专利名称：固态图象传感器及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及全象素读出型固态图象传感器及其驱动方法，特别涉及用于把读出信号电荷传输给垂直CCD(电荷耦合器件)的垂直传输电极的结构，和施加给垂直传输电极的驱动电压的设定。
近年来，采用固态图象传感器的商业或民用视频摄象机正流行起来。商业或民用的这些普通视频摄象机采用每隔一行扫描水平信号行的隔行扫描方式(邻接(interfaced)扫描方式)，以与TV制式(NTSC或PAL)一致。
同时，近来已经广泛地开发了用于个人计算机的图象输入摄象机。这种类型的摄象机采用按照水平扫描方式的非隔行扫描方式，以获得高清晰度的静止图象和容易把图形输出给计算机显示器。用于非隔行扫描方式摄象机中的固态图象传感器必须同步和单独地读出所有象素的信号电荷。这种读出方式被称为全象素读出或逐行扫描(参见0kuya等人在1995 ITE Annual Convention,pp.93-94,1995上发表的“A 1/3-inch 330k Square-Piel Progressive-Scan IT-CCDImage Sensor”)。
图10表示普通全象素读出型隔行(interline)CCD固态图象传感器。
该图象传感器主要分为图象传感部分1、水平CCD 2和输出部分(电荷检测部分)3。在图象传感部分1中，按矩阵方式两维阵列排列用于存储光电转换信号电荷的多个光电二极管4。在光电二极管各行之间设置在垂直方向上传输信号电荷的垂直CCD 5。在光电二极管4和垂直CCD 5之间形成传输门区10，传输门区10从各光电二极管4读出信号电荷并传输给相应的垂直CCD 5。在图象传感部分1中，光电二极管4、垂直CCD 5和传输门区10以外的区域是元件隔离区11。
下面，说明具有以上结构的固态图象传感器的工作。在预定周期内由光电二极管4光电转换的信号电荷通过传输门区10读给垂直CCD5。然后读给垂直CCD 5的信号电荷传输给水平行单元上的水平CCD 2。传输给水平CCD 2的信号电荷再传输给输出部分3并进行检测。
图11表示图10中所示的固态图象传感器的光电二极管4和垂直CCD 5。图11表示在水平方向和垂直方向上的仅3×2个象素。图12表示图11中所示结构的放大的细节。图13表示沿图12中C-C线剖切的部分。
参照图11至图13，在光电二极管行之间排列由多晶硅构成且带有垂直传输电极6、7、8及9的垂直CCD 5。通常在光电二极管4的单元中跨过垂直CCD 5形成四个垂直传输电极6至9。垂直传输电极8还用作从光电二极管4把信号电荷读给垂直CCD 5的传输电极。参照图13，在半导体衬底12和垂直传输电极6至9并在垂直传输电极中形成绝缘膜(未示出)。把四相位驱动脉冲φV1、φV2、φV3和φV4分别施加给垂直传输电极6、7、8和9。
下面，说明驱动全象素读出型的上述固态图象传感器的垂直CCD 5的方法。
图14A至图14D表示在读出时和紧接读出后的垂直传输周期期间施加给垂直传输电极6至9的驱动脉冲波形。图15A至图15G表示信号电荷存储的电位和在图14A至图14D所示的时间t0至t5时的传输状态。驱动脉冲电压越高，该电位也越高。在图15A至图15G中，电位向图示的下侧变高。换句话说，相对于电子的电位朝向图示的上侧升高。
在时间t0，如图15B所示，高电平VH的驱动脉冲φV3施加给用作传输电极的垂直传输电极8(图14C)，以从光电二极管4把信号电荷读给垂直CCD 5。此时，驱动脉冲φV1和φV4为低电平VL(图14A和图14D)，驱动脉冲φV2为中间电平VM(VL＜VM＜VH)(图14B)。
在时间t1，如图15C所示，将施加给垂直传输电极8的驱动脉冲φV3设定在中间电平VM上(图14C)，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2和φV3的垂直传输电极7和8的下部。
在时间t2，如图15D所示，将施加给垂直传输电极9的驱动脉冲φV4设定在中间电平VM(图14D)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2、φV3和φV4的垂直传输电极7、8和9的下部。
在时间t3，如图15E所示，将施加给垂直传输电极7的驱动脉冲φV2设定在低电平VL(图14B)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3和φV4的垂直传输电极8和9的下部。
在时间t4，如图15F所示，将施加给垂直传输电极6的驱动脉冲φV1设定在中间电平VM(图14A)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3、φV4和φV1的垂直传输电极8、9和6的下部。
在时间t5，如图15G所示，将施加给垂直传输电极8的驱动脉冲φV3设定在低电平VL(图14C)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV4和φV1的垂直传输电极9和6的下部。
通过顺序地施加驱动脉冲，信号电荷30被传输至图的左边，如图15A至图15G所示。这种驱动脉冲施加方法被称为双时钟法。作为该方法的特征，在传输期间总将两个或更多个电极设定为中间电平VM而与状态无关。
由施加给在垂直传输方向上相邻的两个垂直传输电极的驱动脉冲处于中间电平VM的状态限定由垂直CCD 5传输的最大电荷量，并且在时间t1、t3或t5，施加给其余的垂直传输电极的驱动脉冲为低电平VL。就是说，由在垂直传输方向上邻近的两个电极中存储的电荷量确定垂直CCD 5的最大传输电荷量。
下面，将检查从光电二极管4读给垂直CCD 5的信号电荷。通过将高电平VH的驱动脉冲施加给还用作传输电极的垂直传输电极8，可读出存储在光电二极管4中的信号电荷。全部读出所需的读出电压取决于传输门区10的读出信道宽度W。更具体地说，当读出信道宽度W大时，施加低电压就可全部读出。
另一方面，当读出信道宽度W小时，由于窄隧道效应(即阈值电压变高)，所以信道电位变低。因此，除非把高电压施加给用作传输电极的垂直传输电极8，否则不能进行全部读出。
如图11所示，对各光电二极管形成四个垂直传输电极6至9。在这种情况下，当相等地分隔垂直传输电极以使垂直传输电极6至9在传输方向上有相等的电极长度时(图13中，L1=L2=L3=L4)，电极长度约为象素尺寸的1/4。例如，在象素尺寸为6.7μm2，和电极间隔为0.2μm时，各电极长度L1、L2、L3和L4为1.475μm。因此，传输门区10中的读出信道宽度W(=垂直传输电极8的电极长度L3)为1.475μm或更小。
图16表示全部读出电压与读出信道宽度W之间依赖关系的模拟结果。由图16可知，当传输门区10中的读出信道宽度W为1.475μm时，全部读出电压约为15.5V。当考虑制造工差时，必须把读出脉冲设定在17.5V或更大，致使难以降低摄象机的电压。
为了避免全部读出电压的增加，可以采用以下方法。图17表示在传输门区10中增加读出信道宽度W的CCD固态图象传感器的光电二极管4和垂直CCD 5。图17仅表示水平方向和垂直方向上的3×2个象素。
作为如图17所示的固态图象传感器的特性，还用作传输电极的垂直传输电极8在垂直传输方向上的电极长度大于其余垂直传输电极的电极长度。利用这种配置，可以使传输门区10中读出信道宽度W更大，并可期望降低读出电压。
图18A至图18G展示在具有图17所示电极结构的固态图象传感器中表示信号电荷存储和传输状态的电位。驱动垂直CCD 5的方法与具有图11所示电极结构的固态图象传感器的驱动方法相同，因此省略其详细说明。
在这种固态图象传感器中，在垂直传输方向上除传输电极8以外的三个垂直传输电极6、7和9的电极长度小于传输电极8的电极长度。由于这个原因，在时间t5，在有更短电极长度的两个垂直传输电极6和9的下部存储电荷。由于由该电荷存储状态限定垂直CCD 5的最大传输电荷量，所以动态范围变得窄于图11所示电极结构的固态图象传感器的动态范围。
如上所述，在常规固态图象传感器中，很难使电压降低。此外，在传输门区中增加其读出信道宽度以实现低电压的固态图象传感器中，动态电压范围会变窄。
本发明的目的在于提供在不降低动态范围(最大传输电荷量)的情况下能够实现低电压的固态图象传感器及其驱动方法。
为了实现以上目的，按照本发明，提供固态图象传感器，该固态图象传感器包括在半导体衬底上按矩阵形式两维排列的光电转换元件，靠近各光电转换元件排列以读出存储在光电转换元件中的信号电荷的传输门部分，靠近传输门部分排列以在垂直方向传输从光电转换元件中读出的信号电荷的垂直CCD，用于在水平方向上传输从垂直CCD传输的信号电荷的水平CCD，用于检测由水平CCD传输的信号电荷并输出该信号电荷的电荷检测部分，和在信号电荷的垂直传输方向上在垂直CCD上相互邻接形成的四个垂直传输电极，垂直传输电极包括在信号电荷的垂直传输方向上相互相邻的第一传输电极和第二传输电极，第一垂直传输电极有大于第二垂直传输电极的长度，并用作控制传输门区的传输电极。
图1是表示图19所示光电二极管和垂直CCD的示意性布局排列的平面图；图2是图1所示光电二极管和垂直CCD的放大平面图；图3是沿图2中A-A线剖切的剖视图；图4是沿图2中B-B线剖切的剖视图；图5是表示位垒与垂直传输电极电极长度的相关性的模拟结果的曲线图；图6A至图6C是表示电位的图，以便说明在图1所示的CCD固态图象传感器中短垂直传输电极的缩减限制；图7是表示本发明第二实施例的CCD固态图象传感器的示意性布局排列的平面图；图8A至图8D是表示在图7所示的CCD固态图象传感器中在读出时和在紧随读出后的垂直传输周期期间施加给垂直传输电极的驱动脉冲波形的定时图；图9A至图9G是展示表示在图8A至图8D所示的对应时间点的信号电荷存储和传输状态的电位图；图10是常规全象素读出型隔行扫描CCD固态图象传感器的平面图；图11是表示图10中所示的光电二极管和垂直CCD的示意性排列的平面图；图12是图11中所示的光电二极管和垂直CCD的放大平面图；图13是沿图12中C-C线剖切的剖视图；图14A至图14D是展示在图1和图10所示的CCD固态图象传感器中在读出时和在紧随读出后的垂直传输周期期间施加给垂直传输电极的驱动脉冲波形的定时图；图15A至图15G是展示表示在图14A至图14D所示的对应时间点的信号电荷存储和传输状态的电位图；图16表示全部读出电压与读出信道宽度的相关性的模拟结果曲线图；图17是带有在传输门区中增加的读出信道宽度的固态图象传感器的光电二极管和垂直CCD的示意性平面图；图18A至图18G是展示表示图17所示的固态图象传感器中的信号电荷存储和传输状态的电位图；和图19是本发明第一实施例的CCD固态图象传感器的平面图。
下面，参照附图详细说明本发明。图19表示本发明第一实施例的CCD固态图象传感器的平面图。本实施例的图象传感器主要分为图象传感部分101、水平CCD 102和输出部分(电荷检测部分)103。在图象传感部分101中，按矩阵两维地排列用以存储光电转换信号电荷的多个光电二极管104。在光电二极管行之间排列在垂直方向上用以传输信号电荷的垂直CCD 105。在光电二极管104和垂直CCD 105之间形成从各光电二极管104把信号电荷读给对应的垂直CCD 105的传输门区110。在图象传感部分101中，除光电二极管104、垂直CCD 105和传输门区110之外的区域是元件隔离区111。
下面，说明具有以上配置的固态图象传感器的工作。在预定周期内由光电二极管104光电转换的信号电荷通过传输门区110读给垂直CCDs 105。将读给垂直CCDs 105的信号电荷传输给水平行单元中的水平CCD 102。将传输给水平CCD 102的信号电荷传输给输出部分103并进行检测。
图1表示图19中所示的固态图象传感器的光电二极管104和垂直CCDs 105。图1仅表示水平方向和垂直方向上的3×2个象素。图2表示图1所示结构的放大的细节部分。图3表示沿图2中A-A线剖切的剖视图。图4表示沿图2中B-B线剖切的剖视图。图2中，未示出绝缘膜和光屏蔽膜(以下都将说明)。图3中，未示出在n型半导体衬底112和垂直传输电极106至109之间和垂直传输电极中的绝缘膜(以下将说明)。
在本实施例的固态图象传感器中，如图4所示，在n型半导体衬底112上形成p型阱113。在p型阱113上形成按矩阵两维排列并且由n型半导体构成的光电二极管(光电转换元件)104。
在光电二极管行之间形成n型半导体的垂直CCDs 105。由p+型半导体构成元件隔离区111。在未形成元件隔离区111的半导体衬底112上的p型阱113的部分对应于传输门区110。在该结构上形成多晶硅的垂直传输电极106、107、108和109。
如图2所示，一般跨过垂直CCDs 105在光电二极管104单元中形成四个垂直传输电极106至109。垂直传输电极108还用作从光电二极管104把信号电荷读给垂直CCDs 105的传输电极。
如图3所示，通过绝缘膜(图4中的绝缘膜114)在半导体衬底112上形成多晶硅的垂直传输电极106。在垂直传输电极106上形成绝缘膜(未示出)，和在该绝缘膜上形成多晶硅的垂直传输电极107和109，以局部覆盖垂直传输电极106。在垂直传输电极107和109上形成绝缘膜(未示出)，和在该绝缘膜上形成多晶硅的垂直传输电极108，以局部覆盖垂直传输电极106、107和109。
在形成绝缘膜以覆盖该结构的表面之后，如图4所示，形成光屏蔽膜115以覆盖除光电二极管104以外的部分。参照图3，把有不同相位的四相位驱动脉冲φV1、φV2、φV3和φV4通过例如A1互连分别提供给垂直传输电极106、107、108和109，使该结构起到全象素读出型固态图象传感器的作用。
作为本实施例的CCD固态图象传感器的特征，在垂直传输方向(图1和图2中的垂直方向)上相邻的任意两个垂直传输电极的电极长度之和在有效图象传感区(图19所示的图象传感部分101)中的任何部分都是相等的。另外，两个垂直传输电极有不同的电极长度，各垂直传输电极有交替相等的电极长度。此外，还用作传输电极的垂直传输电极108的电极长度L3大于在垂直传输方向上相邻的两个垂直传输电极107和109的电极长度L2和L4。
就是说，重复地形成垂直传输电极106至109，以致电极长度顺序地变大、变小、变大、变小、……。垂直传输电极106至109的电极长度是垂直传输方向上的电极长度。垂直传输方向上的电极长度指通过绝缘膜(图3中未示出)相对于半导体衬底112的电极部分的长度。利用以上电极结构，可以使垂直传输电极108的电极长度L3约为1.8μm那样大。
从图16中所示的模拟结果可知，当传输门区110的读出信道宽度W(=垂直传输电极108的电极长度L3)为1.8μm时，全部读出电压约为13V。即使考虑制造工差，至少在15V可以完成光电二极管104的读出。
如上所述，按照本实施例，可以使全部读出电压(驱动脉冲的高电平VH)小于图11中所示的常规固态图象传感器的全部读出电压。由于可将15V的电源用于普通的视频摄象机等，因而全部读出电压的降低十分有益。
驱动本实施例固态图象传感器中的垂直CCD 105的方法与图11中所示的现有技术方法相同。下面，参照图14A至图14D和图15A至图15G说明该方法。在时间t0，如图15B所示，将高电平VH的驱动脉冲φV3施加给还用作传输电极(图14C)的垂直传输电极108，以从光电二极管104把信号电荷30读给垂直CCD 105。此时，驱动脉冲φV1和φV4为低电平VL(图14A和图14D)，驱动脉冲φV2为中间电平VM(VL＜VM＜VH)(图14B)。
在时间t1，如图15C所示，将施加给垂直传输电极108的驱动脉冲φV3设定在中间电平VM(图14C)上，以便把信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2和φV3的垂直传输电极107和108的下部。在时间t2，如图15D所示，将施加给垂直传输电极109的驱动脉冲φV4设定在中间电平VM(图14D)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV2、φV3和φV4的垂直传输电极107、108和109的下部。
在时间t3，如图15E所示，将施加给垂直传输电极107的驱动脉冲φV2设定在低电平VL(图14B)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3和φV4的垂直传输电极108和109的下部。在时间t4，如图15F所示，将施加给垂直传输电极106的驱动脉冲φV1设定在中间电平VM(图14A)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV3、φV4和φV1的垂直传输电极108、109和106的下部。
在时间t5，如图15G所示，将施加给垂直传输电极108的驱动脉冲φV3设定在低电平VL(图14C)上，以便信号电荷仅分别存储在相应于驱动脉冲φV4和φV1的垂直传输电极109和106的下部。通过顺序地施加驱动脉冲，如图15A所示，使信号电荷在电荷传输方向(垂直方向)上传输。
在本实施例的固态图象传感器中，使还用作传输电极的垂直传输电极108的电极长度L3增加，并且使垂直传输电极106至109的电极长度交替相等。
如上所述，由相互邻近的两个电极中存储的电荷量确定垂直CCD105的最大传输电荷量。需要注意的情况是，由于垂直传输电极106至109的电极长度被分别设定为大、小、大、小、……，所以在垂直传输方向上相邻的任意两个垂直传输电极的电极长度之和总是相等的。由于可以存储与图11所示的现有技术相同的电荷量，其中所有四个垂直传输电极6至9有相同的电极长度，所以可以确保充分的动态范围。
如果使还用作传输电极的垂直传输电极108的电极长度L3过大，那么会使邻近垂直传输电极108的垂直传输电极107和109的电极长度L2和L4变得过小。应该考虑电极长度减小的限制。
把在垂直传输电极下部施加低电平VL驱动脉冲的信道电位和施加中间电平VM驱动脉冲的垂直传输电极电位之间的差定义为位垒。用L表示施加低电平VL驱动脉冲的垂直传输电极的电极长度。
图5表示位垒与电极长度L的相关性的模拟结果。当施加低电平VL驱动脉冲的垂直传输电极的电极长度变小，和信道长度变小时，位垒因短隧道效应逐渐变小。
图6A至图6C说明本实施例固态图象传感器中垂直传输电极的下降限制。图6B和图6C表示在图14A至图14D和图15A至图15G所示的时间t3和t4的电荷存储状态。分别用L5表示在垂直传输方向上相邻的两个垂直传输电极的电极长度之和；用L6(L2、L4=L6)表示垂直传输电极的短电极长度；和用H1和H2表示在时间t3和t4的位垒。图6A至图6C中，电位朝向图示下侧变高。换句话说，相对于电子的电位朝向图示上侧升高。
建议最大传输电荷量几乎正比于位垒高度与可存储信道长度(这种情况下，为施加中间电平VM的驱动脉冲的连续电极长度之和)的积。假定k为比例常数，那么在时间t3的最大传输电荷量Q1为k×H1×L5，在时间t4的最大传输电荷量Q2为k×H2×(2L5-L6)。
在本实施例的固态图象传感器中，由于在垂直传输方向上相邻的两个垂直传输电极的电极长度之和总是相等的，所以施加低电平VL的驱动脉冲的垂直传输电极的电极长度之和为L5。即使当两个长短电极的长度比改变时，该值也不改变。由图5可知，位垒H1总有预定值。因此，最大传输电荷量Q1也总有预定值。
在图6C中所示的时间t4的三电极存储状态中，最大传输电荷量Q2取决于电极长度L6。由图5明显看出，当电极长度L6变小时，位垒H2下降。特别是随着电极长度L6变小，位垒H2急剧地下降。当电极长度L6变小时，可存储信道长度(2L5-L6)增加。如果位垒H2的下降率大于增加率，那么最大传输电荷量Q2减小。因此，为了确保充分的最大传输电荷量，必须把电极长度L2设定得满足Q1≤Q2的关系。
习惯上，当使垂直传输电极的电极长度过大时，在传输方向上的边缘电场可能被消弱，使传输效率下降。由于这个原因，不能使电极长度随意增大。但是，近年来象素尺寸明显地减小，因此，就每个电极的电极长度来说约为2μm或更小，边缘电场不会被消弱。大约几十kHz的传输频率不成问题。图7表示本发明第二实施例的CCD固态图象传感器。图7仅表示水平和垂直方向上的3×2个象素。象素结构几乎与第一实施例中的结构相同。
更具体地说，与第一实施例一样，在光电二极管行之间排列带有多晶硅的垂直传输电极206、207、208和209的垂直CCDs 205。
一般在光电二极管204单元中跨过垂直CCDs 205形成四个垂直传输电极206至209。垂直传输电极208还用作为传输电极。垂直传输电极206至209的截面结构与图3和图4所示的第一实施例的图象传感器的截面结构相同。
作为本实施例的固态图象传感器的特征，用作传输电极的垂直传输电极208有最长电极长度，不直接靠近垂直传输电极208的垂直传输电极206有第二最长电极长度。利用这种配置，在本实施例的固态图象传感器中，与第一实施例的固态图象传感器相比，可以使传输电极208的电极长度为2.0μm或更大。
由图16所示的模拟结果可知，当传输门部分210的读出信道宽度W(=垂直传输电极208的电极长度)为2.0μm时，全部读出电压约为12V。即使在考虑制造工差的情况下，至少在14V时就可以完成光电二极管204的读出。按照本实施例，与第一实施例相比，可以获得大的读出电压下降效果。
如在第一实施例中所述，当使作为传输电极的垂直传输电极208的电极长度过大时，其余的垂直传输电极的电极长度会急剧地变小。这会降低传输电荷量。
本实施例中，施加给除了还用作传输电极的垂直传输电极208之外的垂直传输电极206、207和209的驱动脉冲φV1、φV2和φV4的中间电平(VM1)设定得大于施加给还用作传输电极的垂直传输电极208的驱动脉冲φV3的中间电平(VM2)。
由于用作传输电极的垂直传输电极208控制传输门部分210的阈值，所以除非在读出中施加高电平VH，中间电平VM2不会有预定值或更大的值。这是因为当中间电平VM2增加至预定值或更大的值时，根据信号电荷传输，电荷开始从光电二极管204读出给垂直CCD 205。
另一方面，施加给除传输电极208之外的垂直传输电极206、207和209的驱动脉冲φV1、φV2和φV4的中间电平VM1的值在不出现问题的情况下可以增加至某种程度。与第一实施例一样，这是因为各垂直传输电极206、207和209的左右部分都被元件隔离区包围的缘故，因此，即使当电压增加至某种程度时，也不会从光电二极管204读出电荷供给垂直CCD 205。
就是说，可以把施加给垂直传输电极206、207和209的中间电平VM1增加至接近元件隔离区的阈值。该中间电平VM1明显大于可施加给传输电极208的中间电平VM2。
图8A至图8D表示在读出时和在紧随读出之后的的垂直传输周期期间按照以上电压设定施加给垂直传输电极206至209的驱动脉冲波形。图9A至图9G示出表示在图8A至图8D中时间t0至t5的信号电荷存储和传输状态的电位。
如图8C所示，当施加给还用作传输电极的垂直传输电极208的驱动脉冲φV3的中间电平为VM2，施加给除垂直传输电极208之外的垂直传输电极206、207和209的驱动脉冲φV1、φV2和φV4的中间电平为VM1时，保持VM1＞VM2。
本实施例的固态图象传感器中短垂直传输电极的下限几乎与第一实施例相同。与第一实施例的不同之处如下。在图9F中的时间t4，当存储在被施加了低电平VL且因短信道效应使位垒变小的三个电极的下部的电荷量大于在图9C、9E或9G(Q1≤Q2)中的时间t1、t3或t5存储在两个垂直传输电极下部的电荷量时，最大传输电荷量不减少，与第一实施例不同，可以确保足够的最大传输电荷量。
按照本发明，作为用于控制传输门部分的传输电极的垂直传输电极在垂直传输方向上有大于两个邻近垂直传输电极长度的较大长度，因而可以增加传输门部分的读出信道宽度。因此，可以降低从光电转换元件把信号电荷读给垂直CCD的全部读出电压，从而可以获得用低电压驱动的摄象机。此外，当使垂直传输电极的电极长度交替相等时，可以把预定量的电荷存储在沿垂直传输方向相互相邻的两个任意垂直传输电极的下部。由此，可以防止最大传输电荷量减小，和确保宽的动态范围。
当设定相互相邻的两个任意垂直传输电极的较短垂直传输电极的长度，使可存储在沿垂直传输方向连续的三个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量等于或大于可存储在两个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量时，可以降低全部读出电压，而不会减小最大传输电荷量。
在垂直传输电极中，当作为用于控制传输门部分的传输电极的垂直传输电极在垂直传输方向上有最长电极长度时，可以进一步增加传输门部分的读出信道宽度。由此，与本发明第一技术方案(权利要求1)的固态图象传感器相比，可以进一步降低从光电转换元件中读出信号电荷的全部读出电压。
即使当用作传输电极的垂直传输电极在垂直传输方向上有最大长度时，也可以防止最大传输电荷量减小，因而可以确保宽的动态范围。其理由如下。当与作为传输电极的垂直传输电极不相邻的垂直传输电极有第二最大长度，和设定施加给除用作传输电极的垂直传输电极之外的电极的中间电平电压，使其大于施加给用作传输电极的垂直传输电极的中间电平电压时，与本发明第一方案(权利要求1)的固态图象传感器不同，传输电荷量不会降低。
权利要求
1．一种固态图象传感器，其特征在于包括在半导体衬底(112、212)上按矩阵形式两维排列的光电转换元件(104、204)；靠近各所述每个光电转换元件排列以读出存储在所述光电转换元件中的信号电荷的传输门部分(110、210)；靠近所述传输门部分排列以在垂直方向上传输由所述光电转换元件中读出的信号电荷的垂直CCD(105、205)；水平CCD(102、202)，用于在水平方向上传输由所述垂直CCD传输的信号电荷；电荷检测部分(103、203)，用于检测由所述水平CCD传输的信号电荷并输出信号电荷；和在信号电荷的垂直传输方向上于所述垂直CCD上相互相邻地形成的四个垂直传输电极(106-109、206-209)，所述垂直传输电极包括在信号电荷的垂直传输方向上相互相邻的第一传输电极和第二传输电极，所述第一传输电极的长度大于所述第二传输电极的长度，所述第一传输电极还用作控制所述传输门部分的传输电极。
2．如权利要求1的器件，其特征在于，所述第一和第二垂直传输电极的长度之和在有效图象传感区的任何部分都是相等的。
3．如权利要求2的器件，其特征在于，设定所述第二垂直传输电极的长度，利用该长度，存储在垂直传输方向上连续的所述三个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量变得不小于存储在所述两个垂直传输电极的下部电位阱中的最大电荷量。
4．如权利要求2的器件，其特征在于，把所述第一垂直传输电极的长度设定得不大于2μm。
5．如权利要求1的器件，其特征在于，所述垂直传输电极包括第三垂直传输电极，该电极不邻接所述第一垂直传输电极，并且在所有所述垂直传输电极中，所述第一垂直传输电极有最大长度，所述第三垂直传输电极有第二最大长度。
6．如权利要求5的器件，其特征在于，当所述第一垂直传输电极的长度为2.0μm时，读出电压设定得不大于14V。
7．一种驱动固态图象传感器的方法，其中该器件包括在半导体衬底(112、212)上按矩阵形式两维排列的光电转换元件(104、204)；靠近各所述每个光电转换元件排列以读出存储在所述光电转换元件中的信号电荷的传输门部分(110、210)；靠近所述传输门部分排列以在垂直方向上传输从所述光电转换元件中读出的信号电荷的垂直CCD(105、205)；水平CCD(102、202)，用于在水平方向上传输由所述垂直CCD传输的信号电荷；电荷检测部分(103、203)，用于检测由所述水平CCD传输的信号电荷并输出信号电荷；和在信号电荷的垂直传输方向上于所述垂直CCD上相互相邻地形成的四个垂直传输电极(106-109、206-209)，所述垂直传输电极包括在信号电荷的垂直传输方向上互不相邻的第一传输电极和第二传输电极，所述第一垂直传输电极用作控制所述传输门部分的传输电极并有最大长度，所述第二垂直传输电极有第二最大长度，其特征在于该方法包括以下步骤设定施加给除所述第一垂直传输电极之外的所述垂直传输电极的中间电平电压，该中间电平电压大于施加给所述第一垂直传输电极的中间电平电压，以便设定存储在沿信号电荷的垂直传输方向连续的所述三个垂直传输电极下部的电位阱中的最大电荷量，使其不小于存储在沿信号电荷的垂直传输方向的相邻的所述两个垂直传输电极下部的电位阱中的最大电荷量。
8．如权利要求7的方法，其特征在于，当所述第一垂直传输电极的长度为2.0μm时，读出电压设定得不大于14V。
全文摘要
在固态图象传感器中,将光电转换元件按矩阵形式两维地排列在半导体衬底上。把传输门部分靠近各光电转换元件排列,把垂直CCD靠近传输门部分排列。电荷检测部分检测由水平CCD传输的信号电荷并输出该信号电荷。沿信号电荷的垂直传输方向在垂直CCD上相互邻接地形成四个垂直传输电极。第一垂直传输电极有大于第二垂直传输电极的长度,并作为控制传输门部分的传输电极。此外,还披露了这种固态图象传感器的驱动方法。
文档编号H04N5/341GK1226749SQ9910294
公开日1999年8月25日 申请日期1999年2月18日 优先权日1998年2月18日
发明者冨留宫正之 申请人:日本电气株式会社