂水平有效期間是在水平CCD15中實行水平傳輸動作的期間，指的是在垂直CCD13中垂直傳輸時鐘脈沖未產(chǎn)生變化的期間。
在圖7中表示出下述情形(下面，稱為VM讀出情形)，即在第1場輸出期間通過給讀出柵電極φ1施加與中間電平電壓所疊加的讀出脈沖XSG，構成第1場的信號電荷讀出到各垂直CCD13中，并且在此后的水平有效期間第1場的讀出柵電極φ1的電壓φV1成為中間電壓。與此相反，也可能有下述情形(下面，稱為VL讀出情形)，即在第1場輸出期間第1場的讀出柵電極φ1的電壓φV1為低電平電壓。在第1場讀出期間成為何種情形是任意的。同樣，在第2場讀出期間使第2場成為何種情形也是任意的。
在交錯讀出過程中如圖7那樣，就第1場來說最好設為VM讀出情形。原因是，在光電二極管11中未讀出信號電荷而留有的第2場讀出柵電極φ3的電壓為中間電平和低電平的場合下，低電平一方不易發(fā)生模糊現(xiàn)象。在第1場是VM讀出情形的場合下，在水平有效期間第2場讀出柵電極φ3的電壓φV3成為低電平。原因是，垂直傳輸時鐘脈沖φV1、φV3是4相時鐘脈沖信號的第1相和第3相，一般情況下在水平掃描期間一方是低電平時，通常另一方是中間電平。
因而，在關閉機械快門之后依次讀出多個場的場合下如圖7所示，為了使未被先讀出的第2場讀出柵電極φ3在水平有效期間中成為低電平，而采用VM情形對先讀出的第1場進行讀出。換言之，在第1場輸出期間未被讀出而在光電二極管11中保存信號電荷的第2場讀出柵電極φ3不是易于產(chǎn)生模糊現(xiàn)象的中間電平，而成為不易產(chǎn)生模糊現(xiàn)象的低電平。為此，由于先讀出的第1場在被讀出后的水平有效期間不產(chǎn)生模糊現(xiàn)象，因而設為第1場讀出柵電極φ1在水平有效期間成為中間電平的VM情形。還有，不限于2對1交錯，在多對1交錯的場合下如果使未被讀出的場的讀出柵電極成為低電平，則也可以獲得同樣的效果。
還有，圖1中的基片偏壓發(fā)生電路20、晶體管Q1、Q2、電阻R1～R3及C既可以將其全部或一部分形成于固體攝像器件10的基片上，又可以設置于基片外部。另外，基片偏壓發(fā)生電路20其構成也可以是，作為分壓值使之發(fā)生基片偏壓Vsub，該分壓值是通過在電源和地面間所串聯(lián)連接的電阻而得到的。
另外，在上述實施方式中雖然以2對1交錯·掃描中采用行間·傳輸方式的幀讀出情形為例已做出說明，但是也可以是同時使用基片快門和機械快門3來決定曝光時間的攝像的情形，并且不限于此。例如，既可以是3對1等多對1的交錯·掃描方式，又可以是漸進·掃描方式的讀出的情形。
另外，在上述實施方式中雖然以縱向式溢出漏極構造的固體攝像器件為例已做出說明，但是即使是橫向式溢出漏極構造同樣也可以使用本申請發(fā)明。
雖然上面對本發(fā)明的實施例進行了說明，但本發(fā)明并不限定于此，本領域的技術人員可以在本發(fā)明的精神和原理的基礎上，對本發(fā)明進行各種變型，但這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種固體攝像裝置，采用將通過光電二極管所產(chǎn)生的過剩電荷排出到漏極中的溢出漏極構造，具有將光電二極管中所蓄積的電荷全部排到漏極中的電子快門功能，具備固體攝像器件，通過經(jīng)由讀出柵極讀出光電二極管信號電荷的垂直CCD及水平CCD來傳輸信號電荷；遮光裝置，用來控制向固體攝像器件的光入射；驅動部，用來對設定溢出漏極構造中的溢出壘高度的偏壓進行調(diào)制，其特征為上述驅動部作為上述偏壓的調(diào)制，進行第1偏壓調(diào)制，在將從電子快門到遮光裝置關閉作為期間的曝光期間結束之前，使溢出壘變高；第2偏壓調(diào)制，在曝光期間結束后且垂直CCD電荷轉出前，使溢出壘的高度變低。
2.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，設定上述溢出壘的高度比讀出柵極的位壘高。
3.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度從比讀出柵極的位壘低的狀態(tài)變化成高的狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第2偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度比讀出柵極的位壘低。
5.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓，把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中，變更成比第2偏壓更高電壓的第3偏壓。
6.根據(jù)權利要求5記載的固體攝像裝置，其特征為上述第1偏壓是將溢出壘高度設定得比讀出柵極的位壘低的電壓。
7.根據(jù)權利要求5記載的固體攝像裝置，其特征為上述第2偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘高的電壓。
8.根據(jù)權利要求5記載的固體攝像裝置，其特征為上述第3偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘低的電壓。
9.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述電子快門結束后，立即實行上述第1偏壓調(diào)制。
10.一種固體攝像裝置，采用將通過光電二極管所發(fā)生的過剩電荷排出到漏極中的溢出漏極構造，具有將光電二極管中所蓄積的電荷全部排出到漏極中的電子快門功能，具備固體攝像器件，通過經(jīng)由讀出柵極讀出光電二極管信號電荷的垂直CCD及水平CCD來傳輸信號電荷；遮光裝置，用來控制向固體攝像器件的光入射；驅動部，用來對設定溢出漏極構造中的溢出壘高度的偏壓進行調(diào)制，其特征為上述驅動部作為上述偏壓的調(diào)制，進行第1偏壓調(diào)制，在將從電子快門到遮光裝置關閉作為期間的曝光期間結束之前，使溢出壘變高；第2偏壓調(diào)制，在曝光期間結束后且垂直CCD電荷轉出前，暫時降低溢出壘高度后，使之變高。
11.根據(jù)權利要求10記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，設定上述溢出壘的高度，使之比讀出柵極的位壘更高。
12.根據(jù)權利要求10記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度從比讀出柵極的位壘低的狀態(tài)變化成高的狀態(tài)。
13.根據(jù)權利要求10記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第2偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度比讀出柵極的位壘低。
14.根據(jù)權利要求1記載的固體攝像裝置，其特征為上述驅動部在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓，把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中，通過使第2偏壓與飽和信號量控制用脈沖疊加，來暫時降低溢出壘的高度。
15.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述第1偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更低的電壓。
16.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述第2偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更高的電壓。
17.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述飽和信號控制用脈沖的高電平電壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更低的電壓。
18.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓與第1偏壓相等。
19.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓比第1偏壓高。
20.根據(jù)權利要求14記載的固體攝像裝置，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓比第1偏壓低。
21.根據(jù)權利要求10記載的固體攝像裝置，其特征為在上述電子快門結束后，立即實行上述第1偏壓調(diào)制。
22.一種固體攝像裝置的驅動方法，該裝置采用將通過光電二極管所發(fā)生的過剩電荷排出到漏極中的溢出漏極構造，具有將光電二極管中所蓄積的電荷全部排出到漏極中的電子快門功能，具備固體攝像器件，通過經(jīng)由讀出柵極讀出光電二極管信號電荷的垂直CCD及水平CCD來傳輸信號電荷；遮光裝置，用來控制向固體攝像器件的光入射；驅動部，用來對設定溢出漏極構造中的溢出壘高度的偏壓進行調(diào)制，其特征為作為上述偏壓的調(diào)制，具有第1步驟，進行第1偏壓調(diào)制，用來在將從電子快門到遮光裝置關閉作為期間的曝光期間結束之前，使溢出壘變高；第2步驟，實行第2偏壓調(diào)制，用來在曝光期間結束后且垂直CCD電荷轉出前，使溢出壘的高度變低。
23.根據(jù)權利要求22記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，將上述溢出壘的高度設定得比讀出柵極的位壘高。
24.根據(jù)權利要求22記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度從比讀出柵極的位壘低的狀態(tài)變化成高的狀態(tài)。
25.根據(jù)權利要求22記載的驅動方法，其特征為在上述第2偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度比讀出柵極的位壘低。
26.根據(jù)權利要求22記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓，把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中，變更成比第2偏壓更高電壓的第3偏壓。
27.根據(jù)權利要求26記載的驅動方法，其特征為上述第1偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘低的電壓。
28.根據(jù)權利要求27記載的驅動方法，其特征為上述第2偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更高的電壓。
29.根據(jù)權利要求27記載的驅動方法，其特征為上述第3偏壓是設定溢出壘高度使之比讀出柵極的位壘更低的電壓。
30.根據(jù)權利要求22記載的驅動方法，其特征為在上述電子快門結束后，立即實行上述第1偏壓調(diào)制。
31.一種固體攝像裝置的驅動方法，該裝置采用將通過光電二極管所發(fā)生的過剩電荷排出到漏極中的溢出漏極構造，具有將光電二極管中所蓄積的電荷全部排出到漏極中的電子快門功能，具備固體攝像器件，通過經(jīng)由讀出柵極讀出光電二極管信號電荷的垂直CCD及水平CCD來傳輸信號電荷；遮光裝置，用來控制向固體攝像器件的光入射；驅動部，用來對設定溢出漏極構造中的溢出壘高度的偏壓進行調(diào)制，其特征為作為上述偏壓的調(diào)制，具有第1步驟，實行第1偏壓調(diào)制，用來在將從電子快門到遮光裝置關閉作為期間的曝光期間結束之前，使溢出壘變高；第2步驟，實行第2偏壓調(diào)制，用來在曝光期間結束后且垂直CCD電荷轉出前，暫時降低溢出壘的高度后，使之變高。
32.根據(jù)權利要求31記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，設定上述溢出壘的高度使之比讀出柵極的位壘更高。
33.根據(jù)權利要求31記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度從比讀出柵極的位壘更低的狀態(tài)變化成高的狀態(tài)。
34.根據(jù)權利要求31記載的驅動方法，其特征為在上述第2偏壓調(diào)制過程中，使上述溢出壘的高度比讀出柵極的位壘低，
35.根據(jù)權利要求31記載的驅動方法，其特征為在上述第1偏壓調(diào)制過程中，通過從第1偏壓變更成比第1偏壓更低電壓的第2偏壓，把溢出壘的高度設定得高，在上述第2偏壓調(diào)制過程中，通過使第2偏壓與飽和信號量控制用脈沖疊加，來暫時降低溢出壘的高度。
36.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述第1偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更低的電壓。
37.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述第2偏壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更高的電壓。
38.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述飽和信號控制用脈沖的高電平電壓是設定使溢出壘高度比讀出柵極的位壘更低的電壓。
39.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓與第1偏壓相等。
40.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓比第1偏壓高。
41.根據(jù)權利要求35記載的驅動方法，其特征為上述飽和信號量控制用脈沖的高電平電壓比第1偏壓低。
42.根據(jù)權利要求31記載的驅動方法，其特征為在上述電子快門結束后，立即實行上述第1偏壓調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改善光電二極管線性特性使靈敏度提高的固體攝像裝置及其驅動方法。本發(fā)明的固體攝像裝置的驅動部將基片偏壓變更成下述第2偏壓，在曝光期間結束后且垂直CCD所有信號電荷轉出前，通過使第2偏壓疊加飽和信號量控制用脈沖來降低溢出壘，上述第2偏壓是比第1偏壓更低的電壓，用來設定溢出壘的高度使之比讀出柵極的位壘更高。
文檔編號H04N5/341GK1542981SQ20041003846
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權日2003年4月28日
發(fā)明者河野明啟, 武藤信彥, 藤田武, 彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社